ES2238212T3 - Sistema de bus con conductor de ondas luminosas. - Google Patents

Abstract

Sistema de bus (10) con una fuente óptica de energía (13) y con una mayoría o pluralidad de usuarios de bus (11) que están unidos entre sí para la transmisión de datos en forma de una corriente de datos (28) compuesto por señales luminosas mediante un conductor de ondas luminosas (12) y cuyo consumo de energía se cubre a través de energía luminosa suministrada en forma de una corriente de energía (27), realizándose la transmisión de datos y la transmisión de energía para los usuarios de bus (11) a través del conductor común de ondas luminosas (12), bien paralelamente mediante modulación de la corriente de datos (28) a la corriente de energía (27) o mediante el envío progresivo temporalmente secuencial de corriente de datos (28) y corriente de energía (27), caracterizado porque cada usuario de bus (11) tiene un acumulador de energía (22) que se puede cargar mediante la corriente de energía (27) para el suministro de sus componentes individuales (18-25), teniendo cada usuario de bus (11) un circuito de regulación con un chip de protocolo (24), un regulador (23) y un elemento de ajuste (21), que regula la carga del acumulador de energía (22), así como lleva a cabo la valoración y conducción posterior de la corriente de datos (28), presentando además cada usuario de bus (11) presenta una derivación (14) que rodea el acumulador de energía (22), que se puede conectar a través de un filtro de banda (20) mediante el chip de protocolo (24).

Description

Sistema de bus con conductor de ondas luminosas.

La invención se refiere a un sistema de bus con una fuente óptica de energía y con una mayoría o pluralidad de usuarios de bus que están unidos entre sí para la transmisión de datos mediante un conductor de ondas luminosas.

Un sistema de bus de este tipo se conoce del documento DE 4123489C2. Un sistema similar se deduce del documento US 5,258,868. En cuanto a la transmisión de datos y a la transmisión de energía para el suministro del usuario de bus, a través del conductor de ondas luminosas, hay problemas que superar que resultan de las siguientes observaciones.

La transmisión de energía entre la fuente y los diferentes usuarios en un sistema eléctrico se basan, al contrario que en un sistema óptico, básicamente en el efecto recíproco entre los soportes positivos de carga (los troncos del átomo) y los soportes negativos de carga (los electrones). Este efecto recíproco se expresa en un campo eléctrico que ejerce una fuerza sobre una partícula cargada eléctricamente.

En un circuito eléctrico se forma a lo largo de los conductores impresos entre los dos polos de una fuente un campo eléctrico correspondiente. Los electrones, como único soporte móvil de carga del conductor, son acelerados por éste campo magnético, es decir, absorben energía cinética del campo eléctrico. Mediante impulsos con los átomos de la red del conductor se ajusta un estado estacionario en forma de una velocidad intermedia constante de los electrones, es decir, una corriente.

Si la resistencia, que obstaculiza a los electrones, se reduce, por ejemplo, al conectarse varios consumidores paralelamente a la fuente, los electrones absorberán en total más energía cinética. Con ello determinan los consumidores la cantidad de energía que se extrae de la fuente.

En transmisiones ópticas, por el contrario, la propia luz es la forma transmitida de energía, es decir, no se transmite energía mediante partículas que están en efecto recíproco, sino que se transporta el campo electromagnético y con ello finalmente la propia energía. Esto hay que atribuirlo a que, en la imagen de la partícula, los cuantos de luz (fotones) no presentan entre sí en el vacío ningún efecto recíproco y en la materia casi ninguno (las igualdades de Maxwell son lineales para muchos materiales, es decir, vale el principio de superposición). Aquí surgen cuantos de luz en su emisión mediante la fuente óptica de energía, que se eliminan en la absorción mediante un receptor. Además tiene lugar una transmisión de la energía luminosa al movimiento de los soportes de carga. En la transmisión óptica no existe, por tanto, efecto recíproco entre la fuente (emisor) y consumidor (receptor). Es decir, el consumidor óptico no influye, al contrario que el consumidor eléctrico, en la potencia de la fuente óptica.

Las transmisiones ópticas de señales se realizan en sistemas bus de ondas luminosas, que presentan una topología de estrella o de anillo.

La comunicación en una estructura de anillo se realiza al continuar alcanzando las noticias correspondientes del usuario n al usuario n+1. El anillo cerrado hace posible la comunicación de todos los usuarios entre sí; un anillo redundante paralelo aumenta la seguridad a prueba de averías del sistema.

En una topología de estrella, todos los usuarios están conectados entre sí a través de un acoplador de estrella. La comunicación directa de usuarios individuales se realiza mediante las conexiones correspondientes del acoplador de estrella.

En las dos topologías se usan los conductores de ondas luminosas exclusivamente para la transmisión de señales. El suministro de energía de los usuarios de bus se realiza principalmente a través de conductores eléctricos. Excepcionalmente la transmisión de la energía se puede llevar a cabo a través de un conductor óptico separado, por ejemplo, una fibra individual. Un acoplamiento completo de usuario de bus con un suministro óptico de energía necesita, al menos, tres conexiones de conductor de ondas luminosas o de fibra.

Del documento GB 2,177,869A se conoce básicamente, en un sistema óptico de transmisión de energía, en el que se transforma en el receptor la energía óptica en energía eléctrica, cómo acumular esta energía eléctrica bien en un condensador o en una batería recargable.

El documento US 5,859,719 describe un sistema óptico de transmisión, en el que la corriente de energía se separa de la corriente de datos mediante un demultiplexor óptico.

La invención tiene como objetivo crear un sistema de bus del tipo mencionado al principio, en el que cada uno de los usuarios de bus regule por sí mismos la recepción de datos de la corriente de datos y el consumo de energía de la corriente de energía y acumule la cantidad de consumo de energía.

Este objetivo se alcanza con un sistema de bus conforme al preámbulo de la reivindicación 1 mediante la parte caracterizadora de la reivindicación 1.

Características ventajosas de configuración de la invención resultan de las reivindicaciones subordinadas.

La invención se explica más en detalle a continuación a partir del dibujo en un ejemplo de realización. En él muestra:

Fig. 1 un sistema de bus que se compone de usuarios de bus que están conectados entre sí a través de un conductor de ondas luminosas en forma de anillo, estando conectada una unidad maestra con un control de proceso;

Fig. 2 la estructura esquemática de un usuario de bus, que presenta un receptor, que se compone de un convertidor O/E y de un demodulador, un chip de protocolo, y un emisor, que se compone de un modulador y un convertidor E/O.

La figura 1 muestra un sistema de bus 10 con usuarios de bus 11, que están conformados como maestro de datos 31, maestro de energía 32 y 32a, esclavo de datos 39 o como unidad maestra 33.

Como maestro de energía óptica 32 y 32a sirve una fuente luminosa con alta potencia óptica de salida. La potencia necesaria de salida se calcula de la suma de consumo óptico de potencia de todos los usuarios y de las pérdidas de transmisión. A la señal óptica de energía 17 (Fig. 2) se modula adicionalmente la señal óptica de datos 17, alcanzando un contenido alto de energía, por ejemplo, una componente continua alta. Las partes componentes del maestro óptico de energía 32 y 32a pueden ser, partiendo de su estructura, elementos láser semiconductores descritos pero no representados a continuación. La integración de varios maestros de energía 32 y 32a en el sistema de bus, como muestra la figura 1 se puede realizar sin perjuicio del funcionamiento.

Se diferencia en los maestros de energía 32 entre maestros pasivos 32a y maestros activos 32. Los maestros de energía 32 y 32a pasivos como también los activos forman la interfaz para un sistema de suministro eléctrico de energía. Los maestros de energía pasivos 32a se encargan solamente de la conversión eléctrica/óptica de energía. Los maestros de energía activos 32 están, por el contrario, integrados activamente en el control de bus en conexión con un maestro de datos 31 en forma de una unidad maestra 33.

En la topología de anillo en la figura 1 forma el maestro de datos 31 la interfaz para el control de proceso 36 o para otro sistema de bus. La unidad maestra 33 controla los desarrollos de los buses como ciclos de datos, de identificación y de energía. Como medio de transmisión sirve un conductor de ondas luminosas 12, que puede utilizarse mediante medidas apropiadas también bidireccionalmente para la transmisión de energía y datos. En una estructura de anillo se puede renunciar físicamente a un conductor retornable de ondas luminosas 12.

Como muestra la figura 2, un convertidor O/E 15 (convertidor de energía óptica/eléctrica) es parte componente de un receptor óptico 34. Los convertidores O/E hacen posible la transformación de señales ópticas en corrientes eléctricas. La guía de energía óptica (luz) mediante un conductor de ondas luminosas hace posible así un suministro completo de energía libre de potencial de los componentes eléctricos.

Al contrario de esto, resultan apropiados como convertidores E/O 16 (convertidores de energía eléctrica/óptica), partiendo de su alta potencia energética y capacidad de modulación, los láser semiconductores o LED de alta potencia, que están preferentemente dispuestos en un emisor 35. Para la regulación del láser está integrado en los elementos del láser semiconductor un fotodiodo PIN. El elemento láser está construido de tal manera que una parte de la potencia luminosa sale por la superficie delantera del canto del elemento de chip y otra parte de la potencia por la superficie trasera del canto del elemento de chip. La potencia que sale hacia atrás se detecta mediante un fotodiodo y se elabora como magnitud controlada. La separación de la corriente de datos 28 y la corriente de energía 27 puede realizarse mediante un desacoplamiento AC/DC con ayuda de un demodulador 18, que asimismo es parte componente del receptor 34. Los datos se remodulan correspondientemente y se elaboran digitalmente. La corriente de energía 27, que está conformada preferentemente como componente de tensión continua, se acumula temporalmente en un acumulador de energía 22. El acumulador de energía 22 es ventajosamente un condensador, por ejemplo, un condensador de oro con algunas F, que está conectado a través de un diodo.

Mediante la resistencia interna de este acumulador de energía 22 se puede controlar el contenido de energía. La energía no necesaria se suministra a un modulador 19 y a un convertidor E/O 16 conectados después, que funcionan como emisores 35. Este emisor 35 se controla a través de un circuito de regulación mediante un chip de protocolo 24. El modulador 19 modula la corriente de datos 28, que ha de continuar siendo conducida, a la corriente de energía 27 que está saliendo.

El acumulador de energía 22 está conformado de tal manera que sólo puede liberar una potencia máxima definida. La potencia que se puede suministrar óptimamente está asimismo limitada. Por esto, en caso de avería, se liberará sólo una energía limitada.

El acumulador de energía 22 de los usuarios individuales de bus 11 se carga en forma de cascada en la fase de inicialización. Los acumuladores locales de energía 22 hacen posible con ello que se regulen hasta el máximo las oscilaciones de potencia a corto plazo. El valor del contenido del acumulador se supervisa continuamente a través del bus. Si la capacidad de acumulado de energía es inferior al valor crítico, entonces se solicitará la unidad maestra 33 a través de un ciclo que esté funcionando en el momento, para que introduzca uno o varios ciclos en serie de energía, hasta que el acumulador de energía 22 esté lleno suficientemente.

La potencia convertida óptica/eléctrica en cada usuario de bus 11 se suministra al acumulador de energía como también al emisor 35. A través de un circuito de regulación 24, 23, 21 y 20 se controla la distribución de potencia entre el emisor 35 y el acumulador de energía 22 de tal manera que la potencia de emisión no sea inferior a un valor mínimo.

Además existe la posibilidad de hacer llegar la energía selectivamente a usuarios individuales de bus. Aquí, con ayuda de una derivación 14, que está conectada mediante un protocolo de bus, se conduce toda la potencia del receptor 34 al emisor 35, sin rellenar el acumulador de energía 22. El sistema de bus 10 hace posible, por tanto, junto con la distribución de energía en serie según el consumo, también una que sea asignable a un usuario de bus 11 a través de la derivación 14.

A pesar de la supervisión del contenido de energía a través del bus y de la integración de ciclos de energía, el sistema de bus 10 bajo las condiciones de un funcionamiento sincrónico entre el control 36 y la unidad maestra 33 permanece capaz de regulación.

Para una transmisión bidireccional, no representada, de datos y energía, los usuarios presentan de bus otros dos emisores 35 y receptores 34 (puertas). Para asegurar este tráfico de datos bidireccional en dúplex completo hay que aplicar procedimientos apropiados de modulación, como por ejemplo multiplex de longitud de onda o también FSK.

Como se muestra en la figura 2, cada usuario de bus posee 11 al menos 3 interfaces. Aquí se trata del bus den entrada y salida en forma de un conductor de ondas luminosas 12, así como la interfaz 25 para la periferia E/A.

Durante el funcionamiento paralelo de modulación se llevan en el conductor de ondas luminosas 12 la señal de datos y energía 17 al mismo tiempo. Mediante un procedimiento apropiado se entrelazan las dos señales entre sí. Un procedimiento sencillo en formato NRZ se compone de una señal de energía con un componente continuo alto y señal modulada de datos.

El convertidor O/E 15 es parte componente del receptor 34 y detecta tanto la potencia óptica como la señal de datos. Los convertidores de energía trabajan preferentemente como fotoelementos y poseen un grado actual de eficacia de aproximadamente el 50% con una capacidad de modulación de 250 kHz. Estos convertidores de energía pueden detectar potencias de hasta 500 mW y están proyectados para la primera ventana óptica (850 nm). El emisor 35 presenta preferentemente un diodo láser semiconductor de 850 nm correspondiente descrito anteriormente.

El demodulador 18 asegura una separación de corriente de energía/datos. Esto ocurre preferentemente mediante un desacoplamiento AC, transformándose la corriente de datos 28 para la ulterior elaboración en un formato apropiado, como por ejemplo, NRZ con nivel 5VCMOS.

Un chip de protocolo 24 asume todas las funciones necesarias de un chip normal de control de bus, en particular el que aloja escritura y lectura de un registro E/A 25, los datos de actuador 38 y los datos de sensor 37. Adicionalmente controla los desarrollos mencionados anteriormente con respecto al ciclo de energía y al diagnóstico de energía en conjunción con la unidad maestra 33.

El chip de protocolo 24 regula además, con ayuda de un regulador 23 y de un elemento de ajuste 21, la carga del acumulador de energía 22 a partir de datos de control 30. Esto comprende asimismo el control de un filtro de banda 20 mediante el que se activa la derivación.

El acumulador de energía 22 integrado en cada usuario de bus 11 sirve para el chip de protocolo y otros grupos constructivos correspondientes como fuente de tensión. Oscilaciones breves en el consumo de potencia de los grupos constructivos activos o de la periferia conectada se regulan hasta el máximo a través del intervalo de oscilaciones permitido del contenido del acumulador. Un consumo mayor de energía se asegura a través de la gestión de energía, en particular a través de la unidad maestra
33.

Números de referencia

10

Sistema de bus

11

Usuario de bus

12

Conductor de ondas luminosas

13

Fuente óptica de energía

14

Derivación

15

Convertidor O/E

16

Convertidor E/O

17

Señal modulada óptica de energía y datos

18

Demodulador

19

Modulador

20

Filtro de banda

21

Elemento de ajuste

22

Acumulador de energía

23

Regulador

24

Chip de protocolo

25

Registro E/A

26

Corriente de energía y datos

27

Corriente de energía

28

Corriente de datos

29

Corriente de suministro

30

Datos de control

31

Maestro de datos

32

Maestro activo de energía

32a

Maestro pasivo de energía

33

Unidad maestra

34

Receptor, compuesto de convertidor O/E y demodulador

35

Emisor, compuesto de modulador y convertidor E/O

36

Control de proceso

37

Datos de sensor

38

Datos de actuador

39

Esclavo de datos

Claims (5)

1. Sistema de bus (10) con una fuente óptica de energía (13) y con una mayoría o pluralidad de usuarios de bus (11) que están unidos entre sí para la transmisión de datos en forma de una corriente de datos (28) compuesto por señales luminosas mediante un conductor de ondas luminosas (12) y cuyo consumo de energía se cubre a través de energía luminosa suministrada en forma de una corriente de energía (27), realizándose la transmisión de datos y la transmisión de energía para los usuarios de bus (11) a través del conductor común de ondas luminosas (12), bien paralelamente mediante modulación de la corriente de datos (28) a la corriente de energía (27) o mediante el envío progresivo temporalmente secuencial de corriente de datos (28) y corriente de energía (27),

caracterizado porque cada usuario de bus (11) tiene un acumulador de energía (22) que se puede cargar mediante la corriente de energía (27) para el suministro de sus componentes individuales (18-25), teniendo cada usuario de bus (11) un circuito de regulación con un chip de protocolo (24), un regulador (23) y un elemento de ajuste (21), que regula la carga del acumulador de energía (22), así como lleva a cabo la valoración y conducción posterior de la corriente de datos (28), presentando además cada usuario de bus (11) presenta una derivación (14) que rodea el acumulador de energía (22), que se puede conectar a través de un filtro de banda (20) mediante el chip de protocolo (24).

2. Sistema de bus según la reivindicación 1, caracterizado porque, en la transmisión paralela de energía mediante modulación, los usuarios de bus (11) presentan un convertidor O/E (15), al que está conectado posteriormente un demodulador eléctrico (18) para la separación de la corriente transformada de datos (28) y de la corriente transformada de energía (27) y los usuarios de bus (11) tienen además un modulador (19) que está determinado para que continúe extendiéndose la corriente transformada de datos (27) y la corriente transformada de datos (28) y que está dispuesto posteriormente al convertidor E/O
(16).

3. Sistema de bus según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque un sistema de gestión de energía según el consumo de energía de los usuarios de bus (11) conmuta entre transmisión de energía paralela modulada y en serie.

4. Sistema de bus según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque los usuarios de bus (11) están unidos a través del conductor de ondas luminosas (12) con un maestro de datos (31) para la producción de la corriente de datos (28) y con al menos un maestro de energía (32, 32a) para la producción de corriente de energía luminosa (27).

5. Sistema de bus según la reivindicación 4, caracterizado porque el maestro de energía (32, 32a) sitúa la corriente de energía (27) con un componente continuo alto por debajo de la corriente de datos (28) sobre el conductor de ondas luminosas (12).