DE4316810C1 - Filteranordnung für Sensoren, Aktuatoren und eine Steuereinheit, die über ein Leitungssystem verbunden sind - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Aus der DE-OS 21 35 320 ist eine Schaltungsanordnung zur Auswertung von wellenförmigen elektrischen Signalen, wie insbesondere Magnetschriftlesesigna­ len, bekannt. Als Bitwerte vorliegende Informationen werden auf einem magne­ tisierten Aufzeichnungsträger aufgezeichnet. Die in einem Lesekopf beim Lesen der Aufzeichnung induzierte Lesespannung liegt nicht in Form von den Folgen der Bitwerte entsprechenden binären Rechtecksignalen vor, sondern in Form von wellenförmigen Signalen. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Magnetisie­ rungs-Richtungswechsel beim Aufzeichnen der Informationen relativ große An­ stiegszeiten aufweisen, die die Rechtecksignale beträchtlich verzerren. Zudem erfolgt eine Verzerrung der Magnetschriftlesesignale durch die Anstiegszeiten der im Lesekopf induzierten Spannungen.

Die in der DE-OS 21 35 320 beschriebene Schaltungsanordnung dient zur Re­ konstruktion der Folgen der Bitwerte aus den wellenförmigen Signalen. Die Schaltungsanordnung weist insgesamt drei Zweige auf. Im ersten Zweig werden mittels einer Differenzierschaltung die Scheitel der Signale erkannt. In den bei­ den anderen Zweigen werden die Wellenzüge der Signale mit positiven bzw. negativen Vorzeichen getrennt ausgewertet. In den Zweigen werden die Signale zur Energiebewertung integriert. Aus diesen Signalen werden die Bitfolgen re­ konstruiert. Durch die Integration werden kurzzeitige Störimpulse eliminiert.

Eine Vorrichtung dieser Art ist Gegenstand der Patentanmeldung P 43 06 185.0. Bei der dort beschriebenen Vorrichtung handelt es sich um ein Sensor-Aktuator- Bussystem, das vorzugsweise im Master-Slave-Betrieb arbeitet. Der von der Steuereinheit gebildete Master ruft die von den Sensoren und Aktuatoren gebil­ deten Slaves unter Adressen zum bidirektionalen Austausch von Informationen zyklisch auf. Dabei empfängt die Steuereinheit von den Slaves Daten, beispiels­ weise Schaltzustände von Sensoren, die als Lichtschranken ausgebildet sein kön­ nen. Die Steuereinheit kontrolliert zum einen den Datenfluß im Bussystem und steuert zum anderen die Funktionen der angeschlossenen Sensoren und Aktuato­ ren.

Derartige Bussysteme können vorteilhaft zur Steuerung von Industrieanlagen, wie beispielsweise komplexen Steuerungen an Fließbandanlagen, eingesetzt wer­ den.

Beim Einsatz der Bussysteme in Industrieumgebungen können beispielsweise durch Fremdeinstrahlung von elektrischen Geräten erhebliche Störungen der Signalübertragung auf dem Bussystem auftreten. Daher ist zweckmäßigerweise am Eingang der Sensoren und Aktuatoren bzw. der Steuereinheit eine Filteran­ ordnung zur Elimination der Störsignale vorgesehen. Üblicherweise wird hierfür ein schmalbandiges Bandpaß-Filter eingesetzt.

Nachteilig bei derartigen Vorrichtungen ist jedoch, daß aufgrund der endlichen Einschwingzeit des Filters Verfälschungen der binären Signalfolgen entstehen können. Je nach Dimensionierung des Filters wird ein positiver oder negativer Spannungspuls, der einen Teil eines binären Signals kodiert, durch die Ein­ schwingzeit des Filters so verzerrt, daß am Ausgang des Filters auf einen Span­ nungspuls mit positivem oder negativem Vorzeichen ein oder mehrere Über­ schwingungs-Pulse mit umgekehrtem Vorzeichen folgen.

Diese Überschwingungs-Pulse können in Amplitude und Dauer von gleicher Größenordnung wie ein Nutzsignal-Spannungspuls sein. Eine an das Filter an­ schließende Auswerteeinheit kann somit nicht sicher zwischen Stör- und Nutz­ signal-Spannungspulsen unterscheiden, so daß Fehler in der Signalübertragung auftreten können.

Bei Sensor-Aktuator Bussystemen betragen die Zykluszeiten typischerweise einige msec. Die Bitdauer einer binären Signalfolge beträgt typischerweise einige µsec. Bei Kodierungsverfahren, bei denen die Bitfolgen der Signale in Span­ nungspulse mit wechselnden Vorzeichen kodiert werden, wie beispielsweise bei dem Alternierenden-Flanken-Pulsverfahren, treten die Übergänge von positiven auf negative Spannungspulse und umgekehrt in kurzen, regelmäßigen Abständen auf, vorzugsweise in der Größenordnung einer oder weniger Bitdauern.

Dies bedeutet, daß die Übergänge von positiven auf negative Spannungspulse bzw. umgekehrt, in der Größenordnung einiger µsec erfolgen. In derselben Größenordnung liegt auch das typische Einschwingverhalten von Filtern, insbe­ sondere von für diese Zwecke verwendeten Bandpässen. Dies bedeutet, daß die Pulsdauer der Überschwingungs-Pulse von derselben Größenordnung wie die Wiederholdauer der Nutzsignal-Spannungspulse sind. Demzufolge können derar­ tige handelsübliche Filter für den Betrieb von Sensor-Aktuator Bussystemen nur bedingt eingesetzt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Filteranordnung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß durch die Filterung keine den Nutzsignalen folgenden Überschwingungspulse entstehen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die kennzeichnenden Merkmale des An­ spruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2-12 beschrieben.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch den zweikanali­ gen Aufbau der Filteranordnung die positiven Spannungspulse getrennt von den negativen Spannungspulsen gefiltert werden. Dadurch können Überschwingungs- Pulse, die in einem Kanal der Filteranordnung auftreten, ohne Gefahr von Sig­ nalverfälschungen eliminiert werden, da in einem Kanal der Filteranordnung nur Nutzsignal-Spannungspulse mit einem bestimmten Vorzeichen auftreten dürfen.

Dafür weist die Filteranordnung in jedem Kanal einen Komparator auf, der die Überschwingungs-Pulse elimi­ niert.

Die Pulsfolgen der positiven und negativen Spannungspulse werden in den bei­ den Kanälen der Filteranordnung vorzugsweise synchron gefiltert. Dies verein­ facht die Zusammenführung der beiden Spannungspulsfolgen in der Auswerte­ einheit. Diese kann zweckmäßigerweise von einem RS-Flip-Flop gebildet sein. Somit werden die Pulsfolgen der negativen und positiven Spannungspulse in der Auswerteeinheit zusammengeführt und gleichzeitig in eine binäre Signalfolge umgesetzt.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert: Es zeigt

Fig. 1 Ein Blockschaltbild eines Sensor-Aktuator-Bussystems,

Fig. 2 eine Filter-Anordnung eines Sensors, Aktuators oder einer Steuer­ einheit,

Fig. 3a) Impulsdiagramm einer binären Signalfolge, die zwischen einem Sensor oder Aktuator und der Steuereinheit über­ tragen wird,

b) Impulsdiagramm einer Spannungspulsfolge, die die ko­ dierte Form der Signalfolge nach Fig. 3a darstellt.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 1 zur bidirektionalen Übertragung von Datenwor­ ten zwischen einer Steuereinheit 2 und über ein Leitungssystem 3 verbundenen Sensoren 4 und Aktuatoren 4 dargestellt. Die Vorrichtung 1 bildet ein Sensor- Aktuator Bussystem, das vorzugsweise nach dem Master-Slave Prinzip arbeitet. Während einer Installationsphase werden den Slaves vom Master zu deren Iden­ tifikation Adressen zugewiesen. Die Adressen können in den Slaves integrierten, in den Zeichnungen nicht dargestellten Schnittstellenbausteinen nichtflüchtig ge­ speichert sein. Während der Betriebsphase des Bussystems werden die Slaves vom Master zum bidirektionalen Austausch von Datenworten unter den Adres­ sen zyklisch abgefragt.

Die zu übertragenden Datenworte liegen im Master und in den Slaves als Folge von binären Signalen vor. Die binären Signalfolgen bestehen aus einer Gruppe von Bitfolgen, die zwei diskrete Werte 0 oder 1 annehmen, wobei die Dauer eines Bits in der Größenordnung von einigen µsec liegt (Fig. 3a).

Zweckmäßigerweise werden die binären Signalfolgen als Folge von Spannungs­ pulsen mit alternierenden Vorzeichen kodiert (Fig. 3b). Dabei kodiert ein Spannungspuls mit positivem Vorzeichen den Übergang eines Signals von 0 auf 1 und ein Spannungspuls mit negativem Vorzeichen den Übergang eines Signals von 1 auf 0.

Die Spannungspulse weisen zweckmäßigerweise einen sin²-förmigen Verlauf auf. Die Umformung der binären Signale in Spannungspulse erfolgt über in den Zeichnungen nicht dargestellte Drosselspulen an einem Netzteil, das zur Strom­ versorgung der Slaves dient. Vorzugsweise ist das Netzteil im Master integriert.

Die Spannungspulse werden über das von Busleitungen gebildete Leitungssys­ tem 3 übertragen. Die Busleitungen sind als Zwei-Draht-Leitungen ausgebildet. Neben den Spannungspulsen wird über die Busleitungen auch die Energie zur Stromversorgung der Slaves übertragen.

Durch externe Störeinflüsse, wie z. B. Störeinstrahlungen von in der Umgebung des Bussystems angeordneten elektronischen Geräten, können den das Nutzsignal darstellenden Spannungspulsen Störsignale überlagert werden. Um diese Störsig­ nale zu eliminieren, ist an den Eingängen des Masters bzw. der Slaves eine Filteranordnung 5 vorgesehen.

Die in Fig. 2 dargestellte erfindungsgemaße Filteranordnung 5 weist einen zwei­ kanaligen Aufbau auf. Am Eingang der Filteranordnung 5 ist zur Pegelbegren­ zung der von der Busleitung empfangenen Spannungspulse ein Spannungsbe­ grenzer 6 vorgesehen. Der Spannungsbegrenzer 6 besteht aus zwei antiseriell geschalteten Z-Dioden. Die Pegelbegrenzung dient zum Schutz der Filteranord­ nung gegen Überspannungen.

Die Filteranordnung 5 weist einen Signalteiler 7 auf, der die von der Busleitung empfangenen Folgen der Spannungspulse mit alternierenden Vorzeichen in je­ weils zwei Spannungspulsfolgen mit positivem bzw. negativem Vorzeichen auf­ trennt. Vorzugsweise besteht der Signalteiler 7 aus zwei antiparallel geschalteten Schottky-Dioden.

Der Spannungsteiler 7 weist zwei Ausgänge auf, an die die beiden Kanäle 8, 8′ der Filteranordnung 5 angeschlossen sind. Über den Kanal 8 werden die Span­ nungspulse mit positivem Vorzeichen geführt, während über den Kanal 8′ die Spannungspulse mit negativem Vorzeichen geführt werden. Die Kanäle 8, 8′ sind vollkommen identisch aufgebaut, so daß die Laufzeit der einzelnen Span­ nungspulsfolgen in den Kanälen 8, 8′ identisch ist. Demzufolge bleibt die Syn­ chronisierung der beiden Spannungspulsfolgen innerhalb der Laufzeit in den beiden Kanälen 8, 8′ erhalten.

In den Kanälen 8, 8′ der Filteranordnung 5 ist jeweils ein als Bandpaß ausgebil­ detes Filter vorgesehen, das aus einem in Serie geschalteten Hochpaß 9, 9′ und einem Tiefpaß 10, 10′ besteht. Mit dieser Filterung werden die Störsignalanteile, die den Spannungspulsfolgen überlagert sind, eliminiert.

Durch die endliche Ansprechzeit des Bandpasses kann an dessen Ausgang ein Überschwingungs-Puls entstehen, der ein gegenüber dem Nutzsignalspannungs­ puls umgekehrtes Vorzeichen aufweist. Ein solcher Überschwingungs-Puls ist in Fig. 3 mit der Ziffer I gekennzeichnet.

Würde die Filterung der positiven und negativen Nutzsignal-Spannungspulse über eine gemeinsame Filterung einkanalig erfolgen, so könnten derartige Über­ schwingungspulse zwar mit einem Komparator eliminiert werden. Dies würde jedoch die Gefahr eines Informationsverlustes bedeuten, da mit dem Komparator eventuell auch Nutzsignal-Spannungspulse, die bezüglich des Störsignalpulses gleiches Vorzeichen und eventuell auch eine vergleichbare Dauer und Amplitu­ de aufweisen, eliminiert würden. Dies ist in Fig. 3 veranschaulicht.

Das Impuls-Diagramm nach Fig. 3b zeigt eine fehlerfreie Kodierung der binären Signalfolge nach Fig. 3a mit Ausnahme des ersten Spannungspulses, auf den ein Störsignal-Spannungspuls folgt.

Auf den Störsignal-Spannungspuls folgt ein Nutzsignal-Spannungspuls mit glei­ chem Vorzeichen und nahezu derselben Dauer und Amplitude. In diesem Fall kann der Störsignalpuls als Nutzsignal interpretiert werden. Demzufolge kann eine einkanalige Filterung der Spannungspulse nur unter der Gefahr von In­ formationsverfälschungen durchgeführt werden.

Diese Problematik wird mit der erfindungsgemäßen Filteranordnung 5 auf einfa­ che und kostengünstige Weise gelöst. Bei dieser Anordnung ist sichergestellt, daß in jedem Kanal 8, 8′ der Filteranordnung 5 die Nutzsignal-Spannungspulse ein definiertes Vorzeichen aufweisen. Jeder Spannungspuls, der ein umgekehrtes Vorzeichen aufweist, ist unmittelbar als Störsignal-Spannungspuls identifizier­ bar. Die Elimination dieser Überschwingungspulse erfolgt in einer besonders einfachen und vorteilhaften Ausführungsform über einen dem Bandpaß nachge­ schalteten Komparator 11, 11′. Die Pulsfolgen der in den beiden Kanälen 8, 8′ gefilterten positiven und negativen Spannungspulsfolgen werden in einer Aus­ werteeinheit 12 zusammengeführt. Die Auswerteeinheit 12 weist zwei Eingänge auf, an die die beiden Ausgänge der Kanäle 8, 8′ der Filteranordnung 5 ange­ schlossen sind.

Da die Ausbreitung der Pulsfolgen in den beiden identisch aufgebauten Kanälen 8, 8′ zeitlich synchron verläuft, müssen die Pulsfolgen bei der Zusammenfüh­ rung in der Auswerteeinheit 12 nicht synchronisiert werden.

In einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform ist die Auswerteeinheit 12 von einem RS-Flip-Flop gebildet. Durch diese Kippschaltung werden die Puls­ folgen der positiven und negativen Spannungspulse nicht nur zusammengeführt, sondern zugleich in eine binäre Signalfolge zurückkodiert. Dadurch wird eine nachfolgende Dekodierlogik zur Rückgewinnung der binären Signalfolgen einge­ spart. Am Ausgang der Auswerteeinheit 12 stehen damit die binären Signale unmittelbar zur Weiterverarbeitung in der Steuereinheit 2 bzw. in den Sensoren 4 und Aktuatoren 4 zur Verfügung.

Claims (11)

1. Filteranordnung für eine Vorrichtung zur bidirektionalen Übertragung von Datenworten zwischen einer Steuereinheit und über ein Leitungssystem mit der Steuereinheit verbundenen Sensoren und/oder Aktuatoren, wobei die Datenworte als Folge binärer Signale ausgebildet sind, die als Folge von Spannungspulsen unterschiedlichen Vorzeichens kodiert über das Lei­ tungssystem übertragen werden und über die Filteranordnung in die Steu­ ereinheit bzw. die Sensoren oder Aktuatoren eingespeist werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Filteranordnung (5) einen Signalteiler (7) mit zwei Ausgängen zur Trennung der positiven und negativen Spannungspul­ se, zwei an die Ausgänge angeschlossene Filter, die jeweils aus einem Bandpaß und einem Komparator (11, 11′) bestehen, sowie eine Auswerte­ einheit (12), an die die Ausgänge der Filter angeschlossen sind, aufweist.

2. Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter identisch ausgebildet sind.

3. Filteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bandpaß aus einem Hochpaß (9, 9′) und einem diesem nachgeschalteten Tiefpaß (10, 10′) besteht.

4. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalteiler (7) zwei Schottky-Dioden aufweist.

5. Filteranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schott­ ky-Dioden antiparallel geschaltet sind.

6. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (12) von einem RS-Flip-Flop gebildet ist.

7. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Filteranordnung (5) ein Spannungsbegrenzer (6) vorgeschaltet ist.

8. Filteranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Span­ nungsbegrenzer (6) aus zwei antiseriell geschalteten Z-Dioden aufgebaut ist.

9. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungspulse sin²-förmig ausgebildet sind.

10. Filteranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein positi­ ver Spannungspuls eine steigende Flanke der binären Signalfolge und ein negativer Spannungspuls eine fallende Flanke der binären Signalfolge kodiert.

11. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeich­ net, daß das Leitungssystem (3) von Zwei-Draht-Busleitungen gebildet ist.