DE4412921C2 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur gleichzeitigen Übertragung von Daten und Hilfsenergie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Daten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie Schaltungsanordnungen zur Durchführung des Verfahrens.

Bussysteme dieser Art, bei denen eine Vielzahl von Busteilnehmers in einem ringförmigen Bus, vorzugsweise in Form einer symmetrischen Zweidrahtleitung, hintereinander angeordnet sind und bei denen die Datenübertragung unidirektional von einer Hauptstelle, dem sogenannten Busmaster, aus über alle Teilnehmer und dann zurück zum Busmaster erfolgt, sind in mehreren Varianten bekannt. Zu den einzelnen Busteilnehmern gehören beispielsweise Sensoren und Aktoren, die über den Bus Daten liefern bzw. über den Bus angesteuert werden. Die einzelnen Busteilnehmer weisen jeweils eingangsseitig einen Empfänger zur Aufnahme der Daten vom jeweils vorhergehenden Busteilnehmer und einen Sender zur Weitergabe von Daten zum nachfolgenden Busteilnehmer auf. Eine Rückwärtsübertragung ist bei einem solchen Ringsystem nicht möglich. Die Daten müssen jeweils in der vorgegebenen Übertragungsrichtung über den Ring bis zum gewünschten Busteilnehmer übertragen werden.

Ein Beispiel für ein solches Bussystem mit Ringstruktur ist das Interbus-S-System. Dazu wird verwiesen auf die Zeitschrift "Hard and Soft", 1989 Nr. 7/8, S. 29/33.

Den an den Bus angekoppelten Teilnehmern mit beispielsweise Sensoren, Aktoren usw. muß zusätzlich zu den Daten eine Hilfsenergie zugeführt werden, die für den Betrieb der Sensoren und Aktoren sowie insbesondere auch der jeweiligen Bus-Ankoppelschaltung (Empfänger, Sender) benötigt wird. Üblicherweise wird diese Hilfsenergie in Form einer Gleichspannung über zusätzliche Leitungen den unter Umständen in großer Entfernung angeordneten Busteilnehmern zugeführt. Das verursacht wegen der zusätzlichen Kabel und Installationen oft erhebliche Mehrkosten und erhöht die Störanfälligkeit.

Neben bekannten Bussystemen mit getrennten Leitungen für die Datenübertragung einerseits und die Hilfsenergieübertragung andererseits sind für Bussysteme mit einer sogenannten Linienstruktur auch schon Lösungen bekannt, bei denen die Hilfsenergie über den Bus zusätzlich zu den Daten übertragen wird. Bei einer Linienstruktur sind alle Busteilnehmer parallel an den Bus angeschaltet. Das Ansprechen der einzelnen Busteilnehmer erfolgt über Adressen, die den jeweils übertragenen Datenpaketen vorangestellt sind. Da die einzelnen Adern des Bus bei einer Linienstruktur jeweils zu allen Busteilnehmern durchlaufen, ist die Übertragung der Hilfsenergie verhältnismäßig einfach durchzuführen. Bei allen bekannten Linien-Bussystemen mit Hilfsübertragung, beispielsweise dem M-Bus, dem IEC-Bus oder dem IS-16-Bus, handelt es sich jedoch um Systeme mit niedriger Datenübertragungsrate von einigen oder einigen zehn Kbit/s. Bei dem ebenfalls bekannten ASI-Bus, der jedoch ausschließlich für die Übertragung sehr kurzer Binärworte und einer Datenübertragungsrate von etwa 150 Kbit/s konzipiert ist, wird maximal ein Gleichstrom von 2 A übertragen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und Schaltungsanordnungen zur integrierten Hilfsenergieübertrag für Bussysteme mit Ringstruktur anzugeben, wobei hohe und sehr hohe Datenübertragungsraten erzielt werden und die maximal zu den Busteilnehmer übertragbare Hilfsenergie im Bereich von einigen zehn Watt und mehr liegt. Dabei sollen alle Vorteile eines Bussystems mit Ringstruktur, wie sie beispielsweise beim Interbus-S realisiert sind, gewahrt bleiben.

Die Lösung der Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Das Verfahren und die Schaltungsanordnungen der Erfindung werden zwar vorzugsweise unter Verwendung symmetrischer Zweidrahtleitungen verwirklicht, es können aber auch unsymmetrische Leitungen, insbesondere Koaxialleitungen, Verwendung finden.

Da die an den Bus angelegte Gleichspannung über die Drosseleinrichtungen der Busteilnehmer praktisch ungehindert in beiden Richtungen übertragen werden kann, weist der Bus für die Gleichspannungsübertragung eine Linienstruktur auf, wobei aber für die Datenübertragung die bekannte Ringstruktur erhalten bleibt. Der Kondensator am Eingang jedes Busteilnehmers, der den Bus für die Daten im wesentlichen kurzschließt, bewirkt nicht nur, daß die als Stromsignal übertragenen Daten in Form des Kurzschlußstroms des Kondensators dem Empfänger zugeführt werden können, sondern er verhindert außerdem in Verbindung mit den Drosseleinrichtungen, daß der vom Sender des jeweiligen Busteilnehmers erzeugte Datenstrom rückwärts an den Empfänger des gleichen Busteilnehmers übersprechen kann. Darüber hinaus glättet der Kondensator die Gleichspannung zur Hilfsenergieversorgung.

Da die Daten als Stromsignal übertragen werden, geht von den Busleitungen nur eine geringe Störstrahlung aus. Andererseits ist die Störempfindlichkeit hinsichtlich eingestrahlter Störspannungen sehr gering. Das gilt insbesondere bei Verwendung symmetrischer Zweidrahtleitungen, da dann nur das als Gegentaktsignal vorliegende Nutzdatensignal beim Empfänger ausgewertet wird, nicht dagegen Gleichtaktsignale, die durch äußere Störquellen verursacht werden. Daher kann dann in den meisten Fällen als Bus eine unabgeschirmte Zweidrahtleitung dienen, die nicht nur kostengünstiger ist, sondern auch eine Verringerung des Installationsaufwandes mit sich bringt.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. So wird zweckmäßig die Gleichspannung an den Kondensator wenigstens eines Busteilnehmers angelegt. Im Normalfall erfolgt die Zuführung der Gleichspannung dabei beim sogenannten Busmaster, der in diesem Sinn ebenfalls als Busteilnehmer verstanden werden soll. Die Höhe der angelegten Gleichspannung kann dabei innerhalb der üblichen, durch die verwendeten Bauteile gegebenen Grenzen gewählt werden, und zwar unabhängig von der Signalamplitude der übertragenen Daten. Die Höhe der übertragbaren Hilfsenergie wird einerseits durch die verwendete Gleichspannung und andererseits durch den maximalen Gleichstrom begrenzt, der über die Busadern und die Drosseleinrichtungen der Busteilnehmer übertragen werden kann. Werte von 2 A und mehr sind möglich, ohne daß der Aufwand für die Bauelemente, insbesondere die Drosseleinrichtungen, zu hoch wird.

Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß jeder Busteilnehmer am Eingang einen Übertrager mit zwei Primärwicklungen besitzt. Diese Primärwicklungen sind je in einer Ader der Zweidrahtleitung eingeschleift. Der Empfängereingang des jeweiligen Busteilnehmers ist mit einer Sekundärwicklung des Übertragers verbunden. Der Kondensator ist, gesehen in der Übertragungsrichtung der Daten, am Ausgang der Primärwicklungen zwischen die Adern der Zweidrahtleitung geschaltet. Der über den Kondensator fließende Kurzschlußstrom der Datensignale induziert dann über die beiden Primärwicklungen ein Ausgangssignal in der Sekundärwicklung, das das Empfängereingangssignal darstellt und den Kurzschlußstrom wiedergibt. Der Übertrager ist dabei vorzugsweise ein Stromwandler, d. h. das Ausgangssignal der Sekundärwicklung wird als Stromsignal dem Empfängereingang zugeführt, der einen niedrigen Eingangswiderstand besitzt. Auch dadurch wird die Störsicherheit erhöht.

Die Drosseleinrichtungen haben die Aufgabe, zum einen den Gleichstrom der Hilfsenergie bei möglichst niedrigem Widerstand zu übertragen, zum anderen aber dafür zu sorgen, daß die vom Sender des jeweiligen Busteilnehmers erzeugten Datensignalströme zum überwiegenden Teil in die zum nächsten Busteilnehmer führende Leitung und nur zu einem geringen Anteil in Rückwärtsrichtung fließen. In vorteilhafter Weise können dazu die Drosseleinrichtungen jeweils in Form einer Induktivität verwirklicht werden.

Zweckmäßig werden die Drosseleinrichtungen je durch einen Widerstand überbrückt, der gleich dem halben Wellenwiderstand der Leitung ist. Dann wird die Leitung jeweils vom nachfolgenden Busteilnehmer aus gesehen mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen, so daß auch bei langen Leitungen keine Störungen durch Reflexionen auftreten können.

Die Anschaltung des Senders an die Zweidrahtleitung erfolgt entweder direkt oder über je einen Kondensator oder mit Vorteil über einen Ausgangsübertrager mit einer Primärwicklung, die an den Senderausgang angeschlossen ist. Zwei symmetrische Sekundärwicklungen des Ausgangsübertragers werden in die Adern der Zweidrahtleitung eingeschleift und können bei richtiger Dimensionierung gleichzeitig die Drosseleinrichtungen bilden.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben, die schematisch ein Bussystem mit Ringstruktur darstellt.

Das Bussystem weist einen Busmaster 1 und eine Anzahl von Busteilnehmern auf, von denen zur Vereinfachung nur ein einziger Busteilnehmer 2 dargestellt ist. Ein Bus in Form einer symmetrischen Zweidrahtleitung 3 mit Adern 3a und 3b verbindet den Busmaster 1 mit dem Busteilnehmer 2, führt dann zu weiteren, nicht dargestellten Busteilnehmern und schließlich zurück zum Busmaster. Auch diese Verbindung, die dann das System zu einem Ringsystem ergänzt, ist zur Vereinfachung nicht dargestellt, weil Bussysteme mit Ringstruktur an sich bekannt sind. Der Busteilnehmer 1 enthält eine Gleichspannungsquelle 4, die eine Gleichspannung von beispielsweise 24 V an die beiden Adern 3a und 3b anlegt. Weiterhin enthält der Busmaster einen Sender 5, der die Daten in Form eines symmetrischen Stromsignals den Adern 3a und 3b über Leitungen 6a und 6b zuführt. Induktivitäten in Form von Drosseln 7 verhindern, daß der Datenwechselstrom im wesentlichen in Vorwärtsrichtung zum Busteilnehmer 2 und nicht in Rückwärtsrichtung fließen kann und dann durch die Gleichspannungsquelle 4 zusammen mit dem parallelgeschalteten Kondensator 8 kurzgeschlossen wird. Damit der überwiegende Anteil des Datenwechselstroms vom Sender 5 tatsächlich zum Eingang des häufig weit entfernten Busteilnehmers 2 fließt, muß der für den jeweiligen Datenfrequenzbereich wirksame Wechselstromwiderstand der beiden Drosseln 7 deutlich größer sein als der Wechselstromwiderstand der Reihenschaltung aus der Induktivität der Leitung 3, dem ohmschen Widerstand der Leitung 3 und dem Wechselstromwiderstand der Eingangschaltung des Busteilnehmers 2. Beispielsweise beträgt die Induktivität der Drosseln etwa 7 µH. Drosseln mit einem solchen niedrigen Induktivitätswert lassen sich auch für eine Strombelastung von beispielsweise 2 A und mehr für die Hilfsenergie mit niedrigem Aufwand und Raumbedarf herstellen. Widerstände 9 parallel zu den Drosseln 7 bewirken in Verbindung mit dem Kondensator 8, daß die Leitung 3 eingangsseitig etwa mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen ist. Für eine symmetrische Zweidrahtleitung mit einem Wellenwiderstand von etwa 130 Ω haben die Widerstände je einen Wert von 65 Ω. Der Abschluß mit dem Wellenwiderstand verhindert Signalreflexionen und damit Störungen.

Der Busteilnehmer 2 unterscheidet sich vom Busmaster 1, abgesehen von der fehlenden Gleichspannungszuführung, durch eine Spannungsquelle im wesentlichen durch die Eingangsschaltung mit einem zugehörigen Empfänger 10. Der vom Sender 5 des Busmasters 1 über die Zweidrahtleitung 3 ankommende Datenwechselstrom fließt über zwei symmetrische Eingangswicklungen 11 eines Eingangsübertragers 12 mit einem Ringkern 13. Eine Sekundärwicklung 14 des Übertragers 12 speist den Eingang des Empfängers 10. Hinter den beiden Primärwicklungen 11 (gesehen in der Übertragungsrichtung der Daten vom Busmaster 1 zum Busteilnehmer 2) sind die beiden Adern 3a, 3b der Leitung wechselstrommäßig durch einen Kondensator 18 kurzgeschlossen, der dem Kondensator 8 des Busmasters 1 entspricht. An diesem Kondensator 18 kann, wie symbolisch durch Pfeile 19 dargestellt, eine Gleichspannung als Hilfsenergie für die Schaltungsanordnungen des Busteilnehmers 2 entnommen werden.

Wie beim Busmaster ist ein Sender 5 vorgesehen, der über Leitungen 6a und 6b Daten vom Busteilnehmer 2 auf die zum nächsten Busteilnehmer (nicht dargestellt) führende Zweidrahtleitung gibt. Wiederum wird die Rückwärtsübertragung des Datenwechselstroms durch Drosseln 7 verhindert. Parallel geschaltete Widerstände 9 erfüllen den gleichen Zweck wie beim Busmaster 1.

Claims (7)

1. Verfahren zur Übertragung von Daten über eine vorzugsweise symmetriche Zweidrahtleitung (Bus 3), in die mehrere Busteilnehmer (2) mit je einem eingangsseitigen Empfänger (10) und je einem ausgangsseitigen Sender (5) eingeschleift sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur gleichzeitigen Übertragung von Hilfsenergie und Daten eine die Hilfenergie liefernde Gleichspannung (4) an wenigstens einer Stelle zwischen die beiden Adern der Zweidrahtleitung (3) angelegt wird, daß die Daten als Stromsignal übertragen werden, daß am Eingang jedes Busteilnehmers (2) die Zweidrahtleitung (3) für die Daten durch einen Kondensator (18) im wesentlichen kurzgeschlossen ist, daß der Kurzschlußstrom dem Empfängereingang zugeführt wird, und daß der symmetrische Senderausgang hinter der Drosseleinrichtung (7) an die Zweidrahtleitung (3) angekoppelt (6a, 6b) ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannung (4) an den Kondensator (8,18) wenigstens eines Busteilnehmers (2) oder vorzugsweise des Busmasters (1) angelegt wird.

3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Busteilnehmer (2) am Eingang einen Übertrager (12) mit zwei Primärwicklungen (11) aufweist, die je in eine Ader (3a, 3b) der Zweidrahtleitung (3) eingeschleift sind,
daß eine Sekundärwicklung (14) des Übertragers (12) mit dem Empfängereingang verbunden ist und daß der Kondensator (18) am Ausgang der Primärwicklungen (11) zwischen die Adern (3a, 3b) der Zweidrahtleitung geschaltet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertrager ein Stromwandler (12) ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosseleinrichtungen Induktivitäten (7) aufweisen.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosseleinrichtungen (7) je durch einen Widerstand (9) überbrückt sind, der gleich dem halben Wellenwiderstand der Zweidrahtübertragungsleitung (3) ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen Ausgangsübertrager mit einer Primärwicklung, die an den Ausgang des Senders (5) angeschlossen ist und mit zwei symmetrischen Sekundärwicklungen, die in die Adern (3a, 3b) der Zweidrahtleitung (3) eingeschleift sind und gleichzeitig die Drosseleinrichtungen bilden.