DE4422387A1 - Sensorbussystem mit identischen Nebenstufen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorbussystem mit einer Hauptstufe die eine Anzahl von identischen Nebenstufen bezüglich eines jeweiligen Sensorsignals abfrägt. Die Identität bezieht sich dabei insbesondere auf die Adressen der Nebenstufen, die völlig gleich sind, so daß eine einzelne Abfrage im Prinzip nicht möglich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Sensorbussystem für derartige identischen Nebenstufen anzugeben das mit wenig Schaltungsaufwand funktioniert und insbesondere monolithisch integrierbar ist. Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.

Die Erfindung geht von dem aus der allgemeinen Meßtechnik bekannten Meßverfahren der sequentiellen Abfrage der verschiedenen Sensoren oder Meßfühler aus. Bei der seriellen Abfrage ist keine individuelle Adressierung erforderlich, wenn jeder Abfragezyklus mit dem gleichen Sensor beginnt. Die serielle Abfrage hat den großen Vorteil, daß keine getrennte Lagerhaltung oder vorherige Adressenprogrammierung der einzelnen Sensoren erforderlich ist. Die Erfindung hat weitere Vorteile, indem die interne Schaltung der einzelnen Nebenstufen sehr einfach ist, keine externen Bauteile erfordert und damit auch nur wenige Anschlußbeine erforderlich sind und der Abfragezyklus ausschließlich durch die Hauptstufe gesteuert wird. Somit wird der ganze Aufwand für die Bussteuerung in die Hauptstufe verlagert und dort von einem in der Regel stets vorhandenen Mikroprozessor übernommen. Es ist ein leichtes, diesen Mikroprozessor entsprechend zu programmieren, so daß er das Abfrageprogramm für das gesamte Sensorbussystem in der gewünschten Form ausführen kann.

Die Erfindung wird nun anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert:

Fig. 1 zeigt schematisch ein Sensorbussystem mit einer Hauptstufe und mehreren Nebenstufen,

Fig. 2 zeigt als Blockschaltbild die Innenschaltung einer Nebenstufe und

Fig. 3 zeigt schematisch im Zeitdiagramm einige Signalverläufe des Sensorbussystems.

In Fig. 1 ist schematisch eine Sensorbussystem nach der Erfindung dargestellt, das eine Hauptstufe M und eine erste, zweite und n-te Nebenstufe S1, S2, Sn aufweist. An die Hauptstufe ist eine Zweidrahtbusleitung angeschlossen, wobei die erste Busleitung b1 gleichzeitig der Versorgung der Nebenstufen mit der positiven Versorgungsspannung VDD dient. Sie wird jeweils an einem ersten Anschluß 1 zugeführt. An einem zweiten Anschluß 2 sind die Nebenstufen mit der negativen Versorgungsspannung VSS bzw. mit der Masse verbunden. Eine zweite Busleitung b2 bildet die Rückleitung der Zweidrahtbusleitung auf die Hauptstufe M. Bezüglich der ersten Busleitung b1 sind alle Nebenstufen S1 bis Sn parallel angeschlossen, dies gilt jedoch nicht für die zweite Busleitung b2. Sie verbindet alle Nebenstufen S1 bis Sn in Serie. Jede Nebenstufe weist zu diesem Zweck für die zweite Busleitung b2 eine Eingangsklemme 3 und eine Ausgangsklemme 4 auf. In Signalflußrichtung der Busrückleitung b2 werden die Nebenstufen über die Klemmen 3 und 4 hintereinander geschaltet bis sie schließlich mit einer Buseingangsklemme der Hauptstufe M verbunden sind. In dieser Form kommt jede Nebenstufe mit einem vierbeinigen Gehäuse aus.

In Fig. 2 ist schematisch die Innenschaltung einer einzigen Nebenstufe Si dargestellt. An der ersten Anschlußklemme 1 wird die Versorgungsspannung VDD zugeführt. Ein Netzteil p erzeugt eine intern geregelte Versorgungsspannung VDD′ und speist auch eine Sensoreinheit su, die in Fig. 2 durch eine Hall-Spannungsmeßeinrichtung H realisiert ist. Den zugehörigen Hall-Versorgungsstrom ih liefert das Netzteil p. Das Ausgangssignal der Sensoreinheit su wird einer Wandlereinheit w zugeführt. Die Sensoreinheit kann z. B. auch einen optoelektrischen oder einen thermischen oder mechanischen Sensor, wie Drucksensor, enthalten. In Fig. 2 ist es eine Hall-Spannungsmeßeinrichtung H, die als Ausgangssignal eine Hall-Spannung uh liefert die von einem Verstärker v linear verstärkt wird. Die Wandlereinheit w kann selbstverständlich auch digitale Signalverarbeitungseinrichtungen enthalten, das setzt in der Regel die Verwendung eines Analog-Digitalumsetzers in der Wandlereinheit w voraus. Wenn die Wandlereinheit w wie in Fig. 2 analoge Signale verarbeitet, dann ist es zweckmäßig, einen Schmitt-Trigger tr an den Ausgang der Wandlereinheit w anzuschließen, um ein eindeutiges - also digitales - Ausgangssignal zu erhalten, das Sensorsignal hi, das beispielsweise einen elektronischen Schalter steuern kann. Gegegenenfalls kann die Sensoreinheit su oder der Schmitt-Trigger tr mit einer Hystereseeinrichtung versehen werden.

Die bisherigen Schaltungsteile betreffen nur die eigentliche Sensoreinrichtung, die letztlich den Sensorimpuls hi zur Verfügung stellt. In jeder Nebenstufe Si finden für die Abfrage über das Bussystem einige einfache Steuervorgänge statt, die von einem Steuerteil st gesteuert werden, das als Ausgangssignale ein Schaltersteuersignal cs, zwei Schiebetakte c1, c2 und ein Netzteilsteuersignal cp erzeugt. Der Zeitablauf der erforderlichen Steuervorgänge ist aus Fig. 3 ersichtlich.

Zunächst bewirkt das Steuerteil st, daß in einem Meßintervall m der Hall-Versorgungsstrom ih gebildet wird. Damit steht das Sensorsignal hi letztendlich zur Verfügung. Mit dem Meßintervall m überlappt sich in zeitlicher Folge ein Übernahmeintervall mr, in dem das Sensorsignal hi von einem Übernahmespeicher r1 übernommen wird. Während des Meßintervalls m und des Übernahmeintervalls mr verbindet ein elektronischer Umschalter sw den Eingang des Übernahmespeichers r1 mit dem Ausgangs des Schmitt-Triggers tr. Nach dem Übernahmeintervall mr befinden sich somit in den Übernahmespeichern r1 sämtlicher Nebenstufen Si die jeweils gemessenen Sensorsignale hi. Nun wird mittels des Schaltersteuersignals cs der elektronische Umschalter sw wieder in seine Ruhelage gebracht, d. h. er verbindet die Eingangsklemme 3 mit dem Eingang des Übernahmespeichers r1. Ab diesem Zeitpunkt kann zur Stromersparnis mittels des Netzteilsteuersignals cp der Hall-Versorgungsstrom ih abgeschaltet werden.

Der Übernahmespeicher r1 bildet mit einem Ausgangspuffer r2 ein zweistufiges Schieberegister, dessen Schiebefunktion von dem Übernahmetakt c1 und dem Schiebetakt c2 gesteuert wird. Der Übernahmetakt c1 und der Schiebetakt c2 sind dabei als nichtüberlappende Takte ausgebildet, so daß beim Schiebevorgang der Übernahmespeicher r1 oder der Ausgangspuffer r2 jeweils die Funktion eines Zwischenspeichers übernehmen, so daß die Information nicht verloren geht. In der Ruhelage des elektronischen Umschalters sw wird das zweistufige Schieberegister r1, r2 der Nebenstufe Si über die Eingangsklemme 3 bzw. die Ausgangsklemme 4 durch die entsprechenden Schieberegisterstufen sämtlicher Nebenstufen S1 bis Sn ergänzt, so daß schließlich ein 2n-stufiges Schieberegister vorliegt, durch das die gespeicherten Sensorsignale hi bis zur Hauptstufe M seriell durchgetastet werden können. Damit ist die serielle Abfrage sämtlicher Nebenstufen sichergestellt. Die Signalflußrichtung des Sensorsignals hi+1 der vorausgehenden Nebenstufe Si+1 ist in Fig. 2 durch einen Pfeil an der zweiten Busleitung b2 darstellt.

In Fig. 3 sind untereinander vier zusammengehörende Zeitdiagramme VDD/V, cs, u4 und ih dargestellt. Das erste Diagramm zeigt die Versorgungsspannung VDD, die an der Klemme 1 anliegt. Sie enthält drei unterschiedliche Spannungspegel von 0 V, 6 V und 12 V. Zwischen 6 V und 12 V liefert die Hauptstufe M Übersteuerungsimpulse vi, die für die einzelnen Nebenstufen das Zeitraster vorgeben. Das Netzteil p in jeder Nebenstufe Si bildet aus der zugeführten Spannung VDD die interne Versorgungsspannung VDD′ mit beispielsweise 5 V. Die Übersteuerungsimpulse und das zugehörige Puls-Pausenverhältnis wird vom Steuerteil st für die Erzeugung der Steuersignale ausgewertet. Vor dem Zeitpunkt t0 und zwischen den Zeitpunkten t4 und t5 ist das gesamte Sensorbussystem spannungslos, es fließt daher auch kein Strom. Zum Zeitpunkt t0 werden die Sensoren aktiviert, indem die Versorgungsspannung VDD auf den Wert 6 V steigt. Damit wird der Meßvorgang ausgelöst - vergleiche in der letzten Zeile den Hall-Versorgungsstrom ih. Während des Meßintervalls m wird auch das Schaltersteuersignal cs aktiviert, so daß der Ausgang des Schmitt-Triggers tr mit dem Eingang des Übernahmespeichers r1 verbunden ist. Die Übernahme erfolgt jedoch erst zum Zeitpunkt t1 wenn der erste Übersteuerungsimpuls vi ausgelöst wird. Die Verriegelung dieses Zustandes im Übernahmespeicher r1 erfolgt zum Zeitpunkt t2, wenn der Übersteuerungsimpuls vi wieder auf den ursprünglichen Wert 6 V abgesunken ist. Ab diesem Zeitpunkt t2 kann sich der Inhalt des Übernahmespeichers r1 nicht mehr ändern, so daß der Hall- Versorgungsstrom ih und das Schaltersteuersignal cs abgeschaltet werden können. Da der Schiebetakt c2 zum Übernahmetakt c1 nichtüberlappend sein muß, kann er frühestens am Ende des Übersteuerungsimpulses vi ausgelöst werden. Mittels des Schiebetaktes c2 wird der Inhalt des Übernahmespeichers r2 in den Ausgangspuffer r2 übernommen und steht als Ausgangssignal u4 an der Klemme 4 zur Verfügung. Dieses Signal u4 ist in Fig. 3, in der dritten Zeile dargestellt.

Zwischen den Zeitpunkten t0 und t2 ist das Ausgangssingal u4 noch unbestimmt. Frühestens zum Zeitpunkt t2 kann das richtige Sensorsignal hi an der Ausgangsklemme 4 abgegriffen werden. Sein Wert ändert sich erst wieder mit dem nächsten Schiebetaktimpuls c2, der zum Zeitpunkt t3 ausgelöst wird. Ab diesem Zeitpunkt t3 ist an der Ausgangsklemme 4 das Sensorsignal h(1-1) der vorausgehenden Nebenstufe Si+1 abzugreifen. Dies entspricht einem ersten Schiebeintervall s1. Nach weiteren Schiebeintervallen s2 bzw. s3 kann an der Ausgangsklemme 4 das Sensorsignal h(i-2) bzw. h(i-3) abgegriffen werden. Selbstverständlich kann der Steuerteil st die Übernahmetakte c1 und die Schiebetakte c2 in Abhängigkeit von den Übersteuerungsimpulsen vi auch anders erzeugen, so daß für einen zweistufigen Schiebevorgang zwei Übersteuerungsimpulse vi erforderlich sind und nicht einer wie in Fig. 3. Zwischen den Zeitpunkten t4 und t5 sind alle Nebenstufen S1 bis Sn wieder stromlos, und zum Zeitpunkt t5 beginnt ein neuer Meßzyklus.

Die Anwendung des Sensorbussystems nach der Erfindung eignet sich sowohl für lineare als auch für matrixförmige Anordnungen. Bei der linearen Anordnung können die einzelnen Nebenstufen die Positionen eines elektromechanischen Schiebeschalters oder Drehschalters mit einer oder mehreren Schaltebenen repräsentieren. Der große Vorteil besteht darin, daß bei der Verwendung von Hall- Sensoren keinerlei mechanisch schleifende Teile für die Erkennung der jeweiligen Schalterposition erforderlich sind. Bei der matrixförmigen Anordnung können getrennte Sensorbussysteme parallel angeordnet sein, so daß die Nebenstufen zeilen- und spaltenförmig angeordnet sind und dadurch beispielsweise eine einfache Dekodierung eines Tastenfeldes ermöglichen. Jeder Zeile ist dabei eine Hauptstufe M und eine derartige Anzahl von Nebenstufen Si zugeordnet, die der Anzahl von Tastenelementen der jeweiligen Zeile entspricht. Mit der Verwendung von Hallsensoren, die elektronische Mehrfachumschalter steuern, lassen sich rein mechanisch gesteuerte Schalter vorteilhaft ersetzen, denn sie vermeiden das störende Prellen und die Abnutzung der Kontaktflächen. Durch geeignete Ausbildung der Hall-Sensoren kann auch die Ansprechschwelle und die zugehörige Toleranz vergrößert werden. Die Verwendung von Differenz-Hall-Sensoren ist ebenfalls möglich.

Ein ähnliches System zur Steuerung von Sensorbussystemen, die der Abfrage von Hall-Sensoren dienen, ist unter dem Titel "Smart Sensor Provides Magnetic Detection with Simplified System Wiring", Autor: Ravi Vig in "PCIM", Mai 1989, Seiten 70 bis 74 beschrieben. Die Ansteuerung der einzelnen Nebenstufen erfolgt allerdings gezielt über eine Einzeladressierung von einer Hauptstufe aus. Dabei werden die Adresseninformationen als Übersteuerungsimpulse, die der Versorgungsspannung VDD überlagert sind, übertragen. Die Rückinformation erfolgt über eine Stromsteuerung der jeweiligen Nebenstufe. Die Nebenstufen sind als zweipolige Elemente ausgebildet, die mit der Hauptstufe über eine auch als Busleitung dienende Zweidrahtleitung verbunden sind.

Claims (5)

1. Sensorbussystem mit einer Hauptstufe (M), die eine Anzahl (n) von identischen Nebenstufen (Si; S1, . . . , Sn) bezüglich eines jeweiligen Sensorsignals (hi) seriell abfrägt,

• - eine Übernahmeeinrichtung (w, tr, sw, st) koppelt während eines Meßintervalls (m) einen Übernahmespeicher (r1) zur Übernahme des Sensorsignals (hi) an eine Sensoreinheit (su),
• - der Ausgang des Übernahmespeichers (r1) ist mit dem Eingang eines Ausgangspuffers (r2) verbunden,
• - die Übernahmeeinrichtung (w, tr, sw, st) koppelt während eines Übernahmeintervalls (mr) und während eines Schiebeintervalls (s1, s2, s3) den Eingang des Ausgangspuffers (r2) an den Ausgang des Übernahmespeichers (r1) und trennt außerhalb des Meßintervalls (m) den Übernahmespeicher (r1) von der Sensoreinheit (su) ab und verbindet dafür den Eingang des Übernahmespeichers (r1) mit einer Eingangsklemme (3) der Nebenstufe (Si), die an eine Ausgangsklemme (4) einer in Signalfußrichtung (hi) unmittelbar vorausgehenden Nebenstufe (Si+1) angeschlossen ist, und
• - die Ausgangsklemmen (4) der Nebenstufe (Si) ist entweder mit einer Eingangsklemme (3) einer in Signalflußrichtung (hi) unmittelbar nachfolgenden Nebenstufe (Si-1) oder mit einer Bus-Eingangsklemme der Hauptstufe (M) verbunden.

2. Sensorbussystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übernahmeeinrichtung ein Steuerteil (st) enthält, das Steuersignale (cs, cp) und/oder Steuertakte (c1, c2) erzeugt.

3. Sensorbussystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektronischer Umschalter (sw) den Eingang des Übernahmespeichers (r1) in einer ersten Schalterstellung mit der Eingangsklemme (3) und in einer zweiten Schalterstellung mit der Sensoreinheit (su) koppelt.

4. Sensorbussystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerteil (st) mittels impulsförmiger Übersteuerungssignale (vi), die der positiven Versorgungsspannung (VDD) überlagert sind, gesteuert ist, wobei die Übersteuerungssignale (vi) von der Hauptstufe (M) ausgelöst sind.

5. Sensorbussystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Sensoreinheit (su) mindestens eine Hall-Spannungsmeßeinrichtung (H) enthalten ist.