DE69215363T2

DE69215363T2 - Numerische schnittstelleneinrichtung

Info

Publication number: DE69215363T2
Application number: DE69215363T
Authority: DE
Inventors: Jan Bergstroem; Lars Liljegren; Anders Renaes; Ove Skarhed
Original assignee: Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 1991-04-02
Filing date: 1992-03-23
Publication date: 1997-06-12
Anticipated expiration: 2012-03-24
Also published as: SE9100951L; US5587863A; ES2101837T3; EP0578662A1; WO1992017829A1; EP0578662B1; DE69215363D1; SE469731B; SE9100951D0; DK0578662T3; AU1421692A

Description

TECHNISCHER BEREICH

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Steilvorrichtung für Signale eines elektrischen Systemes, in welchem die Bestandteile in Gestalt von Fühlern, Auslösern oder ähnlichen Teilen mit digitalen Ausgabesignalen der Vorrichtung gespeist werden oder in welcher diese Teile die Vorrichtung mit digitalen Eingabesignalen versehen.

BEKANNTE TECHNOLOGIE

In Verbindung mit der Übertragung zwischen elektrischen Einheiten, beispielsweise, wenn verschiedenartige elektrische Teile mit einer elektrischen Einheit verbunden sind um Information an diese Teile zu übermitteln oder Information von diesen Teilen einzusammeln, entsteht unmittelbar der Bedarf einer Signalanpassung zwischen den elektrischen Einhei -ten. Um diese Signalanpassung zu bewerkstelligen kann eine Eingabe- oder Ausgabeeineheit an den zunächstliegenden Teil angeschlossen werden, welche Eingabe- oder Ausgabeeinheit vorgesehen ist den Bedarf der Signale des angeschlossenenn Teiles oder der elektrischen Einheit in Bezug auf Strom- und Spannungspegel wie auch die Signalart zu befriedigen. Sowohl analoge wie auch digitale Signalarten kommen vor. In vorliegender Beschreibung werden lediglich digitale Signalarten berücksichtigt.
In modulierten elektronischen Bausystemen kommen spezielle Eingabe- und Ausgabeeinheiten vor, sogenannte I/O-Einheiten, in diesem Falle digitale I/O-Einheiten, sogenannte DI/DO, die obenerwähnte Signalanpassung vollziehen. Solche Bausysteme werden beispielsweise in der Autoelektronik und den Anpassungssytemen für industrielle Verfahren verwendet. Um so viele vorkommende Signalarten wie möglich zu umfassen, sind die DI/DO- Einheiten mit einer Vielzahl verschiedener Funktionen zur Anpassung an verschiedene Anforderungen versehen. Die entsprechenden Funktionen einer DI/DO-Einheit sind in erster Linie deren Verwendung als DI-Einheit oder als DO-Einheit wie auch der Kabel - überwachung, Strompegelwarnung, Strompegelbegrenzung, Temperaturpegelwarnung, Schutz gegen zu hohe Temperaturen und die mögliche Auswahl des Spannungsbereiches.
Sämtliche obenerwähnte Funktionen werden jeweils ständig auf diesem Gebiete mit bekannter Technik erstellt. Um die verschiedenen Erfordernisse der Anpassungsbereiche für DI/DO-Einheiten zu erfüllen, werden die Einheiten in einer Reihe verschiedener Varianten erstellt, die den Spezifikationen der Erfordernisse entsprechen. Dies schafft Probleme bei der Gestaltung und beim Einbau elektronischer Systeme wie oben, da jede individuelle DI/DO- Einheit spezifiziert werden muß. Ein Bedarf eine einzige DI/DO-Einheit zu erstellen entsteht natürlicherweise, die in sich sämtliche obenerwähnte Funktionen umfaßt.
Modulierte DI/DO-Einheiten sind auf dem Markt bereits bekannt, welche Einheiten mehrere der obengenannten Funktionen in einem gemeinsamen Modul integrieren, jedoch nicht sämtliche oben erwähnten gleichzeitig. Im folgenden wird ein DI/DO-Modul beschrieben, der sämtliche obengenannte Funktionen in einem gemeinsamen Modul zugänglich und integriert aufweist.
US-A-4,628,397 beschreibt Schaltkreise, die als Eingabe oder Ausgabe eines programmierbaren Kontrollorganes verwendet werden können und Schutzfunktionen, beispiels -weise gegen Überlast, erstellen können.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung beschreibt eine digitale Signalschnittstelle zum Verbinden einer elektronischen Einheit und einer elektrischen Prozeßausrüstung, wobei die Schnittstelle Eingabeklemmen für Eingabesignale einschließlich Auslesesignalen der elektronsichen Einheit und Klemmen für den Schnittstellenanschluß an die Prozeßausrüstung aufweist und wobei die Schnittstelle Kontrollorgane und Stromtransistorkreise aufweist, die von den Kontrollorganen gesteuert werden, um
- die Schnittstelle einzustellen für eine Verwendung entweder als digitale Eingabe (DI) oder als digitale Ausgabe (DO),
- die Schutzfunktionen gegen falschen Anschluß auszulösen und beim Benutzen der Schnittstelle als digitaler Ausgabeschutz gegen falsche Belastung,
- die Schnittstelle dem Niveau der an die Klemmen angeschlossenen Prozeßausrüstung anzupassen,
wobei die Schnittstelle wahlweise programmierbar ist zur Verwendung als digitale Eingabe (DI) oder als digitale Ausgabe (DO), die mit Hilfe des von der elektronischen Einheit den Kontrollorganen, hier den Auslöseorganen der Kontrollorgane, zugeleiteten Auslesesignales um die Parameter der in den Stromtransistorkreisen enthaltenen Transistoren einzustellen, sodaß die Stromtransistorkreise zum Arbeiten entweder als eine digitale Eingabe (DI) oder als digitale Ausgabe eingestellt werden, wobei die Klemmen entweder als Eingabe oder als Ausgabe eingestellt werden,
und wobei die Schnittstelle außerdem wahlweise programmierbar ist die Schutzfunktionen durch ein Auslesen verschiedener Betriebsarten der Schnittstelle durchzuführen durch Aussenden von Auslesesignalen von der elektronischen Einheit zum Kontrollorgan und damit die darin befindlichen Schutzorgane gegen falschen Anschluß der Schnittstelle bei deren Verwendung als digitale Ausgabe (DO), die darin befindlichen Schutzorgane gegen falschen Anschluß der Schnittstelle bei deren Verwendung als digitale Eingabe (DI) und die darin befindlichen Schutzorgane gegen falsche Belastung der Schnittstelle bei deren Verwendung als digitale Ausgabe (DO) auszulösen,
und wobei die die Kontrollorgane und die Stromtransistorkreise enthaltende Anordnung lediglich in einem oder einigen wenigen integrierten Kreisen integriert sind.
Die Schnittstelle ist darüber hinaus wahlweise programmierbar für das Spannungsniveau einer angeschlossenen Prozeßausrüstung durch Senden ausgewählter Signale von der elektro -nischen Einheit an die Kontrollorgane und damit eine der programmierten nominellen Betriebsspannungen der Schnittstelle wählt durch Einstellen eines Schwellenwertes in den in den Kontrollorganen enthaltenen Strombegrenzungsorganen.
Die Schnittstelle hat desweiteren die Funktionen: Einstellen der Kabelüberwachung, Einstellen der Stromnivåwarnung, Einstellen des Strombegrenzungspegels, Einstellen der Temperaturpegel -warnung und Einstellen des Temperaturschutzes. Mittels Zugang zu den Funktionen Strombegrenzungspegel und Schutz gegen zu hohe Temperatur, ist ein falsches Anschließen unter den Strom- und Spannungsbedingungen des Anwendungsbereiches unbegrenzt zuläßig. Sämtliche erwähnte Funktionen sind in ein und derselben elektronischen Einheit untergebracht, was durch ein weitgehendes Integrieren der in wenigen integrierten Kreisen verwendeten Teile erreicht wird. Die Auswahl der Funktionsweise wird durch einfaches Programmieren erstellt.
Das weitreichende erfindungsgemäße Integrieren, das gleichzeitig obengenannte Überwachungsfunktionen umfaßt, wird durch die Verwendung von Strom-MOSFET-Kreisen, PMF genannt, ermöglicht, die als verwendungsspezifische integrierte Kreise integriert sind, meistens ASIC-Kreise genannt. Diese ASIC-Kreise enthalten Strom-MOSFET-Transistoren, vorgesehen obenerwähnte Überwchungs- und Schutzfunktionen zu erstellen.
Die hauptsächlichen Merkmale der erfindungsgemäßen DI/DO-Einheit können wie folgt zusammengefaßt werden:
- dieselbe Anordnung kann sowohl als digitale Eingabeeinheit wie auch als digitale Ausgabeeinheit verwendet werden,
- dieselbe Anordnung kann für sämtliche denkbaren Spannungen des Anwendungsbereiches verwendet werden,
- die Anordnung hat verschiedenartige Schutz- und Überwachungsfunktionen, und
- die Funktionsweise wird mit einer Betriebseinstellung erstellt, die die Anordnung in Bezug auf die Funktionen programmiert.
Bei einer Verwendung der Anordnung als digitale Eingabeeinheit können folgende Funktionen möglicherweise sowohl für sich als auch gemeinsam verwendet werden:

Funktionsweise a:

Strombegrenzung

wird zum Schutz der DO-Einheit gegen momentane Überlast verwendet. Die hier unten erwähnte Temperaturmessfunktion ist für diesen Zweck zu langsam.
Ermittlung zu hohen Stromes.
Löst eine Warnung aus, wenn der Strom einen bestimmten festgesetzten Wert erreicht.

Rückführung der Spannung

Die Spannung über die DO-Einheit wird gemessen, um zu ermitteln, ob die Einheit wie erwartet arbeitet.

Funktionsweise b:

Ermittlung eines offenen Kreises.
Beim Einschalten der DO-Einheit wird eine Warnung für einen offenen Kreis ausgelöst, sollte der Strom geringer sein als gewisser bestimmter kleinster Wert. Andererseits strömt beim Abschalten der Einheit ein geringer Leckstrom, der etwas größer ist als der kleinste Wert, durch die DO-Einheit. Eine Warnung, daß der Kreis offen ist, wird dann ausgelöst, sollte der Strom kleiner sein als der kleinste Wert.

Funktionsweise c:

Schutz gegen zu hohe Temperatur.
Diese Funktion wird verwendet um die DO-Einheit gegen Überlast zu schützen. Die DO-Einheit wird abgeschaltet, wenn die Temperatur einen gewissen Wert überschreitet.
Warnung gegen zu hohe Temperatur.
Eine Funktion die Informationen erstellt, daß eine vorbestimmtes Temperaturniveau erreicht wurde, wobei dann eine Warnung ausgelöst wird.
Bei der Verwendung der Anordnung als DO-Einheit werden vier verschiedene digitale Eingabesignalmodi definiert:
d) Ständige digitale Signaleingabe ohne Kabelüberwachung
e) Ständige digitale Signaleingabe mit Kabelüberwachung
f) Pulsierte digitale Signaleingabe ohne Kabelüberwachung
g) Pulsierte digitale Signaleingabe mit Kabelüberwachung
Bei ständiger Signaleingabe durchströmt ein ständiger Strom die DI-Einheit. Bei pulsierter digitaler Signaleingabe durchströmt lediglich ein kurzer Strompuls die DI-Einheit. Der Vorteil eines pulsierten DI ist, daß eine geringere Effektstreuung erfolgt. Pulsierte DI-Einheiten werden lediglich zusammen mit einer direkten Spannungszufuhr verwendet.
Auf dieselbe Weise wie beim Arbeiten der Einheit als DO-Einheit sind beim Arbeiten der Einheit als DI-Einheit sämtliche Funktionen für Überstrom, Überspannung und zu hohe Temperatur erhältlich.
Eine kurze Zusammenfassung der Arbeitsweise der DI-Einheit in den verschiedener Modi wird hier unten erstellt.
Beim Arbeiten in Modus d) erfüllt die Einheit die Bedingungen einer Signalanpassungsausrüstung, welche sich in den Normenvorschlägen der IEC 65A/WG6/TF4 finden. Das Prinzip einer Strombegrenzung der DI-Signale erfüllt die Bedingungen der Klasse I und der Klasse II für Eingabesignalniveaus. Die Spannung auf der Eingabeseite ist mit einem Schwellenwert versehen, oberhalb welchem gemäß obiger Norm die Stellung des digitalen Eingabesignales die Position ON anzeigt. Unterhalb dieses Schwellenwertes ist die entsprechende Stellung OFF. Der gesamte Strom durch die Einheit ist auf eine gewisse Betriebsgröße begrenzt. Die Stellung des digitalen Eingabesignales kann somit dadurch bestimmt werden, daß die Spannung an der Eingabeseite gemessen wird.
Der Betrieb im Modus e) verwendet äußere Widerstände um eine Kabelüberwachung zu ermöglichen. Der Eingabewiderstand der 10-Einheit ist verglichen mit den äußeren Widerständen klein gestaltet. Dies bedeutet, daß der gesamte Strom an der Eingabe beinahe ausschließlich von den äußeren Widerständen bestimmt wird. Es beinhaltet außerdem, daß der gesamte Strom dazu verwendet werden kann, den Impedanzpegel zu ermitteln in Gestalt eines offenen Kreises, off, on oder einem kurzen Kreis. Wie bereits erwähnt befinden sich Strom- MOSFET-Kreise in der DI-Einheit. Um diese Kreise zu schützen wird der Strom auf einen Höchstwert begrenzt.
Bei Betrieb im Modus f) ist die Funktion dieselbe wie im Modus d), jedoch ist die DI- Einheit lediglich während kurzer Zeitperioden eingeschaltet. Die Einheit hat zwischen diesen Perioden eine hohe Impedanz.
Im Betrieb im Modus g) schließlich weist die IO-Einheit dieselbe Funktion auf wie im Modus d) und mit gleichem Zeitverlauf wie in Modus f).
Mit Hilfe geeigneter Wahl der Strombegrenzung erfüllt die Einheit die Anforderungen für die Eingabesignalpegel beider Klassen I und II gemäß obenerwähntem vorgeschlagenem Standard.
Die Einheit wird für ihre Funktionen von einer übergeordneten elektronischen Einheit mit Hilfe von Auslesesignalen und Schwellenwerten für Spannung- und Stromstellungen der DI/DO-Einheit gesteuert um in Übereinstimmung mit den gewünschten Funktionen zu arbeiten.
Eine erfindungsgemäße DI/DO-Einheit erleichtert beträchtlich beispielsweise die Konstruktion, den Einbau und die Wartung elektronischer Systeme, in welchen digitale Schnittstelleneinheiten verwendet werden. Ein einziger Typ von IO-Einheiten erfüllt die Forderungen in den meisten Fällen digitaler Signalanpassung. Dies bedeutet, daß es während des Einbauens in ein Prozeßkontrollsystsem nicht nötig ist, im Voraus die Verteilung zwischen DI-Kanalen und DO-Kanalen oder deren Spannungsniveau zu wissen, was große Einsparungen und Zeitgewinne bedeutet. Ein wertvoller Schutz gegen falsches Schalten oder gegen Anschließen falscher Erreger wird also geschaffen. Dies gilt sowohl für DI- wie auch DO- Einheiten.
Eine Verwendung einer erfindungsgemäßen digitalen Schnittstelleneinheit, die auf geschilderte Weise verkleinert und integriert wurde, besteht in deren Anwendung in einem Prozeßkontrollsystem. Die umfassende Integration der Schnittstelleneinheit ermöglicht die Herstellung digitaler, in kleinen Modulen eingebauten Einkanal-Schnittstelleneinheiten. Diese digitalen Schnittstellenmodule ermöglichen in einem Prozeß Schnittstelleneinheiten näher den äußeren elektrischen Teilen anzubringen, wobei die Übertragung zwischen dem Schnittstellenmodul und einer Überwachungseinheit, beispielsweise einem Rechner, über einen Datenbus erfolgt. Module der erwähnten Art können auf genormte Montierungsschienen aufgesetzt werden, wobei die Übertragung mit Hilfe der übergeordneten Einheit geschieht über in oder auf der Montierungsschiene angeordnete Leiter. Bei einer solcher Anwendung wird die Verwendung von in zentral belegenen Kabinen zusammengefaßten Prozeßschnittstellen-Leiterplatten mit mehreren Kanälen überflüssig.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Figur 1 veranschaulicht ein Systemdiagramm einer DI/DO-Einheit gemäß der vorliegenden Erfindung,
Figur 2a veranschaulicht den Zeitverlauf bei Verwendung einer Ermittlung mit offenem Kreis in einer DO-Einheit, und die Figuren 2b, 2c erklären das Prinzip in der DI/DO-Einheit eingebaute PMF-Transistoren zu verwenden,
Figur 3 zeigt das Prinzip der Ermittlung mit offenem Kreis für die DO-Einheit in der Lage ON,
Figur 4 veranschaulicht ein Diagramm bei Verwendung einer Ermittlung mit offenem Kreis mit der DO-Einheit in Lage OFF,
Figur 5 veranschaulicht das Prinzip einer Temperaturüberwachung in einer erfindungsgemäßen DO-Einheit,
Figur 6 zeigt schematisch die DI-Einheit ohne Kabelüberwachungsfunktion bei ständiger Erregung,
Figur 7 zeigt schematisch die DI-Einheit mit ausgelöster Kabelüberwachnungsfunktion bei ständiger Erregung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFUHRUNGEN

Ein Beispiel einer bevorzugten Ausführung einer DI/DO-Einheit mit den Merkmalen der beiliegenden Patentansprüche wird hier unten im Anschluß an die beiliegenden Figuren beschrieben.
Wie aus Figur 1 hervorgeht, besteht die DI/DO-Einheit aus einer weitreichenden integrierten Ausführung. IC1 repräsentiert einen sogenannten ASIC-Kreis. Dieser enthält sämtliche Blöcke, die als zu IC1 gehörend beschrieben wurden und die folglich in integrierten Form aufgebaut sind.
Die DI/DO-Einheit umfasst außerdem zwei identische Strom-MOSFET-Kreise PMFa, PMFb, deren Funktion zuerst beschrieben wird.
Figur 2b zeigt das Diagramm eines Strom-MOSFET-Transistors mit DMOS N-Kanal. Die in den Figuren symbolisierte Zenerdiode bezieht sich auf eine im MOSFET-Transistor vorhandene interne Parasitdiode. Das erwähnte Symbol entspricht somit nicht einer äußeren Diode. Es ist auch erwähnenswert, daß ein IGBT-Transistor in der Anwendung den MOSFET -Transistor ersetzen kann.
In der DI/DO-Einheit sind zwei MOSFET-Transistoren in einer gemeinsamen, in Figur 2 gezeigten Quelle zusammengefasst. Die Parasitdioden werden zur Erstellung eines Wechselstromschalters verwendet.
Ein Stromspiegel, FET-Spiegel, wird verwendet um eine Strommessung im Haupt- MOSFET-Transistor, Haupt-FET, zu ermöglichen, wie aus Figur 2d ersichtlich ist. Der Strom durch den Stromspiegel kan mit Hilfe eines Strom-Spannungs-Wandlers in Spannung umgewandelt werden.
Die DI/DO-Einheit gemäß Figur 1 umfaßt zwei identische Strom-MOSFET-Kreise, PMFa, PMFb, die als ASIC-Kreise aufgebaut sind. In diesen Kreisen ist ein Haupttransistor M1a, M1b des N-Kanal-DMOS Typs vorhanden. Um die obenerwähnte gemeinsame Quellverbindung zu veranschaulichen sind die beiden PMF-Kreise umgekehrt, sodaß die Queliverbindungen des Haupttransistrors M1a, M1b in den entsprechenden PMF-Kreisen miteinander verbunden sind. Ein zusätzlicher Strom-MOSFET M3a, M3b wird als der obenerwähnte Stromspiegel verwendet.
Die zwischen den Stromspiegeln M3a, M3b und der Nulispannung GND verbundenen Widerstände Rs&sub1; und Rs2 werden verwendet um den Strom durch die Stromspiegel M3a, M3b in eine Spanung umzuwandeln. Die Spannungsteiler Rv&sub1;&sub1;/Rv&sub1;&sub2; und Rv&sub2;&sub1;/Rv&sub2;&sub2; werden gebraucht um die Leerungsquellspannung zu messen. Die Strommessung kann natürlich auch auf andere Weise erfolgen, beispielsweise mit Hilfe von Transimpedanzverstärkern, wenn die Widerstände Rs&sub1; und Rs&sub2; nicht gebraucht werden.
Der Kreis IC1 ist ein Kontrollkreis für die Steuerung des Betriebsmodus der PMF-Kreise. Im Folgenden wird also IC1 Kontrolikreis genannt. Der Kontrollkreis und die PMF-Kreise können alternativ in einer gemeinsamen ASIC-Einheit integriert sein.
Die Wahl zwischen der Verwendung der Anordnung als DI- oder als DO-Einheit geschieht, indem die PMF-Kreise M1a, M1b, M2a, M2b, M3a, M3b auf verschiedene Weise benutzt werden. Durch eine geeignete Wahl des Auslesesignais für einen ersten Multiplexer Mu1, der den Wert einer Schwellenspannung für einen Strombegrenzungsregler CL1, wird die Ausgabespannung auf Nulispannung am Ausgang Vg1 eingestellt, wenn man beabsichtigt die Anordnung als DI-Einheit zu verwenden. In diesem Falle wird lediglich ein PMF-Transistor M2a, M2b in den entsprechenden PMF-Kreisen PMFa, PMFb verwendet. Die übrigen PMF- Transistoren M1a, M1b, M3a, M3b werden durch Anlegen einer Nullspannung über den Ausgang Vg1 an deren entsprechendes Gatt ausgeschaltet. Der Block CL1 umfaßt einen Betriebsverstärker mit zwei Eingabeschwellenwerten und Rückführung. Wenn beispielsweise lediglich der Eingabeschwellenwert eine niedrigere Spannung erhält als die Eingaberückführung, erhält das Ausgabesignal Vout vom Verstärker den Wert 0 Volt. Da VRückführung stets größer oder gleich 0 ist wird Vout den Wert 0 Volt annehmen, wenn VSchwellenwert einen negativen beliebigen Wert erhält. Wenn die Modusauslese einen Wert bekommt, welcher der digitalen Eingabeverwendung, DI, entspricht, wird ein beliebiger negativer Wert über den ersten Multiplexor Mu1 an den Block CL1 der Anordnung angeschlossen.
Bei Verwendung als DO-Einheit wird eine Last ZL über die Ausgabe x1, x2 und damit reihengeschaltet an eine Spannungsquelle U angeschlossen. Wie deutlich aus der Beschreibung der Figuren 3 und 6 ersichtlich, ist stets eine Prozeßausrüstung zwischen den Ausgaben x1 und x2 in sämtliche Modi eingeschaltet, d.h. sowohl im digitalen Eingabemodus wie im digitalen Ausgabemodus.
Die Anordnung wird zurest in ihrer Verwendung als DO-Einheit beschrieben. Diese kann dann in verschiedenen Modi betrieben werden abhängig von den außen vorgegebenen Einstellungen in zwei, im Kreise IC1 integrierten Multiplexeinheiten Mu1, Mu2. Die von einander unabhängigen Modi sind
a) die Strombegrenzungsfunktion CL,
b) die Ermittlung des offenen Kreises OCD, und
c) der Schutz gegen zu hohe Temperatur OTP.
Die Strombegrenzungsfunktion wird dadurch erstellt, daß die Stromermittlungsspannungen Vcs&sub1;, Vcs&sub2; zum Kontrollkreis IC1 zurückgeleitet werden, wo diese Spannungen via den Eingaben y1 bezw. y2 in eine dritte Multiplexereinheit Mu3 und auch über die beiden Eingaben in einen Komparator A1 eingespeist werden. Sowohl diese beiden genannten Einheiten, die dritte Multiplexereinehit Mu3 als auch der Komparator A1 sind zusammen mit einer zusätzlichen vierten Multiplexereinheit Mu4 in einem Signalermittlungswähler 555 integriert, der insgesamt in dem den Kontrollkreis IC1 bildenden ASIC-Kreis integriert ist.
Bei Verwendung der Anordnung als DO-Einheit fließt ein Strom durch die MOSFET M1a, MOSFET M1b und die Last ZL. Die Stromermittlung erfolgt in den genannten Stromspiegeln M3a und M3b. Die Stromermittlung wird dadurch erreicht, daß abgeüihlt wird, welcher der Signale Vcs&sub1; bezw. Vcs&sub2; größer ist. Dieses Abfühlen geschieht mit Hilfe des Komparators A1, der mit Hilfe eines Auslesesignales den dritten Multiplexor Mu3 ändert und damit sicherstellt, daß ein entsprchendes abgefühltes Signal Vcs&sub1; bezw. Vcs&sub2; über den Multiplexer Mu3 an den Strombegrenzungsreglerblock CL1 angeschlossen wird, dessen Ausgabesignal Vg1 den Strom durch die PMF-Kreise steuert und beim Passieren eines zulässigen Strompegels den Strom hierdurch begrenzt.
Der Komparator A1 sendet sein Ausgabesignal auch an einen Komparator C, der abhängig von der gemessenen Stromgröße ermöglicht ein Signal zu übertragen, das eine Warnung auslöst einen gewissen vorherbestimmten Strompegel zu überschreiten und ein Signal, das angibt, daß die Strombegrenzung ausgelöst wird, wenn der vorausbestimmte Strombegrenzungswert im Strom durch einen der Haupt-MOSFET-Transistoren Mla, Mib erreicht wurde. In dem beschriebenen Funktionsmodus wird weder die zweite Strombegrenzungsreglereinheit CL2 noch die vierte Multiplexereinheit Mu4 verwendet. Die Stromgrenze wird automatisch als Funktion der gewählten (programmierten) nominellen Betriebsspannung ausgewählt.
In einem oben erwähnten Funktionsmodus b kann abgefühlt werden, ob der Ausgabekreis der DO-Einheit offen oder über die Ausgaben x1, x2 belastet ist. Diese Ermittlung mit offenem Kreis OCD kann sowohl in der ON- wie in der OFF-position der DO-Einheit geschehen. Ermittlung mit offenem Kreis erfolgt mit einem pulsierenden, nicht ständigem Signal. Die Pulsabstände dieses Signales können ungefähr 100 ms betragen, wie in der Ausführung gemäß Figur 2. Gemäß diesem Beispiel zeigt die Figur, daß eine OCD-Prüfung mit der DO-Einheit in OFF-Position erfolgt med einem Signalpuls mit einer Länge von 100 µs, wonach die DO- Einheit sich in der OFF-Position ohne OCT-Prüfung für den Rest des Pulsintervalles befindet. Darauf folgt der nächste Signalpuls, der wieder die OCD-Prüfung durchführt, usw. Dies wird fortgesetzt bis die Stellung der DO-Einheit auf die ON-Position umgeschaltet wird. Nach einem solchen Einschalten befindet sich die DO-Einheit in der ON-Position ohne OCD- Prüfung, bis ein Puls für eine OCF-Prüfung auftritt, und eine solche Prüfung erfolgt dann während des Zeitraumes 100 µs. In diesem Falle erfolgt die Prüfung, indem das MOSFET M2 in eine Stellung mit niedriger Impedanz gesteuert wird. Die Einheit kehrt in die ON-Position zurück ohne eine OCT-Prüfung für den Rest der Zeitperiode 100 µs, wonach ein neuer Signalpuls eine OCD-Prüfung auslöst usw. In diesem Falle sind in der ON-Position auch die übrigen eventuell ausgewählten Funktionsmodi ausgelöst.
Die Funktion der DO-Einheit im Modus b mit der Einheit in der ON-Position geht aus Figur 3 hervor. Diese Figur zeigt, daß eine Last ZL und eine äußere Spannungsquelle U mit den Ausgaben x1, x2 der DO-Einheit reihengeschaltet sind. Mit offenem Kreis ist in diesem Funktionsmodus mit einer Ermittlung mit offenem Kreis zu verstehen, daß der Strom durch den PMF-Kreis, Itot, kleiner ist als ein bestimmter ausgewählter Wert, in diesem Beispiel 7 mA. Beim Durchführen der Ermittlung mit offenem Kreis werden die MOSFET-Transistoren M2 des PMF-Kreises geöffnet, indem eine Spannung über Vg2 an dem Gatt des Transistors M2 mit einem Spannungspuls angebracht wird. Gleichzeitig wird der Haupt-MOSFET- Transistor M1 abgestellt, indem ein Rampenpuls mit abnehmender Spannung via Vg1 an das Gatt des Transistors M1 angelegt wird. Sollte der gesamte PMF-Strom Itot größer als 7 mA sein, was der Fall ist, wenn der Kreis nicht offen ist, erhöht sich die Spannung Vsc1 oder Vsc2 auf einen Wert über einem gewissen bestimmten Spannungspegel. Bei Ermittlung von Vsc1 oder Vsc2 um diesen Spannungspegel zu passieren wird die OCD-Prüfung unmittelbar unterbrochen. Wenn andererseits der gesamte PMF-Strom Itot geringer ist als obener -wähnte 7 mA, was der Fall ist, wenn der Kreis offen steht, werden die Spannungen Vcs1 oder Vcs2 nie den obengenannten bestimmten Spannungspegel passieren. Eine Angabe der Stellung erfolgt mit Hilfe des Komparators C.
Die Ermittlung mit offenem Kreis mit der DO-Einheit in OFF-Position ist in Figur 4 veranschaulicht. In diesem Fall erfolgt die Prüfung, indem der MOSFET M2 in eine Stellung mit niedriger Impedanz gesteuert wird. Der Kontrollkreis IC1 begrenzt den Strom in dieser Ausführung auf 8 mA. Wenn der Strom Itot durch den PMF-Kreis geringer ist als 7 mA, ist der Kreis als offen anzusehen. Ein Hinweis hierauf wird durch das Stellungssignal des Komparators C gegeben.
Der PMF-Kreis enthält die Dioden D1a, D1b zur Temperaturüberwachung. Die Temperatur wird gemessen, indem die vordere Spannungssenkung über die Diode D1a, D1b ermittelt, wenn ein Strom in der vorderen Spannungsrichtung die Diode des entsprechenden PMF-Kreises passiert. Figur 5 zeigt die Struktur der Temperaturüberwachung, wo das Diagramm über einen im AIS-Kreis integrierten Ermittlerkreis für Temperaturüberschreitung, Te, in Blockaufbau gezeigt wird. Die Temperaturmessung geschieht alternativ für jeweils einen PMF-Kreis. Um dies zu vollziehen, werden zwei Multiplexereinheiten Mu5, Mu6 und ein Demultiplexor DEMUX verwendet. Die Temperaturmessung pendelt abhängig von den Veränderungen in einem PMF-Auslesesignal an die drei Multiplexereinheiten Mu5, Mu6, DEMUX zwischen den beiden PMF-Kreisen. Der für die Messung der bereits erwähnten vorderen Spannungssenkung benötigte Strom kommt von einem Stromgenerator IG, welcher beispielsweise während der Temperaturmessung in PMFa Strom über die Ausgabe Itb1 und die Diode D1a und zur Erdung speist. Ein Problem besteht darin, daß starker Strom den MOSFET M1a passieren kann, und daß eine nicht verachtliche Spannungssenkung in einem Verbindungskabel beim Übergang zwischen der Erdung und dem ASIC-Kreis auftreten kann, sollte die vordere Spannungssenkung direkt zwischen der Ausgabe Itb1 und der Erdung gemessen werden. Um dies zu vermeiden wird ein besonderes Musterkabel zwischen der Messausgabe Ks1 im PMF-Kreis PMFA verlegt und nahe der Kathode der Diode D1a angeschlossen. Auf diese Weise kann die Spannung über die Diode mit hoher Impedanz gemessen werden in Übereinstimmung mit dem Prinzip einer Vierkabelmessung. Die Messung erfolgt auf entsprechende Weise im zweiten PMF-Kreis PMFb. Die Temperaturüberwachung geschieht auf dieselbe Weise im DI-Modus.
Die entsprechende vordere Spannungssenkung über die zugehörigen Dioden D1a, D1b, entsprechend dem Temperaturwert des bezüglichen PMF-Kreises wird über die Multiplexereinheiten MU5, Mu6 einem zweiten Verstärker A2 zugeleitet und dann zwischen einem dritten A3 und einem vierten komparatorähnlichen Verstärker A4 verteilt, wobei der dritte Verstärker auch mit einem Signal VTlim gespeist wird, das eine Referenz für die Temperaturgrenze bildet, und wobei der vierte Verstärker auch mit einem Signal gespeist wird, das der Größe einer bestimmten Temperaturwarnung VTwarning entspricht. Der dritte und der vierte Verstärker sendet Signale TLim bezw TWarning an seinen Ausgaben, wenn die diesen Signalen entsprechenden Temperaturwerte in den PMF-Kreisen erreicht werden.
Das Schalten der DI/DO-Einheit zur Verwendung als DI-Einheit geschieht wie oben durch Verwendung lediglich der MOSFET M2a, M2b in den PMF-Kreisen. Die beiden anderen MOSFET-Transistoren M1, M3 sind ausgeschaltet, was dadurch erfolgt, daß die Spannung am Gatt dieser beiden Transistoren nullgeschaltet wird. Bei Verwendung der Anordnung als DI-Einheit liegt die Möglichkeit vor, diese in vier verschiedenen Funktionsmodi unabhängig voneinander zu betreiben, nämlich
d) ständig ohne Kabelüberwachung
e) ständig mit Kabelüberwachung
d) gepulst ohne Kabelüberwachung
d) gepulst mit Kabelüberwachung.
Bei Verwendung der Anordnung als DI-Einheit ohne Kabelüberwachung wird ein Schalter SW oder ein anderer beliebiger Fühler mit einem binären Ausgabesignal an die Ausgabe x1, x2 der Anordnung angeschlossen. Mit Kabelüberwachung werden zwei Widerstände auch an die Ausgabe angeschlossen, der erste Widerstand Rsv1 in Reihe mit der Last und der andere Widerstand Rsv2 parallel zur Last.
Das Prinzip des Funktionsmodus d ist schematisch in Figur 6 gezeigt. Das Diagramm für diesen Funktionmodus ähnelt sehr der Funktion bei Ermittlung mit offenem Kreis gemäß Figur 4. Im Ablesesignalwähler SSS sendet jedoch in diesem Modus die dritte Multiplexereinheit Mu3 lediglich ein Rückführsignal an den Kreis CL2, wogegen die Ausgabe der vierten Multiplexereinheit Mu4 an den Komparator C angechlossen wird. Der Komparator A1 ermittelt, welches der Eingabesignale Vcs1 und Vcs2 größer ist und schaltet mit Hilfe eines Auslesesignales den dritten Multiplexor Mu3 und den vierten Multiplexor Mu4 auf Ermittlung der Eingabesignale Vvs1, Vcs1 oder Vcs2, die augenblicklich interessant sind. Wenn im Augenblick der PMF-Kreis PMFA der entsprechende ist, wird der Strom, der der an die DI- Einheit gesandten Stromstärke entspricht, mit Hilfe der Stärke des Spannungssignal Vcs1 ermittelt. Diese Spannung wird über den dritten Multiplexor Mu3 der Rückführung im Strombegrenzungsreglerblock CL2 zugeleitet, wodurch der durch die DI-Einheit gesandte Strom mit Hilfe des Gatts im MOSFET2 gesteuert werden kann. Mit Hilfe der Spannungsteiler Rv11 und Rv12 wird ein Signal Vvs1 erstellt, welches den Komparator C über den vierten Multiplexor Mu4 speist. Im Komparator C wird die Größe des Signales Vvs1 mit den Werten der vorherbestimmten Pegel im Komparator C verglichen, und auf diese Weise kann die Stellung des Schalters SW bestimmt werden und eine eventuelle Überspannung ermittelt werden. Auf ähnliche Weise vollzieht sich die Messung im zweiten PMF-Kreis PMFb. Die vorherbestimmten Pegel im Komparator C entsprechen der Größe der Eingabespannung der DI-Einheit. Mit Hilfe der Signale Vvs1 bezw. Vvs2, die dem Komparator C über den vierten Multiplexor Mu4 zugeleitet werden, wird ein Stellungssignal vom Komparator erhalten, welches in Abhängigkeit von der Größe des gemessenen Signales ermittelt, ob die DI-Einheit in ON- oder in OFF-Position liegt.
Mit einer Kabelüberwachung gemäß dem in Figur 7 gezeigten Funktionsmodus e entstehen Ausgabesignale vom Komparator, der Information über kurzen Kreis, offenen Kreis und die ON-OFF-Position erstellt. Der Komparator A1 ermittelt, welches der Eingabesignale Vcs1 und Vcs2 größer ist und schaltet mit Hilfe eines Auslesesignales den dritten Multiplexor Mu3 und den vierten Multiplexor Mu4 auf Ermittlung, welches der Eingabesignale Vcs1 und Vcs2 augenblicklich von Interesse ist. Wenn im Augenblick der PMF-Kreis PMFA der entsprechende ist, wird der Strom, der der an die DI-Einheit gesandten Stromstärke entspricht, mit Hilfe der Stärke des Spannungssignal Vcsl ermittelt. Diese Spannung wird über den dritten Multiplexor Mu3 der Rückführung im Strombegrenzungsreglerblock CL2 zugeleitet, wodurch der durch die DI-Einheit gesandte Strom mit Hilfe des Gatts im MOSFET2 gesteuert werden kann. Das Signal Vcs1 speist auch den Komparator C über den dritten Multiplexor Mu3. Im Komparator C wird die Größe des Signais Vcs1 mit den Werten der vorherbestimmten Pegel im Komparator C verglichen um die Stellung der DI-Einheit feststellen zu können. Auf ähnliche Weise vollzieht sich die Messung im zweiten PMF-Kreis PMPB. Die vorherbestimmten Pegel im Komparator C entsprechen den Werten des Eingabesstromes in die DI-Einheit. Unter einem gewissen ersten Strompegel ist der Kreis an der Eingabe x1', x2' als offen anzusehen. Zwischen diesem ersten Stromniveau und einem zweiten höheren Stromniveau ist die Stellung der DI-Einheit als OFF anzusehen. Oberhalb dieses zweiten Stromniveaus und unterhalb eines dritten Stromniveaus befindet sich die DI-Einheit in ON- Position. Oberhalb eines dritten Stromniveaus schließlich ist die Eingabe x1, x2 als kurzgeschlossen anzusehen. Stellungssignale des Komparators C geben Information über die Stromstellung in der DI-Einheit.
Im Funktionsmodus f, der ohne Kabelüberwachung gepulst ist, ist das Diagramm dasselbe wie im Funktionsmodud d mit dem Unterschied, daß die PMF-Transistoren während einer kurzen Periode mit Hilfe eines Pulses offen stehen. Die DI-Einheit ist während der Pulsdauer aktiv. Beide Gattspannungen Vg1 und Vg2 haben zwischen den Öfffiungspulsen Nullspannung, wodurch die PMF-Kreise geschlossen werden und die DI-Einheit stillegen.
Der Funktionsmodus, gepulst und mit Rückführung, hat dasselbe Funktionsdiagramm wie der Funktionsmodus e mit dem Unterschied, daß die PMF-Transistoren zeitweilig zwischen den Öffnungspulsen geschlossen sind, womit die DI-Einheit aktiviert wird. Beide Gattspannungen Vg1 und Vg2 haben zwischen den Öffhungspulsen Nullspannung, wodurch die PMF-Kreise geschlossen werden und die DI-Einheit stillegen.
Das Vorgehen, eine gepulste Aktivierung der DI-Einheit zu verwenden, ergibt kleinere Stromerregung und damit weniger Wärme in den PMF-Kreisen sowie eine geringere Anwendung derselben und beinhaltet darüber hinaus geringeren Strombedarf in einer Erregeranordnung, die einen Leser mit Strom versorgt.

Claims

1. Digitale Signalschnittstelle zum Koppeln zwischen einer übergeordneten elektronischen Einheit und einer elektrischen Prozeßausrüstung (ZL), wobei die Schnittstelle Eingabeklemmen (In, SEL) für Eingabesignale einschließlich Auslesesignalen von der elektronischen Einheit und Klemmen (x1, x2) für den Anschluß an die Prozeßausrüstung (ZL) aufweist, wobei die Schnittstelle Kontrollorgane (IC1) und von den Kontrollorganen (IC1) gesteuerte Stromtransistorkreise (PMFa, PMPb) enthält, um

- die entweder als digitale Eingabe (DI) oder als digitale Ausgabe (DO) verwendete Schnittstelle zu schalten,

- eine Schutzfunktion zu aktivieren gegen falschen Anschluß und bei Verwendung der Schnittstelle als digitaler Ausgabeschutz gegen falsche Last,

- die Schnittstelle dem Spannungsniveau der mit den beiden Klemmen (x1, x2) verbundenen Prozeßausrustung (ZL) anzupassen,

wobei die Schnittstelle wahlweise programmierbar ist, für eine Verwendung als digitale Eingabe (DI) oder als digitale Ausgabe (DO), ausgewählt im Hinblick auf den Wert des Auslesesignals (Moduswahl, Schwellenwerte) die von der elektronischen Einheit an die Kontrollorgane (IC1) gesandt werden und damit in den Kontrollorganen (IC1) enthaltene Mittel (MUL1, CL1) aktivieren zur Parameterbestimmung der Transistoren (M1a, M1b, M2a, M2b, M3a, M3b), die in den Stromtransistorkreisen (PMFa, PMFb) entthalten sind, sodaß die Stromtransistorkreise (PMFa, PMFb) eingestellt werden, entweder als digitale Eingabe (DI) oder als digitale Ausgabe (DO) zu wirken, wobei die Klemmen (x1, x2) entweder als Eingabe bezw als Ausgabe eingestellt werden,

und wobei die Schnittstelle außerdem wahlweise programmierbar ist die Schutzfunktionen zu vollziehen durch eine Wahl zwischen verschiedenen Betriebsmodi (a - g) der Schnittstelle mittels Aussenden von Auslesesignalen (Moduswahl) von der elektronischen Einheit an die Kontrollorgane (IC1), wobei die darin enthaltenen Mittel (CL1, CL2) aktiviert werden zum Schutz gegen falschen Anschluß der Schnittstelle bei deren Verwendung als digitale Ausgabe (DO), die die darin enthaltenen Mittel (C, A1, Mu3, CL2) aktiviert zum Schutz gegen falschen Anschluß der Schnittstelle bei deren Verwendung als digitale Eingabe (DI) und die darin enthaltenen Mittel (Mu3, A1, Mu4, CL1) aktiviert zum Schutz gegen falsche Last in der Schnittstelle bei deren Verwendung als digitale Ausgabe (DO), und wobei die die Kontrollorgane (IC1) und die Stromtransistorkreise (PMFa, PMFb) aufnehmende Anordnung in lediglich einem oder einigen wenigen integrierten Kreisen integriert ist.

2. Schnittstelle gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittstelle wahlweise programmierbar ist auf das Spannungsniveau einer angeschlossenen Prozeßausrüstung durch Senden von Auslesesignalen (Schwellenwerte) von der elektronischen Einheit an die Kontrollorgane (IC1), wodurch eine der programmierten Betriebsspannungen der Schnittstelle gewählt wird durch Bestimmen von Schwellenwerten für in den Kontrollorganen enthaltenen Strombegrenzungsorgane (CL1, CL2).

3. Schnittstelle gemäß Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittstelle Mittel (D1a, D1b, Mu5, Mu6, DEMUX, IG, A2, A3, A4) zum Schutz gegen Übertemperaturen in der Schnittstelle enthält.

4. Schnittstelle gemäß Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittstelle Mittel (A3, A4) zur Temperaturpegelwarnung enthält.

5. Schnittstelle gemäß Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittstelle Mittel (A1, C) zur Stromniveauwamung und/oder Strombegrenzung eines in der digitalen Ausgabe (DO) enthält bei Verwendung der Schnittstelle gewählten Spannungsniveaus und Mittel (Mu3, Mu4, CL2, C. A1) zur Strombegrenzung in der digitalen Eingabe (DI) bei Verwendung der Schnittstelle.

6. Schnittstelle gemäß Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittstelle mindestens einen ASIC-Kreis oder entsprechenden Kreis aufweist, der mindestens die Strom- MOSFET-Kreise (PMFa, PMFb) der Anordnung enthält.

7. Schnittstelle gemäß Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Mittel (Mu1, Mu2, CL1, CL2, SSS, Te, RM1, RM2, C), enthalten in den Kontrollorganen (IC1) der Schnittstelle, auf einem ASIC-Kreis oder einem entsprechenden Kreis integriert sind.

8. Schnittstelle gemäß Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittstelle in digitalen, in kleinen Modulen liegenden Schnittstelleneinheiten enthalten ist, welche Module direkt über einen Datenbus mit einer Überwachungseinheit, beispielsweise einem Rechner, in Verbindung stehen.

9. Schnittstelle gemäß Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Module auf genormten Montierschienen aufgelegt werden können zur Kommunikation mit der Überwachungseinheit über in oder auf der Montierschienenfläche liegenden Leiterbahnen.

10. Schnittstelle gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltkreise der Schnittstelle in der gewählten Funktion als DI-Einheit auch für die Funktionsmodi: ständig ohne Kabelüberwachung, ständig mit Kabelüberwachung, gepulst ohne Kabelüberwachung und gepulst mit Kabelüberwachung programmiert werden können.

11. Schnittstelle gemäß Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittstelle bei geeigneter Wahl des Strombegrenzungsniveaus die Anforderungen der beiden Klassen I und II des vorgeschlagegen Standards IEC/65A/WG6/TF4 erfüllt.

12. Schnittstelle gemäß Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittstelle in der gewählten Funktion als DI-Einheit für den entsprechenden Spannungsbereich programmierbar ist und daß die Schnittstelle während einer Spannungsmessung bei gleichbleibender Stromlast die Anforderungen der beiden Klassen I und II des vorgeschlagegen internationalen Standards für Prozeßkontrollsysteme gemäß IEC TC 65, 65A(CO) 22 erfüllt.

13. Schnittstelle gemäß Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßausrüstung an die Schnittstelle über die Klemmen (x1, x2) angeschlossen ist, sowohl wenn die Schnittstelle als digitale Eingabeeinheit (DI) und wenn die Schnittstelle als digitale Ausgabeeinheit (DO) arbeitet.

14. Schnittstelle gemäß Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittstelle beim Betrieb als digitale Ausgabeeinheit (DO) für die entsprechende nominelle Spannung programmierbar ist und somit automatisch bei passender Strombegrenzung umgeschaltet wird, sodaß die Schaltkreise nicht bei Anschluß einer falschen Betriebslast zerstört werden.