ES2325691T3 - Aparato y metodo para la verificacion de interconexion. - Google Patents
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Abstract
Aparato para analizar una condición de una línea de señal de interconexión entre un controlador de sistema electrónico y dispositivos periféricos del sistema, que se caracteriza por: un controlador electrónico (18A) que comprende al menos un módulo de decisión (40); y al menos un dispositivo periférico (8A) equipado con medios sensores que comprenden un detector digital (10) configurados para proporcionar una señal de salida a un desplazador y escalador (30) en el que dicho desplazador y escalador desplaza y escala dicha señal de salida y proporciona dicha señal desplazada y escalada (14) a dicho módulo de decisión; y en el que dicho módulo de decisión analiza el estado de dicha señal (14) desplazada y escalada para que se corresponda con uno de los estados de Lógica Alta, Lógica Baja, Línea Desconectada y Línea Cortocircuitada.
Description
Aparato y método para la verificación de
interconexión.
El presente invento se refiere a métodos de
diagnósticos de configuración de sistema y, más específicamente, a
la detección de líneas o cables de señales desconectados y con
conexión defectuosa, entre un controlador eléctrico de sistema y
periféricos del sistema.
Los sistemas de control y automatización
electrónicos usan dispositivos periféricos tales como
fotointerruptores, sensores magnéticos, o detectores de límite, que
tienen una característica común, a saber, su modo de actuación,
cómo señalan al controlador electrónico:
Contacto Abierto - Contacto Cerrado, o Voltaje
Alto - Voltaje Bajo.
La Figura 1 es un diagrama de bloques general
que muestra un esquema de interconexión de técnica anterior entre
el controlador electrónico 18 y uno de sus dispositivos periféricos
8.
El dispositivo periférico 8, realizado, por
ejemplo, como un detector digital 10, es conectado por medio de la
patilla de salida 12 del detector digital y la línea o cable de
señal 14 a la patilla de entrada 16 del controlador 18, a la
resistencia de pull-up o de elevación de voltaje 20
así como a la entrada del buffer 26. La salida del buffer 26 está
conectada a la lógica del controlador 60.
En condiciones normales, cuando el detector
digital 10 está conectado apropiadamente a la entrada 16 del
controlador, la información de señal recibida desde el dispositivo
periférico 8 en el buffer 26 es auténtica. La Figura 2B muestra las
zonas de voltaje de la señal de salida Vout, a la salida 13 del
buffer 26, definidas por la técnica -Lógica Baja o Alta, en función
de los cambios de un parámetro de entrada S (por ejemplo, la
posición de un objeto) detectados por el detector digital 10.
Los problemas comienzan cuando se deterioran las
condiciones normales:
- a)
- En caso de desconexión de la línea de señal 14 (entre la patilla de salida 12 del detector y la patilla de entrada 16 al controlador) la señal a la entrada del buffer 26 puede ser un "Alto" lógico, determinado solamente por la resistencia de pull-up 20, y no por la salida verdadera del dispositivo periférico 8.
- b)
- La Figura 2A muestra el valor Vin de la señal en la entrada 16 del buffer 26, en función de un parámetro de entrada (por ejemplo, la posición de un objeto) detectada por el detector digital 10. Si Vin -por razones tales como posición del objeto S, conexión defectuosa o línea de interconexión sobrecargada- está dentro del margen entre los niveles de voltaje 44 y 46, entonces, debido a la variación del umbral del buffer 26 (o histéresis de entrada), la señal de salida del buffer 13 puede ser interpretada como un Alto lógico o un Bajo lógico. Esto da lugar a una zona de Vin "no determinado", lo que es considerado inaceptable por la Lógica del Controlador 60.
La patente americana 6.687.140 describe un
método para resolver el problema de detección de desconexión
disponiendo interruptores y medios de control para controlar dichos
interruptores. Los interruptores establecen la señal de detección a
ser suministrada a la línea de señal; el estado, tanto si hay un
estado de desconexión de la línea de señal -o no- es juzgado de
acuerdo con un cambio en la señal de detección.
La desventaja de este método es el margen
limitado de los dispositivos periféricos servidos y la incapacidad
de detectar condiciones de fallo tales como línea de señal
"cortocircuitada a Tierra" o "cortocircuitada a Vcc".
En la patente americana 4.845.435 se describe
otra solución que permite detectar la desconexión de la señal entre
el sensor y el controlador así como detectar una condición de fallo
de "cortocircuito a Tierra". El principio de trabajo del
detector de fallo del sensor se basa en comparar las señales de
salida del sensor con una referencia invariable por medio de una
pluralidad de comparadores para proporcionar la detección de la
desconexión o del cortocircuito de los sensores. La desventaja del
dispositivo descrito en la patente americana 4.845.435 se debe al
margen limitado de los tipos de sensores que pueden ser a aplicables
a la realización del detector de fallo descrito. Además, el sensor
de detector de fallo que se describe en la patente americana
4.845.435 se refiere a unos tipos de sensores (resistivos) muy
específicos solamente y no pueden ser usados con una amplia
variedad de tipos de sensores tales como los del tipo de salida de
interruptor (contacto abierto - cerrado o colección abierta), tipos
de salida de voltaje (salida push-pull o de
contrafase, digital o analógica). Otra desventaja del dispositivo
descrito en la patente americana 4.845.435 se debe a la capacidad de
detección de un número limitado de condiciones de fallo. Por
ejemplo, tampoco pueden detectarse mediante el dispositivo descrito
en la patente americana 4.845.435 fallos tales como cortocircuito en
la línea de energía o un valor no válido de la señal del detector
digital.
Un objetivo del invento presente es proporcionar
un aparato y también un método para la verificación de líneas de
señales entre un controlador electrónico de sistema y dispositivos
periféricos del sistema. Otro objetivo del invento presente es
facilitar la conexión de dicho dispositivo periférico a dicho
controlador electrónico mediante dos cables de señal solamente.
De acuerdo con un aspecto del invento presente,
se conecta un divisor de voltaje a la salida de un detector digital
para formar un dispositivo periférico del sistema. El divisor de
voltaje es una combinación de resistencias y diodos, y puede estar
incorporado al detector digital o conectado exteriormente al mismo
detector.
De acuerdo con otro aspecto del invento
presente, el controlador electrónico incluye un "módulo de
decisión", que comprende un convertidor de señales de voltaje de
línea a parámetros digitales o dependientes del tiempo, y una
lógica de adquisición de señales que proporciona una función de
decisión del estado de las líneas de señal.
Al añadir el divisor de voltaje, el módulo de
decisión, que se conecta al dispositivo periférico por medio de
líneas o cables de señal, puede distinguir entre cuatro estados de
señal diferenciados: Lógico Alto, Lógico Bajo, Línea Desconectada y
Línea Cortocircuitada. Los dos primeros estados son útiles para el
modo de operación normal del dispositivo periférico, mientras que
los otros dos estados señalan un fallo de las líneas de
conexión.
Una realización preferida del invento es un
novedoso detector de posición digital de dos líneas, basado en la
interrupción de un acoplamiento óptico entre un diodo emisor de luz
y un fototransistor. La aplicación del divisor de voltaje de esta
realización reduce el consumo de corriente del dispositivo
periférico, y permite transiciones de lógica aguda debido al efecto
de histéresis incorporado.
Se describe el invento, solamente a modo de
ejemplo, haciendo referencia a los dibujos que se acompañan, en los
que:
la Figura 1 es un diagrama de bloques general de
un esquema de interconexión de técnica anterior entre un
controlador electrónico y uno de sus dispositivos periféricos;
las Figuras 2A y 2B son diagramas esquemáticos
que muestran niveles de voltaje específicos en función de un
parámetro de entrada;
la Figura 3 es un diagrama de bloques general
que describe la realización preferida del método de verificación de
interconexión inventado;
la Figura 4 es un diagrama de interconexión
diagramático al "módulo de decisión" del controlador de un
dispositivo periférico de muestreo, basado en un detector
digital;
la Figura 5 es un diagrama esquemático que
muestra el margen de voltaje de salida del detector digital de la
Figura 4 y el margen de voltaje de salida del dispositivo periférico
escalado en función de un parámetro de entrada;
la Figura 6 es un diagrama de interconexión
esquemático con el "módulo de decisión" del controlador de un
dispositivo periférico de muestreo basado en un detector digital que
tiene un "colector abierto";
la Figura 7 es un diagrama de interconexión
esquemático al "módulo de decisión" del controlador de un
dispositivo periférico de muestreo que incluye un detector digital
basado en un fotointerruptor.
la Figura 8 es un esquema de comparación de
consumo de energía del circuito propuesto de la Figura 7 a una
configuración de dispositivo periférico convencional;
la Figura 9 es un diagrama esquemático que
demuestra el efecto de histéresis biestable del circuito propuesto
de la Figura 7.
La Figura 3 es un diagrama de bloques general
que describe la realización preferida del método de verificación de
interconexión inventado.
El método está enfocado a una verificación
mejorada del estado de la línea de señal 14, que conecta la patilla
de salida 12 del dispositivo periférico 8A y la patilla de entrada
16 al controlador 18A. Con este objeto, el dispositivo periférico
8A consiste de un detector digital 10 conocido en la técnica seguido
de un divisor de voltaje 30 que forma parte del invento. La línea
de señal 14 interconecta, por tanto, la salida de la unidad
divisora de voltaje 30 a la patilla 16, conectada convencionalmente
a la resistencia de pull-up 20 y al "módulo de
decisión" 40. Este módulo consiste, por ejemplo, del
"convertidor" 42, que proporciona la conversión del voltaje de
la línea de señal a parámetros digitales o dependientes del tiempo,
y una "lógica de adquisición de señal" 44 que proporciona una
función de "decisión" a la salida del convertidor. El resultado
de la "decisión" es alimentado a la lógica del controlador 60
conocida en la técnica para tratamiento adicional. Dicho "módulo
de decisión" 40 es descrito, por ejemplo, en el documento WO
2005/029207 del mismo inventor.
El método de verificación de la interconexión
será mostrado mediante ejemplos de fallos de líneas de señales
típicos entre el controlador 18 y un dispositivo periférico 8A.
La Figura 4 muestra la interconexión de un
dispositivo periférico 8A1 basado en el detector digital 10A que
tiene una salida de fuente de voltaje, tal como, por ejemplo, un
interruptor óptico ranurado de salida en totem-pole
de 3 cables OPB120A de Optek Technology, Inc, 1215 W Crosby Road
Carrollton, Texas 75006. Este tipo de detector 10A tiene un voltaje
de salida próximo a Vcc, para el estado de lógica Alta, y un valor
de voltaje próximo a tierra, cuando se encuentra en el estado de
lógica Baja. El divisor de voltaje 30A consiste de las resistencias
31, 32 y 33 conectadas como se muestra con el objeto de escalar el
voltaje de salida del detector 10A y desplazar el margen escalado
al centro del margen de voltaje suministrado. El factor de escala
preferido es: SF = 0,7 - 0,8. En la Figura 5 se muestran el margen
de voltaje 50 de la salida del detector 10A y el margen de voltaje
52 de la salida del dispositivo periférico escalado (en la patilla
12 del dispositivo 8A1).
Si el dispositivo periférico 8A1 está conectado
apropiadamente al controlador 18A y a continuación al "módulo de
decisión" 40, recibirá como entrada en la patilla 16 una señal de
voltaje dentro del margen entre el voltaje de salida disponible
mínimo del dispositivo periférico (indicado con 48 en la Figura 5) y
el voltaje de salida disponible máximo indicado con 42. Se indica
el nivel de voltaje 48 como el valor de desplazamiento Vsh y,
entonces, la señal de entrada a la patilla 16 estará dentro del
margen de Vcc X SF a Vsh.
El "módulo de decisión" considera la señal
en su patilla de entrada 16 como de lógica Alta o Baja, según se
indica a continuación:
- \bullet
- Si la señal de entrada está entre el nivel de voltaje 48 y un valor de umbral bajo 46 - Lógica Baja.
- \bullet
- Si la señal de entrada está entre el nivel de voltaje 42 y un valor de umbral alto 44 - Lógica Alta.
- \bullet
- Las señales entre el valor de umbral 44 y el valor de umbral 46 serán interpretadas como señales no fiables o débiles.
Se consideran los casos anormales
siguientes:
- A.
- Si la línea 14 está desconectada, entonces la resistencia 20 del controlador 18A elevará la entrada en la patilla 16 hasta el nivel Vcc. En este caso, el "módulo de decisión" 40 determinará el estado como "Línea Desconectada", ya que el valor de la señal en su entrada 16 está por encima del valor máximo 42 de la salida del dispositivo periférico 8.
- B.
- Cuando la línea de señal 14 está cortocircuitada a tierra, el valor de la señal en la patilla de entrada 16 es igual a cero. En este caso, el "módulo de decisión" 40 determinará el estado como "Línea Cortocircuitada", ya que el valor de la señal en su entrada 16 es menor que el valor mínimo 48 de la salida del dispositivo 8A1.
Otro ejemplo descrito en la Figura 6 se refiere
a un dispositivo periférico 8A2 basado en un detector digital de
dos cables 10B que tiene un colector abierto, tal como el
fotointerruptor SHARP GP1L57 (no mostrado) o la salida de tipo
interruptor (como se muestra en la Figura 6).
En este caso, el divisor de voltaje 30B está
realizado mediante las resistencias 34 y 35, conectadas como se
muestra. El objetivo del divisor de voltaje es el mismo que el de la
Figura 4, esto es, escalar y desplazar el margen del voltaje de
salida del dispositivo periférico.
Bajo condiciones normales, cuando el dispositivo
periférico 8A2 está conectado apropiadamente al controlador 18 y el
detector 10B está en su estado de OFF (interruptor abierto), el
voltaje aplicado a la entrada 16 del "módulo de decisión" 40
está determinado por los valores de la resistencia 35 y de la
resistencia de pull-up 20. El nivel de voltaje
definido por las resistencias 35 y 20 es el nivel de voltaje de
salida disponible máximo del dispositivo periférico (línea 42 de la
Figura 5), y el "módulo de decisión" 40 interpreta como lógica
Alta la señal entre el nivel de voltaje 42 y el umbral 44.
Cuando el detector 10B del dispositivo
periférico 8 está en su estado de ON (interruptor cerrado), el
voltaje aplicado a la entrada 16 del "módulo de decisión" 40
está determinado por los valores de las resistencias 34, 35 y 20.
La conexión en paralelo de las resistencias 34 y 35 con la
resistencia 20 conectada en serie determina el valor de salida
disponible mínimo 48 de la Figura 5.
El "módulo de decisión" 40 interpreta como
lógica baja la señal de voltaje de salida del dispositivo periférico
que tenga valores entre el nivel de voltaje disponible mínimo 48 y
el umbral del límite inferior 46.
La detección de la desconexión o cortocircuito a
tierra de la línea 14 es realizada exactamente como se describe en
el ejemplo anterior.
El tercer ejemplo de la Figura 7 describe la
interconexión del controlador 18A y otra realización de un
dispositivo periférico 8A3, basada en un fotointerruptor, tal como
el SHARP GP1L57. El foto-interruptor de 3 cables 10C
consiste en un conjunto de fotodiodo emisor de luz 37 y un
fototransistor 11, el fototransistor tiene como cometido reaccionar
a la energía óptica 39 emitida por el fotodiodo 37. Si el camino de
la energía óptica 39 es interrumpido por un objeto externo 41, el
fototransistor 11 entra en el estado de OFF, mientras que si no es
interrumpido, entonces el fototransistor 11 está en el estado de
ON.
El divisor de voltaje 30C consiste en este caso
de la resistencia 36 y un diodo emisor 37 conectados en serie. La
corriente que fluye a través de la línea de interconexión 14 estará
determinada por Vcc y la resistencia de pull-up 20,
la resistencia 36 y el diodo emisor 37 y el transistor 11. En una
realización preferida, la resistencia 36 es de 10 KOhmios y la
resistencia 20 es de 2,5 KOhmios.
Si el camino óptico 39 desde el diodo emisor 37
hasta el fototransistor 11 está "ininterrumpido", entonces
incluso una corriente relativamente pequeña hará que el diodo 37
emita suficiente energía óptica, lo que dará lugar a un aumento de
la corriente del fototransistor 11 (o a una disminución de la
resistencia del fototransistor), lo que a su vez disminuirá
adicionalmente el valor de la resistencia en paralelo 36. Esta
resistencia menor da lugar a un aumento de la corriente del diodo
37, lo que causa una disminución adicional de la resistencia del
emisor-colector del fototransistor 11, y así
sucesivamente hasta llegar a un estado estacionario. El voltaje
resultante de la línea de interconexión 14 está definido por el
diodo 37 y la caída de voltaje del colector-emisor
del fototransistor 11 (aproximadamente 1,8 - 2,5 V) en el estado de
ON. Este voltaje define el nivel de voltaje disponible mínimo 48
(Figura 5) de dicho dispositivo periférico bajo las condiciones de
operación normales.
La "interrupción" del camino óptico 39,
entre el diodo 37 y el fototransistor 11, mediante un objeto externo
41, hace que el fototransistor 11 aumente drásticamente su
resistencia. La corriente en la línea de interconexión en este caso
fluirá solamente a través de la resistencia 36. El voltaje en la
línea de interconexión 14 está definido por el diodo 37 y las
resistencias 20 y 36. Este voltaje es el nivel de voltaje disponible
máximo 42 (Figura 5) de dicho dispositivo periférico bajo las
condiciones normales.
Se realiza la detección de una línea de
interconexión 14 desconectada o cortocircuitada a tierra exactamente
como se describe en el primer ejemplo.
La realización física de los módulos 30A, B, C
puede ser conseguida ya sea mediante integración en el detector
digital 10A, B, C (en el mismo PCB o IC, o circuito impreso)
respectivamente, o dentro del conector 12 de la línea de
interconexión 14.
No es necesaria la adición de los módulos 30A,
B, C cuando el dispositivo periférico incluye un margen de voltaje
de salida escalado incorporado como el descrito por la línea 52 de
la Figura 5.
La realización propuesta del dispositivo
periférico 8A de la Figura 7 es novedosa y presenta características
adicionales nuevas, incluyendo:
- \bullet
- Conexiones de dos cables al controlador -a saber, la salida 12 del dispositivo y la tierra 17- en lugar de las conexiones de tres o cuatro cables de los sistemas convencionales. Esta característica hace que disminuya el costo del dispositivo y aumente la fiabilidad.
- \bullet
- Menor consumo de corriente del dispositivo periférico.
- El diagrama de tiempos explicativo de la Figura 8 muestra la comparación de consumo de energía del circuito propuesto de la Figura 7 con una configuración de dispositivo periférico convencional (por ejemplo, como se muestra en la Figura 22 del documento OMRON's Technical Information:
- http://oeiwcsnts1.omron.com/pdfcatal.nsf/PDFLookupByUniquelD/24E2913 B9D8A035F86256CDE00617173/\textdollarFile/C21NARefinfo0203.pdf?OpenElement).
- El consumo total de energía 70 de un dispositivo periférico convencional 10C es la suma de los consumos de energía del LED emisor 37 y el fototransistor 11. La energía consumida por el dispositivo periférico convencional está determinada por un suministro permanente de corriente relativamente alta al diodo emisor 37, especialmente para interrupciones de lapso amplio. La porción de consumo de energía del fototransistor está determinada por la corriente del fototransistor, que varía dependiendo de la posición del objeto detectado 41 -el consumo de energía del fototransistor es pequeño mientras que el fototransistor está en su estado de Off, y aumenta cuando el fototransistor está en su estado de On. El diagrama 70 representa el consumo total de energía del detector convencional.
- El dispositivo periférico 8A3, basado en el mismo detector, pero ensamblado de acuerdo con el esquema propuesto de la Figura 7, no necesita el suministro permanente de corriente relativamente elevada al diodo emisor 37. Debido a la conexión en serie del diodo emisor 37 y el fototransistor 11 con las resistencias 36 y 20, la corriente de estado estacionario resultante ("ininterrumpido"), como se explicó anteriormente, se reducirá sustancialmente. En el estado "interrumpido" la corriente que pasa a través del fotodetector 11 es baja de todas formas, y la corriente que pasa a través del diodo 37 es limitada por la resistencia de pull-up 20. La línea 72 del diagrama de la Figura 8 muestra la energía total del dispositivo periférico propuesto 8, mientras está en los estados de On y de Off. La línea de energía 72 es evidentemente más baja que la de la línea de energía 70 convencional.
- \bullet
- Transiciones de lógica aguda debidas a un efecto de histéresis incorporado.
- La dependencia de la corriente del LED 37 en la energía óptica recibida por el fototransistor 11 da lugar a un efecto de histéresis biestable, mostrado en la Figura 9. La flecha de la línea 74 del diagrama muestra la transición lógica de "bajo a alto" y la flecha de la línea 76 muestra la transición lógica de "alto a bajo". Esta característica inherente del dispositivo periférico propuesto 8A3 elimina el uso de componentes de circuitos de prevención de salida con "chattering" o ruidos (como en el documento anteriormente mencionado OMRON's Technical Information, Figuras 24 - 26).
El concepto de diseño del circuito novedoso,
adecuado para una gran variedad de dispositivos periféricos mejora
significativamente los diagnósticos, de un vínculo anteriormente
débil en la operación de los controladores, acoplados a
dispositivos periféricos. El diagnóstico de la línea de
interconexión 14 queda ahora bien definido, con resultados ambiguos
mínimos. El circuito adicional que hay añadir en el interior o en la
salida de detector digital convencional es mínimo y es de fácil
aplicación. Los beneficios adicionales de un número menor de cables
de conexión, menor consumo de energía en conjunto, y niveles lógicos
mejor definidos, son una ventaja adicional de los diagnósticos
mejorados.
Aunque el invento ha sido descrito haciendo
referencia a tres realizaciones preferidas, deberá entenderse que
han sido expuestas meramente a modo de ejemplo, y que se pueden
hacer muchas otras variaciones, modificaciones y aplicaciones del
invento.
Claims (7)
1. Aparato para analizar una condición de una
línea de señal de interconexión entre un controlador de sistema
electrónico y dispositivos periféricos del sistema, que se
caracteriza por:
un controlador electrónico (18A) que comprende
al menos un módulo de decisión (40); y
al menos un dispositivo periférico (8A) equipado
con medios sensores que comprenden un detector digital (10)
configurados para proporcionar una señal de salida a un desplazador
y escalador (30) en el que dicho desplazador y escalador desplaza y
escala dicha señal de salida y proporciona dicha señal desplazada y
escalada (14) a dicho módulo de decisión; y
en el que dicho módulo de decisión analiza el
estado de dicha señal (14) desplazada y escalada para que se
corresponda con uno de los estados de Lógica Alta, Lógica Baja,
Línea Desconectada y Línea Cortocircuitada.
2. El aparato de la reivindicación 1, en el que
dicho módulo de decisión (40) comprende al menos un convertidor
(42) de señal de voltaje a uno de los parámetros digitales o
dependientes del tiempo y una lógica de adquisición de señal (44)
configurada para proporcionar una función de decisión para el estado
de dichas líneas de señales.
3. El aparato de la reivindicación 1, en el que
dicho desplazador y escalador (30) comprende al menos una de las
resistencias y de los diodos.
4. El aparato de la reivindicación 3, en el que
dicho desplazador y escalador (30) puede ser sustancialmente
incorporado en dicho detector de señal (10).
5. Un método para analizar una condición de una
línea de señal de interconexión entre un controlador electrónico de
un sistema y dispositivos periféricos del sistema equipados con
detectores digitales, que se caracteriza porque:
dispone de un módulo de decisión (40) en dicho
controlador electrónico (18A);
dispone de un desplazador y escalador (30) en
dicho dispositivo periférico del sistema (8A) el cual conecta dicho
desplazador y escalador (30) entre la salida de dicho detector
digital (10) y la entrada de dicho módulo de decisión (40);
recibe un margen de voltaje (50) desde dicho
detector (10A) en dicho desplazador y escalador (30) en el que
dicho margen de voltaje recibido es desplazado y escalado por dicho
desplazador y escalador (30) para producir un margen de voltaje de
salida (52); y
recibir dicho margen de voltaje de salida (52)
desde dicho desplazador y escalador (30) en dicho módulo de
decisión (40) en el que el estado de dicho margen de voltaje de
salida (52) es analizado para producir uno de los estados de Lógica
Alta, Lógica Baja, Línea Desconectada y Línea Cortocircuitada.
6. El método de la reivindicación 5, en el que
dicho módulo de decisión (40) convierte señales de voltaje en uno
de los parámetros digitales o dependientes del tiempo, y proporciona
una función de decisión para dichas señales convertidas.
7. El método de la reivindicación 5, en el que
dicho desplazador y escalador (30) está o integrado en dicho
detector digital (10) o conectado entre dicho detector digital y
dicho módulo de decisión (40).
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
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