EP1067497A2 - Verfahren zur seriellen Übertragung von digitalen Messdaten - Google Patents

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EP1067497A2
EP1067497A2 EP00114781A EP00114781A EP1067497A2 EP 1067497 A2 EP1067497 A2 EP 1067497A2 EP 00114781 A EP00114781 A EP 00114781A EP 00114781 A EP00114781 A EP 00114781A EP 1067497 A2 EP1067497 A2 EP 1067497A2
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EP
European Patent Office
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time
value
receiver
transmitter
point
Prior art date
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EP00114781A
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EP1067497A3 (de
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Walter Dr. Mehnert
Thomas Dr. Theil
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Publication of EP1067497A3 publication Critical patent/EP1067497A3/de
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    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
    • G08C15/00—Arrangements characterised by the use of multiplexing for the transmission of a plurality of signals over a common path
    • G08C15/06—Arrangements characterised by the use of multiplexing for the transmission of a plurality of signals over a common path successively, i.e. using time division

Definitions

  • the invention relates to a method for the serial transmission of digital measurement data from a transmitter to a remote receiver according to the generic term of claim 1.
  • Measured continuously should be used to refer to measuring methods that continuously deliver measured values, as well as those in which the measured values occur discontinuously at very short time intervals.
  • Such a method is known from DE-OS 44 43 959, in which the transmitter directly is arranged at a sensor and serves to provide measurement data supplied by the sensor, which are provided for transmission in digital form to one removed to transmit lying receivers in such a way that minimal effort with regard to the Connection lines must be driven.
  • the sensor is a measuring device for the permanent recording of a physical quantity, for example one Temperature, pressure, etc.
  • a particularly important area of application for these processes is position and in particular Rotary encoders in which the physical quantity to be recorded is the angular position a rotating shaft. This wave can both stand still as well as rotating at a high speed, for example 12,000 rpm.
  • the invention has for its object a method of the beginning mentioned type in such a way that serial transmission of the measurement data is also possible very high rates of change of the physical quantity to be recorded is practically possible in real time without extremely high transmission frequencies are needed.
  • the invention provides that set out in claim 1 Characteristics before.
  • the precalculated exact value ⁇ Txb agrees with the value ⁇ Tx actually measured at the time T x within the limits given by the defined measurement accuracy.
  • the precalculated exact value ⁇ Txb is closer to one of the limits of the measuring accuracy range than would be the case without this change occurring.
  • the sign of this correction value can be negative or positive; it is essential that the correction value 0 is also transmitted.
  • the fulfillment of a fourth requirement may also be important, namely the above-mentioned time intervals T x-3 - T x-2 , T x-2 - T x-1 , T x-1 - T x etc. are sufficient for the respective contribution, which the second time derivative of the physical quantity to be monitored (ie angular acceleration for an angular measurement) to the current value, to be transmitted in coded form within such a time interval.
  • the points in time involved in the determination of the measured values ie both the past points in time T x-3 , T x-2 , T x-1 , already indicate those on both sides, ie at the transmitter and at the receiver a measured value ⁇ Tx-3 , ⁇ Tx-2 , ⁇ Tx-1 is known, as well as the time T x , for which an exact value ⁇ Txb is first calculated and then when the transmitter has the associated new, measured value ⁇ Tx knows, a correction value ⁇ Tx to be transmitted is determined at exactly the same time intervals that are known on both sides.
  • the latest measured value ⁇ Tx and its deviation from the pre-calculated exact value ⁇ Txb that is to say the newest correction value ⁇ Tx, are available and are only transmitted to the receiver must, so that it can calculate the actual measured value ⁇ Tx exactly.
  • the correction value ⁇ Tx on validity of the above three conditions considerably smaller than any of the already small change values ⁇ Tx-1, ⁇ Tx, it can also be transmitted at a relatively low transmission frequency in such a short time that the receiver using this correction value ⁇ Tx can calculate not only the measured value ⁇ Tx valid for the time T x but also the measured values with the required accuracy and resolution in real time and can make them available to a user, which occur for all times between the time T x and the next Time T x + 1 , for which the transmitter delivers a new correction value ⁇ Tx + 1 .
  • This also applies in particular to the point in time at which the transmission of the correction value ⁇ Tx has ended.
  • the last change value ⁇ Tx is split up into a linear and a square part.
  • This transmission is preferably interleaved bit by bit or bit group with the transfer of the correction values so that the previously mentioned conditions are met stay.
  • This frequency can be set in a manner known per se so that it forms a standing wave on a two-wire line used for transmission, which is so current modulated that each of its half-waves is a bit of the data to be transmitted can represent, as described in EP 716 404 A1.
  • correction values that have been expressly mentioned so far are coded differences of values of the size to be measured, that is, in the case of a rotating shaft, angular differences. Due to the fixed time grid specified in the present variant (measuring intervals of exactly the same size), this is equivalent to the transmission of correction values which directly represent changes in a higher derivative, such as the angular velocity or angular acceleration, etc. In the variant to be explained below without a fixed time grid, it can be advantageous instead of the differences between the Local values "to transfer such differences of higher temporal derivatives than correction values
  • the time intervals between the considered times T x-2 , T x-1 , T x etc. do not have to be identical; However, the conditions remain that the transmitter and receiver use the same calculation bases and that each of the variable time intervals is so small that the respective contribution made by the third time derivative of the physical quantity to be monitored to the current value does not increase than the desired measurement accuracy or resolution,
  • the calculated exact value ⁇ Txb for a point in time T x in question can only be calculated after its occurrence and after the transmitter has transmitted to the receiver a time stamp signal which characterizes the temporal absolute position of this point in time.
  • the receiver Since this transmission can take place within a very short time and the correction value calculated by the transmitter is then transmitted very quickly, the receiver, despite the use of a comparatively low transmission frequency, is also able to predict the actual course of the physical quantity to be monitored by means of preliminary calculations to follow in real time.
  • the transmitter measures the time interval of the respective point in time T x from a predeterminable, periodically recurring significant point, preferably from the next zero crossing of a quartz-accurate periodic reference signal available on both sides, and this time interval ⁇ t Sx as a time stamp signal to the receiver transmits, which, if it knows the temporal position of the relevant significant point of the reference signal, can form an exact time measurement.
  • the receiver receives the necessary information regarding the temporal position of the relevant significant point of the reference signal, it is sufficient if the transmitter sends him a signal with a very short temporal length at the point in time T x in question , which, for example, the leading edge of a signal bit can serve , and the receiver measures the time interval ⁇ t Ex of this signal to the next occurring significant point of the reference signal, which in general, ie when the signal delay on the transmission path is greater than half a period of the reference signal, with the significant point on which The time stamp signal determined by the transmitter is not identical, but is separated from it by a whole number of half-periods of the reference signal.
  • This number of half-periods also depends on the signal propagation time on the transmission link that can be assumed to be known. Assuming that the fluctuations in the signal transit time are not more than 1 ⁇ 4 of the period length of the transmission frequency, the receiver can determine the exact time T x from ⁇ t Ex , ⁇ t Sx and the approximate value of the signal transit time and the period length of the reference signal which the respective measured value was obtained without the transmitter transmitting more than the edge of the signal bit and the associated time stamp signal ⁇ t Sx , which can be encoded with a few bits, since it only serves to match a half period of the reference signal with the required one Resolve accuracy.
  • a rotary encoder measures the rotation of a shaft with a resolution of 22 bits absolute and another 26 bits per full revolution, whereby the shaft can reach a maximum speed of 12,000 rpm and the maximum acceleration ⁇ 1 x 10 5 s -2 .
  • the transmitter collects the measurement data in digital form on a twisted 2-wire cable transmitted to the receiver, in which, as described in EP 0 716 404 A1, from the receiver at the same time to power the transmitter side Serving alternating voltage wave is impressed, the frequency quartz and is matched to the cable length so that at least for one by current modulation binary state to be impressed results in a standing wave.
  • the frequency is 150 m with a corresponding relative dielectric constant for example 329.5 kHz, which results in an oscillation period of approx. 3 ⁇ s results in which 2 bits can be transmitted.
  • the transmission takes place in such a way that bits which represent an absolute absolute value are interleaved with bits, the correction values, change values, log data, angular acceleration values, Identification mask elements and other information represent.
  • the reserve bits can be used, for example, to permanently nested Incremental values or angular acceleration values from time to time to be transferred either by multiple difference formation from the Position measurement values of the rotary encoder formed or from its own acceleration sensor can be delivered.
  • the mask bits are used, which are in any block after any Determination but always the same place can be provided for identification the beginning of the word.
  • the block k / k / ä / ä / ä / ä / ä / p / m / r / has a length of 10 bits and can be used with 5 periods of the frequency of 329.5 kHz, ie in approx. 15 ⁇ s be transmitted.
  • the starting time of transmission of each such block is hereinafter referred to as Transmission time "T x denotes for which a new measured value ⁇ Tx is to be present on the transmitter side.
  • each block contains only a single bit for the absolute value of the angular position, 48 such blocks must be transmitted until the receiver completes one Received an absolute value, but when the last bit reaches the receiver, is already about 720 ⁇ s "old", i.e. differ significantly from the current position value can.
  • an intermediate value 2 ⁇ Tx-1 - ⁇ Tx-2 is formed from the values ⁇ Tx-2 and ⁇ Tx-1 by linear extrapolation to T x and with the change value ⁇ Tx-1 , which for the last transmission time T x -1 and which can be positive or negative, is summed.
  • the calculated exact value ⁇ Txb is used as a replacement for the future measured value ⁇ Tx .
  • each correction value ⁇ T due to rounding errors can only lie in the range from 0 to -3 increments (in the present example, which assumes maximum conditions with an acceleration gradient of 10 8 / s 3 , but actually within ⁇ Can change 32 ⁇ s at most by 1 increment); thus its representation including sign is only possible with only two bits and a transmission within 3 ⁇ s. Since this third time derivative of the angular position to be measured hardly changes during this time even at maximum angular velocity and / or acceleration, the updated values calculated by the receiver for the period from T x to T x + 1 give the respective actual measured value in real time again with an accuracy of ⁇ 1 increment.
  • the transmitter at time T 2 ⁇ a new measured value T2 so it does not send this value but only the time T 2 characterizing time stamp signal, which enables the receiver location, the time interval .DELTA.t 12 between times T 2 and T 1 to calculate.
  • the transmitter For a later time T 3 , in which the transmitter has a new measured value ⁇ T3 , the transmitter first transmits the associated time stamp signal again, so that both sides can calculate the time difference ⁇ t 23 .
  • This calculated exact value ⁇ T2b also corresponds with a high degree of accuracy to the value of the physical variable to be monitored that actually exists at the relevant time T 2x .
  • timestamp signal the respective time in such a compressed form that it can be transmitted within a very short time is possible.
  • both the transmitter and the receiver as a Time-normal, periodic, quartz-accurate reference signal stands that is preferably given by the receiver to the transmitter.
  • the periods or half-periods of this reference signal are based on a zero point signal is counted, which the receiver sends to the transmitter in the same way transmitted as follows for the time signal transmission from the transmitter the recipient is explained.
  • the transmitter If the transmitter has a new measured value at a time T n , it first sends a signal bit to the receiver, the leading edge of which serves as a time stamp. In addition, the transmitter measures the time interval ⁇ t nS of this time stamp at an agreed significant point, for example the next zero crossing of the reference signal, and transmits it to the receiver in coded form as a time stamp signal.
  • the receiver When the receiver receives the time stamp, it also measures its time interval ⁇ t nE from the next significant point, for example the next zero crossing, of the reference signal. Due to the signal transit time on the transmission link, the two zero crossings just mentioned will generally not be identical.
  • the receiver can use the transmitted time stamp signal ⁇ t nS , the time interval ⁇ t nE measured by itself and the signal transit time known apart from instantaneous fluctuations Determine which zero crossing the time stamp signal ⁇ t nS of the transmitter relates to. Since this time stamp signal ⁇ t nS only serves to temporally resolve a period length of the reference signal, it can be coded with a few bits and transmitted within a very short time.
  • the principle according to the invention is also used here that both on the part of the sender as well as the receiver on the basis of the same mathematical and physical laws calculations that allow the recipient to provide information with maximum accuracy to receive, although only a minimum of information transmitted by the transmitter has been.
  • a 2-wire line between the transmitter and receiver is sufficient for the last explained method preferably uses a 3-wire line. Serves here a line as a system ground.
  • the second transmits the supply voltage and the reference signal (e.g. 10 MHz).
  • the third becomes bidirectional data transmission used.
  • ASSI interface asynchronous-synchronous-serial interface

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Abstract

Bei einem seriellen Übertragungsverfahren für digitale Meßdaten von einem Sender an einen Empfänger, bei dem senderseitig wenigstens ein Absolutwert einer laufend gemessenen physikalischen Größe sowie deren Änderungen beschreibende Korrekturwerte in digitaler Form an den Empfänger übertragen werden, der aus den übertragenen Werten fortgeschriebene Meßwerte bildet, ist zur Erzielung niederer Übertragungsfrequenzen bei senderseitig sehr großem Datenanfall vorgesehen, daß sowohl sender- als auch empfängerseitig fortlaufend für jeweils einen Zeitpunkt (Tx), für den empfängerseitig noch kein neuer gemessener Wert (αTx) vorliegt, unter Verwendung der mathematischen Gleichungen, die die physikalischen Änderungsgesetze der messend zu erfassenden Größe beschreiben, ein exakter Wert (αTxb) vorausberechnet wird, der empfängerseitig den fortgeschriebenen Meßwert darstellt, daß senderseitig beim Vorliegen des zum jeweils betrachteten Zeitpunkt (Tx) gehörenden gemessenen Wertes (αTx) dessen Differenz zum exakten berechneten Wert (αTxb) gebildet wird, und daß wenigstens ein eine solche Differenz darstellender Korrekturwert (δαTx) an den Empfänger übertragen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur seriellen Übertragung von digitalen Meßdaten von einem Sender zu einem entfernt liegenden Empfänger gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Im folgenden wird begrifflich zwischen tatsächlich gemessenen Werten (= Meßwerte) und berechneten Werten (= exakte Werte) unterschieden, wobei letztere deswegen so bezeichnet werden, weil sie, wie noch im Einzelnen dargestellt wird, innerhalb des jeweils geforderten Meßgenauigkeitsbereiches mit den zugehörigen, tatsächlich gemessenen Werten übereinstimmen und somit zu Recht als
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exakt" bezeichnet werden können.
Mit der Aussage, daß die physikalische Größe, deren Meßwerte übertragen werden sollen, laufend gemessen" wird, sollen sowohl Meßverfahren bezeichnet werden, die kontinuierlich Meßwerte liefern, als auch solche, bei denen die Meßwerte in sehr kurzen Zeitabständen diskontinuierlich anfallen.
Aus der DE-OS 44 43 959 ist ein solches Verfahren bekannt, bei dem der Sender unmittelbar bei einem Sensor angeordnet ist und dazu dient, vom Sensor gelieferte Meßdaten, die für die Übertragung in digitaler Form bereitgestellt werden, zu einem entfernt liegenden Empfänger derart zu übertragen, daß ein minimaler Aufwand hinsichtlich der Verbindungsleitungen getrieben werden muß. Der Sensor ist dabei eine Meßeinrichtung zur permanenten Erfassung einer physikalischen Größe, beispielsweise einer Temperatur, eines Druckes usw..
Ein besonders wichtiges Einsatzgebiet für diese Verfahren stellen Positions- und insbesondere Drehgeber dar, bei denen die zu erfassende physikalische Größe die Winkelposition einer sich drehenden Welle ist. Dabei kann diese Welle sowohl still stehen als sich auch mit einer hohen Drehzahl, beispielsweise 12.000 U/min, drehen.
Fordert man für eine derartige Anwendungssituation ein hohes Auflösungsvermögen von beispielsweise 22 Bit für eine volle Umdrehung von 2 Π und läßt man Beschleunigungen bzw. Verzögerungen von bis zu 1 x 105 s-2 zu, so ergeben sich bei dem bekannten Verfahren insofern Schwierigkeiten, als eine extrem hohe Übertragungsfrequenz gewählt werden muß, um die bei hohen Geschwindigkeiten anfallende, sehr große Zahl von Inkrementen einschließlich ihres Vorzeichens einzeln so zu übertragen, daß der Empfänger die jeweils aktuelle Winkelposition praktisch in Echtzeit als fortgeschriebenen Meßwert durch vorzeichenrichtige Addition der Inkremente zum letzten vollständig ermittelten Absolutwert aufbauen kann.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß eine serielle Übertragung der Meßdaten auch bei sehr großen Änderungsgeschwindigkeiten der zu erfassenden physikalischen Größe praktisch in Echtzeit möglich wird, ohne daß hierfür extrem hohe Übertragungsfrequenzen benötigt werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die im Anspruch 1 niedergelegten Merkmale vor.
Diesen erfindungsgemäßen Maßnahmen liegt die Erkenntnis zugrunde, daß dann, wenn die zeitliche Änderung einer physikalischen Größen stetig ist, d.h. durchgehend durch mathematische Gleichungen beschrieben werden kann, eine Ableitung n-ter Ordnung existiert, deren Änderung innerhalb entsprechend gewählter Meßintervalle den gemessenen Wert nur so beeinflußt, daß die geforderte Meßgenauigkeit erhalten bleibt.
Sollen die gemessenen Werte einer solchen physikalischen Größe erfaßt und vom Sender an den Empfänger übertragen werden, so kann statt einer Übertragung gemäß der DE-OS 444 43 959 innerhalb eines begonnen Meßintervalls für jeden künftigen Zeitpunkt Tx, der in diesem Intervall oder an seinem Ende liegt, gleichzeitig sowohl auf selten des Senders als auch des Empfängers durch Lösung der entsprechenden mathematischen Gleichung, bei der es sich im allgemeinen um eine Differentialgleichung (n-1)-ter Ordnung handelt, ein exakter Wert" αTxb berechnet werden, wobei unter diesem Ausdruck ein Wert verstanden wird, dessen Abweichung von dem in dem künftigen Zeitpunkt Tx tatsächlich gemessenen Wert αTx so klein ist, daß er inerhalb der durch die geforderte Meßgenauigkeit definierten Grenzen mit diesem übereinstimmt.
Entsprechend dieser Meßgenauigkeit und unter Berücksichtigung der Änderungsmöglichkeiten, insbesondere der möglichen oder vorgesehenen Maximalwerte der zeitlichen Ableitungen der zu messenden physikalischen Größe, werden die Länge der Meßintervalle, das heißt der Abstand der Zeitpunkte, zu denen die gemessenen Werte erfaßt werden, sowie die Zahl n-ter Ordnung festgelegt, von der angenommen werden kann, daß sie sich innerhalb eines Meßintervalls nicht über einen vorgebbaren Maximalwert hinaus ändert. Diese Ordnungszahl n definiert dann die Anzahl der vorausgehend gewonnenen, gemessenen Werte αTx-1, αTx-2, αTx-3,... die gemeinsam mit den exakt bekannten Zeitpunkten Tx-3, Tx-2, Tx-1, zu denen sie aufgetreten sind, zur Lösung der Berechnungsgleichungen in diese eingesetzt werden müssen. Je höher die Ordnung n der zeitlichen Ableitung der Meßgröße (und damit der zu lösenden Differentialgleichungen) ist, deren Änderung die Meßgröße innerhalb des Meßintervalls im Rahmen der geforderten Meßgenauigkeit beeinflußt, um so größer muß die Anzahl der früheren, in die Berechnung einbezogenen gemessenen Werte sein.
Wenn zum Beispiel bei der messenden Überwachung der Drehung einer Welle die Änderung der Winkelbeschleunigung als konstant angesehen werden kann, genügt es theoretisch nach Erfassung eines Startmeßwertes sich bei der fortlaufenden Berechnung neuer exakter Werte einmalig auf drei gemessene Werte zu stützen. Weitere Messungen und Korrekturwertübertragungen wären dann nicht mehr erforderlich. Dieser theoretische Fall ist denkbar, doch wird in der Praxis die Konstanz der Winkelbeschleunugung nur über einige Meßintervalle anhalten; daher ist es erforderlich, ständig Messungen durchzuführen und sich bei der forlaufenden Brechnungen jeweils auf drei frühere gemessene Werte zu stützen.
Sind die oben genannten Parameter erfindungsgemäß korrekt festgelegt, so stimmt der vorausberechnete exakte Wert αTxb mit dem zum Zeitpunkt Tx tatsächlich gemessenen Wert αTx innerhalb der durch die definierte Meßgenauigkeit gegebenen Grenzen überein.
Die Annahme, daß sich die zeitliche Ableitung n-ter Ordnung der Meßgröße über einige wenige Meßintervalle nicht ändert ist realistisch, gilt aber nicht für beliebig viele aufeinanderfolgende Meßintervalle. Beginnt nun eine eintretende Änderung wirksam zu werden, so liegt der vorausberechnete exakte Wert αTxb näher an einer der Grenzen des Meßgenauigkeitsbereiches, als dies ohne das Auftreten dieser Änderung der Fall wäre. Sein Herauslaufen aus dem Meßgenauigkeitsbereich wird erfindungsgemäß dadurch verhindert, daß unverzüglich nach dem Ende Tx eines jeden Meßintervalls senderseitig der in einigen wenigen Bits, in der Regel sogar in nur zwei Bits (nämlich +1, 0, -1) kodierbare Korrekturwert δαTx = αTxb - αTx zwischen dem berechneten exakten und dem tatsächlich gemessenen Wert ermittelt und an den Empfänger übertragen wird. Das Vorzeichen dieses Korrekturwerts kann negativ oder positiv sein; wesentlich ist, daß auch der Korrekturwert 0 übertragen wird.
Der in diesem Korrekturwert enthaltene Einfluß der in einem Meßintervall zwar konstanten, sich über einen längeren, d.h. mehrere Meßintervalle umfasenden Zeitraum unter Umständen aber doch ändernden zeitlichen Ableitung n-ter Ordnung auf den Meßwert wird also ständig erfaßt und an den Empfänger übertragen, der ihn dann ebenso wie der Sender bei den nachfolgenden Berechnungen berücksichtigen kann, sodaß die weiterhin vorausberechneten exakten Werte αT(x+1)b, αT(x+2)b, usw. nach wie vor innerhalb des Meßgenauigkeitsbereiches mit den zugehörigen, erst nach der jeweiligen Berechnung auftretenden tatsächlich gemessenen Werten αT(x+1), αT(x+2), usw. übereinstimmen und somit zu Recht als exakt" bezeichnet werden können.
Für die hier besonders interessierende Fälle der messenden Verfolgung der translatorischen oder rotirenden Bewegung eines Körpers, beispielsweise der Winkelmessung einer rotierenden Welle, lassen sich für die Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens zusammenfassend die drei Voraussetzungen konkretisieren,
  • daß sowohl auf Seiten des Senders als auch des Empfängers alle erfindungsgemäßen Berechnungen nach den gleichen, den physikalischen Ablauf beschreibenden Gesetzmäßigkeiten durchgeführt werden,
  • daß für jeden gemessenen Wert αTx, der einer weiteren Verarbeitung zugeführt wird, der Zeitpunkt Tx exakt bekannt ist, für welchen er den jeweiligen momentanen Wert der erfaßten physikalischen Größe wiedergibt, und
  • daß die zeitlichen Abstände Tx-3 - Tx-2, Tx-2 - Tx-1, Tx-1 - Tx usw. zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten Tx-3, Tx-2 bzw. Tx-2, Tx-1 bzw. Tx-1, Tx, für die gemessenen Werte αTx-3, αTx-2, αTx-1, αTx ermittelt und gemäß der Erfindung weiterverarbeitet werden, so klein sind, daß in ihnen der jeweilige Beitrag, den die dritte zeitliche Ableitung der zu überwachenden physikalischen Größe (d.h. beispielsweise bei einer Winkelmessung die zeitliche Änderung der Winkelbeschleunigung) zum momentanen Wert liefert, nicht größer als die gewünschte Meßgenauigkeit bzw. Auflösung ist
Aus Sicherheitsgründen, die später noch erläutert werden, kann noch die Erfüllung einer vierten Voraussetzung wichtig sein, daß nämlich die oben genannten zeitlichen Abstände Tx-3 - Tx-2, Tx-2 - Tx-1, Tx-1 - Tx usw. ausreichen, daß in ihnen der jeweilige Beitrag, den die zweite zeitliche Ableitung der zu überwachenden physikalischen Größe (d.h. bei einer Winkelmessung die Winkelbeschleunigung) zum momentanen Wert liefert, in codierter Form innerhalb eines solchen zeitlichen Abstandes übertragen werden kann.
Dann bleibt die vom Sender ermittelte Abweichung des berechneten, exakten Wertes αTxb von dem bei Eintreten des betrachteten Zeitpunktes Tx anfallenden, gemessenen Wert αTx so klein, daß sie als Korrekturwert δαTx in kodierter Form auch in kürzester Zeit an den Empfänger übertragen werden kann, der damit den von ihm ebenfalls berechneten und bis dahin verwendeten exakten Wert αTxb unverzüglich korrigiert.
Bei einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens weisen die in die Meßwertermittlung eingehenden Zeitpunkte, d.h. sowohl die vergangenen Zeitpunkte Tx-3, Tx-2, Tx-1, für die auf beiden Seiten, d.h. beim Sender und beim Empfänger, bereits ein gemessener Wert αTx-3, αTx-2, αTx-1 bekannt ist, als auch der Zeitpunkt Tx, für den zunächst ein exakter Wert αTxb berechnet und dann, wenn der Sender den zugehörigen neuen, gemessenen Wert αTx kennt, ein zu übertragender Korrekturwert δαTx ermittelt wird, exakt gleiche zeitliche Abstände auf, die auf beiden Seiten bekannt sind.
Aufgrund dieser exakt gleichen Zeitabstände, (d.h. Tx-3 - Tx-2 = Tx-2 - Tx-1 = Tx-1 - Tx usw.) ist es möglich, den berechneten exakten Wert αTxb bereits im Voraus, d.h. vor dem Eintreten des Zeitpunktes Tx dadurch zu berechnen, daß aus den beiden zuletzt gemessenen Werten αTx-2, αTx-1 vorzugsweise durch lineare Extrapolation auf den künftigen Zeitpunkt Tx ein Zwischenwert berechnet und zu diesem ein für den letzten, bereits vergangenen Zeitpunkt Tx-1 ermittelter Änderungswert ΔαTx-1 vorzeichenrichtig summiert wird, der seinerseits dadurch bestimmt wurde, daß aus den beiden gemessenen Werten αTx-3, αTx-2, die den Zeitpunkten Tx-3, Tx-2 zugeordnet sind, welche dem dem betrachteten Zeitpunkt Tx vorausgehenden Zeitpunkt Tx-1 vorausgehen, auf den vorausgehenden Zeitpunkt Tx-1 linear extrapoliert und die Differenz zwischen dem so gewonnenen Zwischenwert und dem dem vorausgehenden Zeitpunkt Tx-1 zugeordneten gemessenen Wert αTx-1 gebildet wurde.
Der derart berechnete exakte Wert αTxb weicht nur dann vom gemessenen Wert ab, wenn sich der Beitrag, den die zweite zeitliche Ableitung der zu überwachenden physikalischen Größe zum momentanen Wert liefert im Zeitraum Tx -Tx-1 geändert hat. Der maximale Fehler kann nur noch gleich der dem Korrekturwert δαTx entsprechenden Abweichung des künftigen Änderungswertes ΔαTx, der sich für den betrachteten Zeitpunkt Tx ergibt, vom bereits bekannten Änderungswert ΔαTx-1 sein, liegt also dann, wenn die oben genannte dritte Bedingung erfüllt ist, im Rahmen der gewünschten Meßgenauigkeit.
Ist dann der Zeitpunkt Tx eingetreten, für den die betrachtete Vorausberechnung durchgeführt wurde, dann liegen der neueste gemessene Wert αTx und dessen Abweichung vom vorausberechneten exakten Wert αTxb, d.h. also der neueste Korrekturwert δαTx vor, der allein an den Empfänger übertragen werden muß, damit dieser den tatsächlichen gemessenen Wert αTx exakt berechnen kann.
Da der Korrekturwert δαTx bei Gültigkeit der drei obigen Voraussetzungen erheblich kleiner als jeder der ohnehin kleinen Änderungswerte ΔαTx-1, ΔαTx ist, kann er auch bei vergleichsweise niedriger Übertragungsfrequenz in so kurzer Zeit übertragen werden, daß der Empfänger mit Hilfe dieses Korrekturwerts δαTx nicht nur den für den Zeitpunkt Tx gültigen gemessenen Wert αTx sondern auch die Meßwerte mit der geforderten Genauigkeit und Auflösung in Echtzeit berechnen und einem Anwender zur Verfügung stellen kann, die für alle Zeitpunkte auftreten, die zwischen dem Zeitpunkt Tx und dem nächsten Zeitpunkt Tx+1, liegen, für den vom Sender ein neuer Korrekturwert δαTx+1 geliefert wird. Dies gilt insbesondere auch für den Zeitpunkt, in welchem die Übertragung des Korrekturwerts δαTx beendet ist. Für die Berechnung von Zwischenwerten, die die physikalische Größe für Zeitpunkte darstellen, die zwischen den Zeitpunkten Tx und Tx+1 liegen, wird unter anderem der letzte Änderungswert ΔαTx in einen linearen und einen quadratischen Anteil aufgespalten.
Prinzipiell würde es also genügen, nur ein einziges Mal einen absoluten gemessenen Wert und einen Änderungswert und dann nur noch Korrekturwerte zu übertragen, mit deren Hilfe empfängerseitig die Änderungswerte fortgeschrieben werden, wobei die fortgeschriebenen Änderungswerte ihrerseits dazu dienen, die absoluten Meßwerte fortzuschreiben.
Da bei einem reinen Fortschreibungsverfahren durch Übertragungsfehler, wie sie beispielsweise durch in den Übertragungsweg eingestreute Störungen entstehen, erhebliche Abweichungen zwischen den fortgeschriebenen und den tatsächlichen Werten auftreten können, werden, obwohl die Fehlerwahrscheinlichkeit durch die sehr kleinen Zeitabstände gering ist, vorzugsweise auch immer wieder gemessene Werte und Änderungswerte als solche übertragen, damit auf der Empfängerseite ein Abgleich vorgenommen werden kann. In diesem Fall muß dann die vorher genannte vierte Voraussetzung erfüllt sein.
Diese Übertragung erfolgt vorzugsweise bitweise oder bitgruppenweise verschachtelt mit der Übertragung der Korrekturwerte, damit die vorher genannten Bedingungen erfüllt bleiben.
Es sei nochmals betont, daß sich dann, wenn beim Empfänger ein neuer Korrekturwert δαTx vorliegt, dort nicht nur auf den zum betrachteten, inzwischen eingetretenen Zeitpunkt Tx am Sender vorhandenen gemessenen Wert αTx zurückrechnen läßt, sondern es auch möglich ist, für wenigstens einen nach dem betrachteten Zeitpunkt Tx liegenden Zeitpunkt Tx+1 und alle dazwischen liegenden Zeitpunkte jeweils einen exakten Wert in Echtzeit vorauszuberechnen. Bedingung ist dabei lediglich, daß auch dieser spätere Zeitpunkt Tx+1 den gleichen zeitlichen Abstand zum vorausgehenden Zeitpunkt Tx besitzt, der auch die übrigen Zeitpunkte voneinander trennt.
Die erforderliche exakte zeitliche Korrelation zwischen den verschiedenen Zeitpunkten läßt sich besonders einfach dadurch realisieren, daß diese Zeitpunkte aus einer quarzgenauen Frequenz abgeleitet werden, die vorzugsweise auf der Empfängerseite erzeugt und an den Sender übertragen wird.
Dabei kann diese Frequenz in an sich bekannter Weise so festgelegt werden, daß sie auf einer zur Übertragung dienenden Zweidrahtleitung eine stehende Welle bildet, die so strommoduliert wird, daß jede ihrer Halbwellen ein Bit der zu übertragenden Daten darstellen kann, wie dies in der EP 716 404 A1 beschrieben ist.
Bei den bisher ausdrüchlich angesprochenen, übertragenen Korrekturwerten handelt es sich um kodierte Differenzen von Werten der zu messenden Größe, d.h. im Fall einer rotierenden Welle um Winkeldifferenzen. Aufgrund des bei der vorliegenden Variante vorgegebenen festen Zeitrasters (exakt gleich große Meßintervalle) ist dies äquivalent mit der Übertragung von Korrekturwerten, welche Änderungen einer höheren Ableitung wie z.B. der Winkelgeschwindigkeit oder Winkelbeschleunigung usw. unmittelbar darstellen. Bei der nachfolgend noch erläuteren Variante ohne festes Zeitraster kann es vorteilhaft sein, statt der Differenzen der Ortswerte" solche Differenzen höherer zeitlicher Ableitungen als Korrekturwerte zu übertragen
Mit Hilfe der Vorausberechnung ist es auch möglich, Signallauf- und sonstige Verzögerungszeiten des Systems zu berücksichtigen. Befindet sich auf der Empfängerseite beispielsweise ein Regler, der anhand der vom Sensor gelieferten Meßdaten die zu überwachende physikalische Größe auf einen in veränderlicher Weise vorgebbaren Wert einregeln soll, so kann z.B. der zeitliche Abstand zwischen einem betrachteten Zeitpunkt Tx und einem nachfolgenden Zeitpunkt, für den auf der Empfängerseite ein exakter Wert vorausberechnet und an den Regler weitergegeben wird, solange verändert werden, bis dieser zeitliche Abstand den Systemverzögerungszeiten entspricht, was sich daran erkennen läßt, daß der Regler stabil arbeitet und nicht mehr schwingt.
Bei einer anderen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens müssen die Zeitabstände zwischen den betrachteten Zeitpunkten Tx-2, Tx-1, Tx usw. nicht identisch gleich sein; es bleiben jedoch die Bedingungen bestehen, daß Sender und Empfänger die gleichen Berechnungsgrundlagen verwenden und daß jeder der variablen Zeitabstände so klein ist, daß sich in ihm der jeweilige Beitrag, den die dritte zeitliche Ableitung der zu überwachenden physikalischen Größe zum momentanen Wert liefert, nicht größer als die gewünschte Meßgenauigkeit bzw. Auflösung ist,
Bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der berechnete exakte Wert αTxb für einen betrachteten Zeitpunkt Tx erst nach dessen Eintreten berechnet werden und nachdem der Sender dem Empfänger ein die zeitliche absolute Lage dieses Zeitpunktes kennzeichnendes Zeitstempelsignal übertragen hat. Da diese Übertragung innerhalb kürzester Zeit erfolgen kann und auf sie dann ebenso sehr schnell die Übertragung des vom Sender berechneten Korrekturwertes erfolgt, ist auch hier der Empfänger trotz der Verwendung einer vergleichsweise niederen Übertragungsfrequenz in der Lage, dem tatsächlichen Verlauf der zu überwachenden physikalischen Größe durch Vorausberechnungen in Echtzeit zu folgen.
Für die Lösung der der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wäre es kontraproduktiv, als Zeitstempelsignale komplette, kodierte Zeitmeßwerte zu verwenden, weil die dabei anfallende Datenmenge eine sehr hohe Übertragungsfrequenz erfordern würde.
Es wird daher bevorzugt, daß der Sender den Zeitabstand des jeweiligen Zeitpunktes Tx von einem vorgebbaren, periodisch wiederkehren signifikanten Punkt, vorzugsweise vom nächstfolgenden Nulldurchgang eines auf beiden Seiten zur Verfügung stehenden, quarzgenau periodischen Referenzsignals mißt und diesen Zeitabstand ΔtSx als Zeitstempelsignal an den Empfänger überträgt, der dann, wenn er die zeitliche Lage des betreffenden signifikanten Punkts des Referenzsignals kennt, einen exakten Zeitmeßwert bilden kann.
Damit der Empfänger die erforderliche Information bezüglich der zeitlichen Lage des betreffenden signifikanten Punkts des Referenzsignals erhält, genügt es, wenn ihm der Sender zu dem betrachteten Zeitpunkt Tx ein Signal mit sehr kurzer zeitlicher Länge, als das beispielsweise die Vorderflanke eines Signalbits dienen kann, sendet, und der Empfänger den Zeitabstand ΔtEx dieses Signals zum nächsten auftretenden signifikanten Punkt des Referenzsignals mißt, der im allgemeinen, d.h. dann, wenn die Signallaufzeit auf der Übertragungsstrecke größer als eine halbe Periode des Referenzsignals ist, mit dem signifikanten Punkt, auf den sich das vom Sender ermittelte Zeitstempelsignal bezieht zwar nicht identisch, von diesem aber durch eine ganze Anzahl von Halbperioden des Referenzsignals getrennt ist.
Diese Anzahl von Halbperioden hängt auch von der als bekannt voraussetzbaren Signallaufzeit auf der Übertragungsstrecke ab. Unter der immer realisierbaren Annahme, daß die Schwankungen der Signallaufzeit nicht mehr als ± ¼ der Periodenlänge der Übertragungsfrequenz betragen, kann der Empfänger aus ΔtEx, ΔtSx und dem ungefähren Wert der Signallaufzeit sowie der Periodenlänge des Referenzsignals den exakten Zeitpunkt Tx ermitteln, zu welchem der jeweilige Meßwert gewonnen wurde, ohne daß ihm vom Sender mehr als die Flanke des Signalbits und das zugehörige Zeitstempelsignal ΔtSx übertragen wurden, das sich mit einigen wenigen Bits kodieren läßt, da es ja nur dazu dient, eine Halbperiode des Referenzsignals mit der geforderten Genauigkeit aufzulösen.
Diese und andere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen niedergelegt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben.
Zu diesem Zweck wird ein Drehgeber betrachtet, der die Drehung einer Welle mit einer Auflösung von 22 Bit absolut und weiteren 26 Bit je voller Umdrehung messend verfolgt, wobei die Welle eine maximale Drehzahl von 12.000 U/min erreichen kann und die maximale Beschleunigung ± 1 x 105 s-2 beträgt.
Die anfallenden Meßdaten werden vom Sender in digitaler Form auf einer verdrillten 2-Draht-Leitung an den Empfänger übertragen, in die, wie in EP 0 716 404 A1 beschrieben, vom Empfänger her eine gleichzeitig auch zur Stromversorgung der Senderseite dienende Wechselspannungswelle eingeprägt wird, deren Frequenz quarzgenau und auf die Leitungslänge so abgestimmt ist, daß sich zumindest für einen durch Strommodulation aufzuprägenden Binärzustand eine stehende Welle ergibt. Bei einer Leitungslänge von 150 m beträgt bei entsprechender relativer Dielektrizitätskonstante die Frequenz beispielsweise 329,5 kHz, woraus sich eine Schwingungsperiode von ca. 3 µs ergibt, innerhalb derer 2 Bit übertragen werden können.
Die Übertragung erfolgt in der Weise, daß Bits, die einen Winkelabsolutwert darstellen mit Bits verschachtelt sind, die Korrekturwerte, Änderungswerte, Protokolldaten, Winkelbeschleunigungswerte, Elemente einer Identifizierungsmaske und weitere Informationen darstellen.
Ein geeignetes Protokoll kann beispielsweise die folgende Form besitzen:
  • k/k/ä/ä/ä/ä/ä/p/m/r/ k/k/ä/ä/ä/ä/ä/p/m/r/ k/k/ä/ä/ä/ä/ä/p/m/r/ k/k/ä/ä/ä/ä/ä/p/m/r/
    • wobei k ein Korrekturwertbit, ä ein Änderungswertbit, p ein Absolutwert-Positionsbit, m ein Maskenbit und r ein Resevebit für weitere Information bedeuten. Die Blöcke schließen dabei in Wirklichkeit unmittelbar aneinander an; die Abstände sind oben nur der Deutlichkeit halber eingefügt.
    Die Reservebits können beispielsweise verwendet werden, um permanent geschachtelte Inkrementalwerte oder zwischendurch immer wieder einmal Winkelbeschleunigungswerte zu übertragen, die entweder durch mehrfache Differenzbildung aus den Positionsmeßwerten des Drehgebers gebildet oder von einem eigenen Beschleunigungssensor geliefert werden können.
    Demgegenüber dienen die Maskenbits, die in jedem Block an beliebiger, nach erfolgter Festlegung aber immer gleicher Stelle vorgesehen werden können, zu Identifizierung des Wortanfangs.
    Der Block k/k/ä/ä/ä/ä/ä/p/m/r/ hat hier eine Länge von 10 Bit und kann mit Hilfe von 5 Perioden der Frequenz von 329,5 kHz, d.h. in ca. 15 µs übertragen werden. Der Anfangszeitpunkt der Übertragung eines jeden solchen Blocks wird im folgenden als Übertragungszeitpunkt" Tx bezeichnet, für den auf seiten des Senders ein neuer gemessener Wert αTx vorliegen soll.
    Da jeder Block nur ein einziges Bit für den Absolutwert der Winkelposition enthält, müssen 48 derartige Blöcke übertragen werden, bis der Empfänger einen vollständigen Absolutwert erhalten hat, der aber dann, wenn das letzte Bit den Empfänger erreicht, bereits ca. 720 µs "alt" ist, d.h. sich vom momentanen Positionswert erheblich unterscheiden kann.
    Um auf der Empfängerseite fortgeschriebene Meßwerte, die sich von der tatsächlichen Winkelposition möglichst wenig unterscheiden, in Echtzeit zur Verfügung stellen zu können, wird daher auf folgende Weise vorgegangen:
    Es sei angenommen, daß sowohl auf der Sender- als auch auf der Empfängerseite bereits wenigstens drei zu früheren Übertragungszeitpunkten Tx-3, Tx-2 und Tx-1 gemessene Werte αTx-3, αTx-2 und αTx-1 bekannt sind. Dann liegt auch auf beiden Seiten ein für den Zeitpunkt Tx-1 ermittelter Änderungswert ΔαTx-1 vor, so daß sowohl der Sender als auch der Empfänger bereits zum Zeitpunkt Tx-1 einen exakten Wert αTxb für den Zeitpunkt Tx nach der Rekursionsormel αTxb = 2 αTx-1 - αTx-2 + ΔαTX-1 vorausberechnen können. Man sieht, daß aus den Werten αTx-2 und αTx-1 durch lineare Extrapolation auf Tx ein Zwischenwert 2αTx-1 - αTx-2 gebildet und mit dem Änderungswert ΔαTx-1 ,der für den letzten Übertragungszeitpunkt Tx-1 gebildet wurde und der positiv oder negativ sein kann, summiert wird.
    Dieser Änderungswert ΔαTx-1,der sich ebenso wie all anderen Änderungswerte ΔαT bei einer vorgegebenen maximalen Beschleunigung ε und einem vorgegebenen zeitlichen Abstand Δt den Wert εΔt2 nicht überschreiten kann, war seinerseits nach einer der Formel (1) entsprechenden Gleichung unter Verwendung der gemessenen Werte αTx-3, αTx-2, αTx-1 für die Zeitpunkte Tx-3, Tx-2, Tx-1 ermittelt worden: ΔαTx-1 = αTx-1 - (2 αTx-2 - αTx-3)
    Bis zum Eintreten des Zeitpunktes Tx zu dem und für den beim Sender ein neuer korrekter gemessener Wert αTx vorliegt, wird der berechnete exakte Wert αTxb als Ersatz für den künftigen gemessenen Wert αTx verwendet.
    Tritt dann der Zeitpunkt Tx ein, so kennt zunächst nur der Sender den neuen, gemessenen Wert, mit dessen Hilfe er ohne relevante Zeitverzögerung den neuen Korrekturwert δαTx nach der Gleichung δαTx = αTxb - αTx berechnet.
    Sobald dieser Korrekturwert einschließlich seines Vorzeichens durch die ersten beiden Bits k/k/ des gerade beginnenden Protokollblocks an den Empfänger übertragen ist, d.h. im vorliegenden Beispiel nach 3 µs, ist somit auch der Empfänger in der Lage, ohne relevante Zeitverzögerung den aktuellen, fortgeschriebenen, exakten gemessenen Wert αTx und den Änderungswert ΔαTx nach den Gleichungen αTx = αTxb + δαTx und ΔαTx = ΔαTx-1 + δαTx zu berechnen.
    Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, daß dies bereits nach 3 µs möglich ist, d.h. noch bevor der vom Sender ebenfalls ermittelte aktuelle Änderungswert ΔαTx an den Empfänger übertragen ist. Theoretisch müßte also ΔαTx gar nicht mehr übertragen werden. Aus Sicherheitsgründen wird seine Übertragung in jedem Protokollblock aber vorzugsweise durchgeführt, um eventuell auftretende Übertragungsfehler erkennen und gegebenenfalls korrigieren zu können.
    Es läßt sich zeigen, daß jeder Korrekturwert δαT durch Rundungsfehler jeweils nur im Bereich von 0 bis -3 Inkrementen liegen kann (sich beim vorliegenden Beispiel, das mit einem Beschleunigungsgradienten von 108/s3 von maximalen Bedingungen ausgeht, tatsächlich aber innerhalb von < 32 µs allenfalls um 1 Inkrement ändern kann); somit ist seine Darstellung inkl. Vorzeichen mit nur zwei Bits und eine Übertragung innerhalb von 3 µs immer möglich. Da sich diese dritte zeitliche Ableitung der messend zu verfolgenden Winkelposition auch bei maximaler Winkelgeschwindigkeit und/oder - beschleunigung in dieser Zeit kaum ändert, geben die vom Empfänger für den Zeitraum von Tx bis Tx+1 berechneten fortgeschriebenen Werte den jeweiligen tatsächlichen Meßwert in Echtzeit mit einer Genauigkeit von ± 1 Inkrement wieder.
    Bei einem anderen Verfahren gemäß der Erfindung kann die Bedingung, daß die betrachteten Zeitpunkte, zu denen am Sender jeweils ein neuer gemessener Wert vorliegt, identische Abstände haben müssen, wegfallen. Dies erfordert allerdings, daß die Lage dieser Zeitpunkte auf einer absoluten Zeitskala genau bestimmt und durch ein Zeitstempelsignal gekennzeichnet wird, das dann vom Sender an den Empfänger übertragen werden muß. Eine spezielle Verfahrensweise, die es ermöglicht, ein solches hoch genaues Zeitstempelsignal mit einer vergleichsweise niedrigen Frequenz zu übertragen, wird später noch genauer erläutert.
    Zwar müssen die Zeitabstände zwischen den betrachteten Zeitpunkten nicht mehr gleiche Längen aufweisen, doch gelten nach wie vor die oben genannten Voraussetzungen, daß Sender und Empfänger auf der Grundlage der gleichen Gesetzmäßigkeiten ihre Berechnungen ausführen, und daß jeder der nunmehr variablen Zeitabstände so klein ist, daß in ihm der jeweilige Beitrag, den die dritte zeitliche Ableitung der zu überwachenden physikalischen Größe zum momentanen Wert liefert, nicht größer als die gewünschte Meßgenauigkeit bzw. Auflösung ist.
    Statt der vorher aufgeführten Gleichungen (1) bis (3) gelten dann etwas andere Beziehungen:
    Es sei angenommen, daß das System zu einem Zeitpunkt T0 mit einem gemessenen Wert αTo = 0 beginnt. Für einen zu einem Zeitpunkt T1 vorliegenden neuen gemessenen Wert αT1 gilt dann: α T 1 = ε 01 2 Δt 01 2 wobei Δt01 die Zeitdifferenz zwischen den beiden Zeitpunkten T0 und T1 ist. Nach den Gleichungen ε 01 = 2α T1 Δt 01 2 und ω 1 = ε 01Δt 01 berechnet der Sender dann die im Zeitraum Δt01 aufgetretene mittlere Beschleunigung ε01 sowie die zum Zeitpunkt T1 herrschende Geschwindigkeit ω1 und sendet als erste Werte αT1 und ein den Zeitpunkt T1 kennzeichnendes Zeitstempelsignal (siehe unten) an den Empfänger, der hieraus einerseits Δt01 und andererseits nach den obigen Gleichungen (4a) und (4b) die mittlere Beschleunigung ε01 sowie die Geschwindigkeit ω1 berechnen kann.
    Hat dann der Sender zu einem Zeitpunkt T2 einen neuen gemessenen Wert αT2 so sendet er nicht diesen Wert sondern nur das den Zeitpunkt T2 kennzeichnende Zeitstempelsignal, das den Empfänger in die Lage versetzt, den Zeitabstand Δt12 zwischen den Zeitpunkten T2 und T1 zu berechnen.
    Auf der Grundlage dieser Werte können dann sowohl der Sender als auch der Empfänger einen exakten Wert αT2b für den gerade erst eingetretenen Zeitpunkt T2 nach folgender Gleichung berechnen: α T 2b = α T1 + ω 1Δt 12 + ε 01 2 Δt 12 2
    Es sei an dieser Stelle nochmals ausdrücklich betont, daß alle gemäß der Erfindung vorzunehmenden Berechnungen in einer so kurzen Zeit durchgeführt werden können, daß diese Rechenzeit im Vergleich zu den Übertragungszeiten vernachlässigbar klein sind.
    Da der Sender bereits über den neuen gemessenen Wert αT2 verfügt, kann er aus der Differenz Δt12 zwischen den Zeitpunkten T1 und T2 und dem gemessenen Wert αT2, der zum Zeitpunkt T2 gewonnen wurde, die zu diesem Zeitpunkt herrschende Geschwindigkeit ω2, die im Zeitraum Δt12 herrschende mittlere Beschleunigung ε12 sowie den ersten Korrekturwert δα T 2 = α T 2 ― α T 2b berechnen und diesen an den Empfänger übertragen, der mit Hilfe dieses Korrekturwertes δαT2 aus dem bisher für den Zeitpunkt T2 verwendeten berechneten exakten Wert αT2b den gemessenen Wert αT2 berechnen kann.
    Sender und Empfänger haben nun alle Parameter, um aus der Gleichung für den tatsächlichen gemessenen Wert α T 2 = α T 1 + ω 1Δt 12 + ε 12 2 Δt 12 2 die in dem Zeitraum zwischen T1 und T2 herrschende mittlere Beschleunigung ε12 zu berechnen.
    Für einen später eintretenden Zeitpunkt T3, in welchem dem Sender ein neuer gemessener Wert αT3 vorliegt, überträgt der Sender zunächst wieder das zugehörige Zeitstempelsignal, so daß beide Seiten die Zeitdifferenz Δt23 berechnen können.
    Aus dieser Zeitdifferenz Δt23 und der zum Zeitpunkt T1 herrschenden Geschwindigkeit ω1 sowie der nach Gleichung (7) ermittelten mittleren Beschleunigung ε12 berechnet der Empfänger nach der Gleichung ω 2 = ω 1 + ε 12Δt 23 die im Zeitpunkt T2 herrschende Geschwindigkeit ω2, so daß ihm nun mit Ausnahme des neuesten gemessenen Wertes αT3 bzw. des zugehörigen Korrekturwertes δαT3 die gleichen Informationen vorliegen, wie dem Sender und er nach einer der Gleichung (5) entsprechenden Gleichung einen neuen berechneten exakten Wert αT3b für den Zeitpunkt T3 berechnen kann.
    Wenn an den Empfänger von einem Verwender eine Anfrage nach einem Meßwert kommt, der beispielsweise einem beliebigen zwischen den Zeitpunkten T2 und T3 liegenden Zeitpunkt T2x zugeordnet ist, so kann der Empfänger für diesen Zwischenzeitpunkt T2x mit Hilfe der ihm bereits zur Verfügung stehenden Daten einen exakten Wert nach folgender Gleichung berechnen: α T 2xb = α T 2 + ω 2Δt 22x + ε 12 2 Δt 22x 2 wobei Δt22x der Zeitabstand zwischen den Zeitpunkten T2 und T2x ist.
    Auch dieser berechnete exakte Wert αT2b entspricht dem zu dem betreffenden Zeitpunkt T2x tatsächlich vorhandenen Wert der zu überwachenden physikalischen Größe mit einer hoher Genauigkeit.
    Für weitere Zeitpunkte T4, T5, T6 usw. kann das eben beschriebene Verfahren in entsprechender Weise fortgesetzt werden.
    Wichtig ist, daß die Übertragungen des Zeitstempelsignals und des Änderungswertes in einer wesentlich kürzeren Zeit erfolgen können, als sie für die Übertragung des vollständigen Meßwertes erforderlich wäre. Tatsächlich ist die gemäß der Erfindung benötigte Übertragungszeit so kurz, daß auch bei dieser Variante der Empfänger dem tatsächlichen Verlauf der zu überwachenden physikalischen Größe durch Vorausberechnung in Echtzeit folgen kann.
    Von wesentlicher Bedeutung ist dabei, daß das Zeitstempelsignal den jeweiligen Zeitpunkt in so komprimierter Form darstellt, daß eine Übertragung innerhalb kürzester Zeit möglich ist.
    Um dies zu realisieren, ist bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, daß sowohl dem Sender als auch dem Empfänger ein als Zeitnormal dienendes, periodisches, quarzgenaues Referenzsignal zur Verfügung steht, daß vorzugsweise vom Empfänger an den Sender gegeben wird. Auf beiden Seiten werden die Perioden bzw. Halbperioden dieses Referenzsignals ausgehend von einem Nullpunktsignal gezählt, das der Empfänger in der gleichen Weise an den Sender übermittelt, wie dies im folgenden für die Zeitsignalübermittlung vom Sender an den Empfänger erläutert wird.
    Liegt dem Sender zu einem Zeitpunkt Tn ein neuer gemessener Wert vor, so sendet er als erstes an den Empfänger ein Signalbit, dessen Vorderflanke als Zeitmarke dient. Außerdem mißt der Sender den Zeitabstand ΔtnS dieser Zeitmarke zu einem vereinbarten signifikanten Punkt, beispielsweise zum nächsten Nulldurchgang des Referenzsignals und überträgt ihn als Zeitstempelsignal in codierter Form an den Empfänger.
    Wenn der Empfänger die Zeitmarke erhält, mißt er ebenfalls deren Zeitabstand ΔtnE zu dem nächsten signifikanten Punkt, beispielsweise zum nächsten Nulldurchgang, des Referenzsignals. Aufgrund der Signallaufzeit auf der Übertragungsstrecke werden dabei die beiden eben erwähnten Nulldurchgänge im allgemeinen nicht identisch sein.
    Unter der Voraussetzung, daß die Signallaufzeit auf der Übertragungsstrecke um nicht mehr als ± 1/4 der Periodenlänge des Referenzsignals schwankt, kann der Empfänger aus dem übertragenen Zeitstempelsignal ΔtnS, dem von ihm selbst gemessenen Zeitabstand ΔtnE und der abgesehen von momentanen Schwankungen bekannten Signallaufzeit ermitteln, auf welchen Nulldurchgang sich das Zeitstempelsignal ΔtnS des Senders bezieht Da dieses Zeitstempelsignal ΔtnS lediglich zur zeitlichen Auflösung einer Periodenlänge des Referenzsignals dient, kann es mit einigen wenigen Bits codiert und innerhalb kürzester Zeit übertragen werden.
    Auch hier kommt wieder das erfindungsgemäße Prinzip zur Anwendung, daß sowohl auf Seiten des Senders als auch des Empfängers auf der Grundlage der gleichen mathematischen und physikalischen Gesetzmäßigkeiten Berechnungen durchgeführt werden, die es erlauben, auf Seiten des Empfängers Information mit maximaler Genauigkeit zu erhalten, obwohl nur ein Minimum an Information vom Sender übertragen wurde.
    Im Gegensatz zu dem ersten der beiden geschilderten Verfahren, bei dem zur Übertragung zwischen Sender und Empfänger eine 2-Drahtleitung genügt, wird bei dem zuletzt erläuterten Verfahren vorzugsweise eine 3-Drahtleitung verwendet. Hier dient eine Leitung als Systemmasse. Die zweite überträgt die Versorgungsspannung und das Referenzsignal (z.B. 10 MHz). Die dritte wird zur bidirektionalen Datenübertragung herangezogen.
    Man hat dann zwar eine Leitung mehr, dafür aber die Möglichkeit, große Datenmengen in beide Richtungen zu senden - und das wegen der extrem kurzen Zeitsschachtelung fast zeitgleich. Darunter ist zu verstehen, daß für die Übertragung von Daten vom Sender an den Empfänger, die spätestens alle 32 µs erfolgen muß, nur etwa 10 µs benötigt werden. Die restliche Zeit kann für die Übertragung einer ähnlich großen Datenmenge in Gegenrichtung verwendet werden.
    Dies bietet den Vorteil, daß auch vom Empfänger zum Sender eine große Menge von Daten mit hoher Frequenz übertragen werden kann, wobei eine ASSI-Schnittstelle (asynchron-synchron-serielles Interface) Verwendung finden kann.
    Aus der vorausgehenden Beschreibung ergibt sich, daß die beschriebenen Verfahren nicht nur für Dreh- bzw. Winkelgeber sondern auch für Lineargeber und ganz allgemein Sensoren verwendet werden können, die andere physikalische Größen messend erfassen und verfolgen.

    Claims (22)

    1. Verfahren zur seriellen Übertragung von digitalen Meßdaten von einem Sender an einen entfernt liegenden Empfänger, wobei senderseitig wenigstens ein Absolutwert einer laufend gemessenen physikalischen Größe sowie Änderungen dieser Größe beschreibende Korrekturwerte in digitaler Form bereitgestellt und an den Empfänger übertragen werden, der aus den übertragenen Werten fortgeschriebene Meßwerte bildet,
      dadurch gekennzeichnet, daß sowohl auf seiten des Senders als auch auf Seiten des Empfängers fortlaufend für jeweils einen Zeitpunkt (Tx), für den auf seiten des Empfängers noch kein neuer gemessener Wert (αTx) vorliegt, unter Verwendung der mathematischen Gleichungen, die die physikalischen Änderungsgesetze der messend zu erfassenden Größe beschreiben, ein exakter Wert (αTxb) vorausberechnet wird, der auf seiten des Empfängers den fortgeschriebenen Meßwert darstellt,
      daß auf Seiten des Senders beim Vorliegen des zum jeweils betrachteten Zeitpunkt (Tx) gehörenden gemessenen Wertes (αTx) dessen Differenz zum exakten berechneten Wert (αTxb) gebildet wird, und
      daß wenigstens ein eine solche Differenz darstellender Korrekturwert (δαTx) an den Empfänger übertragen wird,
      wobei in die Berechnung des exakten Wertes (αTxb) so viele bekannte gemessene Werte (αTx-1, αTx-2, ... ), von denen jeder für jeweils einen genau bekannten, früheren Zeitpunkt (Tx-1, Tx-2, ... ) ermittelt wurde, einbezogen werden,
      daß sich der die Differenz darstellende Korrekturwert (δαTx) mit einer so kleinen Anzahl von zu übertragenden Bits kodieren läßt, daß die Abweichung zwischen dem berechneten und dem gemessenenen Wert immer unterhalb der geforderten Meßgenauigkeit bleibt.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitpunkte (Tx-2, Tx-1, Tx) gleiche zeitliche Abstände aufweisen, die sowohl auf seiten des Senders als auch auf seiten des Empfängers genau bekannt sind, und daß die Berechnung des zu einem betrachteten Zeitpunkt (Tx) gehörenden exakten Wertes (αTxb) auf beiden Seiten bereits vor dem Eintreten des betrachteten Zeitpunkts (Tx) erfolgt.
    3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorausberechnung des exakten Wertes (αTxb) für einen betrachteten Zeitpunkt (Tx) durch vorzeichenrichtige Summation eines Änderungswertes (ΔαTx-1) und eines Zwischenwertes erfolgt, der durch Extrapolation aus den gemessenen Werten (αTx-1, αTx-2) ermittelt wurde, die zu den beiden dem betrachteten Zeitpunkt (Tx) vorausgehenden Zeitpunkten (Tx-1, Tx-2) gehören, wobei dieser Änderungswert (ΔαTx-1) gleich der Differenz zwischen dem zum vorausgehenden Zeitpunkt (Tx-1) gehörenden gemessenen Wert (αTx-1) und einem vorausgehenden Zwischenwert ist, der durch Extrapolation aus den gemessenen Werten (αTx-2, αTx-3) ermittelt wurde, die zu den beiden dem vorausgehenden Zeitpunkt (Tx-1) vorausgehenden Zeitpunkten (Tx-2, Tx-3) gehören,
    4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Übertragung des jeweiligen Korrekturwertes (δαTx) auch der aktuelle Änderungswert (ΔαTx) übertragen wird.
    5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitpunkte (Tx-2, Tx-1, Tx) exakt mit einer, quarzgenauen, vom Empfänger erzeugten Übertragungsfrequenz synchronisiert sind.
    6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung vom Sender zum Empfänger auf einer Zweidrahtleitung erfolgt, auf der vom Empfänger eine stehende elektrische Welle erzeugt wird, deren Frequenz die Übertragungsfrequenz ist.
    7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Lage der nicht notwendiger Weise gleiche zeitliche Abstände aufweisenden Zeitpunkte (Tx-2, Tx-1, Tx) messend erfaßt und durch ein entsprechendes Zeitstempelsignal gekennzeichnet wird, und daß die Berechnung des zu einem betrachteten Zeitpunkt (Tx) gehörenden exakten Wertes beim Sender unmittelbar nach Eintreten dieses Zeitpunktes (Tx) und beim Empfänger sofort dann erfolgt, wenn er vom Sender das den betrachteten Zeitpunkt (Tx) markierende Zeitstempelsignal erhalten hat.
    8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die messende Erfassung der zeitlichen Lage der Zeitpunkte (Tx-2, Tx-1, Tx) jeweils dadurch erfolgt, daß senderseitig der Zeitabstand des betreffenden Zeitpunktes (Tx) von einem vorgebbaren signifikanten Punkt einer definierten Periode eines sowohl auf seiten des Senders als auch auf seiten des Empfängers zur Verfügung stehenden, quarzgenau periodischen, elektrischen Referenzsignals gemessen und als Zeitstempelsignal (ΔtSx) an den Empfänger übertragen wird, der dieses unter Berücksichtigung der Signallaufzeit auf der Übertragungsstrecke verwertet.
    9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als signifikanter Punkt der letzte dem betrachteten Zeitpunkt (Tx) unmittelbar nachfolgende Nulldurchgang des Referenzsignals verwendet wird.
    10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Berücksichtigung der Signallaufzeit auf der Übertragungsstrecke dadurch erfolgt, daß der Sender im betreffenden Zeitpunkt (Tx) ein Zeitmarkensignal an den Empfänger sendet, der dessen zeitlichen Abstand (ΔtEx) vom nächsten Nulldurchgang des elektrischen Referenzsignals mißt, und daß der Empfänger aus dem von ihm gemessenen zeitlichen Abstand (ΔtEx), dem Zeitstempelsignal (ΔtSx), der genau bekannten Periodendauer des elektrischen Referenzsignals und der in Einheiten dieser Periodendauer bekannten Signallaufzeit auf der Übertragungsstrecke, auf der das Zeitstempelsignal (ΔtSx) übertragen wird, den Nulldurchgang ermittelt, in bezug auf den der Sender das Zeitstempelsignal (ΔtSx) gemessen hat.
    11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Messungen der Zeitabstände (ΔtSx, ΔtEx) durch Zählen der Perioden eines quarzgenau periodischen Meßsignals erfolgen, dessen Frequenz eine entsprechend der gewünschten Auflösung der Referenzsignalperioden gewählte Größe besitzt.
    12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Messungen der Zeitabstände (ΔtSx, ΔtEx) auf analogem Weg erfolgen und die sich ergebenden Meßwerte digitalisiert werden.
    13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das jeweilige Zeitstempelsignal (ΔtSx) in digitaler Form an den Empfänger übertragen wird.
    14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für wenigstens einen Zeitpunkt, der zwischen einem betrachteten Zeitpunkt (Tx) und dem nächsten, in einem genau definierten Zeitabstand folgenden Zeitpunkt (Tx+1) liegt, ein exakter Wert durch Interpolation vorausberechnet wird.
    15. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung zwischen Sender und Empfänger auf einer 3-Drahtleitung erfolgt,
      wobei auf einem der Drähte die Systemmasse (VSS) liegt, während auf dem zweiten Draht die Versorgungsspannung (VDD) und das Referenzsignal liegen und der dritte Draht als bidirektionale Datenleitung dient.
    16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die physikalische Größe die Position eines Körpers bezüglich seiner Umgebung ist.
    17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderungswerte senderseitig durch Zählen von Inkrementen ermittelt werden, wobei für eine der beiden Bewegungsrichtungen eine Aufwärtszählung und für die andere eine Abwärtszählung erfolgt.
    18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß senderseitig zunächst in analoger Form ermittelte Positions- und/oder Änderungswerte vor der Übertragung digitalisiert werden.
    19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Analogwerte, die für die Analog/Digitalwandlung bestimmt sind, zu Zeitpunkten festgehalten werden, die mit einer quarzgenauen Frequenz korreliert sind.
    20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die verschiedenen Werte darstellenden Bits verschachtelt übertragen werden.
    21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bits gruppenweise verschachtelt übertragen werden.
    22. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß senderseitig die Inkremente über die Zeitpunkte (Tx-1, Tx, Tx+1) hinweg zumindest über den Zeitraum fortlaufend weitergezählt werden, der für die vollständige verschachtelte Übertragung eines Absolutwertes erforderlich ist.
    EP00114781A 1999-07-09 2000-07-10 Verfahren zur seriellen Übertragung von digitalen Messdaten Expired - Lifetime EP1067497B1 (de)

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