WO2002028039A1 - Verfahren zur übertragung eines hochfrequenten binären datenstroms über eine kommunikationsstrecke mit galvanischer trennung - Google Patents

Verfahren zur übertragung eines hochfrequenten binären datenstroms über eine kommunikationsstrecke mit galvanischer trennung Download PDF

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WO2002028039A1
WO2002028039A1 PCT/DE2001/003577 DE0103577W WO0228039A1 WO 2002028039 A1 WO2002028039 A1 WO 2002028039A1 DE 0103577 W DE0103577 W DE 0103577W WO 0228039 A1 WO0228039 A1 WO 0228039A1
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signal
binary
data stream
transmission
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Susanne Gaksch
Kurt GÖPFRICH
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L25/00—Baseband systems
    • H04L25/02—Details ; arrangements for supplying electrical power along data transmission lines
    • H04L25/0264—Arrangements for coupling to transmission lines
    • H04L25/0266—Arrangements for providing Galvanic isolation, e.g. by means of magnetic or capacitive coupling
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L27/00—Modulated-carrier systems
    • H04L27/0002—Modulated-carrier systems analog front ends; means for connecting modulators, demodulators or transceivers to a transmission line

Definitions

  • the invention relates to a method for transmitting a high-frequency binary data stream over a, in particular bidirectional, communication link with electrical isolation, in particular with safe electrical isolation, and a method based thereon for the synchronous transmission of a high-frequency data stream.
  • the galvanic isolation should, if possible, meet the properties of a safe isolation according to the standard EN50178. Immunity to high changes in voltage over time (du / dt) is required, e.g. for applications in a frequency converter, the data transfer rate should be approx. 10 ... 24Mbaud, higher data rates are also conceivable.
  • FIG. 2 shows a basic sketch for data transmission with electrical isolation GT.
  • Transceivers T1 and T2 are provided on both sides of a communication link K, which are each controlled via optocouplers 01 to 04.
  • the transceiver T1 is supplied with data via the optocoupler 01, while received data RDATA are forwarded to a further optocoupler 02.
  • serial data transmission is implemented on the PROFIBUS.
  • the dielectric strength for safe isolation is also limited for optocouplers and optocouplers are only available for limited data rates (the limit today is around 12Mbaud).
  • optical fibers such as optocouplers are only available for limited data rates.
  • the solution with optical fibers is very expensive due to the high costs for the optical fibers themselves.
  • FIG. 5 shows such a serial data transmission via Ethernet, the physical layer components PL known according to the Ethernet standard being present on both sides of the transmission path.
  • the actual transmission takes place via transmitters DU1 and DU2 on both sides of the communication link K1, K2.
  • Ethernet In the case of Ethernet, however, bidirectional transmission over one channel cannot be implemented; two separate channels K1 and K2 are required, combined with increased effort. Another disadvantage is that the transformers for Ethernet do not guarantee sufficient immunity to high voltage changes over time (du / dt), but in particular no safe separation for voltages above approx. 300V.
  • the object of the present invention is therefore to transmit a high-frequency data stream over a galvanic isolating section as simply and inexpensively as possible.
  • this object is achieved by a method for transmitting a high-frequency binary data stream over a, in particular bidirectional, communication link with electrical isolation, with the following method steps: DC component-free coding of the data stream on the transmission side by generating artificial signal changes
  • the signal is coded free of direct components by incorporating artificial jumps in the binary values to be transmitted, which ensure that no direct components can occur.
  • each binary value, zero ' is assigned the binary signal sequence, zero' and then 'one' and - each binary value, one 'is assigned the binary signal sequence, one' and then 'zero'.
  • each binary value one 'is assigned the binary signal sequence, zero' and subsequently, one 'and each binary value, zero' is assigned the binary signal sequence, one 'and subsequently, zero'.
  • Such coding is also referred to as Manchester coding for other purposes.
  • the invention can be used for transmission with a serial communication link with particularly little effort.
  • a transmission takes place in half-duplex mode by providing the beginning of each data stream on the transmission side with a characteristic value, in particular with a start bit, for identifying a message.
  • a respective characteristic value in particular a start bit, can also be used to start the recovery of the data coded without DC on the receiving side.
  • the underlying object can also be achieved by a method for the synchronous transmission of a high-frequency binary data stream with a data signal and a clock signal via a, in particular bidirectional, communication path with electrical isolation with the following method steps:
  • transmitters with a low coupling capacitance are used between their primary circuit and secondary circuit, in particular those with a coupling capacitance less than 1 pF. It is also advantageous if transformers with low attenuation and / or with safe electrical isolation up to 720 volts are used.
  • a particularly effective application results from a connection of a power unit for electrical drives, in particular an intermediate circuit converter or inverter, with a comparatively high voltage potential with control electronics with a comparatively lower voltage potential for bidirectional data exchange using the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a serial data transmission in half duplex operation according to the invention
  • FIG. 3 shows a basic diagram of a data transmission in the case of long lines with double galvanic isolation
  • FIG. 4 shows a block diagram of a serial data transmission with optocouplers according to the prior art
  • FIG. 10 shows a block diagram of a serial transmission of synchronous data according to the invention.
  • the data stream is first suitably processed and then transmitted using transmitters.
  • These transformers must have a very low coupling capacitance between the primary and secondary side (typically ⁇ lpF) in order to avoid problems with the high voltage-time changes du / dt.
  • these should have a low attenuation in order to be able to transmit the high data rates and be suitable for a safe separation.
  • a direct component-free coding is first carried out, with Manchester coding being available here, for example.
  • line drivers such as an RS485 driver can be used, which are available inexpensively.
  • the data to be transmitted DATA is encoded in an encoder / decoder EC_DC free of direct components, e.g. manchester coded, and are available as coded data DATA '.
  • Each line driver has an input T for data to be sent and an output R for data to be received.
  • Respective transmitters U1, U2 are connected between the respective line drivers LT1, LT2 and the communication link K, at least one of which must ensure reliable electrical isolation GT.
  • a 'possible application of the method according to the invention is the connection of a control module with a power unit for implementing a decentralized drive concept for electric drives.
  • power units with a control unit are used, which "lies" on a negative intermediate circuit potential, in order to save costs with optocouplers.
  • This requires a transmission path with the requirements for data communication mentioned at the beginning, which, in addition to the galvanic isolation, provides a safe electrical isolation For cost reasons, only one transmission link should be used for the data interface (only half-duplex data transmission).
  • the potential is separated by means of transformers that are used for the electrical isolation between control electronics (PE potential) and power section (negative DC link potential).
  • the proposed transformers are selected so that they meet the requirements for safe isolation with a supply voltage of up to 3AC720V and are therefore suitable for all low-voltage converters.
  • the first option was chosen for the following example, as this is preferred by semiconductor manufacturers for integrated solutions.
  • the start of each message is provided with a start bit SO. This is followed either by a data packet with a predetermined length, or the length is transmitted at the beginning of the data packet.
  • a corresponding encoder and decoder EC_DC with the associated timing diagrams is shown in FIGS. 6 to 9.
  • FIG. 6 shows a circuit arrangement for an encoder for Manchester coding on the basis of several logical switching gates.
  • the connection is easy to see through by a specialist and therefore does not have to be explained in detail.
  • Flip-flop modules D1 to D5 and a logical AND gate Gl are used.
  • Circuit arrangement according to FIG 6 signals which are plotted on top of each other. These are clock signals CLK48, CLK24, CLK12, which are obtained by clock division.
  • a signal DE is used to activate the encoder.
  • SCLK represents the clock of the data stream TDATA to be coded.
  • the person skilled in the art takes the logical combination of the respective signals from the circuit arrangement according to FIG. 6.
  • the main effect of Manchester coding can be seen from the uncoded signal TDATA and the coded signal TX.
  • TDATA carries a signal sequence, 1011 ', the two successive logical values, one' not causing a signal change, but in this case TDATA is constant. However, exactly this can result in undesired DC components.
  • the signal TX - after the start bit SO described above - necessarily also carries the signal sequence, 1011 ', but the associated signal profile differs in so far as an edge change occurs in the case of the two successive logical values, one'.
  • a negative edge change represents the logical value "one”, a positive edge change the logical value "zero". This reliably prevents an undesirable DC component during transmission.
  • FIG. 8 shows a circuit arrangement for decoding Manchester-coded signals based on several logic switching gates. The interconnection is also understandable to the person skilled in the art and therefore need not be explained in detail. Flip-flop modules D6 to D12 as well as logic AND gates G2 and G3 are used.
  • FIG. 9 shows the associated signal diagram in the
  • Circuit arrangement according to FIG 8 signals, which are in turn plotted on top of each other. These are clock signals CLK48 and CLK24 which are obtained by clock division.
  • a signal XRE is used to activate the decoding.
  • RX is the received Manchester-coded data DATA 'of the data stream.
  • RX Manchester-coded data
  • RDATA decoded original data
  • a further exemplary embodiment enables the transmission of synchronous data, with the signals being suitably encoded in order to avoid the occurrence of equal components by means of an EXOR combination of clock signal CLK and data DATA.
  • two data streams have to be transmitted, namely a data signal DATA and the clock signal CLK required for synchronous transmission, but not bidirectionally.
  • two communication links are provided, each of which is protected by a transformer U1 and U2 with safe electrical isolation GT.
  • Each communication link has respective line drivers LTla, LTlb and LT2a, LT2b at both ends (eg RS485 line drivers).
  • the DATA signal is initially not free of DC components. In order to still be able to transmit it with a transmitter, it is first inventively used with the clock signal CLK Exclusive.
  • the clock signal CLK can be EXOR-linked with a constant binary value M such as, for example, zero, from which the clock signal CLK results.
  • the logical combination of the data signal and the clock signal thus ensures that a coded data signal DATA 'free of DC components can be transmitted via the transmitter U1.
  • the clock signal itself is always free of direct components.
  • the two signals DATA 'and CLK' are then transmitted via the respective communication link with the respective transmitters U1 and U2 and the original data stream DATA is recovered by EXOR linking the two coded signals DATA 'and CLK' again.
  • the original clock signal from CLK ' it is linked again with the constant binary value M EXOR.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc Digital Transmission (AREA)
  • Bidirectional Digital Transmission (AREA)

Abstract

Nach der Erfindung wird der Datenstrom geeignet aufbereitet und dann mit Übertragern übertragen. Um einen Übertrager ein-setzen zu können, wird zunächst eine gleichanteilsfreie Co-dierung durchgeführt, hier bietet sich die Manchestercodie-rung an. Für eine synchrone Übertragung (FIG) müssen zwei Da-tenströme übertragen werden, aber nicht bidirektional. Das Datensignal ist zunächst nicht mittelwertfrei. Um es dennoch mit einem Übertrager übertragen zu können, wird es zunächst mit dem Taktsignal z.B. EXOR-verknüpft. Danach erfolgt die Übertragung beider Signale (das Taktsignal wird zur Vermei-dung unterschiedlicher Laufzeiten mit 0 EXOR-verknüpft) und die Rückgewinnung des Original-Datenstromes durch nochmalige EXOR-Verknüpfung beider Signale.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Übertragung eines hochfrequenten binären Datenstroms über eine Kommunikationsstrecke mit galvanischer Tren- nung
Die Erfindung-betrifft ein Verfahren zur Übertragung eines hochfrequenten binären Datenstroms über eine, insbesondere bidirektionale, Kommunikationsstrecke mit galvanischer Tren- nung, insbesondere mit sicherer elektrischer Trennung, sowie ein darauf aufbauendes Verfahren zur synchronen Übertragung eines hochfrequenten Datenstroms .
Um einen hochfrequenten Datenstrom über eine galvanische Trennstrecke zu übertragen, sind bei heutigen technischen Anwendungen häufig folgende Eigenschaften des Datenstromes und der galvanischen Trennung von besonderer Bedeutung:
die galvanische Trennung soll möglichst die Eigenschaften einer sicheren Trennung gemäß der Norm EN50178 erfüllen es ist eine Störfestigkeit gegenüber hohen Änderungen der Spannung über die Zeit (du/dt) gefordert, z.B. bei Anwendungen in einem Frequenzumrichter die Datenübertragungsrate soll ca. 10. ..24Mbaud betragen, denkbar sind auch höhere Datenraten.
Die Darstellung nach FIG 2 zeigt eine Prinzipsskizze zur Datenübertragung mit galvanischer Trennung GT.
Häufig werden auch lange Leitungen (z.B. in der Größenordnung bis zu 100m) zwischen Sender und Empfänger des Datenstromes liegen, z.B. zur Kommunikation zwischen zwei Geräten, so dass eine doppelte galvanische Trennung, einmal in der Nähe des Senders und einmal in der Nähe des Empfängers, nötig ist. Dieser Fall ist in FIG 3 skizziert, wonach somit zur Datenübertragung eine doppelte galvanische Trennung GT bei langen Leitungen benötigt wird. Häufig ist auch eine bidirektionale Übertragung über einen Kanal (nicht gleichzeitig in beide Richtungen) zu ermöglichen.
Herkömmlicherweise wird dieses Problem mit Hilfe von Optokopplern gelöst. Eine solche Datenübertragung mit galvanischer Trennung nach dem Stand der Technik ist in der Darstellung nach FIG 4 gezeigt.
Auf beiden Seiten einer Kommunikationsstrecke K sind Transceiver Tl und T2 vorgesehen, welche jeweils über Optokoppler 01 bis 04 angesteuert werden. Der Transceiver Tl wird beispielsweise für eingehende Daten TDATA über den Optokoppler 01 mit Daten beaufschlagt, während empfangene Daten RDATA an einen weiteren Optokoppler 02 weitergeleitet werden. Das gleiche gilt für die andere Seite der Kommunikationsstrecke K mit dem Transceiver T2 und den Optokopplern 03 und 04.
Auf Basis dieser ÜbertragungsStruktur ist beispielsweise eine serielle Datenübertragung beim PROFIBUS realisiert.
Diese herkömmliche Anordnung mit Optokopplern zur galvanischen Trennung besitzt jedoch einige Nachteile. So muss für die doppelte galvanische Trennung der mittlere Teil zwischen den Optokopplern 01 bis 04 (Versorgung der beiden Transceiver Tl und T2) auch eine Stromversorgung bekommen, was unerwünschte zusätzliche Kosten und Aufwand verursacht.
Auch ist bei Optokopplern die Spannungsfestigkeit für eine sichere Trennung eingeschränkt und Optokoppler stehen nur für begrenzte Datenraten zur Verfügung (die Grenze liegt heute bei etwa 12Mbaud) .
Eine andere bekannte Übertragungstechnik setzt daher auf eine Lösung mit Lichtwellenleitern. Auch dabei treten jedoch gravierende Nachteile auf, denn es muss der wiederum mittlere Teil der Kommuήikationsstrecke zur Erzeugung der Lichtimpulse eine eigene Stromversorgung bekommen, was mit unerwünschtem Aufwand und Kosten verbunden ist. Darüber hinaus stehen Lichtwellenleiter wie Optokoppler nur für begrenzte Datenraten zur Verfügung. Die Lösung mit Lichtwellenleitern ist auf- grund der hohen Kosten für die Lichtwellenleiter selbst sehr teuer .
Auch wurde eine Lösung mit Bauteilen nach dem aus der Bürokommunikationstechnik weit verbreiteten Ethernet-Standard vorgeschlagen.
Die Darstellung nach FIG 5 zeigt eine solche serielle Datenübertragung über Ethernet, wobei auf beiden Seiten der Übertragungsstrecke die nach dem Ethernet-Standard bekannten Phy- sical-Layer-Komponenten PL vorliegen. Die eigentliche Übertragung erfolgt über Übertrager DU1 und DU2 auf beiden Seiten der Kommunikationsstrecke Kl, K2.
Bei Ethernet kann jedoch eine bidirektionale Übertragung über einen Kanal nicht realisiert werden, man braucht zwei getrennte Kanäle Kl und K2 , verbunden mit erhöhtem Aufwand. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Übertrager für Ethernet keine ausreichende Störfestigkeit gegenüber hohen Spannungsänderungen über die Zeit (du/dt) gewährleisten, ins- besondere aber keine sichere Trennung für Spannungen über ca. 300V.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, einen hochfrequenten Datenstrom über eine galvanische Trenn- strecke möglichst einfach und kostengünstig zu übertragen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Übertragung eines hochfrequenten binären Datenstroms über eine, insbesondere bidirektionale, Kommunikati- onsstrecke mit galvanischer Trennung, mit folgenden Verfahrensschritten gelöst: gleichanteilsfreie Codierung des Datenstroms auf der Sendeseite durch Erzeugung von künstlichen Signalwechseln durch
Übertragung von Binärwerten des Datenstroms als definierte Folge von Signalwechseln über eine Kommunikationsstrecke mit mindestens einem elektrischen Übertrager und Rückgewinnung der ursprünglichen Binärwerte des Datenstroms durch Zuordnung der zugehörigen Binärwerte zu den auf der Empfangsseite eintreffenden Folgen von Signalwech- sein.
Da ein Übertrager keine Gleichspannungen/-ströme und damit auch keine Gleichanteile eines Datenstroms übertragen kann, sondern nur Wechselspannungen/-ströme, besteht die Gefahr, dass aufgrund einer Folge von gleichen Binärwerten des Datenstroms über einen längeren Zeitraum quasi ein Gleichanteil an dem Übertrager ansteht. Daher wird das Signal erfindungsgemäß gleichanteilsfrei codiert, indem künstliche Sprünge in die zu übertragenden Binärwerte eingebaut werden, die gewährleisten, dass keine Gleichanteile entstehen können.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn jedem Binärwert ,Null' die binäre Signalfolge ,Null' und darauffolgend ,Eins' zugeordnet wird und - jedem Binärwert ,Eins' die binäre Signalfolge ,Eins' und darauffolgend ,Null' zugeordnet wird.
Alternativ kann derselbe Effekt erreicht werden, wenn jedem Binärwert ,Eins' die binäre Signalfolge ,Null' und darauffolgend ,Eins' zugeordnet wird und jedem Binärwert ,Null' die binäre Signalfolge ,Eins' und darauffolgend ,Null' zugeordnet wird.
Eine solche Codierung wird zu anderen Zwecken auch als Manchestercodierung bezeichnet. Mit besonders geringem Aufwand lässt sich die Erfindung mit einer seriellen Kommunikationsstrecke zur Übertragung einsetzen.
Dabei ist es nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens der Erfindung besonders vorteilhaft, wenn eine Übertragung im Halbduplex-Betrieb erfolgt, indem der Anfang jedes Datenstroms auf der Sendeseite mit einem Kennwert, insbesondere mit einem Startbit, zur Identifizierung einer Nach- rieht versehen wird.
Ein jeweiliger Kennwert, insbesondere ein Startbit, kann dabei auch zum Start der Wiedergewinnung der gleichanteilsfrei codierten Daten auf der Empfangsseite eingesetzt werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung lässt sich die zugrunde liegende Aufgabe darüber hinaus auch durch ein Verfahren zur synchronen Übertragung eines hochfrequenten binären Datenstroms mit einem Datensignal und einem Taktsignal über eine, insbesondere bidirektionale, Kommunikationsstrecke mit galvanischer Trennung mit folgenden Verfahrensschritten lösen:
Codierung des Datensignals durch eine logische Verknüpfung von Datensignal und Taktsignal auf der Sendeseite derart, dass ein gleichanteilsfreies codiertes Datensignal resultiert,
Übertragung des codierten Datensignals über eine erste Kommunikationsstrecke mit mindestens einem elektrischen Übertrager,
Übertragung des Taktsignals über eine zweite Kommunika- tionsstrecke mit mindestens einem elektrischen Übertrager und
Decodierung des codierten Datensignals auf der Empfangs- seite durch erneute logische Verknüpfung von codiertem Datensignal und Taktsignal derart, dass das ursprüngliche Datensignal zurückgewonnen wird. Zur Vermeidung unterschiedlicher Laufzeiten der über beide Kommunikationsstrecken übertragenen Daten hat sich folgender weiterer Verfahrensschritt als günstig erwiesen:
Codierung und Decodierung des Taktsignals mit derselben logischen Verknüpfung mit einem konstanten Binärwert und
Übertragung des codierten Taktsignals.
Dabei hat es sich als besonders einfach und effektiv erwiesen, folgende logische Verknüpfung durchzuführen: - Codierung des Datensignals durch eine Exklusiv-Oder-Ver- knüpfung von Datensignal und Taktsignal auf der Sendeseite,
Decodierung des codierten Datensignals auf der Empfangsseite durch erneute Exklusiv-Oder-Verknüpfung von codier- tem Datensignal und Taktsignal.
Zur Vermeidung unterschiedlicher Laufzeiten der über beide Kommunikationsstrecken übertragenen Daten empfiehlt sich in diesem Fall folgende Vorgehensweise:
Exklusiv-Oder-Verknüpfung des Taktsignals mit einem konstanten binären Wert, insbesondere mit dem Wert Null, auf der Sendeseite,
Übertragung des so codierten Taktsignals über die zweite Kommunikationsstrecke mit mindestens einem elektrischen Übertrager und erneute Exklusiv-Oder-Verknüpfung von codiertem Taktsignal und dem gleichen konstanten binären Wert, insbesondere mit dem Wert Null, auf der Empfangsseite.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn Übertrager mit einer geringen Koppelkapazität zwischen deren Primärkreis und Sekundärkreis eingesetzt werden, insbesondere solche mit einer Koppelkapazität kleiner als 1 pF. Auch ist es vorteilhaft, wenn Übertrager mit einer geringen Dämpfung und/oder mit sicherer elektrischer Trennung bis zu 720 Volt eingesetzt werden.
Eine besonders effektive Einsatzmöglichkeit ergibt sich bei einer Verbindung eines Leistungsteiles für elektrische Antriebe, insbesondere einen Zwischenkreis-Umrichter oder Wechselrichter, mit vergleichsweise hohem Spannungspotential mit einer Regelungselektronik mit einem vergleichsweise niedrige- ren Spannungspotential zum bidirektionalen Datenaustausch nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Weitere Vorteile und Details der vorliegenden Erfindung ergeben sich anhand des im folgenden dargestellten Ausführungs- beispiels und in Verbindung mit den Figuren. Dabei sind Elemente mit gleicher Funktionalität mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Es zeigt:
FIG 1 ein Blockschaltbild einer seriellen Datenübertra- gung im HaIbduplexbetrieb nach der Erfindung,
FIG 2 eine Prinzipsskizze einer Datenübertragung mit galvanischer Trennung,
FIG 3 eine Prinzipsskizze einer Datenübertragung bei langen Leitungen mit doppelter galvanischer Trennung, FIG 4 ein Blockschaltbild einer seriellen Datenübertragung mit Optokopplern nach dem Stand der Technik,
FIG 5 ein Blockschaltbild einer seriellen Datenübertragung mit Ethernet-Technik nach dem Stand der Technik,
FIG 6 eine Schaltungsanordnung zur Manchester-Codierung,
FIG 7 ein Signaldiagramm der Manchestercodierung,
FIG 8 eine Schaltungsanordnung zur Manchester- Decodierung, F FIIGG 9 9 ein Signaldiagramm der Manchesterdecodierung und
FIG 10 ein Blockschaltbild einer seriellen Übertragung von synchronen Daten nach der Erfindung. Nach der Erfindung wird der Datenstrom zunächst geeignet aufbereitet und dann mit Übertragern übertragen. Diese Übertrager müssen eine sehr geringe Koppelkapazität zwischen Primär- und Sekundärseite besitzen (typischerweise <lpF) , um Probleme mit dem hohen Spannungs-Zeit-Änderungen du/dt zu vermeiden. Außerdem sollten diese eine geringe Dämpfung besitzen, um die hohen Datenraten übertragen zu können und für eine sichere Trennung geeignet sein.
Um einen Übertrager einsetzen zu können, wird zunächst eine gleichanteilsfreie Codierung durchgeführt, wobei sich hier beispielsweise eine Manchestercodierung anbietet.
Um große Entfernungen überbrücken zu können, können Leitungs- treiber wie z.B. ein RS485-Treiber eingesetzt werden, die kostengünstig zur Verfügung stehen.
In der Darstellung nach FIG 1 ist ein Blockschaltbild einer seriellen Datenübertragung im Halbduplexbetrieb nach der Er- findung gezeigt, in dem die vorangehend beschriebenen Maßnahmen berücksichtigt sind. Die zu übertragenden Daten DATA werden in einem Encoder/Decoder EC_DC gleichanteilsfrei codiert, z.B. manchestercodiert, und stehen als codierte Daten DATA' zur Verfügung. Damit wird ein Leitungstreiber LTl beauf- schlagt, der diese Daten DATA' über eine Kommunikations- strecke K an einen anderen Leitungstreiber LT2 sendet. Jeder Leitungstreiber verfügt über einen Eingang T für zu sendende Daten und einen Ausgang R für zu empfangende Daten.
Zwischen den jeweiligen Leitungstreiber LTl, LT2 und die Kommunikationsstrecke K sind jeweilige Übertrager Ul, U2 geschaltet, wovon mindestens einer eine sichere galvanische Trennung GT bewirken muss.
Mit dieser erfindungsgemäßen Vorgehensweise werden alle eingangs geforderten Kriterien erfüllt: Lange Leitungen und hohe Datenraten sind möglich ein Halbduplexbetrieb ist sehr preiswert realisierbar und darüber hinaus erweiterbar auf Full-Duplexbetrieb, indem die gleiche Kommunikationsstrecke K doppelt vorgesehen ist) bei Datenübertragungsraten von etwa 12Mbaud wird aufgrund einer geringen Koppelkapazität des Übertragers eine hohe Störsicherheit erreicht der Übertrager stellt eine sichere Trennung her - bei kurzen Ubertragungsstrecken (z.B. innerhalb eines Gerätes) kann auf den ersten Übertrager verzichtet werden, so dass nur ein Übertrager für eine sichere Trennung benötigt wird.
Eine' mögliche Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung besteht in der Verbindung einer Regelungsbaugruppe mit einem Leistungsteil zur Realisierung eines dezentralen Antriebskonzeptes für elektrische Antriebe. Dazu wird auf Leistungsteile mit einer Steuersatzeinheit zurückgegriffen, die auf negati- vem Zwischenkreispotential „liegt", um Kosten bei Optokopplern zu sparen. Dadurch wird eine Ubertragungsstrecke mit den eingangs angeführten Anforderungen für die Datenkommunikation benötigt, die über die galvanische Trennung hinaus eine sichere elektrische Trennung bieten muss . Aus Kostengründen soll für die Datenschnittstelle nur eine Ubertragungsstrecke zum Einsatz kommen (nur Halbduplex-Datenübertragung) .
Die Potentialtrennung erfolgt mittels Übertragern, die für die galvanische Trennung zwischen Regelelektronik (PE-Poten- tial) und Leistungsteil (negatives Zwischenkreispotential) verwendet werden. Die vorgesehenen Übertrager werden so geählt, dass sie bei einer Anschlussspannung von bis zu 3AC720V die Anforderungen für eine sichere Trennung erfüllen und sind damit für alle Niederspannungsumrichter geeignet.
Da über eine solche Strecke kein Gleichanteil übertragen werden kann, werden die Daten vorher so codiert, dass ein ' Gleichanteil vermieden werden kann. Als eine mögliche Codierungsform bietet sich eine Manchestercodierung an. Dafür gibt es zwei Alternativen zur Auswertung von Flankenwechseln:
a) 0 = positive Flanke, 1 = negative Flanke b) 1 = positive Flanke, 0 = negative Flanke
Für das folgende Beispiel wurde die erste Möglichkeit gewählt, da diese von Halbleiterherstellern für integrierte Lö- sungen bevorzugt wird.
Da die Übertragungsstrecke nur im Halbduplexbetrieb genutzt werden kann, wird der Anfang jeder Nachricht mit einem Startbit SO versehen. Darauf folgt dann entweder ein Datenpaket mit einer vorher festgelegten Länge, oder die Länge wird mit dem Anfang des Datenpakets übertragen. Als Startbit wurde die 0 (= positive Flanke) gewählt. Diese Flanke wird auch benutzt, um aus den folgenden Manchester-codierten Daten, Takt und Daten wieder zurückzugewinnen. Ein entsprechender Encoder und Decoder EC_DC mit den zugehörigen Timingdiagrammen ist in den FIG 6 bis 9 dargestellt.
Die Darstellung nach FIG 6 zeigt eine Schaltungsanordnung für einen Encoder zur Manchestercodierung auf Basis mehrerer lo- gischer Schaltgatter. Die Verschaltung ist vom Fachmann leicht zu durchschauen und muss daher nicht im einzelnen erläutert werden. Es kommen Flip-Flop-Bausteine Dl bis D5 sowie ein logisches UND-Glied Gl zum Einsatz.
Die FIG 7 zeigt das zugehörige Signaldiagramm der in der
Schaltungsanordnung nach FIG 6 gezeigten Signale, die übereinander aufgetragen sind. Es sind dies Taktsignale CLK48, CLK24, CLK12, welche durch Taktteilung gewonnen werden. Ein Signal DE dient der Aktivierung des Encoders . SCLK stellt den Takt des zu codierenden Datenstroms TDATA dar. Die logische Verknüpfung der jeweiligen Signale entnimmt der Fachmann der Schaltungsanordnung nach FIG 6. Der wesentliche Effekt der ManchesterCodierung lässt sich anhand des uncodierten Signals TDATA und des codierten Signals TX erkennen. TDATA führt beispielhaft eine Signalfolge ,1011', wobei die beiden aufeinanderfolgenden logischen Werte ,Eins' keine Signaländerung hervorrufen, sondern TDATA verläuft in diesem Fall konstant. Genau dies kann jedoch unerwünschte Gleichanteile zur Folge haben. Nach erfolgreicher Manchestercodierung führt das Signal TX - nach dem vorangehend geschilderten Startbit SO - notwendigerweise ebenfalls die Signalfolge ,1011', jedoch unterscheidet sich der dazugehörige Signalverlauf insoweit, als auch im Fall der beiden aufeinanderfolgenden logischen Werte ,Eins' ein Flankenwech- sel auftritt. Dabei stellt ein negativer Flankenwechsel den logischen Wert ,Eins', ein positiver Flankenwechsel den logi- sehen Wert 'Null' dar. Dadurch wird ein unerwünschter Gleichanteil bei der Übertragung sicher vermieden.
Die FIG 8 zeigt entsprechend eine Schaltungsanordnung zur Decodierung von manchestercodierten Signalen auf Basis mehrerer logischer Schaltgatter. Die Verschaltung ist dem Fachmann ebenfalls verständlich und muss daher nicht im einzelnen erläutert werden. Es kommen Flip-Flop-Bausteine D6 bis D12 sowie logische UND-Glieder G2 und G3 zum Einsatz.
Die FIG 9 zeigt das zugehörige Signaldiagramm der in der
Schaltungsanordnung nach FIG 8 gezeigten Signale, die wiederum übereinander aufgetragen sind. Es sind dies Taktsignale CLK48 und CLK24 welche durch Taktteilung gewonnen werden. Ein Signal XRE dient der Aktivierung der Decodierung. RX sind die empfangenen manchester-codierten Daten DATA' des Datenstroms.
Aus diesen Signalen wird~ durch die in FIG 8 gezeigte Decodierungsanordnung ein internes Synchronisationssignal RX_SYNC gewonnen. Dieses dient gemeinsam mit dem Taktsignal CLK24 un- ter anderem zur Wiedergewinnung des ursprünglichen Datenstroms DATA. RCLK stellt den wiedergewonnenen Takt des decodierten Datenstroms RDATA dar. Die logische Verknüpfung der jeweiligen Signale entnimmt der Fachmann der Schaltungsanordnung nach FIG 8.
Wie anhand eines Vergleichs der Signale RX (manchester-co- dierte Daten) und RDATA (decodierte Originaldaten) erkennbar ist, liefert RX für die Signalfolge ,1011' die bereits im Zusammenhang mit TX erläuterten Signalwechsel auch für eine Folge von aufeinanderfolgenden gleichen Binärwerten zur Vermeidung eines Gleichanteils, welcher nicht durch einen Über- trager verarbeitet werden kann. Das decodierte Signal RDATA führt dann wieder die originalen Daten des Datenstroms und entspricht damit dem Signal TDATA bzw. DATA.
Selbstverständlich sind eine Vielzahl anderer Codierungs ög- lichkeiten ebenfalls einsetzbar, sofern eine gleichanteils- freie Signalübertragung ermöglicht wird.
Ein Vertauschen der Leitungen ist bei dem in den FIG 1 und FIG 6 bis 9 gezeigten Ausführungsbeispiel nicht zulässig. An- sonsten würden der Aufwand für die Signalrückgewinnung und die damit verbundenen Kosten unakzeptabel steigen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ermöglicht eine Übertragung von synchronen Daten, wobei eine geeignete Codierung der Sig- nale zur Vermeidung der Entstehung von Gleichanteilen erfindungsgemäß durch eine EXOR-Verknüpfung von Taktsignal CLK und Daten DATA erfolgt.
In diesem Anwendungsfall treten in der Regel keine großen Entfernungen zwischen Sender und Empfänger auf, so dass zumeist auf die doppelte galvanische Trennung verzichtet werden kann. Diese Ausgangssituation ist auch dem in FIG 10 gezeigten Ausführungsbeispiel zugrunde gelegt.
Dafür müssen zwei Datenströme übertragen werden, nämlich ein Datensignal DATA und das zur synchronen Übertragung erforderliche Taktsignal CLK, jedoch nicht bidirektional. Wie in cer Darstellung nach FIG 10 gezeigt, sind zwei Kommunikations- strecken vorgesehen, welche jeweils durch einen Übertrager Ul und U2 mit sicherer galvanischer Trennung GT geschützt sind. Jede Kommunikationsstrecke weist an beiden Enden jeweilige Leitungstreiber LTla, LTlb und LT2a, LT2b auf (z.B. RS485 Leitungstreiber) .
Das DATA-Signal ist zunächst nicht gleichanteilsfrei. Um es dennoch mit einem Übertrager übertragen zu können, wird es erfindungsgemäß zunächst mit dem Taktsignal CLK Exklusiv-
Oder- bzw. EXOR-verknüpft . Es resultiert das codierte Datensignal DATA' . Das Taktsignal CLK kann zur Vermeidung unterschiedlicher Lautzeiten mit einem konstanten binären Wert M wie etwa ,Null' EXOR-verknüpft werden, woraus das Taktsignal CLK' resultiert.
Durch die logische Verknüpfung von Datensignal und Taktsignal ist somit gewährleistet, dass ein gleichanteilsfreies codiertes Datensignal DATA' über den Übertrager Ul übertragen wer- den kann. Das Taktsignal selbst ist stets gleichanteilsfrei.
Danach erfolgt die Übertragung beider Signale DATA' und CLK' über die jeweilige Kommunikationsstrecke mit dem jeweiligen Übertrager Ul und U2 sowie die Rückgewinnung des Original- datenstromes DATA durch nochmalige EXOR-Verknüpfung beider codierter Signale DATA' und CLK' . Zur Rückgewinnung des ursprünglichen Taktsignals aus CLK' wird dieses erneut mit dem konstanten Binärwert M EXOR-verknüpft .
Selbstverständlich sind weitere Möglichkeiten zur logischen Verknüpfung von Datensignal DATA und Taktsignal CLK möglich, die eine gleichanteilsfreie Übertragung des Datensignals ermöglichen. Die vorangehend erläuterte EXOR-Verknüpfung zeichnet sich für die Erfindung durch deren besonders einfache und effektive Realisierung aus. Zur Realisierung einer erfindungsgemäßen Kommunikation für den PROFIBUS-Standard eignet sich ein Aufbau, der im Prinzip der Darstellung nach FIG 4 entspricht, wobei jedoch anstelle der Optokoppler 01 bis 04 Übertrager mit vorgeschalteten Manchestercodierern EC_DC entsprechend FIG 1 eingesetzt werden. Dadurch entfällt die Begrenzung der Datenrate auf 12 Mbaud, die bisher für den PROFIBUS galt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Übertragung eines hochfrequenten binären Datenstroms (DATA) über eine, insbesondere bidirektionale, Kom- munikationsstrecke (K) mit galvanischer Trennung (GT) , mit folgenden Verfahrensschritten: gleichanteilsfreie Codierung (EC_DC, D1...D5, Gl) des Datenstroms (TDATA) auf der Sendeseite durch Erzeugung von künstlichen Signalwechseln durch - Übertragung von Binärwerten des Datenstroms als definierte Folge von Signalwechseln (DATA' , TX, RX) über eine Kommunikationsstrecke (K) mit mindestens einem elektrischen Ü- bertrager (U, Ul, U2) und Rückgewinnung (EC_DC, D6...D12, G2, G3) der ursprünglichen Binärwerte (RDATA) des Datenstroms durch Zuordnung der zugehörigen Binärwerte zu den auf der Empfangsseite eintreffenden Folgen von Signalwechseln (TX, RX) .
2. Verfahren zur Übertragung eines hochfrequenten binären Da- tenstroms (DATA) nach Anspruch 1, wobei jedem Binärwert ,Null' die binäre Signalfolge ,Null' und darauffolgend ,Eins' zugeordnet wird und jedem Binärwert ,Eins' die binäre Signalfolge ,Eins' und darauffolgend ,Null' zugeordnet wird.
3. Verfahren zur Übertragung eines hochfrequenten binären Datenstroms (DATA) nach Anspruch 1, wobei jedem Binärwert ,Eins' die binäre Signalfolge ,Null' und darauffolgend ,Eins' zugeordnet wird und - jedem Binärwert ,Null' die binäre Signalfolge ,Eins' und darauffolgend ,Null' zugeordnet wird.
4. Verfahren zur Übertragung eines hochfrequenten binären Datenstroms (DATA) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine serielle Kommunikationsstrecke (K) zur Übertragung eingesetzt wird.
5. Verfahren zur bidirektionalen Übertragung eines hochfrequenten binären Datenstroms (DATA) nach Anspruch 4, wobei eine Übertragung im Halbduplex-Betrieb erfolgt, indem der Anfang jedes Datenstroms auf der Sendeseite mit einem Kennwert, insbesondere mit einem Startbit (SO) , zur Identifizierung einer Nachricht versehen wird.
6. Verfahren zur bidirektionalen Übertragung eines hochfrequenten binären Datenstroms (DATA) nach Anspruch 5, wobei ein jeweiliger Kennwert, insbesondere ein Startbit (SO), zum
Start der Wiedergewinnung (RDATA) der gleichanteilsfrei codierten Daten (TDATA) auf der Empfangsseite eingesetzt wird.
7. Verfahren zur synchronen Übertragung eines hochfrequenten binären Datenstroms mit einem Datensignal (DATA) und einem
Taktsignal (CLK) über eine, insbesondere bidirektionale, Kommunikationsstrecke mit galvanischer Trennung (GT) , insbesondere nach Anspruch 1, mit folgenden Verfahrensschritten:
Codierung des Datensignals durch eine logische Verknüpfung von Datensignal (DATA) und Taktsignal (CLK) auf der Sendeseite derart, dass ein gleichanteilsfreies codiertes Datensignal (DATA') resultiert,
Übertragung des codierten Datensignals über eine erste Kommunikationsstrecke mit mindestens einem elektrischen Übertrager (Ul) ,
Übertragung des Taktsignals (CLK) über eine zweite Kommunikationsstrecke mit mindestens einem elektrischen Ü- bertrager (U2) und Decodierung des codierten Datensignals (DATA' ) auf der Empfangsseite durch erneute logische Verknüpfung von codiertem Datensignal (DATA') und Taktsignal (CLK) derart, dass das ursprüngliche Datensignal (DATA) zurückgewonnen wird.
8. Verfahren zur synchronen Übertragung eines hochfrequenten binären Datenstroms nach Anspruch 7, mit folgendem weiteren Verfahrensschritt : Codierung und Decodierung des Taktsignals (CLK) mit derselben logischen Verknüpfung mit einem konstanten Binärwert (M) und Übertragung des codierten Taktsignals (CLK' ) .
9. Verfahren zur synchronen Übertragung eines hochfrequenten binären Datenstroms nach Anspruch 7 oder 8, mit folgenden weiteren Verfahrensschritten:
Codierung des Datensignals durch eine Exklusiv-Oder- Verknüpfung (EXOR) von Datensignal (DATA) und Taktsignal (CLK) auf der Sendeseite,
Decodierung des codierten Datensignals (DATA' ) auf der Empfangsseite durch erneute Exklusiv-Oder-Verknüpfung (EXOR) von codiertem Datensignal (DATA' ) und Taktsignal (CLK) .
10. Verfahren zur synchronen Übertragung eines hochfrequenten binären Datenstroms nach Anspruch 9, mit folgenden weiteren Verfahrensschritten:
- Exklusiv-Oder-Verknüpfung (EXOR) des Taktsignals (CLK) mit einem konstanten binären Wert (M) , insbesondere mit dem Wert Null, auf der Sendeseite,
Übertragung des so codierten Taktsignals (CLK') über die zweite Kommunikationsstrecke mit mindestens einem elektrischen Übertrager (U2) und - erneute Exklusiv-Oder-Verknüpfung (EXOR) von codiertem
Taktsignal (CLK' ) und dem gleichen konstanten binären Wert (M) , insbesondere mit dem Wert Null, auf der Empfangsseite.
11. Verfahren zur Übertragung eines hochfrequenten binären Datenstroms nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Übertrager (U, Ul, U2 ) mit einer geringen Koppelkapazität zwischen deren Primärkreis und Sekundärkreis eingesetzt werden, insbesondere solche mit einer Koppelkapazität kleiner als 1 pF.
12. Verfahren zur Übertragung eines hochfrequenten binären Datenstroms nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Übertrager (U, Ul, U2) mit einer geringen Dämpfung eingesetzt werden.
13. Verfahren zur Übertragung eines hochfrequenten binären Datenstroms nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Übertrager (U, Ul, U2) mit sicherer elektrischer Trennung bis zu 720 Volt eingesetzt werden.
14. Verbindung eines Leistungsteiles für elektrische Antriebe, insbesondere einen Zwischenkreis-Umrichter oder Wechselrichter, mit vergleichsweise hohem Spannungspotential mit einer Regelungselektronik mit einem vergleichsweise niedrigeren Spannungspotential zum bidirektionalen Datenaustausch nach dem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche.
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