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Diese
Erfindung ist eine Teilfortsetzung der am 15. Juli eingereichten
US-Patent-Anmeldung mit der Seriennummer
10/619,687 mit dem Titel "Current Modulation-Based
Communication from Slave Device".
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Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist allgemein auf elektronische Datenübertragung
und insbesondere auf dynamisches Erfassen der Basislinie bei auf Strom-Modulation
basierender Kommunikation, wie zum Beispiel von einer untergeordneten
Vorrichtung in einem elektronischen Sprengsystem, gerichtet.
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Bei
elektronischen Sprengsystemen gemäß dem Stand der Technik wurde
Kommunikation von untergeordneten Detonatoren zurück zu einer Sprengmaschine
mittels Spannungsmodulation von dem Detonator bewirkt. Die damit
verbundenen Nachteile weisen die Notwendigkeit auf, genug Energie
in dem Detonator zu haben, um die modulierten Spannungen zurück zu der
Sprengmaschine zu treiben (woraus ein erhöhter Energieverbrauch und eine erhöhte Schaltungskomplexität resultieren),
und mögliche
Störungen
von Umgebungsfaktoren, wie zum Beispiel EMI, ESD und/oder RFI, welche
korrekte Datenübertragung
beeinträchtigen
können.
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Während auf
Strom-Modulation basierendes "Gegensprechen" von einer untergeordneten
Vorrichtung zu einer Hauptvorrichtung auf anderen Gebieten (wobei üblicherweise
die Hauptvorrichtung die Busspannung hoch hält), wie zum Beispiel RS-485, in
elektronischen Sprengsystemen (und bestimmten anderen Anwendungen)
verwendet wurde, stellt Rauschen ein erhebliches Hindernis dadurch
dar, dass es den erfolgreichen und korrekten Empfang von Daten mittels
der Hauptvorrichtung stört.
Zum Beispiel können
EMI, ESD, RFI oder zeitweilige Leitungserdschlüsse die Vollständigkeit
der Datenübertragung durch
Variieren der Basislinie des Stroms des Gegensprechens beeinträchtigen.
Die Hintergrundstromaufnahme in solchen Systemen kann auch besonders
störend
sein, wenn die Busspannung hoch ist, weil dann Detonatoren Funktionen, wie
zum Beispiel aktives Laden und/oder Ergänzungs-Laden von Zündkondensatoren,
irregulären Stromverbrauch
jedes Detonators mittels Ladens von Puffer-Kondensatoren, etc. ausführen können. Vermutlich
aufgrund solcher Ursachen wurde darüber nachgedacht, auf Strom-Modulation
basierendes Gegensprechen insbesondere bei hoher Busspannung wirksam
zu verwenden. Ein System, das eine Hauptvorrichtung und viele untergeordnete
Vorrichtungen aufweist, wobei Steuersignale von der Hauptvorrichtung
an die untergeordneten Vorrichtungen unter Verwendung von Spannungs-Modulation
und von den untergeordneten Vorrichtungen zu der Hauptvorrichtung
unter Verwendung von auf Strom-Modulation basierendem Gegensprechen übertragen
werden, ist aus
DE
42 014 68 A1 bekannt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung weist allgemein die neue Anwendung von auf
Strom-Modulation basierendem Gegensprechen in einem System auf,
in dem das Hintergrundrauschen auf dem Niveau der Stromaufnahme
derart minimiert wird, dass das Gegensprechen mit einem gewünschten
hohen Signal-Rausch-Verhältnis durchgeführt werden
kann, und in dem die "Basislinie" des Gegensprechstroms ständig auf Änderungen überwacht
wird und entsprechende Kompensationen durchgeführt werden. Auf Modulation
basierendes Gegensprechen wird von der untergeordneten Vorrichtung
erreicht, in dem es seine Stromaufnahme auf eine Weise moduliert,
die den Daten entspricht, von denen gewünscht wird, dass sie mit der
Hauptvorrichtung kommuniziert werden (bevorzugt entsprechend demselben
Kommunikationsprotokoll, das für
die Übertragung
von Daten von der Hauptvorrichtung zu der untergeordneten Vorrichtung
verwendet wird), und die Strom-Modulation wird von der Hauptvorrichtung
abgetastet und in entsprechende Daten dekodiert.
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Auf
Strom-Modulation basierendes Gegensprechen kann zum Beispiel von
der Hauptvorrichtung derart verwendet werden, wobei sie die Systemspannung
niedrig hält,
dass die untergeordneten Vorrichtungen keine Funktionen ausführen, die
bewirken würden,
dass die Stromaufnahme des Systems ein unerwünschtes Niveau des Hintergrundrauschens aufweist,
und nur die Vorrichtung, die auf Strom-Modulation basierendes Gegensprechen
durchführt, verursacht
ein erhebliches Maß (der Änderung)
der Stromaufnahme.
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Alternativ
kann auf Strom-Modulation basierendes Gegensprechen in einem elektronischen Sprengsystem
verwendet werden, in dem alle anderen Detonatoren daran gehindert
werden, Funktionen auszuführen,
die eine unerwünschte
Hintergrundstromaufnahme erzeugen würden, wenn ein bestimmter Detonator
gegenspricht. Dies kann von der Hauptvorrichtung (entweder einer
Sprengmaschine oder einer Registriereinrichtung) ausgeführt werden, die
die Systemspannung niedrig hält,
in welchem Fall zum Beispiel die anderen Detonatoren mit Schaltungstechnik
ausgestattet sein können,
die Ihnen erlaubt, jeglichen geforderten Betriebsstrom von einem platinen-eigenen
Speicherkondensator anstatt von dem Systembus zu verbrauchen (zum
Beispiel sind Gleichrichter-Brückendioden
in einer Kommunikationsschnittstelle in der Detonatorschaltung in
Sperrrichtung geschaltet, wenn die Systemspannung niedrig ist, im
Gegensatz dazu auf Durchlass geschaltet, wenn die Systemspannung
hoch ist). Dies kann auch durch Erlauben des Gegensprechens getan
werden, während
die Systemspannung hochgehalten wird, wobei das System und die Detonatoren
so konfiguriert und/oder so programmiert sind, dass die Detonatoren
an dem Ausführen
irgendwelcher anderer Funktionen gehindert werden, die ein unerwünschtes Niveau
des Hintergrundrauschens während
des Gegensprechens von irgendeinem Detonator verursachen könnten.
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Dynamisches
Erfassen der Basislinie gemäß der vorliegenden
Erfindung kann mittels ständigen Beobachtens
des analogen Gegensprechstrompegels in dem elektronischen Detonatorsystem
erreicht werden, um zu gewährleisten,
dass die Digitalbits "0" (oder "1") sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine Gesamtansicht, die einen Aufbau eines elektronischen Sprengsystems
zeigt, in dem die vorliegende Erfindung verwendet werden kann.
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2 ist
eine Gesamtansicht, die einen Plan eines alternativen Aufbaus solch
eines elektronischen Sprengsystems zeigt.
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3 ist
eine Querschnittsansicht eines bevorzugten Detonators, der in dem
elektronischen Sprengsystem der 1 und 2 verwendet
werden kann.
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4 ist
eine schematische Darstellung der wichtigsten elektrischen Aspekte
des elektronischen Zündmoduls
(EIM) des Detonators der 3, einschließlich einer anwendungsspezifischen
Schaltung (ASIC).
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5 ist
eine schematische Darstellung eines bevorzugten Schaltungsaufbaus
für die
ASIC der 4.
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6a ist
ein Schaubild einer Spannung über
die Zeit, das eine bevorzugte auf einer Spannungsmodulation basierende
Kommunikation von einer Sprengmaschine zu (einem) Detonator(en)
in dem elektronischen Sprengsystem der 1 und 2 darstellt.
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6b ist
ein Schaubild einer Spannung über
die Zeit, das eine bevorzugte auf einer Spannungsmodulation basierende
Kommunikation von einer Registriereinrichtung zu (einem) Detonator(en) des
elektronischen Sprengsystems der 1 und 2 darstellt.
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7a ist
ein Schaubild des Stroms über
die Zeit, das eine bevorzugte auf einer Strommodulation basierende
Rückantwort
von einem Detonator an eine Sprengmaschine des elektronischen Sprengsystems
der 1 und 2 darstellt.
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7b ist
ein Schaubild des Stroms über
die Zeit, das eine bevorzugte auf einer Strommodulation basierende
Rückantwort
von (einem) Detonator(en) an eine Registriereinrichtung des elektronischen Sprengsystems
der 1 und 2 zeigt.
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8 ist
ein Schaubild, das die Kommunikation mit einem Detonator und die
Rückantwort
von dem Detonator auf irgendeinen Antwort-auslösenden Befehl mit Ausnahme
eines Befehls zur automatischen Bus-Detektion darstellt.
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9 ist
ein Schaubild, das die Kommunikation mit einem Detonator und eine
Rückantwort
von dem Detonator in Antwort auf einen Befehl zur automatischen
Bus-Detektion darstellt.
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Die 10a, 10b, 10c und 10d sind
Flussdiagramme, die eine bevorzugte logische Abfolge für den Betrieb
eines elektronischen Sprengsystems der 1 und 2 darstellen.
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11 ist
ein Flussdiagramm, das eine bevorzugte logische Abfolge für den Betrieb
eines Detonators darstellt, der in dem elektronischen Sprengsystem
der 1 und 2 verwendet werden kann, beginnend
mit dem Empfang eines Zündbefehls
durch den Detonator.
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12 ist
ein Schaubild der Spannung und des Stroms über die Zeit in einem Zündkondensator in
einem Detonator, wie zum Beispiel dem der 3, das einen
Ladeprozess mit einem konstanten Strom zeigt, der von einer Schienenspannung
geregelt wird.
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13a zeigt ideales, störungsfreies strombasiertes "Gegensprechen" ähnlich der 7a.
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13b zeigt "ansteigendes" Gegensprechen, wie
es zum Beispiel von Umgebungsstörungen verursacht
werden kann, die bei der Verwendung eines Sprengsystems angetroffen
werden können.
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13c zeigt irreguläres Gegensprechen, wie es zum
Beispiel von Umgebungsstörungen
verursacht werden kann.
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Die 13d und 13e zeigen
Fehlerprotokollierungen von irregulärem Gegensprechen in einem
realen Umfeld.
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Detaillierte Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform
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Um
die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die Details einer besonderen
bevorzugten Ausführungsform
zu beschreiben, ist anzumerken, dass die vorliegende Erfindung in
einem elektronischen System verwendet werden kann, das ein Netzwerk
von untergeordneten Vorrichtungen, zum Beispiel ein elektronisches
Sprengsystem aufweist, in dem die untergeordneten Vorrichtungen
elektronische Detonatoren sind. Wie in 1 gezeigt,
kann eine Ausführungsform
eines solchen elektronischen Sprengsystems eine Anzahl von Detonatoren 20,
einen Zwei-Leitungsbus 18, Zündleitungen 19, die
Anschlüsse
für das
Anschließen
des Detonators an den Bus 18 aufweisen, eine Registriereinrichtung
(nicht gezeigt) und eine Sprengmaschine 40 aufweisen. Die
Detonatoren 20 sind bevorzugt mit der Sprengmaschine 40 parallel
(wie in 1) oder in anderen Schaltungsanordnungen
einschließlich
Verzweigungs- wie
in 2), Verästelungs-,
Stern- oder mehrfach-paralleler
Schaltungen, geschaltet. Eine bevorzugte Ausführungsform solch eines elektronischen
Sprengsystems wird unten beschrieben, obwohl es leicht von einem
Fachmann gewürdigt
werden wird, dass andere Systeme oder Vorrichtungen ebenfalls benutzt
werden können,
und viele Konfigurationen, Änderungen
und Modifikationen selbst des hier beschriebenen Teilsystems können ohne
Abweichen von dem Geist und dem Bereich der vorliegenden Erfindung
vorgenommen werden.
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Die
Sprengmaschine 40 und die Registriereinrichtung können bevorzugt
jeweils ein Paar von Anschlüssen
aufweisen, die in der Lage sind, reine Kupfer- (Bus) Leitungen bis
zum Beispiel Kaliber 14 aufnehmen. Die Anschlüsse der
Registriereinrichtung können
auch bevorzugt dazu konfiguriert sein, Stahl-Detonatorkabel (polaritäts-unempfindlich)
aufzunehmen, und die Registriereinrichtung sollte eine Schnittstelle
aufweisen, die für
das Anschließen
der Sprengmaschine 40 geeignet ist. Die Sprengmaschine 40 und
die Registriereinrichtung sind bevorzugt dazu fähig, von einer Person bedient
zu werden, die typische im Bergbau und bei Sprengarbeiten verwendete
Kleidung, zum Beispiel dicke Handschuhe, trägt. Die Sprengmaschine 40 und
die Registriereinrichtung können
bevorzugt tragbare batteriebetriebene Handvorrichtungen sein, die
eine Passworteingabe erfordern, um den Betrieb zu erlauben, und
beleuchtete Anzeigen aufweisen, die Menus, Anweisungen, Tastendruckwiedergabe
und Meldungen (einschließlich
Fehlermeldungen), soweit erforderlich, bereitstellen. Die Sprengmaschine 40 kann
bevorzugt einen Klappdeckel und Bedienungselemente und Anzeigeeinrichtungen
aufweisen, die ein Schloss für
den Einschalt-Schlüssel,
eine numerische Tastatur mit Aufwärts/Abwärtspfeilen und „Eingabe"-Taste, eine Anzeige,
einen Scharfschaltungsknopf, (eine) Anzeigelampe(n) und einen Zündknopf aufweisen.
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Die
Sprengmaschine 40 und die Registriereinrichtung sollten
für verlässlichen
Betrieb in dem vorgesehenen Bereich der Betriebstemperaturen und
die Dauer der vorgesehenen Lagertemperaturen ausgelegt sein und
sie sind bevorzugt unempfindlich gegen Ammoniumnitrat und üblicherweise
verwendete auf Emulsionen basierende Explosivstoffe. Die Sprengmaschine 40 und
die Registriereinrichtung sind auch bevorzugt robust genug, um der üblichen Behandlung
in einer Bergbau- oder Sprengumgebung, wie zum Beispiel dem herunter
Fallenlassen und Drauftreten, zu widerstehen, und sie können somit
Gehäuse
haben, die robust, wasser- und korrosionsresistent und gegen die
Umgebung abgedichtet sind, um bei den meisten Wetterbedingungen
zu arbeiten. Die Sprengmaschine 40 und die Registriereinrichtung
sollten, soweit erforderlich, die passenden Erfordernisse des CEN-Dokuments prCEN/TS 13763-27
(NMP 898/FABERG N 0090 D/E) E 2002-06-19 und die staatlichen und
industriellen Anforderungen erfüllen.
Soweit zweckmäßig, ist
die Registriereinrichtung bevorzugt dazu ausgelegt, außerstande
zu sein, irgendwelche bekannten elektrischen und elektronischen
Detonatoren zu zünden,
und ist die Sprengmaschine 40 bevorzugt dazu ausgelegt, außerstande
zu sein, jegliche bekannten elektrischen Detonatoren und irgendwelche
anderen bekannten elektronischen Detonatoren, die nicht für die Verwendung
mit der Sprengmaschine 40 ausgelegt sind, zu zünden. Es
kann ein anfänglicher
elektrischer Test des Systems verwendet werden, um solch eine Vorrichtung
zu ermitteln, um eine weitere Sicherheit zu gewährleisten, dass unbeabsichtigte
Detonatoren nicht gezündet
werden.
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Der
Bus 18 kann ein doppeltes oder ein verdrilltes Paar sein
und sollte ausgewählt
sein, einen vorher ausgewählten
Widerstand aufzuweisen (zum Beispiel in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel
bevorzugt 30 bis 75 Ω pro
Einzelleiter). Das Ende des Busses 18 sollte nicht abisoliert
sein, sondern seine Leitungsisolierung sollte hinreichend robust
sein, um zu gewährleisten,
dass der Massenschluss, die Streukapazität und die Streuinduktivität (zum Beispiel
in der hierin beschriebenen Ausführungsform
bevorzugt weniger als 100 mA Verlust für den gesamten Bus, 50 pF/m
Leiter-zu-Leiter-Streukapazität und 1 μH/m Leiter-zu-Leiter-Streuinduktivität) unter
allen anzutreffenden Feldbedingungen minimiert sind.
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Die
Zündleitungen 19 und
Kontakte sollten so ausgewählt
werden, dass sie einen vorher ausgewählten Widerstand aufweisen,
der von dem Detonatoranschluss zu dem Detonator-zu-Bus-Anschluss gemessen
wird (zum Beispiel in der hier beschriebenen Ausführungsform
50 bis 100 Ω pro
Einzelleiter plus 25 mΩ pro
Anschlusskontakt). Es ist zu erkennen, dass der einzelne verwendete
Detonator-zu-Bus-Anschluss,
die Wahl der Busleitung einschränken
kann. Von einem funktionalen Standpunkt aus können die Detonatoren 20 an
irgendeinen Punkt an dem Bus 18 angeschlossen sein, obwohl
sie natürlich
in einem sicheren Abstand von der Sprengmaschine 40 liegen
müssen.
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Wie
in
3 gezeigt, kann ein für die Verwendung in einem elektrischen
Sprengsystem geeigneter Detonator
20, wie zum Beispiel
dem hier beschriebenen, ein elektronisches Zündmodul (EIM)
23,
ein Gehäuse
29,
eine Ladung
36 (bevorzugt aufweisend eine Primärladung
und eine Basisladung), Zündleitungen
19,
und einen Endstecker
34 aufweisen, der in das offene Ende
des Gehäuses
29 geklemmt
werden kann. Das EIM
23 ist bevorzugt programmierbar und
weist einen Zünder
28 und
eine Platine auf, an die verschiedene elektronische Komponenten
angeschlossen sein können.
In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel
ist der Zünder
28 bevorzugt
eine hermetisch abgedichtete Vorrichtung, die eine Glas-zu-Metall-Abdichtung
und einen Brückendraht
27 aufweist,
die dazu konzipiert ist, eine Ladung, die innerhalb des Zünders
28 enthalten ist,
auf den Durchfluss der Elektrizität durch den Brückendraht
27 mittels
der Kontakte
21 bei einem vorbestimmten „All-Zündungs"-Spannungspegel verlässlich zu
zünden.
Das EIM
23 (einschließlich
seiner Elektronik und eines Teils oder all seiner Zünder
28) kann
bevorzugt in eine Einkapselung
31 einpressgeformt sein,
um eine einzige Anordnung mit Anschlüssen für den Anschluss der Zündleitungen
19 zu
bilden. Die anhängigen
US-Patentanmeldungen des Anmelders mit der Seriennummer
10/158,317 (auf den Seiten
5–8 und
in den
1–
5)
und der Seriennummer
10/158,318 (auf
den Seiten 3–8
und in den
1–
6),
die beide am 29. Mai 2002 eingereicht wurden, sind hiermit mit Bezug
auf ihre anwendbaren Lehren der Konstruktion solcher Detonatoren über die
Beschreibung von dem, was hierin dargestellt wird, hinaus einbezogen.
Wie in diesen Anmeldungen gelehrt, kann ein EIM
23, wie
das eine in
3 dargestellte, üblicherweise
in freistehender Form für spätere Einbeziehung
durch einen Anwender in die anwendereigene anwendungsspezifische
Anwendungsdetonator-Anordnung (einschließlich eines Gehäuses
29 und
einer Ladung
36) hergestellt und behandelt werden.
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Die
Platine des EIM 23 ist bevorzugt ein Mikrocontroller oder
ein programmierbares Logik-Bauelement oder besonders bevorzugt ein
anwendungsspezifischer integrierter Schaltungschip (ASIC) 30, ein
Filterkondensator 24, ein Speicherkondensator 25,
bevorzugt zum Beispiel 3,3 bis 10 μF (um eine Ladung zu behalten
und das EIM 23 mit Energie zu versorgen, wenn der Detonator 20 an
eine Haupt-Vorrichtung, wie weiter unter diskutiert, rückantwortet),
ein Zündkondensator 26 (bevorzugt
zum Beispiel 47 bis 374 μF)
(um eine Energiereserve aufzunehmen, die verwendet wird, um den
Detonator 20 zu zünden),
zusätzliche
elektronische Bauelemente und Kontaktfelder 22 für den Anschluss
der Zündkabel 19 und
des Zünders 28.
Ein Gehäuse-Masseanschluss 32,
der durch die Einkapselung 31 für einen Kontakt mit dem Gehäuse 29 hervorsteht
und zum Beispiel mit einem Metalldosenkontakt an dem ASIC 30 (unten
beschrieben) verbunden ist, welcher mit Schaltungen innerhalb des
ASIC 30 verbunden ist (zum Beispiel mit einem integrierten
siliziumgesteuerten Widerstand oder einer Diode), der Schutz gegen
elektrostatische Entladung und Radiofrequenzen und elektromagnetische
Strahlung gewährleisten kann,
die andernfalls Beschädigung
und/oder Fehlfunktionen verursachen kann.
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Mit
Bezug auf 4 wird ein bevorzugter elektronischer
schematischer Aufbau eines Detonators 20, wie zum Beispiel
der von 3, gezeigt. Der ASIC 30 ist
bevorzugt ein Misch-Signal-Chip mit Abmessungen von 3 bis 6 mm.
Die Kontakte 1 und 2 des dargestellten ASIC 30 sind Eingänge zu den
Zündleitungen 19 und
somit zu dem Bus 18, der Kontakt 3 ist für die Verbindung
mit dem Gehäuse-Masseanschluss 32 und
somit mit dem Gehäuse 29,
der Kontakt 6 ist mit dem Zündkondensator 26 und
dem Brückendraht 27 verbunden,
der Kontakt 7 ist mit dem Filterkondensator 24 verbunden,
der Kontakt 10 ist mit dem Brückendraht 27 verbunden,
der Kontakt 13 ist geerdet und der Kontakt 14 ist mit dem Speicherkondensator 25 verbunden.
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Jetzt
speziell Bezug nehmend auf 5 kann der
ASIC 30 bevorzugt aus den folgenden Modulen bestehen: Polaritätsrichter,
Kommunikationsschnittstelle, EEPROM, digitaler Logikkern, Referenzgenerator,
Brückenkondensatorsteuerung,
Pegeldetektoren und Brückendraht-FET. Wie gezeigt, kann
das Polaritätsrichtermodul
polaritätsunempfindliche
Gleichrichterdioden verwenden, um die Eingangsspannung (egal mit
welcher Polarität)
in eine Spannung mit gemeinsamer Masse mit dem Rest der Schaltung
des ASIC 30 zu wandeln. Die Kommunikationsschnittstelle
erniedrigt bevorzugt die Spannungen, wenn sie von der Sprengmaschine 40 empfangen
werden, so dass sie mit dem Digitalkern des ASIC 30 kompatibel
sind, und sie schaltet um auf und überträgt den Gegensprechstrom (unten
beschrieben) an die Gleichrichterbrücke, (und die Systembusleitungen),
basierend auf der Ausgabe von dem Digitalkern. Das EEPROM-Modul
speichert bevorzugt die einzelne Serienidentifikation, die Verzögerungszeit,
die Lochregister und verschiedene Analog-Abgleichswerte des ASIC 30.
Der digitale Logikkern enthält
bevorzugt die Zustandsmaschine, welche die von der Sprengmaschine 40 eingehenden
Daten und das mittels der Kommunikationsschnittstelle herausgehende
Gegensprechen verarbeitet. Die Referenzgeneratoren liefern bevorzugt
die geregelten Spannungen (zum Beispiel 3,3 V), die gebraucht werden, um
den digitalen Kern und den Oszillator hochzufahren, und auch die
analogen Bereiche, um den Zündkondensator 26 aufzuladen
und den Zünd-MOSFET zu
entladen. Die Brückenkondensatorsteuereinheit enthält bevorzugt
einen Konstantstromgenerator, um den Zündkondensator 26 aufzuladen,
und auch einen MOSFET, um den Zündkondensator 26 zu
entladen, wenn es so gewünscht
wird. Die Pegeldetektoren sind bevorzugt mit dem Zündkondensator 26 verbunden,
um auf Basis ihrer Spannung zu ermitteln, ob er in einem Lade- oder
einem Entladezustand ist. Schließlich erlaubt der Brückendraht-MOSFET bevorzugt
den Durchfluss der Ladung oder des Stroms von dem Zündkondensator 26 über den
Brückendraht 27 auf
Betätigung
durch Kurzschließen
mit der Masse.
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Kommunikationsprotokoll
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Die
Kommunikation von Daten in einem System, wie es in den 1 und 2 gezeigt
ist, kann bevorzugt aus einem polaritätsunabhängigen Zweileitungsbus-Serienprotokoll
zwischen den Detonatoren 20 und einer Registriereinrichtung
oder einer Sprengmaschine 40 bestehen. Die Nachrichten
von der Sprengmaschine 40 können entweder in einem individuellen
Modus (nur auf einen speziellen Detonator 20 gerichtet)
oder einem Rundfunkmodus geschehen, wobei alle Detonatoren 20 denselben
Befehl (üblicherweise
Lade- und Zündbefehle)
empfangen. Das Kommunikationsprotokoll ist bevorzugt seriell, enthält zyklische
Redundanzfehlerüberprüfungs- (CRC)
und Synchronisationsbits für
die Zeitabstimmungsgenauigkeit unter den Detonatoren 20. Es
gibt auch einen Befehl für
die automatische Detektion der Detonatoren 20 an dem Bus 18,
die andernfalls nicht in die Sprengmaschine 40 eingegeben worden
wären.
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Wenn
die Sprengmaschine 40 und die Detonatoren 20 angeschlossen
sind, wird die Systemruhezustandsspannung bevorzugt auf VB,H eingestellt. Die nachgeschalteten Detonatoren 20 erhalten
dann bevorzugt während
des Hochzustands ihre Energie von dem Bus 18, welcher ihre
Speicherkondensatoren 25 mit Energie versorgt. Nachrichten
von der Sprengmaschine 40 oder der Registriereinrichtung zu
den ASICs 30 basieren auf der Spannungsmodulation, die
mit der geeigneten Baud-Rate getaktet wird, welche die ASICs 30 in
zugehörige
Datenpakete entschlüsseln.
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Wie
in den 6a und 6b gezeigt,
können
von der Registriereinrichtung gegenüber den Betriebsspannungen
der Sprengmaschine 40, VB,L und VB,H unterschiedliche Betriebsspannungen VL,L und VL,H verwendet
werden. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel sind geeignete
Werte für
VL,L und VL,H 1
bis 3 V bzw. 5,5 bis 14 V, während
geeignete Werte für
VB,L und VB,H 0
bis 15 V bzw. 28 V oder höher
sind. Ferner kann ein Detonator 20 in solch einem System
diese Differenz bevorzugt nutzen, um zu erkennen, ob er mit der
Sprengmaschine 40 oder der Registriereinrichtung verbunden
ist (d.h., ob er in dem Registriereinrichtungs- oder Sprenger-Modus ist),
wie zum Beispiel durch Übergehen
in den Registriereinrichtungs-Modus,
wenn die Spannung niedriger als ein bestimmter Wert (z.B. 15 V)
ist, und in den Sprenger-Modus, wenn sie oberhalb eines anderen Werts
(z.B. 17 V) ist. Diese Differenzierung erlaubt dem ASIC 30 des
Detonators 20, wenn er in dem Registriereinrichtungs-Modus
ist, bevorzugt einen MOSFET einzuschalten, um den Zündkondensator 26 zu
entladen und/oder sein Aufladen und/oder seine Zündlogik abzuschalten. Die Differenzierung
mittels des Detonators 20 wird auch vorteilhaft vereinfacht,
wenn es keine Überlappung
zwischen den Hoch/Tiefbereichen der Sprengmaschine 40 und
der Registriereinrichtung, wie in den 6a und 6b gezeigt,
gibt. (Jede dieser Figuren zeigt nominelle Werte für hoch und tief,
aber es ist ferner bevorzugt, dass die maximalen und minimalen akzeptablen Werte
für die
Hoch- und Tiefwerte auch kein Überlappen
zulassen).
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Andererseits
basiert anstelle der Spannungsmodulation die Kommunikation von den
ASICs 30 mit der Sprengmaschine 40 oder der Registriereinrichtung
auf der Strommodulation („Strom-Gegensprechen"), wie in den 7a und 7b gezeigt
ist. Mit der Strommodulation schalten die ASICs 30 die Stromstärke zu der
Registriereinrichtung (zwischen IL,L, bevorzugt
O mA und IL,H, bevorzugt ein Wert, der mindestens
0,1 mA, aber im Wesentlichen niedriger als IB,H ist)
oder zu der Sprengmaschine 40 um (zwischen IB,L,
bevorzugt 0 mA und IB,H, bevorzugt ein Wert,
der mindestens 5 mA, aber nicht so hoch ist, dass er das System
möglicherweise überladen
würde,
wenn mehrere Detonatoren 20 antworten), welche dann diese
Stromimpulspakete abtastet und in die zugehörigen gesendeten Daten entschlüsselt. Diese
Strom-Gegensprechen von den Detonatoren zurück zu dem Hauptgerät kann durchgeführt werden,
wenn die Spannung des Busses 18 hoch oder niedrig ist,
aber wenn sie durchgeführt
wird, wenn der Bus 18 hoch ist, füllen die ASICs 30 die
Speicherkondensatoren 25 kontinuierlich auf, was einen
hohen Hintergrundstromverbrauch bewirkt (insbesondere, wenn viele
Detonatoren 20 mit dem Bus 18 verbunden sind).
Wenn jedoch der Bus 18 bevorzugt tief gehalten wird, sind
die Gleichrichterbrückendioden
in Sperrrichtung geschaltet und die ASICs 30 verbrauchen
eher Strom von den Speicherkondensatoren 25 als der Bus 18,
so dass das Signal-Rausch-Verhältnis
des an der Sprengmaschine 40 oder der Registriereinrichtung
erfassten Gegensprechstroms verbessert wird. Somit wird das Strom-Gegensprechen bevorzugt
durchgeführt,
wenn der Bus 18 tief gehalten wird. Das Umschalten des
Stroms mittels der ASICs 30 kann durch verschiedene bekannte
Methoden, wie zum Beispiel Modulieren der Spannung an einem Abtastwiderstand,
eine Stromrückkopplungsschleife
an einem Operationsverstärker
oder Einbeziehen von Konstant-Strom-Senken, wie zum Beispiel Stromspiegel,
geeignet erreicht werden.
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Bevorzugt
mit tief gehaltener Spannung kann auch "Dynamisches Überwachen der Basislinie" des Stromgegensprechens
verwendet werden und ist bevorzugt. Wie in 13a gezeigt,
sind bei rauschfreiem Stromgegensprechen die Hochs ("1"en) und Tiefs ("0"en)
in dem Gegensprechen, das von den Detonatoren übertragen wird, klar definiert und
die Sprengmaschine oder die Registriereinrichtung unterscheiden
zuverlässig
ihre Digitalpegel. Wie in den 13b–e beschrieben,
können
jedoch unter Bedingungen erheblicher Umgebungsstörungen, wie zum Beispiel elektrischer
Störungen,
EMI, EMC, Hochfrequenz, ESD, statischer oder dynamischer Leitungserdschluss,
der Gegensprechstrom erhöht werden
(mit einer regulär
ansteigenden oder abnehmenden Basislinie) oder irregulär sein,
so dass er nicht notwendigerweise immer richtig von der Hauptvorrichtung
unterschieden werden kann. Um die Intaktheit der Kommunikation besser
zu wahren, misst die Hauptvorrichtung daher bevorzugt die "Basislinie" des Gegensprechstroms
auf einer kontinuierlichen Basis und kompensiert jegliche Variationen
darin.
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Wie
unten beschrieben, können
Kommunikationen in beide Richtungen zwischen den Haupt- und den
untergeordneten Vorrichtungen bevorzugt ein Protokoll verwenden,
das Synchronisationsbits (bevorzugt vier Bits, d.h. 0101) beidseitig
am Anfang eines Seriendatenpakets und auch bevorzugt zwischen jedem "Wort" oder "Byte" eines Pakets aufweist.
Das dynamische Überwachen
der Basislinie der vorliegenden Erfindung misst bevorzugt den Strom
der Null-Bits dieser Synchronisationsabschnitte und legt die gemessenen
Werte als die Basislinie für
den Strom des unverzüglich
darauf folgenden Abschnitts des Gegensprechens fest. Ferner wird
dieses "dynamische Überwachen
der Basislinie" bevorzugt
vor jedem Wort von Daten oder Befehlen in dem seriellen Paket durchgeführt. Somit
können
die Nullniveaus bei Punkten, wie zum Beispiel denen gemessen werden,
die mit "A" und/oder "B" in den 13b und 13c gekennzeichnet sind, wobei sie bevorzugt mindestens
an den Zwischensynchronisationsbits gemessen werden, die bevorzugt
jedem Datenwort in dem seriellen Paket (wie unten beschrieben) einschließlich bei
Punkt B vorausgehen, so dass die Basislinie zeitnah auf jedes ankommende
Datenwort korrigiert wird.
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Das
dynamische Überwachen
der Basislinie wird bevorzugt unter Verwendung eines Algorithmus in
der Hauptvorrichtung, zum Beispiel durch Programmieren des Mikrocontrollers
oder von programmierbaren Logikvorrichtungen, wie zum Beispiel FPGA
oder CPLD, realisiert. Der Nullstrompegel der Synchronisationsbits
kann unter Verwendung typischer A/D-Wandlungstechniken, wie zum Beispiel A/D-Wandler
oder Komparatoren gemessen werden.
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Organisation der seriellen Datenkommunikation
(serielle Datenleitung)
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Bei
Nachrichten zu und von den Hauptvorrichtungen und nachgeschalteten
Vorrichtungen kann die serielle Datenkommunikationsschnittstelle bevorzugt
ein Paket aufweisen, das aus einer variierenden, oder bevorzugter,
festen Anzahl (bevorzugt 10 bis 20) von "Bytes" oder "Worten" besteht, die jeweils bevorzugt zum
Beispiel 12 Bits lang sind, wobei bevorzugt das signifikanteste
Bit zuerst gesendet wird. In Abhängigkeit
von der Anwendung können
andere geeignet dimensionierte Worte alternativ verwendet werden
und/oder kann eine unterschiedliche Anzahl von Worten innerhalb
des Pakets verwendet werden. Auch kann alternativ eine unterschiedliche Paketstruktur
für Nachrichten
von der Hauptvorrichtung gegenüber
denen von Nachrichten von den nachgeschalteten Vorrichtungen verwendet
werden.
-
Das
erste Wort des Pakets der hier beschriebenen Ausführungsform
ist bevorzugt ein Anfangssynchronisationswort und kann derart strukturiert werden,
dass seine ersten drei Bits Null sind, so dass es effektiv als Neun-Bit-Wort
empfangen wird (z.B. 101010101 oder irgendeine andere geeignete
Anordnung).
-
Zusätzlich dazu,
dass sie verschiedene Daten, wie unten beschrieben, enthalten, können die nachfolgenden
Worte auch bevorzugt jeweils eine Anzahl von Bits – zum Beispiel
4 Bits am Anfang oder am Ende jedes Worts – enthalten, die bereitgestellt sind,
um Strommitte-Resynchronisation zu erlauben (was ein Wort ergibt,
das als 0101_D7:D0 oder D7:D0_0101 strukturiert ist und somit acht
Bits aufweist, die verwendet werden können, um Daten oder „Datenbits" zu übertragen).
Bevorzugte Schemata der Anfangssynchronisation und der Resynchronisation
werden unter der entsprechenden Überschrift unten
weiter beschrieben.
-
Ein
anderes Wort des Pakets kann verwendet werden, um Befehle zu kommunizieren,
wie es unten unter der entsprechenden Überschrift beschrieben ist.
-
Bevorzugt
werden 5 bis 8 zusätzliche
Bytes des Pakets für
die Serienidentifikation (Serien-ID) verwendet, um (wie gewünscht) jeden
Detonator in einem System eindeutig zu identifizieren. Die Datenbits
der Serien-ID-Daten können
bevorzugt zumindest teilweise aus Daten, wie zum Beispiel einer
Revisionsnummer, einer Gruppennummer und einer Wafer-Nummer für Rückverfolgbarkeitszwecke
bestehen. Bei Rundsendungsbefehlen von der Hauptvorrichtung brauchen
diese Worte keine Serien-ID für einen
bestimmten Detonator enthalten und können somit aus Zufallswerten
oder aus Füllwerten
bestehen, die für
andere Zwecke benutzt werden können.
-
Zusätzliche
Worte des Pakets werden bevorzugt verwendet, um die Verzögerungszeitinformation (Register)
(und sie weisen genügend
Datenbits auf, um einen geeigneten Bereich der Verzögerungszeit, z.B.
im Zusammenhang mit einem elektronischen Sprengsystem, einer Maximalverzögerung in
der Größenordnung,
z.B. einer Minute, festzulegen) in geeigneten Schrittweiten, zum
Beispiel 1 ms im Zusammenhang mit einem elektronischen Sprengsystem,
zu übertragen.
(Eine Einstellung auf Null wird bevorzugt für einen Voreinstellungsfehler
gehalten).
-
In
dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel
werden ein oder mehrere zusätzliche
Worte des Pakets bevorzugt für
temporäre
Information verwendet, welche verwendet werden kann, um Sprenglochidentifizierungen
(Loch-IDs) zu definieren, wobei diese Worte genügend Datenbits aufweisen, um
sie an die maximal gewünschte
Anzahl von Loch-IDs anzupassen.
-
Ein
oder mehrere zusätzliche
Worte des Pakets werden bevorzugt für eine zyklische Redundanzprüfung (zum
Beispiel unter Verwendung des CRC-8-Algorithmus basierend auf dem
Polynom x8+x2+x+1)
oder weniger bevorzugt für
eine Paritätsprüfung oder
eine Fehlerkorrekturprüfung,
z.B. unter Verwendung des Hamming-Codes verwendet. Bevorzugt werden
weder das Anfangssynchronisationswort noch die Synchronisationsbits
in der CRC-Berechnung für
entweder die Übertragung
oder den Empfang verwendet.
-
Synchronisationswort und Resynchronisationsbits
-
In
der hier beschriebenen Ausführungsform und
der hier beschriebenen Anwendung kann ein bevorzugter Bereich der
möglichen
Datenübertragungsraten
300 bis 9600 Baud sein. In einem von der Hauptvorrichtung gesendeten
Paket wird das Anfangssynchronisationswort verwendet, um die Geschwindigkeit
zu ermitteln, mit der die nachgeschaltete Vorrichtung das nächste Wort
in dem Paket von der Hauptvorrichtung empfängt und verarbeitet; ebenso
wird in einem von der nachgeschalteten Vorrichtung gesendeten Paket
das Anfangssynchronisationswort verwendet, um die Geschwindigkeit
zu ermitteln, mit der die Hauptvorrichtung das nächste Wart von der nachgeschalteten
Vorrichtung empfängt und
verarbeitet. Die ersten paar (genug, um eine relativ genaue Synchronisation
zu erhalten), aber nicht alle der Bits dieses Anfangssynchronisationswort, werden
bevorzugt abgetastet, um Zeit für
das Verarbeiten und die Ermittlung der Datenübertragungsrate vor dem Empfang
des darauf folgenden Worts zu ermöglichen. Die Synchronisation
kann zum Beispiel mittels eines Zählers/Taktgebers bewirkt werden,
der Übergänge in dem
Spannungspegel – tief
zu hoch oder hoch zu tief – überwacht,
und die Raten der abgetasteten Bits werden bevorzugt zusammen gemittelt.
Während
der ganzen Übertragung
der folgenden Worte des Pakets, d.h. in der „Strommitte" wird dann von der
Empfangsvorrichtung bevorzugt Resynchronisation in der Annahme durchgeführt, dass
(z.B. 4 Bit) Synchronisationsabschnitte in diesen (bevorzugt jedem
davon) darauf folgenden Worten geliefert werden. Auf diese Weise
kann gewährleistet
werden, dass die Synchronisation während der Übertragung eines Pakets nicht
verloren geht.
-
Falls
erforderlich, gibt eine nachgeschaltete Vorrichtung eine Rückantwort
nach der Übertragung eines
Pakets von der Hauptvorrichtung mit der letzten Abtast-Rate dieses
Pakets, welche bevorzugt die des letzten Worts des Pakets ist. (Diese
Rate kann als die Rate des Anfangssynchronisationsworts betrachtet
werden, wie es während
der Übertragung des
Pakets verzerrt wird – in
einer elektronischen Sprengmaschine ist eine solche Verzerrung üblicherweise
ausgeprägter
während
der Datenübertragung von
dem Detonator zu der Registriereinrichtung). Mit Bezug auf die 8 und 9 wird
die Datenübertragung
von einer Haupt- zu einer nachgeschalteten Vorrichtung und eine
synchronisierte Rückantwort von
der nachgeschalteten Vorrichtung gezeigt.
-
Wie
in 8 dargestellt, kann die Vorrichtung bevorzugt
konfiguriert und programmiert werden, um eine Rückantwort auf individuell adressierte Befehle
spätestens
in einer vorbestimmten Zeitspanne auszulösen (nach der abfallenden Flanke
am Ende der seriellen Eingabe-Übertragung),
aufweisend die erforderliche Zeit, um die Eingabe-Übertragung
zu beenden, die serielle Schnittstelle für eine Rückantwort einzustellen und
den Anfangsabschnitt des Synchronisationsworts (z.B. 000101010101)
einzustellen. Der Bus 18 soll bevorzugt innerhalb der Erfassungs-
und der Verarbeitungsverzögerungszeit auf
tief eingestellt werden (und gehalten werden).
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Befehlswort
-
Die
Datenbits des Befehlsworts von der Hauptvorrichtung (z.B. der Sprengmaschine
oder der Registriereinrichtung) in dem seriellen Kommunikationspaket
können
bevorzugt so organisiert werden, dass ein Bit verwendet wird, um
anzuzeigen, dass die Hauptvorrichtung gerade kommuniziert (indem
es z.B. hochgesetzt wird), ein anderes verwendet wird, um anzuzeigen,
ob sie Lesen oder Schreiben fordert, ein anderes anzeigt, ob der
Befehl ein Rundsendungsbefehl oder ein Einzelvorrichtungsbefehl
ist, und andere Bits verwendet werden, um die einzelnen Befehle
zu übertragen.
Ebenso können
die Datenbits des Befehlsworts von der nachgeschalteten Vorrichtung
(z.B. dem Detonator) bevorzugt so organisiert sein, dass ein Bit
verwendet wird, um anzuzeigen, dass die Vorrichtung antwortet (z.B.,
indem es hochgesetzt wird), ein anderes anzeigt, ob ein CRC-Fehler
aufgetreten ist, ein anderes anzeigt, ob ein Vorrichtungsfehler
(z.B. Überprüfen der
Ladung) aufgetreten ist, und andere Bits verdeckt verwendet werden,
um „Zustandsbitschalter" zu übertragen.
-
Die
Bitschalterdatenbits von den Vorrichtungen können verwendet werden, um den
aktuellen Zustand der Vorrichtung anzuzeigen, und sind bevorzugt
in allen Vorrichtungsantworten enthalten. Diese Bitschalter können zum
Beispiel so angeordnet werden, dass ein Bitschalter anzeigt, ob
die Vorrichtung an dem Bus detektiert wurde oder nicht, ein anderer anzeigt,
ob sie kalibriert wurde, ein anderer anzeigt, ob sie aktuell aufgeladen
wird, und ein anderer anzeigt, ob sie einen Zündbefehl erhalten hat. Ein
Bitschalterwert von 1 (hoch) kann dann eine bejahende Antwort und
von 0 (tief) eine verneinende Antwort kennzeichnen.
-
Ein
bevorzugter Satz von nützlichen
substantiellen Sprengmaschinen-/Registriereinrichtungsbefehlen kann
aufweisen: Abrufen eines unbekannten Detonators (der Geräteeinstellungen);
Einzel-Durchgangsprüfung
(des Detonatorbrückendrahts);
Programmverzögerung/temporär Aufzeichnen;
automatische Bus-Detektion (Detektieren nicht identifizierter Vorrichtungen);
Abrufen bekannter Detonatoren; Durchgangsprüfung (der Detonatorbrückendrähte); Laden
(der Zündkondensatoren);
Ladungsüberprüfung; Kalibrieren
(der internen Uhren der ASICs); Kalibrierungsüberprüfung; Zünden (Auslösen von Abfolgen, die zum Zünden der
Detonatoren führen);
Entladen; Überprüfen des
Entladens; und einzeln Entladen. Wie unten weiter erläutert wird, sind
einige dieser Befehle „Rundsendungs"-Befehle (die mit
irgendeiner zufälligen
Serienidentifikation und ihrem begleitenden eigenen CRC-Code gesendet
werden), die nur eine Antwort von irgendeinem/irgendwelchen Detonator(en)
auslösen,
der/die identifiziert wurde(n) oder in dem/denen ein Fehler aufgetreten
ist, während
andere auf einen speziellen Detonator gerichtet sind, der anhand
seiner Serien-ID identifiziert wird. Die 10a–d zeigen
ein Flussdiagramm einer bevorzugten Logikabfolge, wie solche Befehle
in dem Betrieb eines elektronischen Sprengsystems verwendet werden
können, und
spezielle Details der hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsform
werden für
jeden einzelnen Befehl unter den Betriebsüberschriften dargestellt.
-
Betrieb – mittels der Registriereinrichtung
-
Bei
der Verwendung werden die Detonatoren 20 bevorzugt zuerst
jeder einzeln mit einer Registriereinrichtung verbunden, welche
bevorzugt die Detonator-Serien-ID liest, Diagnosen durchführt und
die Lochzahl mit der Detonator-Serien-ID
in Beziehung setzt. An diesem Punkt kann der Bediener dann die Detonatorverzögerungszeit
programmieren, wenn sie nicht schon programmiert wurde. Sobald ein
Detonator 20 mit der Registriereinrichtung verbunden ist,
schaltet der Bediener die Registriereinrichtung ein und befielt
das Lesen der Serien-ID, das Durchführen der Diagnosen und, wenn
gewünscht,
das Schreiben einer Verzögerungszeit.
Wenn die Serien-ID gelesen wurde, kann die Registriereinrichtung eine
sequenzielle Lochnummer zuweisen und behält eine Aufzeichnung der Lochnummer,
der Serien-ID und der Verzögerungszeit
zurück.
-
Die
vorgenannte Folge kann vorteilhaft unter Verwendung des oben vermerkten
Abrufs von unbekannten Detonatoren und der Einzel-Durchgangsprüfungsbefehle
und möglicherweise
des Programmverzögerungs-/temporären Aufzeichnungsbefehls durchgeführt werden.
Bevorzugte Details dieser Befehle werden unten dargestellt.
-
Abruf unbekannter Detonatoren
-
Mittels
dieses Befehls fordert die Sprengmaschine 40 oder die Registriereinrichtung
einen Abruf der Serien-ID, der Verzögerungszeit, der temporären Aufzeichnungsinformation
und der Zustandsbitschalter (die besonders seinen Ladezustand aufweisen) eines
einzelnen unbekannten Detonators 20 an. Der Bus-Detektionsbitschalter
wird nicht mittels dieses Befehls gesetzt. (Alternativ zu diesem
Befehl kann die Registriereinrichtung stattdessen die automatische
Bus-Detektion und
die unten beschriebenen bekannten Detonatorabrufbefehle durchführen).
-
Einzel-Durchgangsprüfung
-
Mittels
dieses Befehls ruft die Registriereinrichtung eine Durchgangsprüfung eines
einzelnen Detonators 20 auf, dessen Serien-ID bekannt ist.
Die Registriereinrichtung kann diesen Befehl (bevorzugt) vor dem
Programmieren (oder dem erneuten Programmieren) einer Verzögerungszeit
für den
einzelnen Detonator 20 ausgeben. In Antwort auf diesen Befehl
bewirkt die ASIC 30 des Detonators 20 eine Durchgangsprüfung, die
an dem Brückendraht 27 durchgeführt werden
soll. Die Durchgangsprüfung kann
vorteilhaft zum Beispiel mittels der ASIC 30 (bei ihrer
Betriebsspannung) durchgeführt
werden, die einen konstanten Strom bewirkt (z.B. ungefähr 27 μA mit einem
Brückendraht 27 mit
nominell 1,8 Ω in
dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel),
der durch den Brückendraht 27 mittels
zum Beispiel eines MOSFET-Schalters hindurch zu leiten ist, und
die die resultierende Spannung über
den Brückendraht 27 mit
zum Beispiel einem A/D-Element misst. Der Gesamtwiderstand des Brückendrahts 27 kann
dann anhand des Widerstandsabfalls über dem Brückendraht 27 und des
verwendeten Konstantstroms berechnet werden. Wenn der berechnete
Widerstand oberhalb eines Bereichs von Schwellenwerten liegt (z.B.
in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel in
dem Bereich von 30 bis 60 kΩ),
wird der Brückendraht 27 für offen
gehalten, d.h. für
nicht durchgängig.
Wenn solch ein Fehler detektiert wird, dann antwortet der Detonator 20 mit
einem entsprechenden Fehlercode zurück (d.h. dem Durchgangsprüfversagen,
wie es von dem entsprechenden Datenbit des Befehlsworts angezeigt
wird).
-
Programmverzögerung/temporär Aufzeichnen
-
Wenn
der Detonator 20 noch nicht mit einer Verzögerungszeit
programmiert wurde oder wenn eine neue Verzögerungszeit gewünscht wird,
kann der Bediener mittels dieses Befehls den Detonator 20 entsprechend
programmieren. Durch diesen Befehl fragt die Sprengmaschine 40 oder
die Registriereinrichtung ein Schreiben der Verzögerungs- und der temporäreren Aufzeichnungsinformation
für einen einzelnen
Detonator 20 ab, dessen Serien-ID bekannt ist. Dieser Befehl
setzt auch bevorzugt den Bus-Detektionsbitschalter hoch (Übertragen
mittels des entsprechenden Datenbits des Befehlsworts).
-
Betrieb – mittels der Sprengmaschine
-
Nachdem
einige oder alle Detonatoren 20 somit von der Registriereinrichtung
bearbeitet worden sein können,
werden sie mit dem Bus 18 verbunden. Eine Anzahl von Detonatoren 20 (z.B.
in dem speziellen hier beschriebenen Ausführungsbeispiel bis zu Tausend
oder mehr) kann in Abhängigkeit
von den Besonderheiten des Systems angeschlossen werden. Der Bediener
schaltet dann die Sprengmaschine 40 ein, welche eine Überprüfung der
Anwesenheit von inkompatiblen Detonatoren und von Verlusten auslöst, und
er kann bevorzugt dazu aufgefordert werden, ein Passwort einzugeben,
um fortzufahren. Die Registriereinrichtung wird dann mit der Sprengmaschine 40 verbunden
und es wird ein Befehl ausgegeben, um die aufgezeichnete Information (z.B.
die Lochzahl, Serien-ID und die Verzögerungszeit für alle der
angemeldeten Detonatoren) zu übertragen,
und die Sprengmaschine 40 liefert eine Bestätigung,
wenn diese Information empfangen wurde. (Obwohl in diesem bevorzugten
Ausführungsbeispiel verwendet,
muss eine Registriereinrichtung nicht getrennt verwendet werden,
um Detonatoren 20 anzumelden, und es kann ein System konfiguriert
werden, in dem die Sprengmaschine 40 die Detonatoren 20 anmeldet,
z.B. unter Verwendung des automatischen Bus-Detektionsbefehls, oder
es werden andere Mittel verwendet, um die sachbezogene Information
an die Sprengmaschine 40 zu übertragen und/oder irgendwelche
anderen Funktionen auszuführen,
die üblicherweise
zu einer Registriereinrichtung gehören, wie zum Beispiel die oben
beschriebenen Funktionen).
-
Die
Sprengmaschine 40 kann bevorzugt programmiert werden, um
dann den Bediener aufzufordern, eine Systemdiagnoseprüfung vor
dem Fortfahren des Scharfschaltens des Detonators 20 zu
befehlen oder solch eine Überprüfung automatisch
durchzuführen.
Dieser Befehl bewirkt, dass die Sprengmaschine 40 jeden
der erwarteten Detonatoren 20 überprüft und an ihm Diagnosen durchführt und
irgendwelche Fehler meldet, welche behoben werden müssen, bevor
das Zünden
geschehen kann. Die Sprengmaschine 40 und/oder die ASICs 30 werden
auch bevorzugt so programmiert, dass der Bediener auch die Verzögerungszeit
für bestimmte
Detonatoren 20 wie gewünscht
programmieren oder ändern
kann.
-
Die
Sprengmaschine 40 und/oder die ASICs 30 werden
bevorzugt programmiert, so dass sie dem Bediener erlauben, die Detonatoren 20 scharf
zu stellen, d.h. den Ladebefehl auszugeben (und dass die ASICs 30 diesen
Befehl empfangen), sobald keine Fehler vorkommen, was das Laden
der Zündkondensatoren 26 bewirkt.
Ebenso werden die Sprengmaschine 40 und/oder die ASICs 30 bevorzugt
so programmiert, dass sie dem Bediener erlauben, den Zündbefehl
auszugeben (und die ASICs 30 diesen Befehl empfangen),
sobald die Zündkondensatoren 26 geladen
und kalibriert sind. Die Sprengmaschine 40 und/oder die
ASICs 30 werden auch bevorzugt so programmiert, dass, wenn
der Zündbefehl
nicht innerhalb eines festgesetzten Zeitraums ausgegeben wird (z.B.
100 s), die Zündkondensatoren 26 entladen
werden und der Bediener die Abfolge neu starten muss, wenn gewünscht ist,
eine Zündung
durchzuführen.
-
Die
Sprengmaschine 40 wird auch bevorzugt so programmiert,
dass auf das Scharfschalten (ein) Scharfstellanzeigerlicht(er) aufleuchtet/aufleuchten (z.B.
rot) und dann auf das erfolgreiche Laden der Detonatoren 20,
dieses Licht bevorzugt die Farbe wechselt (z.B. auf grün) oder
ein anderes aufleuchtet, um anzuzeigen, dass das System bereit zum
Zünden ist.
Die Sprengmaschine 40 wird auch bevorzugt so programmiert,
dass der Benutzer getrennte Scharfschalt- und Zündknöpfe bis zum Zünden zusammen herunterhalten
muss oder sonst die Zündkondensatoren 26 entladen
werden und der Bediener die Abfolge erneut starten muss, um das
Zünden
auszuführen.
-
Die
vorhergehende Abfolge kann vorteilhaft mit anderen oben genannten
Befehlen durchgeführt werden,
deren bevorzugte Details unten diskutiert werden.
-
Automatische Bus-Detektion
-
Dieser
Befehl erlaubt es, dass die Sprengmaschine 40 irgendwelche
unbekannten (z.B. nicht angemeldeten) Detonatoren 20 detektiert,
die mit dem Bus 18 verbunden sind, indem solche Detonatoren
dazu gezwungen werden, mit ihrer Serien-ID, den Verzögerungsdaten,
den temporäre
Daten und den aktuellen Zustandsbitschaltereinstellungen zu antworten.
Die Sprengmaschine 40 und die ASIC 30 können bevorzugt
so konfiguriert und programmiert sein, dass dieser Befehl wie folgt
verwendet wird:
- 1. Die Sprengmaschine 40 sendet
das Befehlspaket zur automatischen Bus-Detektion an den Bus 18.
Alle Detonatoren 20, die den Befehl empfangen, die nicht
vorher an dem Bus 18 detektiert wurden (wie mittels ihrer
entsprechenden Bus-Detektions-Zustandsbitschaltereinstellungen
angezeigt ist), berechnen einen „Takt"-Wert, der mit ihren Serien-IDs und/oder
ihrer Verzögerungszeitinformation
korreliert, und gehen dann in einen Wartezustand über. Der
korrelierte Taktwert kann zum Beispiel anhand einer 11-Bit-Zahl berechnet
werden, die von der CRC-8 der kombinierten Serien-ID und von ausgewählten Datenbits
(z.B. 8 Bits) des Verzögerungsregisterworts des
Befehlspakets zur automatischen Bus-Detektion abgeleitet wird, so
dass eine angemessene Zeit zwischen jedem möglichen Taktwert für die Auslösung einer
Antwort (einschließlich
irgendeiner Verzögerung,
wie oben beschrieben) von einem zugehörigen Detonator 20 ermöglicht wird.
- 2. Die Sprengmaschine 40 beginnt dann, eine „Taktsignal"-Folge an den Bus 18 auszugeben, die
fortdauert (mit Ausnahme, wenn sie angehalten oder abgebrochen wird,
wie unten beschrieben wird), bis sie eine Zahl erreicht, die mit
der höchstmöglichen
Detonator-Serien-ID in dem System korreliert (z.B. kann es unter
Verwendung der oben beschriebenen 11-Bit-Zahl 2048 mögliche Zeit-Werte
geben). Es muss Zeit zwischen dem Ende des Befehlspakets zur automatischen Bus-Detektion und der
Ausgabe eines Taktsignals ermöglicht
sein, das mit der ersten möglichen
Serien-ID korreliert, um die Berechnung der Taktsignalwerte mittels
der ASICs 30 zu erlauben, die mit ihren Serien-IDs korrelieren.
Dies kann durch Aufweisen einer Wartezeit (in der hier beschriebenen Ausführungsform
z.B. 10 μs)
zwischen dem Ende des Detektionsbefehlspakets und der Vorderflanke
des ersten Übergangs
des Taktsignal erreicht werden. Um ein Strom-Gegensprechen zu ermöglichen
(wie woanders hierin beschrieben), wird der Bus 18 während dieser
Zeit bevorzugt tief gehalten, aber er kann alternativ hoch gehalten
werden.
- 3. Wenn der Taktsignalwert für
einen bestimmten nicht angemeldeten Detonator 20 erreicht
wird, antwortet die ASIC 30 dieses Detonators 20.
In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird
die Zeit (während
der der Bus 18 hoch oder tief, bevorzugt tief gehalten
wird) für
das Auslösen einer
Antwort ermöglicht,
die um einen vorbestimmten Zeitraum verzögert wird, wie in 9 gezeigt
ist. Das System kann bevorzugt so konfiguriert sein, dass, wenn
der Bus 18 nicht vor einem vorbestimmten Zeitüberschreitungszeitraum (z.B.
4,096 ms) auf tief geschaltet wurde, der Detektionsprozess abgebrochen
wird.
- 4. Auf das Erkennen einer Antwort von einem oder mehreren Detonatoren 20 hält die Sprengmaschine 40 die
Taktsignalfolge an und hält
den Bus (bevorzugt tief), bis das volle Antwortpaket empfangen wurde,
bei welchem Punkt die Taktsignalfolge erneut aufgenommen wird. Alternativ kann
eine angemessene Zeit für
die Übertragung eines
vollen Pakets zwischen dem Zählen
jedes Taktsignalwerts ermöglicht
werden, der mit einer möglichen
Serien-ID korreliert, dies würde
jedoch langsamer sein. Die Sprengmaschine 40 zeichnet mindestens
die Serien-ID (und optional auch die Vorrichtungseinstellungen)
jeglicher antwortenden Detonatoren 20 auf. Wenn gleichzeitig
mehr als eine ASIC 30 zu antworten beginnt, ignoriert die
Sprengmaschine 40 bevorzugt solche Antworten und nimmt
bevorzugt die Taktsignalfolge erneut auf, wie es andernfalls wäre.
- 5. Der Prozess, der mit dem Befehlspaket zur automatischen Bus-Detektion
beginnt, wird dann unter Verwendung einer unterschiedlichen Verzögerungszeit
oder einer unterschiedlichen Füll-Serien-ID
wiederholt, bis keine unangemeldeten Detonatoren 20 antworten
(d.h., bis eine volle Taktsignalfolge, ohne dass irgendwelche Vorrichtungen antworten,
ausgezählt
wird), bei welchem Punkt geurteilt wird, dass alle Detonatoren 20,
die mit dem Bus 18 verbunden sind, identifiziert sind.
- 6. Wenn die automatische Bus-Detektionsabfolge beendet ist,
sendet dann die Sprengmaschine 40 (in irgendeiner gewünschten
Reihenfolge, wie zum Beispiel der Serien-ID) den Abrufbefehl bekannter
Detonatoren (unmittelbar unten beschrieben) an jeden einzelnen bekannten
Detonator 20, d.h. alle diese, die auf den Befehl zur automatischen
Bus-Detektion antworteten, ebenso wie alle diese, die anfangs zu
der Sprengmaschine 40 von der Registriereinrichtung identifiziert
wurden.
-
Abruf bekannter Detonatoren
-
Mit
diesem Befehl fordert die Sprengmaschine 40 oder die Registriereinrichtung
einen Abruf eines einzelnen Detonators 20, dessen Serien-ID
bekannt ist. In Antwort auf diesen Befehl liefert der Detonator 20 seine
Serien-ID, seine Verzögerungszeit, seine
temporäre
Information und seine Zustandsbitschalter (die insbesondere seinen
Ladezustand aufweisen). Dieser Befehl setzt bevorzugt die Bus-Detektionsbitschalter
auf hoch, so dass die Vorrichtung nicht mehr auf einen Befehl zur
automatischen Bus-Detektion antwortet.
-
Durchgangsprüfung
-
Das
System soll so konfiguriert sein, dass dieser Befehl angefordert
wird, ausgegeben zu werden, bevor der Ladebefehl (unmittelbar unten
beschrieben) ausgegeben werden kann. Mit diesem Befehl sendet die
Sprengmaschine 40 eine Anforderung an alle Detonatoren 20,
die mit dem Bus 18 verbunden sind, eine Durchgangsprüfung durchzuführen. In
Antwort führt
jede ASIC 30 in den Detonatoren 20 eine Durchgangsprüfung an
dem Brückendraht 27 so
durch, wie es mit Bezug auf den Einzel-Durchgangsprüfungsbefehl
oben beschrieben wurde, der an einen speziellen Detonator 20 geschickt
wird.
-
Laden
-
Mit
diesem Befehl fordert die Sprengmaschine 40 das Laden aller
Detonatoren 20, die mit dem Bus 18 verbunden sind.
Nach dem Laden jedes Detonators 20 wird sein Ladezustandsbitschalter
auf hoch gesetzt. Die Detonatoren 20 geben der Sprengmaschine 40 nur
Rückantwort,
wenn ein Fehler aufgetreten ist (z.B. ein CRC-Fehler, der Bus-Detektionsbitschalter
nicht hoch ist – oder
wenn gestaffeltes Laden, wie es unten beschrieben wird, verwendet wird – das temporäre Register
auf Null gesetzt wird), in welchem Fall die Antwort den entsprechenden Fehlercode
aufweist.
-
Wenn
eine große
Anzahl von Detonatoren 20 mit dem Bus 18 verbunden
ist, kann das Laden bevorzugt gestaffelt werden, so dass die Detonatoren 20 jeweils
bei unterschiedlichen Zeiten, wie zum Beispiel mit den folgenden
Schritten geladen werden:
- 1. Die Sprengmaschine 40 sendet
den Ladebefehl an den Bus 18.
- 2. Die Sprengmaschine 40 beginnt dann, eine Taktsignalfolge
bei einer ausgewählten
Taktfrequenz an den Bus 18 auszugeben, welche Folge bis
zu einer bestimmten Maximalzahl andauert, die der Maximalzahl des
temporären
Registers, zum Beispiel 4096 entspricht.
- 3. Wenn die Anzahl der Taktsignale eine in dem temporären Register
eines bestimmten Detonators 20 programmierte Anzahl erreicht,
wird dieser Detonator 20 geladen. Die Detonatoren 20 können einzelne
temporäre
Werte aufweisen oder sie können
mittels der temporären
Zahl in Reihen (von z.B. 2 bis 100) gruppiert werden, die somit gleichzeitig
geladen werden. Die Taktsignalfrequenz sollte auf solche Weise getaktet
werden und die temporären
Detonatorwerte sollten nacheinander auf solche Weise gesetzt werden,
dass gewährleistet
ist, dass eine gewünschte
minimale (d.h. nicht überlappende)
Einzelladezeit für
jeden Detonator 20 oder jede Reihe von Detonatoren 20 ermöglicht wird,
was auf verschiedene Art und Weise getan werden kann (zum Beispiel
hat das Verwenden von temporären
Zahlen von 1, 2, 3 ... bei einer gegebenen Taktsignalfrequenz denselben
Effekt wie die temporären
Zahlen von 2, 4, 6 ... bei einer Taktfrequenz, die zweimal so hoch ist).
Wenn das zu dem Detonator 20 gehörende Taktsignal empfangen
wird, beginnt die ASIC 30 das Laden des Zündkondensators 26 (siehe
zum Beispiel in 5), bis die Kondensatorspannung eine
vorbestimmte Ladungsschwelle erreicht, bei welchem Punkt dann das
Vollladen des Zündkondensators 26 aufrechterhalten
wird.
- 4. Wenn die Kondensatorspannungsschwelle nicht innerhalb eines
speziellen gewünschten Fensters
erreicht wird (zum Beispiel in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
zwischen 1,048 s und 8,39 s, nachdem die ASIC 30 das Laden
des Zündkondensators 26 begonnen
hat), dann bricht die ASIC 30 ab und setzt den Ladezustandsbitschalter
auf tief (aber sie braucht nicht dazu programmiert werden, eine
Antwort zu senden, die den Fehler zu diesem Zeitpunkt mitteilt,
angenommen, dass der Ladungsüberprüfungsbefehl,
der unten beschrieben wird, verwendet wird).
- 5. Der Ladeprozess endet, wenn der Bus 18 länger als über einen
vorbestimmten Zeitüberschreitungszeitraum,
zum Beispiel 4,096 ms, tief gehalten wird.
-
Die
minimal erforderliche Zeit, um ein Netzwerk von Detonatoren auf
gestaffelte Art zu laden, entspricht somit im Wesentlichen der gewünschten Einzel-
(oder Reihen-) Kondensatorladezeit (welche wiederum von dem einzelnen
verwendeten Ladeprozess und von der Größe des Zündkondensators 26 abhängt) multipliziert
mit der Anzahl von Detonatoren 20 (oder Reihen). Zum Beispiel
können
in der vorliegenden Ausführungsform
ungefähr
3 s pro Kondensator bei einem System wünschenswert sein, das 100 Detonatoren
oder Detonatorreihen aufweist, in denen der Konstantstrom-Regulierungsprozess,
der unten beschrieben wird, verwendet wird, und dies ergibt eine
Gesamtladezeit von 300 s. Alternativ kann das Takten des Ladens über einen
weiten Bereich von temporären
Werten gesteuert werden, zum Beispiel durch Takten einer bestimmten
Anzahl von Impulsen (wobei alle Detonatoren mit temporären Werten
bis zu diesen Impulszahlen geladen werden), wobei das Takten augenblicklich
gestoppt wird, um diesen Detonatoren zu ermöglichen, angemessen bis zur
vollen Kapazität
geladen zu werden, bevor weitere Taktimpulse ausgegeben werden,
wobei gestoppt und wieder erneut aufgenommen wird, wenn es gewünscht wird,
usw.
-
Auf
der Geräteebene
kann die Elektrizität
jedem Zündkondensator 26 während des
Ladens bevorzugt durch einen Konstantstromladeprozess, der durch
eine Schienenspannung geregelt wird, wie es in 12 gezeigt
ist, geliefert werden. In solch einem Ladeprozess wird der Stromverbrauch
bei einer relativ niedrigen Menge (zum Beispiel bei 1 mA) konstant gehalten,
während
die Spannung linear mit der Zeit ansteigt, bis eine „Schienenspannung" (welche die Regulatorspannung
ist, welche wiederum zusammen mit der Kapazität des Zündkondensators 26 und
der Zündenergie
des Brückendrahts 27 geeignet
ausgewählt
ist) erreicht ist, wonach die Spannung konstant bei der Schienenspannung
bleibt und somit der Stromverbrauch schnell abnimmt. Eine solche
Laderegelung, welche zum Beispiel auf dem Gebiet von Laptop-Computerbatterie-Ladegeräten bekannt
ist, kann mittels verschiedener Verfahren, wie zum Beispiel Stromspiegel
unter Verwendung von zwei Bipolartransistoren oder MOSFETs, einer
festen Gate-Source-Spannung an einem JFET oder MOSFET oder einer
Stromrückkopplung
unter Verwendung eines Operationsverstärkers oder Komparators, erreicht
werden.
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Ladungsüberprüfung
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Mit
diesem Befehl sendet die Sprengmaschine 40 einen Aufruf
an alle Detonatoren 20 an dem Bus 18, um zu überprüfen, ob
sie geladen sind. Wenn eine ASIC 30 nicht aufgeladen hat
(wie es anhand einer Niedrigladezustand-Bitschaltereinstellung für den oben
beschriebenen Ladevorgang wiedergegeben wird) oder einen CRC-Fehler
aufweist, antwortet sie mit dem geeigneten Fehlercode und anderen
Informationen einschließlich
ihrer Zustandsbitschalter sofort zurück. Der Ladungsüberprüfungsbefehl
kann auch effektiv eine Überprüfung der
richtigen Kapazität
des Zündkondensators 26 liefern,
wenn eine Ladefensterzeit, wie sie oben mit Bezug auf den Ladeprozess
beschrieben ist, verwendet wird, und ihre Grenzen werden entsprechend
definiert, so dass sie der geforderten Zeit (unter Verwendung des
gewählten
Ladeprozesses) entsprechen, um einen Zündkondensator 26 zu
laden, der eine obere und unter Beschränkung der akzeptablen Kapazität aufweist. Zum
Beispiel wird in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel unter Verwendung
eines durch Schienenspannung beschränkten Konstantstrom- (1mA) Ladens,
ein 47-μF-Kondensator
nominell in 1,2 s auf 25 V aufgeladen und ein Fenster von 0,5 bis
3 s entspricht akzeptablen maximalen/minimalen Kapazitätsgrenzen
(d.h. ungefähr
20 bis 100 μF),
oder ein 374-μF-Kondensator
wird nominell in 9,4 s auf 25 V aufgeladen und ein Fenster von 6,25
bis 12,5 s entspricht akzeptablen maximalen/minimalen Kapazitätsgrenzen
(d.h. ungefähr
250 bis 500 μF).
Wenn die Sprengmaschine 40 eine Fehlermeldung in Antwort auf
diesen Befehl empfängt,
kann sie den Ladebefehl zurücksenden
und die Abfolge beenden oder sie kann alternativ konfiguriert und
programmiert werden, um einzelnes Diagnostizieren und einzelnes
Laden irgendwelcher bestimmter Detonatoren 20, die mit
Fehlern antworten, zu ermöglichen.
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Kalibrieren
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Jeder
einzelne der Detonatoren 20 enthält einen internen Oszillator
(siehe 5), welcher verwendet wird, um die Dauer irgendwelcher
Verzögerungen
oder Zeiträume
zu steuern und zu messen, die von dem Detonator 20 erzeugt
oder empfangen werden. Die exakte Oszillatorfrequenz eines gegebenen
Detonators 20 ist nicht bekannt und variiert mit der Temperatur.
Um eine wiederholbare und genaue Sprengzeitgebung zu erhalten, muss
diese Variation kompensiert werden. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
wird dies durch Auffordern des Detonators 20 erreicht,
die Dauer NOM (bezüglich
seiner eigenen Oszillatorfrequenz) eines festen Kalibrierungsimpulses
(in einem Ausführungsbeispiel
wie dem hier beschriebenen bevorzugt zum Beispiel 0,5 bis 5 s) zu
messen, welcher mittels der Sprengmaschine 40 unter Verwendung
ihres internen Oszillators als Referenz erzeugt wird. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
verwendet der Detonator 20 dann die gemessene Impulsdauer
CC, um die Zündverzögerung in
Form der Oszillatorzählungen
unter Verwendung der folgenden Formel zu berechnen: Anzahl = DLY·(CC/NOM),
wobei DLY der Wert des Verzögerungsregisters
ist. (In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
wird angenommen, dass die Temperatur des Detonators 20 bis
zu der Zeit, während der
die tatsächliche
Sprengung durchgeführt
wird, stabil wurde oder sich unwesentlich ändert).
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Über den
Kalibrierungsbefehl (dessen Adressbytes irgendwelche Zufallsdaten
enthalten können)
sendet die Sprengmaschine 40 eine Aufforderung, alle Detonatoren 20 an
dem Bus 18 zu kalibrieren. Ein Detonator 20 antwortet
auf den Kalibrierungsbefehl nur zurück, wenn ein Fehler aufgetreten ist
(zum Beispiel ein CRC-Fehler oder die Bus-Detektion oder Ladezustandsbitschalter
sind nicht hoch), in welchem Falle die Antwort den entsprechenden
Fehlercode aufweist. Wenn kein Fehler auftritt, wartet der Detonator 20 sofort,
nachdem das Kalibrierungspaket empfangen wurde, bis der Bus 18 für einen
vorbestimmten Zeitraum auf hoch gesetzt wird (zum Beispiel für den gleichen
Zeitraum, der oben als NOM beschrieben wurde), an welchem Punkt
die ASIC 30 beginnt, mit ihrer Oszillationsfrequenz zu
zählen,
bis der Bus 18 am Ende der Kalibrierungsabfolge zurück auf tief
gestellt wird. Die Anzahl der Zählwerte,
die von der ASIC 30 während
diesem vorbestimmten Zeitraum gezählt wurden, wird dann in dem
Kalibrierungsregister des Detonators gespeichert (und wird von dem
ASIC 30 später
verwendet, um Rückwärtszählwerte
zu bestimmen) und der Kalibrierungsbitschalter wird auf hoch gesetzt.
Das Einstellen des Busses 18 auf tief beendet die Kalibrierungsbefehlsabfolge
und die ansteigende Flanke des nächsten Übergangs
zu hoch an dem Bus 18 wird dann als der Anfang eines neuen
Befehls erkannt.
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Überprüfen der
Kalibrierung
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Mit
diesem Befehl sendet die Sprengmaschine 40 eine Aufforderung,
die Kalibrierung aller Detonatoren 20 an dem Bus 18 zu
prüfen.
In Antwort prüft jeder
Detonator 20, ob der Wert in seinem Kalibrierungsregister
innerhalb eines bestimmten Bereichs (z.B. in dem hier beschriebenen
Ausführungsbeispiel +/–40%) eines
Wertes entsprechend der idealen oder nominellen Anzahl von Oszillatorzyklen
liegt, die während
des Zeitraums NOM auftreten würden.
Ein Detonator 20 antwortet nur zurück, wenn der Kalibrierungswert
außerhalb
des Bereichs ist oder ein anderer Fehler aufgetreten ist (z.B. ein
CRC-Fehler oder die Bus-Detektion, Laden oder Kalibrierungszustandsbitschalter
sind nicht hoch), in welchem Fall die Antwort den entsprechenden
Fehlercode aufweist.
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Zünden
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Mit
diesem Befehl sendet die Sprengmaschine 40 eine Aufforderung,
alle Detonatoren 20 an dem Bus 18 zu zünden. Ein
Detonator 20 antwortet auf diesen Befehl nur zurück, wenn
ein Fehler aufgetreten ist (z.B. ein CRC-Fehler, die Bus-Detektion, Laden,
oder Kalibrierungszustandsbitschalter sind nicht hoch, oder das
Verzögerungsregister
ist auf Null gesetzt), in welchem Fall die Antwort den entsprechenden
Fehlercode aufweist. Andernfalls löst die ASIC 30 jedes
Detonators 20 in Antwort auf diesen Befehl eine Rückzählungs-/Zündabfolge
aus und setzt den Zündbitschalter
auf hoch. Die Sprengmaschine 40 und die Registriereinrichtung
und/oder die ASIC 30 können
vorteilhaft so konfiguriert und programmiert werden, dass dieser
Prozess wie folgt abläuft
(siehe auch 11):
- 1.
Auf den Empfang des Zündbefehls,
wenn es CRC- oder Verfahrens-Fehler gibt und die ASIC 30 noch
keinen Zündbefehl
erfolgreich erhalten hat, antwortet dann die Vorrichtung sofort
mit dem geeigneten Fehlercode zurück. (In diesem Fall antwortet
die Sprengmaschine 40, wie in 10d gezeigt,
bevorzugt durch Senden eines Entladebefehls an alle Detonatoren 20;
alternativ könnte sie
dazu konzipiert sein, eine individuelle Diagnose und Korrektur irgendwelcher
Detonatoren 20 zu ermöglichen,
die mit einem Fehler antworten, oder sie kann weitere Zündbefehle,
wie in Schritt 3 unten erwähnt, ausgeben). Wenn keine
Fehler auftreten, dann geht die ASIC 30 zu einer „Vorzündrückzählung" über, deren Verzögerungszeit von
der Verzögerungsinformation
des Pakets programmiert wird, das den Zündbefehl überträgt. Zum Beispiel können zwei
Bits eines Verzögerungsregisterbytes
vier unterschiedlichen Vorzündrückzählverzögerungen
entsprechen, die auf der vorhergehenden Kalibrierungsabfolge basieren und
das Verändern
um zum Beispiel einen Wert von 1-1 entspricht einer Verzögerung von
4,096 s, 1-0 einer Verzögerung
von 2,048 s, 0-1 einer Verzögerung
von 1,024 s und 0-0 einer Verzögerung von
0,512 s.
- 2. Zu jeder Zeit während
des Herunterzählens
der Vorzündrückzählung kann
der Detonator 20 einen Einzel-Entlade- oder Entladebefehl
oder irgendeinen anderen Zündbefehl
empfangen. Wenn der Zündbefehl
erneut gesendet wird, dann prüft
die ASIC 30, ob keine CRC-Fehler vorliegen. Wenn es einen CRC-Fehler
gibt, dann wird der neue Zündbefehl
ignoriert und die vorhandene Vorzündrückzählung schreitet weiter fort.
Wenn es keine CRC-Fehler gibt, dann setzt die ASIC 30 ihren Vorzündrückzählungswert
auf den Wert zurück, der
von dem Verzögerungsregister
des neuen Zündbefehlpakets
bestimmt wird, und startet eine neue Vorzündrückzählung basierend auf dem neuen
Verzögerungswert.
In Abhängigkeit
von dem Anfangs-Vorzündrückzählungs-Verzögerungswert
kann es möglich
sein und ist bevorzugt, den Zündbefehl
mehrere (in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel drei) zusätzliche
Male vor dem Ende der Vorzündrückzählung zu
senden.
- 3. Wenn kein Entladebefehl vor dem Ende der Vorzündrückzählung gesendet
wird, überprüft die ASIC 30,
ob die Busspannung einen minimalen absoluten Schwellenwert überschreitet.
Wenn sie das nicht tut, dann wird der Detonator 20 automatisch
entladen; andernfalls beginnt eine „endgültige Zündrückzählung" und die Kommunikationsschnittstelle
des Detonators 20 wird bevorzugt abgeschaltet, so dass
keine weiteren Befehle empfangen werden können. Die endgültige Zündrückzählungszeit
wird bevorzugt basierend auf der Kalibrierung, die oben beschrieben
wurde, und einem Verzögerungswert
ermittelt, der in ein Verzögerungsregister
in der ASIC 30 programmiert wurde. Am Schluss der Rückzählung dieser
endgültigen
Zündrückzählungszeit
bewirkt die ASIC 30, dass der Zündkondensator 26 durch
den Brückendraht 27 entladen
wird, woraus eine Detonation resultiert.
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Es
wurde herausgefunden, dass ein System, das gemäß den hier beschriebenen genauen
Angaben konstruiert ist, mit bis zu 1000 oder mehr Detonatoren 20,
die mit der Sprengmaschine 40 vernetzt sind, eine Taktverzögerungsgenauigkeit
von besser als 80 ppm (z.B. 0,8 ms mit 10 s Verzögerung) verlässlich gewährleisten
kann.
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Entladen
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Mit
diesem Befehl sendet die Sprengmaschine 40 eine Aufforderung,
alle Detonatoren 20 an dem Bus 18 zu entladen.
Ein Detonator 20 antwortet auf diesen Befehl nur zurück, wenn
ein CRC-Fehler aufgetreten ist, in welchem Fall die Antwort den
entsprechenden Fehlercode aufweist (der Entladebefehl wird in diesem
Fall nicht durchgeführt).
Andernfalls stoppt die ASIC 30 jedes Detonators 20 in
Antwort auf diesen Befehl jegliche Zündrückzählung, die gerade fortschreiten
mag, und bewirkt, dass der Zündkondensator 26 entladen
wird.
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Überprüfen des
Entladens
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Mit
diesem Befehl sendet die Sprengmaschine 40 eine Aufforderung,
das Entladen aller Detonatoren 20 an dem Bus zu prüfen. In
Antwort prüft
die ASIC 30 jedes Detonators 20, ob der Zündkondensator 26 entladen
ist, wobei sie nur zurück
antwortet, wenn ein CRC- oder ein Überprüfungs-Fehler aufgetreten ist
(zum Beispiel ein CRC-Fehler oder die Bus-Detektion, Laden, oder Kalibrierungszustandbitschalter
sind nicht hoch), in welchen Fall die Antwort den entsprechenden
Fehlercode aufweist.
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Einzelnes Entladen
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Dieser
Befehl ist der gleiche wie der oben diskutierte Entladebefehl, mit
Ausnahme, dass er eine korrekte Serien-ID eines bestimmten Detonators 20 an
dem Bus 18 anfordert, welcher Detonator mit seiner Serien-ID,
seiner Verzögerung
und temporären
Information, seinen Zustandsbitschaltern und irgendwelchen Fehlercodes
zurück
antwortet.
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Ein
Fachmann wird erkennen, dass sogar das hier beschriebene spezielle
System zahlreichen Hinzufügungen
und Modifikationen unterworfen ist. Zum Beispiel wären nicht
alle der oben beschriebenen Befehle notwendigerweise erforderlich,
sie können
kombiniert werden, getrennt werden und andererseits auf viele Weisen
modifiziert werden und es können
zahlreiche zusätzliche
Befehle implementiert werden. Als einige von vielen Beispielen könnte ein Befehl
implementiert werden, um alle Bus-Detektionsbitschalter der Detonatoren 20 an
dem Bus 18 zu löschen,
um das Zurücksetzen
des Bus-Detektionsprozesses zu ermöglichen, könnte ein Befehl implementiert
werden, um das einzelne Laden/ oder das Überprüfen des Ladens von ausgewählten Detonatoren 20,
etc. zu ermöglichen.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit einem bestimmten bevorzugten Ausführungsbeispiel
beschrieben wurde, wird ein Fachmann einschätzen, dass zahlreiche Änderungen,
Modifikationen und andere Anwendungen auch innerhalb des Bereichs
der vorliegenden Erfindung sind. Zum Beispiel kann die vorliegende
Erfindung auch bei militärischen,
Luftfahrt- und Fahrzeug-Sicherheitsanwendungen verwendet werden.
Allgemeiner kann die Erfindung in Ultra-Breitband-Funknetzwerken und (besonders
in störungsintensiven Umgebungen)
in kabel-basierten lokalen oder Fernnetzwerken und bei Datenübertragungen
zwischen Mikrokontrollern oder Mikroprozessoren oder logischen Bauelementen
und Peripherie-Einheiten
eingesetzt werden. Somit ist nicht beabsichtigt, dass die vorausgehende
detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform die Erfindung in
irgendeiner Weise einschränkt,
welche nur von den folgenden Ansprüchen und ihren gesetzlichen
Entsprechungen eingeschränkt
wird.