DE4422387C2 - Sensorbussystem mit identischen Nebenstufen - Google Patents
Sensorbussystem mit identischen NebenstufenInfo
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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.
Ein bekanntes Sensorbussystem, das der Abfrage von Hall-Sensoren dient, ist
in "PCIM", Mai 1989, Seiten 70 bis 74 unter dem Titel "Smart Sensor Provides
Magnetic Detection with Simplified System Wiring", Autor: Ravi Vig
beschrieben. Die Ansteuerung der einzelnen Nebenstufen erfolgt gezielt über
eine Einzeladessierung 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 als
Versorgungs- und Busleitung dienende Zweidrahtleitung verbunden sind.
In US 4,628,481 ist ein Bussystem mit einer Hauptstufe beschrieben, die eine
Anzahl von identischer Nebenstufen bezüglich eines jeweiligen Sensorsignals
seriell abfrägt. Während eines Meßintervalles wird ein Schieberegisterelement
mit einer Sensoreinheit zur Übernahme des Sensorsignals gekoppelt. Außerhalb
des Meßintervalles wird die Sensoreinheit abgetrennt und dafür der Eingang
des Schieberegisterelements mit der Ausgangsklemme der unmittelbar
vorausgehenden Nebenstufe verbunden. Die Ausgangsklemmen der
Nebenstufen sind dabei jeweils mit den Eingangsklemmen der nachfolgenden
Nebenstufen und schließlich der Hauptstufe verbunden.
In DE 36 03 751 A1 ist eine aus einer Haupt- und mehreren Nebenstufen
bestehende Busvorrichtung beschrieben, die in Gestalt eines über die
Nebenstufen verteilten Ring-Schieberegisters aufgebaut ist und von der
Hauptstufe gesteuert wird. Die Nebenstufen werden dabei seriell abgefragt,
wobei die Abfrage auch ein Sensorsignal betreffen kann. Über ein Datenwort
von 4 Bit, das der Kennung der einzelnen Nebenstufen dient, können den
einzelnen Nebenstufen, die als Peripheriebaugruppen bezeichnet werden,
gezielt Informationen zugeführt oder von dort abgefragt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Sensorbussystem für derartige
identischen Nebenstufen anzugeben, das mit wenig Schaltungsaufwand
funktioniert und insbesondere mit monolithisch integrierbaren Nebenstufen
realisierbar 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 verschiedene 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 sämtllicher 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 Sensorbussytem spannungslos, es fließt daher auch
kein Strom. Zum Zeitpuntk 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 Übernahmespeiches 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-
Senoren 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.
Claims (3)
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 Augangsklemme (4) einer in Signalflußrichtung (hi) unmittelbar vorausgehenden Nebenstufe (Si + 1) angeschlossen ist,
- - die Ausgangsklemme (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,
- - die Übernahmeeinrichtung enthält ein Steuerteil (st), das Steuersignale (cs, cp) und/oder Steuertakte (c1, c2) erzeugt und
- - das Steuerteil (st) ist mittels impulsförmiger Übersteuerungssignale (vi), die der positiven Versorgungsspannung (VDD) überlagert sind, gesteuert, wobei die Übersteuerungssignale (vi) von der Hauptstufe (M) ausgelöst sind.
2. Sensorbussystem nach Anspruch 1, 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.
3. Sensorbussystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der
Sensoreinheit (su) mindestens eine Hall-Spannungsmeßeinrichtung (H)
enthalten ist.
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