WO2023031017A1 - Übertragungssystem und übertragungsverfahren zur übertragung von daten und energie über eine zweidrahtleitung - Google Patents

Übertragungssystem und übertragungsverfahren zur übertragung von daten und energie über eine zweidrahtleitung Download PDF

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WO2023031017A1
WO2023031017A1 PCT/EP2022/073702 EP2022073702W WO2023031017A1 WO 2023031017 A1 WO2023031017 A1 WO 2023031017A1 EP 2022073702 W EP2022073702 W EP 2022073702W WO 2023031017 A1 WO2023031017 A1 WO 2023031017A1
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master module
slave
master
slave module
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PCT/EP2022/073702
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Johannes DEUSE-KLEINSTEUBER
Peter Scholz
Elmar Schaper
Christian Reinhold
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Phoenix Contact Gmbh & Co. Kg
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a transmission system and a transmission method for transmitting data and energy via a two-wire line between a master module and one or more slave module(s). Furthermore, the invention relates to a master module designed for this and a slave module designed for this.
  • the invention relates to the transmission of energy and data via a two-wire line between a master module and at least one slave module, the data being transmitted bidirectionally and the transmission system should be as inexpensive and simple as possible. Essentially two transmission methods are known for this purpose in the prior art, which are briefly described below.
  • FIG. 1 shows a known transmission system with a master module 1 and a slave module 2 which are connected to one another via a two-wire line 3 .
  • the master module 1 contains an energy source 4 and a data interface 5.
  • the slave module 2 also contains an energy sink 6 and a data interface 7.
  • the data signal to be transmitted can be modulated onto a carrier frequency and transmitted via the two-wire line 3 between the master module 1 and the slave module 2 are transmitted, the data signal being able to superimpose an impressed DC voltage, as is the case in FIG.
  • a disadvantage is that only point-to-point connections are possible in this way, i.e. it is not possible to connect other slave modules to master module 1 in addition to slave module 2.
  • Another disadvantage of this technical solution is that complex and relatively large components are required, such as inductors and integrated circuits (ICs).
  • the first disadvantage of this known technical solution (“Power Line Communication”) is that complex hardware is required both on the transmitter side and on the receiver side containing, for example, integrated circuits (ICs) and analog filters made of capacitances and inductances, which makes the transmission system expensive and requires a relatively large amount of space on a printed circuit board.
  • ICs integrated circuits
  • analog filters made of capacitances and inductances
  • the invention is therefore based on the object of creating a transmission system or transmission method which is optimized in accordance with the disadvantages mentioned above.
  • the invention is also based on the object of creating a correspondingly optimized master module and a correspondingly improved slave module.
  • the transmission system according to the invention comprises a master module, at least one slave module and a two-wire line between the master module and the slave module.
  • the transmission system according to the invention enables bidirectional data transmission between the master module and the slave module, as is already known per se from the prior art.
  • the transmission system according to the invention also enables energy to be transmitted from the master module to the slave module.
  • the transmission system according to the invention now differs from the prior art in that the transmission system can be switched between a number of operating states, with the various operating states preferably differing with regard to energy transmission and/or data transmission.
  • the transmission system according to the invention can be operated in a first operating state in order to transmit energy from the master module via the two-wire line to the at least one slave module, which can also be referred to as the energy transmission phase.
  • this first operating state energy transmission phase
  • no data transmission from the master module to the slave module is possible in the preferred exemplary embodiment of the invention.
  • the invention is not limited to such exemplary embodiments in which, in the first operating state, only energy is transmitted but no data is transmitted. Rather, it is fundamentally also possible for data to also be transmitted during the energy transmission from the master module to the slave module.
  • data can be transmitted from the master module via the two-wire line to the at least one slave module, which can also be referred to as the "downlink broadcast phase".
  • this second operating state (downlink broadcast phase)
  • the slave module is then supplied with energy by an energy store in the slave module guaranteed, as will be described in detail later.
  • this second operating state (downlink broadcast phase), in the preferred exemplary embodiment of the invention, data is only transmitted in one direction, specifically from the master module to the slave module.
  • this second operating state on the other hand, there is generally no data transmission in the opposite direction from the slave module to the master module.
  • the transmission system according to the invention can also be operated in a third operating state in which data is transmitted from the slave module to the master module, which can also be referred to as the “uplink phase”.
  • energy can also be transmitted from the master module to the at least one slave module at the same time.
  • data can be transmitted from the slave module to the master module by so-called load modulation of the current take place, which is obtained from the master module by the slave module via the two-wire line, in which case this load current can then also ensure the power supply of the slave module at the same time, as will be described in detail later.
  • uplink phase data is only transmitted in one direction, namely from the slave module to the master module, but not in the opposite direction from the master module to the slave -Module.
  • the transmission system according to the invention differs from the known transmission system described at the outset in that the transmission system according to the invention can be switched between a number of operating states.
  • the transmission system can be switched between the three different operating states described above, which may also be referred to as the power transmission phase, the downlink broadcast phase and the uplink phase.
  • the invention also claims protection for such transmission systems in which there is only a switch between two operating states, for example between the energy transmission phase and the downlink broadcast phase, between the energy transmission phase and the uplink phase or between the downlink broadcast phase and the uplink -Phase.
  • the energy transmission from the master module to the at least one slave module is temporarily interrupted in the second operating state during the data transmission from the master module to the slave module, as already briefly mentioned above.
  • the slave module therefore requires its own energy supply in order to maintain the operation of the slave module while the energy supply is interrupted by the master module.
  • the slave module can have its own energy store in order to supply the slave module with the energy required for operation during the interruption in the energy transmission from the master module in the second operating state.
  • this energy store can have a capacitor.
  • this discharge protection can have a diode connected in series with the energy store (e.g. capacitor).
  • the data can be transmitted from the slave module to the master module by load modulation, for example, as is known per se from the prior art.
  • the slave module draws a load current from the master module via the two-wire line, so that the modulation of this load current enables the transmission of data from the slave module to the master module.
  • the slave module preferably has a current modulator in order to modulate the load current drawn from the master module via the two-wire line in accordance with the data to be transmitted.
  • the master module then instructs accordingly a current demodulator to demodulate the load current drawn from the slave module via the two wire lines and to determine the data contained therein.
  • the load modulator in the slave module can have a current pulse generator, for example, which modulates the load current obtained via the two-wire line in pulse form, so that the load current has current pulses corresponding to the data to be transmitted.
  • the slave module has a plurality of current pulse generators that are connected in parallel in order to be able to generate different current pulses of the load current.
  • the different current pulses can differ in their amplitude.
  • One of the current pulses can then be used for data transmission, while the other current pulses can form a warning signal or an interrupt signal, for example.
  • the current pulse generator in the slave module can, for example, have a controllable switching element that is connected between the two lines of the two-wire line in order to modulate the load current that is drawn from the master module via the two-wire line.
  • the switching element can be a transistor, such as a bipolar transistor.
  • the current pulse generator in the slave module can have a current limiter to limit the load current when the switching element (e.g. transistor) turns on.
  • the current limiter can consist of a collector resistor on the transistor, thereby limiting the load current.
  • the current pulse generator in the slave module preferably includes a microprocessor for controlling the switching element according to the data to be transmitted.
  • the current demodulator in the master module preferably has a current pulse detector in order to detect the current pulses of the load current.
  • the current pulse detector in the master module can have a filter to pass the rapidly changing current changes in the load current, which are containing current pulses are caused, whereas the slowly changing current changes of the load current are weakened.
  • This filter is preferably in the form of a high-pass or band-pass filter and outputs a correspondingly filtered load current signal on the output side.
  • the current pulse detector in the master module preferably has an amplifier to amplify the load current signal filtered by the filter.
  • the current pulse detector in the master module can have a detector to compare the load current signal with at least one predetermined level.
  • the detector is preferably designed as a digital detector and preferably contains a comparator.
  • the current pulse detector in the master module can have a pre-state memory in order to temporarily store a pre-state of the load current, the comparator then comparing the current state of the load current signal with the pre-state of the load current signal stored in the pre-state memory.
  • the transmission system according to the invention also enables data transmission from the master module to the slave module.
  • the master module preferably contains a controllable switch (e.g. transistor) for switching the energy transmission from the master module to the at least one slave module during the data transmission from the master module to the at least one slave module.
  • the switch can therefore modulate the supply voltage provided to the slave module, for example by switching off in a clocked manner, which enables pulse transmission from the master module to the slave module.
  • data can also be transmitted from the master module to the slave module by a separate output circuit which generates voltage pulses on the two-wire line in accordance with the data to be transmitted.
  • the master module preferably also contains a microprocessor for providing the data to be transmitted to the slave module and for driving the transistor or the output circuit in accordance with the data to be transmitted to the slave module
  • the slave module preferably has a voltage detector in order to detect the voltage pulses transmitted from the master module via the two-wire line.
  • this voltage detector can have a transistor, such as a bipolar transistor with an upstream base resistor and an emitter resistor.
  • the master module and the at least one slave module can have a common electrical reference potential.
  • a further advantage of the transmission system according to the invention is that the transmission system can be designed as a bus system, so that a number of slave modules connected in parallel can be connected to the master module via the two-wire line.
  • the transmission system according to the invention also differs from the known transmission system described at the outset, in which only a single slave module can be connected to the master module.
  • the invention is therefore not limited to a specific number of slave modules with regard to the number of slave modules connected to the master module.
  • the transmission system according to the invention was described above, which includes both the master module and the slave module and also the two-wire line for connecting the master module to the slave module.
  • the invention also claims independent protection for a correspondingly designed master module and for a correspondingly designed slave module.
  • the scope of protection of the invention is therefore not limited to the complete transmission system including master module, slave module and two-wire line, but also includes their individual components (master module and slave module).
  • the invention also includes a corresponding transmission method, the details of the transmission method according to the invention already resulting from the above description of the transmission system according to the invention, so that a separate description of the transmission method according to the invention can be dispensed with.
  • FIG. 1 shows a conventional transmission system described in the introduction.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a transmission system according to the invention.
  • FIG. 3 shows the time profile of voltages and currents in the exemplary embodiment according to FIG.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a current pulse detector in the master module.
  • FIG. 5 shows the indicated signal curves for the current pulse detector according to FIG.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of the transmission system according to the invention.
  • FIG. 7 shows a modified exemplary embodiment.
  • FIG. 8 shows a time diagram with the voltage curves in the exemplary embodiment according to FIG.
  • FIG. 9 shows a further modified exemplary embodiment.
  • FIG -Modules 11, 12 The exemplary embodiment of a transmission system according to the invention shown in FIG -Modules 11, 12 are indicated only schematically.
  • the master module 8 is supplied with a supply voltage Uo via two input connections 13, 14 ("master input +" and "master input -"). A ground can be connected internally to the input connection 14 ("Master input -").
  • the master module 8 can generate an internal voltage U02 via a voltage regulator 15 .
  • the slave modules 10-12 each have two input connections 16, 17 ("slave +" and "slave -"), which are each connected to two output connections 20, 21 of the master module 8 via a supply line 18, 19 of the two-wire line 9 are.
  • the other slave modules 11, 12 are connected in parallel.
  • the core function of the invention is that via the two-wire line 9 consisting of the two supply lines 18, 19, both a power supply from the master module 8 to the slave modules 10-12 and bidirectional digital data transmission between the master module 8 and the slave modules 10-12 can take place, which is solved as follows.
  • the temporal operation of the transmission system via the two-wire line 9 consisting of the two supply lines 18, 19 can be divided into three phases (operating states):
  • Phase A energy transfer phase, i.e. energy transfer from the master module 8 to the slave modules 10-12.
  • Phase B A master-to-slave communication phase (downlink broadcast phase), i.e. a data transmission from the master module 8 to at least one of the slave modules 10-12.
  • Phase C A slave-to-master communication phase (uplink phase), i.e. a data transmission from one of the slave modules 10-12 to the master module 8.
  • uplink phase i.e. a data transmission from one of the slave modules 10-12 to the master module 8.
  • the master module 8 contains a microprocessor 22 that can control a switch 23, for example a bipolar transistor, with which the supply voltage Uo or an internally generated voltage (e.g. U02) can be forwarded to the output terminal 20.
  • a switch 23 for example a bipolar transistor, with which the supply voltage Uo or an internally generated voltage (e.g. U02) can be forwarded to the output terminal 20.
  • phase A and in phase C switch 23 is activated, i.e. closed.
  • phase A there is no data transmission.
  • the slave modules 10-12 contain an energy store 24 (e.g. capacitor), which can be charged in phase A and recharged at the beginning of phase C.
  • a voltage regulator 25 contained in the slave modules 10-12 can convert the time-varying voltage UH of the energy store 24 into a stabilized voltage U12, which is provided to the microprocessor 27 and other electronics 27' contained in the slave modules 10-12 becomes.
  • phase B the switch 23 in the master module 8 is opened for a certain period of time.
  • the microprocessor 22 can now send voltage pulses to the output connection 20 of the master module 8 via the controllable switch 23 and/or directly from an output circuit of the microprocessor via an output circuit 26 .
  • the voltage UH of the energy store 24 in the slave modules 10-12 drops depending on the power consumption of the slave modules 10-12 and the resulting discharge of the energy store 24 in this phase with increasing time off
  • the output circuit 26 is provided between the output of the microprocessor 22 and the output connection 20 of the master module 8 in order to be able to transmit data via this path.
  • the slave modules 10-12 contain a microprocessor 27 which is connected to a voltage detector 28.
  • the task of the voltage detector 28 is to detect the voltage pulses emitted by the master module 8 when they exceed or fall below a threshold value, and to adjust their level to a value that the microprocessor 27 can process.
  • the voltage detector 28 can consist, for example, of a voltage divider or an NPN bipolar transistor with an upstream base resistor and emitter resistor, which is connected to an internal supply voltage Ui2.
  • a discharge protection device 29 for example in the form of a diode, can be provided.
  • phase C the slave-to-master communication phase
  • the controllable switch 23 contained in the master module 8 is closed, so that the master module 8 can provide energy for the slave modules 10-12.
  • the energy stores 24 of the slave modules 10-12 that were partially discharged in a possibly preceding master-to-slave communication phase are recharged at the beginning of phase C.
  • the slave modules 10-12 can change their current consumption via a current pulse generator 30.
  • the current pulse generator 30 can consist of a bipolar transistor with a base resistance, which can be controlled by the microprocessor 27 contained in the slave modules 10-12.
  • the amplitude of the current flowing from the master module 8 to the slave modules 10-12 can be influenced by a current limiter 31 (in the simplest case a collector resistor), which is switched on and off by the transistor of the current pulse generator 30.
  • another current pulse generator 32 can be connected in parallel to generate different current pulse levels.
  • the current pulse generator 32 can also have a possibly different current limiter 33 .
  • the master module 8 contains a current detector, for example in the form of a current measuring resistor 34 and a pulse detector 35, to the current pulses generated by the slave modules 10-12 in to convert the load current into a signal that can be evaluated by the microprocessor 22 contained in the master module 8 .
  • the current detector measures the total current from the normal energy supply and the current pulses for communication, which must be separated and processed accordingly by the pulse detector 35 .
  • the method is also known in the literature as load modulation, since the current load is changed by the slave modules 10-12, which in turn can be detected in the master module 8.
  • a suitable anti-collision method can be used so that the master module 8 can clearly assign the communication of the slave modules 10-12.
  • FIG. 3 shows an example of the schematic time profile of various voltages and currents that can occur at various positions in the transmission system for energy and data transmission via the two-wire line 9 consisting of the supply lines 18, 19. All time courses are based on the same time base.
  • phase A In the period between to and ti there is an energy transfer phase (phase A), in the period ti to t 4 there is a master-to-slave communication phase (phase B) and in the period t 4 to tg there is slave-to-master communication (phase C ) instead of. This is followed by a new energy transfer phase (phase A) from time tg.
  • the signal Uoc represents the time profile of the voltage between the input terminals 16, 17 of the slave module 10 (slave+ and slave-) and corresponds to the input voltage Uo between the times to and ti minus a possible voltage drop across the controllable switch 23 in the master -Module 8 and a voltage drop across the supply lines 18, 19 and the wiring.
  • the applied voltage can also be set to a different value via an internal voltage regulator.
  • the controllable switch 23 in the master module 8 is opened and the voltage drops to a low value, e.g. 0V.
  • Voltage pulses are generated between the times t 2 to tg, which can be generated either directly by the microprocessor 22 of the master module 8 using the output circuit 26 or are generated using the controllable switch 23 . Since during this period of time no (or no large) capacity is connected directly to the signal path, the steep edges of the remain receive voltage pulses.
  • the voltage level of the voltage pulses between t 2 and t 3 can optionally have a different value than in the period between to and ti.
  • the voltage pulses can contain information that is transmitted from the master module 8 to all connected slave modules 10-12. An example of such information may be a request command packet for a data packet from one of the slave modules 10-12.
  • a data packet can consist of different parts, such as a destination address, the data to be transmitted and a CRC error detection part (CRC: Cyclic Redundancy Check).
  • the voltage UH at the energy store 24 of the slave module 10 initially increases as a function of the state of charge of the energy store 24 from the time t o until it finally assumes a more or less constant value. Since the controllable switch 23 is opened at the time ti, the voltage of the energy store 24 drops depending on the power consumption of the slave module 10 .
  • the controllable switch 23 in the master module 8 is closed and the energy store 24 is recharged.
  • a constant charging current which can be implemented, for example, by a current limiter circuit 40 connected upstream of the energy store 24, the voltage at the energy store 24 rises linearly.
  • the current limiter circuit 40 offers the advantage that the charging current is limited at time t 4 , thereby limiting the load on the controllable switch 23 of the master module 8 through which the total current of all connected slave modules 10-12 flows.
  • the voltage at the energy store 24 reaches a maximum value at the point in time t5 and remains more or less constant from this point in time.
  • the voltage curve identified by the signal Usdin corresponds to the voltage pulse detector signal provided to the microprocessor 27 in the slave module 8 .
  • the signal can be through a optional inverter and level limiter circuit in the voltage detector 28 can be, for example, an inverted and level-adjusted version of the voltage signal Uoc.
  • Level changes on this signal typically run synchronously with level changes in the voltage Uoc.
  • the threshold value for the level change should be selected so low that the changes can be correctly detected even during phases with smaller amplitudes of the voltage Uoc.
  • This signal can be fed to the microprocessor 27 and evaluated there, so that the transmitted information can be recognized by the master module 8 and a corresponding reaction can be made to it.
  • the time profile of the current flowing through the current detector or through the current measuring resistor 34 is identified by the signal loc.
  • the current is typically high, depending on the state of charge of the energy stores 24 of the connected slave modules 10-12.
  • the current is limited by the optional charging current limitation. If the voltages of the energy stores 24 of the connected slave modules 10-12 reach a certain level, the current falls below the limiting current and the current decreases over time until it reaches a constant value and all the energy stores are charged. The more or less constant value that is then typically set is given by the current requirement of the connected slave modules 10-12, which is assumed to be constant in this example for the sake of a clear representation.
  • the controllable switch 23 is open between the times t 1 and t 4 and the required operating current of the slave modules 10-12 is provided from the respective energy stores 24, so that no current flows through the current measuring resistor 34.
  • the controllable switch 23 is closed and the energy stores 24 contained in the connected slave modules 10-12 are recharged.
  • the charging current can be limited as previously described and decreases when a certain voltage level of the energy store 24 is reached.
  • the energy stores 24 are fully charged and a more or less constant current flows through the current measuring resistor 34, which is given by the operating current of the slave modules 10-12, which is assumed to be constant.
  • current pulses are generated by the current pulse generator 30 of one of the slave modules 10-12.
  • the current pulses increase the current briefly and with steep edges in the current measuring resistor 34 compared to a basic value which is given by the more or less constant operating current of the slave modules 10-12.
  • the level of the current value during the active current pulses can be set by the current limiter 31. As a rule, a good compromise is chosen here between a sufficient signal level on the one hand and minimizing the power loss on the other.
  • Suitable buffering of the supply voltage of the slave modules 10-12 and the current limiter 40 means that the operating current of the slave modules 10-12 can only change slowly over time, while the current pulses can cause the current in the current measuring resistor 34 to change quickly over time.
  • the current pulses can also be transmitted while the buffer capacity is being recharged, since the rapid current change associated with the pulses can easily be influenced by the weak or slow current changes or the constant current that are caused by the recharging of the energy store 24. is to be separated.
  • An abrupt change in current up to the level of the current limitation after the power supply has been switched on or off has a defined time limit and must be ignored by the master module 8 .
  • the current pulses can contain binary information that can be transmitted from the microprocessor 27 in the slave module 10 to the master module 8 .
  • An example can be a response to a request command from the master module 8 .
  • An advantage according to the invention is that even during phase C energy can be transmitted from the master module 8 to the slave modules 10-12. In this respect, information can be transmitted from the slave modules 10-12 to the master module 8 over a longer period of time. This is particularly advantageous when a lot of information has to be transmitted from the slave modules 10-12 to the master module 8 and only relatively little information is to be transmitted from the master module 8 to the slave modules 10-12.
  • No current pulses are generated in the period between times t 7 and tg. Between the times tg and tg, current pulses with a higher amplitude and shorter interval width than in the period tg to t 7 are generated, which can be generated by the second current pulse generator 32. Due to the higher amplitude of the current, which is higher in an exemplary embodiment (the current limiter 33 is selected differently than the current limiter 31), than the current consumption at the beginning of recharging the energy storage device 24 at time t o and t 4 , other information, e.g. time-critical Information such as an error indicator, are transmitted more reliably than is the case when the data is transmitted in the time interval between tg and t 7 .
  • time-critical Information such as an error indicator
  • the error information can be recognized quickly and efficiently without, for example to reconstruct data packets or to carry out error detection. For example, only one or a few impulses can be transmitted here, which signal the need for immediate action.
  • the voltage curve generated by the pulse detector 35 and made available to the microprocessor 22 in the master module 8 is described in FIG. 2 as U M din .
  • the voltage curve has binary levels, a high level that ideally corresponds to the supply voltage of the microprocessor 22 in the master module 8 and a low level that ideally corresponds to 0V.
  • the voltage level depends on the state of charge of energy store 24 and thus on the current change in the current in measuring resistor dloc/dt. The exact procedure is described in Figures 3 and 4. In the example shown, the current change at time t0 is strongly positive and leads to a high level of the pulse detector 35, is then constant and then becomes negative, which leads to a low level of the pulse detector 35.
  • the current change caused by the current pulse generators 30, 32 of the slave modules 10-12 is converted into a corresponding signal level.
  • the current pulses generated by the second current pulse generators of the slave modules 10-12 are converted into signal levels with a different edge width.
  • the different current pulse amplitudes are not differentiated in this exemplary embodiment.
  • the point in time at which the controllable switch 23 is closed and opened is known to the microprocessor 22 in the master module 8 .
  • the closing and opening of the controllable switch 23 each time results in a high current change dloc/dt, caused by the recharging of the energy store 24 in the slave modules 10-12, which is reflected in level changes in the voltage U M din .
  • the duration of the created Level is to be estimated by the master module 8 and the slave modules 10-12 and must not be taken into account for the communication.
  • FIG. 4 contains a schematic representation of a pulse detector 35 and FIG. 5 indicates signal curves for this.
  • the current loc corresponds to the current flowing through the current measuring resistor 34 in the master module 8 .
  • High-pass or band-pass filtering and amplification of the voltage U Rm (block 43) dampens the slowly changing part of the voltage change, which can be caused by the time-varying current consumption of the slave modules 10-12, more than changes that occur quickly over time.
  • a rapid increase in the current through the current measuring resistor 34 as can be caused by switching on a suitable current pulse generator in a slave module 10 connected to the master module 8, leads to a positive voltage pulse of the voltage U F .
  • a high level can be assigned to a voltage U D .
  • a rapid reduction in the current flowing through the current measuring resistor 34 which can occur by switching off a current pulse generator 30, 32 in a slave module 10 connected to the master module 8, leads to a negative voltage pulse of the voltage U F .
  • a low level can be assigned to a voltage U D . Since in one implementation of the circuit the current pulse generators 30, 32 can generate a current change at a finite speed, the time profile of the current consumption of the slave modules 10-12 is not constant and the filtering has only limited attenuation, only a finite voltage swing of the voltage U F are generated.
  • the voltage swing is not sufficient for the voltage U F to reach a threshold value even at times when one of the current pulse generators 30, 32 is not switched on or off, it can be advantageous to carry out an edge detection of the time profile of the voltage U F .
  • the current value of the voltage U F can be compared with a past value and an edge can then be recognized when a threshold value of the difference between the two voltages is exceeded.
  • the time marked t 4 in FIG. 5 corresponds to the time at which the controllable switch 23 in the master module 8 is closed. The current rises sharply at time t 4 because the energy stores 24 contained in the slave modules 10-12 connected to the master module 8 are being recharged.
  • the current limiter 40 contained in the slave modules 10-12 can limit the current to a maximum value which is dependent on the number of slave modules 10-12 connected.
  • the rapid rise in current at time t 4 leads to a voltage pulse of voltage U F .
  • the voltage U M din assumes a high level.
  • the charging process is complete and the current decreases rapidly over time. This can be seen as a negative voltage pulse in the voltage U F and leads to a low voltage level in the voltage U M din-
  • current pulses are generated by one of the current pulse generators 30, 32 in one of the connected slave modules 10, 12.
  • voltage pulses are generated by the second current pulse generator 32 contained in a connected slave module 10-12.
  • the current pulses can differ in amplitude and/or frequency.
  • FIG. 6 describes a possible implementation of the communication from the slave modules 10-12 to the master module 8.
  • the focus here is in particular on the structure of the pulse detector 35, which is shown here in more detail as a block diagram.
  • the components from the slave module 8 required for communication via load modulation are shown again.
  • FIG. 7 shows the basic structure of the data transmission link according to a further exemplary embodiment. This exemplary embodiment partly corresponds to the exemplary embodiments described above, so that, in order to avoid repetition, reference is also made to the above description, with the same reference symbols being used for corresponding details.
  • the data transmission link consists of a master module 8 which is connected to a slave module 10 via a two-wire line 9 (supply line).
  • the master module 8 can supply the slave module 10 with energy via the two-wire line 9 and communicate with it.
  • a switch 47 is in position (a) and a switch 46 is closed.
  • the changeover switch 47 remains in position (a) and the switch 46 is switched on and off in time with the data. This results in a change in potential on the two-wire line 9, which also occurs in time with the data and can be evaluated with the voltage detector 28 in the slave module 10.
  • the changeover switch 47 is set to position (b), so that a current limiter 45 limits the current drawn by the slave module 10 .
  • the slave module 10 can use the current pulse generator 30 to generate a potential change on the two-wire line 9 if the current drawn additionally by the current pulse generator 30 is above the limiting current due to the current limiter 45 .
  • switching on the current pulse generator 30 requires more current from the master module 8 than can be provided by the current limiter 45 .
  • This potential change in the master module 8 can be evaluated by a voltage detector 49 in the master module 8 . Data can thus be sent from the slave module 10 to the master module 8 by cyclically switching the current pulse generator 30 .
  • the slave module 10 During a data transmission from the slave module 10 to the master module 8, the slave
  • Module 10 separate the two-wire line 9 internally with a switch 48 to prevent unwanted flow of the following circuit parts (e.g. power supply) to have no influence on the communication.
  • the slave module 10 must be able to bridge this phase, for example with an energy store, in order to ensure its own energy requirements.
  • FIG. 8 describes the voltage signals at the potentials Uoc (signal between the master module 8 and the slave module 10 on the two-wire line 9) and Uu (voltage on the energy store of a slave) during a communication sequence between the two devices.
  • Uoc signal between the master module 8 and the slave module 10 on the two-wire line 9
  • Uu voltage on the energy store of a slave
  • the slave module 10 is supplied with energy by the master module 8 via the potential Uoc, which energy is also stored in the energy store with the potential Uu.
  • phase 2 (“master -> slave”), in which the master module 8 sends data via Uoc to the slave module 10.
  • the special feature here is that during the transmission of a defined amount of data, the voltage on the energy storage device is significant has dropped, so that the entire data content cannot be transmitted without the slave module 10 switching off in the meantime, since the supply voltage would at some point no longer be sufficient to operate the device of transmitted data, in which a short supply phase of length Ati, in which the energy store can be recharged, is pushed in. Theoretically, a transmission of any amount of data from the master module 8 to the slave module 10 would be possible here.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 9 partially corresponds to the exemplary embodiment according to FIG. 7, so that, in order to avoid repetition, reference is also made to the above description, with the same reference symbols being used for corresponding details.
  • FIG. 9 shows the basic structure of the data transmission link. This consists of a master module 8 which is connected to a slave module 10 via a two-wire line 9 (supply line). The master module 8 can supply the slave module 10 with energy via the two-wire line 9 and communicate with it.
  • a master module 8 which is connected to a slave module 10 via a two-wire line 9 (supply line).
  • the master module 8 can supply the slave module 10 with energy via the two-wire line 9 and communicate with it.
  • a switch 50 is closed and preferably a switch 51 is open, so that path (a) is in use.
  • the slave module 10 has to supply itself, e.g. via an energy store.
  • Path (b) is thus in use, so that the current drawn by the slave module 10 is limited by a current limiter 52 .
  • the slave module 10 can use the current pulse generator 30 to generate a potential change on the two-wire line 9 if the current drawn additionally by the current pulse generator 30 is above the limiting current due to the current limiter 52 .
  • This potential change in the master module 8 can be evaluated by a voltage detector 49 in the master module 8 .
  • the slave module 10 can separate the two-wire line 9 internally with the switch 48 in order to have no influence on the communication due to unwanted influences of the following circuit parts (e.g. power supply).
  • the slave module 10 must be able to bridge this phase, for example with an energy store, in order to ensure its own energy requirements.
  • the invention is not limited to the preferred embodiments described above. Rather, a large number of variants and modifications are possible, which also make use of the idea of the invention and therefore fall within the scope of protection.
  • the invention also claims protection for the subject matter and the features of the subclaims independently of the claims referred to in each case and in particular also without the features of the main claim. The invention thus comprises various aspects of the invention which are protected independently of one another.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Übertragungssystem zur Übertragung von Daten und Energie, mit einem Master-Modul (8), mindestens einem Slave-Modul (10-12), und einer Zweidrahtleitung (9) zwischen dem Master-Modul (8) und dem Slave-Modul (10-12) zur bidirektionalen Datenübertragung zwischen dem Master-Modul (8) und dem Slave-Modul (10-12) und zur Energieübertragung von dem Master-Modul (8) zu dem Slave-Modul (10-12). Die Erfindung sieht vor, dass das Übertragungssystem umschaltbar ist zwischen mehreren Betriebszuständen, wobei sich die Betriebszustände vorzugsweise hinsichtlich der Energieübertragung und/oder hinsichtlich der Datenübertragung unterscheiden. Weiterhin umfasst die Erfindung ein angepasste Master-Modul (8), ein Slave-Modul (10-12) und ein zugehöriges Betriebsverfahren.

Description

Übertragungssystem und Übertragungsverfahren zur Übertragung von Daten und Energie über eine Zweidrahtleitung
Die Erfindung betrifft ein Übertragungssystem und ein Übertragungsverfahren zur Übertragung von Daten und Energie über eine Zweidrahtleitung zwischen einem Master-Modul und einem oder mehreren Slave-Modul(en). Weiterhin betrifft die Erfindung ein dafür ausgelegtes Master-Modul und ein dafür ausgelegtes Slave-Modul.
Die Erfindung betrifft die Übertragung von Energie und Daten über eine Zweidrahtleitung zwischen einem Master-Modul und mindestens einem Slave-Modul, wobei die Datenübertragung bidirektional erfolgt und das Übertragungssystem möglichst kostengünstig und einfach sein sollte. Im Stand der Technik sind hierzu im Wesentlichen zwei Übertragungsverfahren bekannt, die nachfolgend kurz beschrieben werden.
So zeigt Figur 1 ein bekanntes Übertragungssystem mit einem Master-Modul 1 und einem Slave- Modul 2, die über eine Zweidrahtleitung 3 miteinander verbunden sind. Das Master-Modul 1 enthält hierbei eine Energiequelle 4 und eine Datenschnittstelle 5. Entsprechend enthält auch das Slave-Modul 2 eine Energiesenke 6 und eine Datenschnittstelle 7. Das zu übertragende Datensignal kann hierbei einer Trägerfrequenz aufmoduliert und über die Zweidrahtleitung 3 zwischen dem Master-Modul 1 und dem Slave-Modul 2 übertragen werden, wobei das Datensignal eine eingeprägte Gleichspannung überlagern kann, wie es bei Figur 1 der Fall ist.
Ein Nachteil besteht darin, dass auf diese Weise nur Punkt-zu-Punkt-Verbindungen möglich sind, d.h. es ist nicht möglich, neben dem Slave-Modul 2 weitere Slave-Module mit dem Master-Modul 1 zu verbinden. Schließlich besteht ein weiterer Nachteil dieser technischen Lösung darin, dass aufwändige und relativ große Bauteile erforderlich sind, wie beispielsweise Induktivitäten und integrierte Schaltungen (ICs)
Eine weitere bekannte technische Lösung besteht darin, das Datensignal mithilfe einer Trägerfrequenz aufzumodulieren, was unter dem Stichwort „Power Line Communication" bekannt ist.
Nachteilig an dieser bekannten technischen Lösung („Power Line Communication") ist zunächst, dass sowohl auf Senderseite als auch auf Empfängerseite eine aufwändige Hardware erforderlich ist, die beispielsweise integrierte Schaltungen (ICs) und analoge Filter aus Kapazitäten und Induktivitäten enthält, wodurch das Übertragungssystem teuer ist und auf einer Leiterplatte relativ viel Platz benötigt.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein entsprechend den oben genannten Nachteilen optimiertes Übertragungssystem bzw. Übertragungsverfahren zu schaffen. Darüber hinaus liegt der Erfindung auch die Aufgabe zugrunde, ein entsprechend optimiertes Master-Modul und ein entsprechend verbessertes Slave-Modul zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die technische Lösung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Das erfindungsgemäße Übertragungssystem umfasst zunächst in Übereinstimmung mit der eingangs beschriebenen bekannten technischen Lösung ein Master-Modul, mindestens ein Slave-Modul und eine Zweidrahtleitung zwischen dem Master-Modul und dem Slave-Modul. Zum einen ermöglicht das erfindungsgemäße Übertragungssystem eine bidirektionale Datenübertragung zwischen dem Master-Modul und dem Slave-Modul, wie es an sich bereits aus dem Stand der Technik bekannt ist. Zum anderen ermöglicht das erfindungsgemäße Übertragungssystem auch eine Energieübertragung von dem Master-Modul zu dem Slave-Modul.
Das erfindungsgemäße Übertragungssystem unterscheidet sich nun vom Stand der Technik dadurch, dass das Übertragungssystem umschaltbar ist zwischen mehreren Betriebszuständen, wobei sich die verschiedenen Betriebszustände vorzugsweise hinsichtlich der Energieübertragung und/oder hinsichtlich der Datenübertragung unterscheiden.
Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Übertragungssystem in einem ersten Betriebszustand betrieben werden, um Energie von dem Master-Modul über die Zweidrahtleitung zu dem mindestens einen Slave-Modul zu übertragen, was auch als Energieübertragungsphase bezeichnet werden kann.
In diesem ersten Betriebszustand (Energieübertragungsphase) ist bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung keine Datenübertragung von dem Master-Modul zu dem Slave-Modul möglich. Die Erfindung ist jedoch nicht beschränkt auf solche Ausführungsbeispiele, bei denen in dem ersten Betriebszustand ausschließlich eine Energieübertragung erfolgt, aber keine Datenübertragung. Vielmehr ist es grundsätzlich auch möglich, dass während der Energieübertragung von dem Master-Modul zu dem Slave-Modul auch eine Datenübertragung erfolgt. In einem zweiten Betriebszustand des Übertragungssystems kann dagegen eine Datenübertragung von dem Master-Modul über die Zweidrahtleitung zu dem mindestens einen Slave-Modul erfolgen, was auch als „Downlink-Broadcast-Phase" bezeichnet werden kann.
In diesem zweiten Betriebszustand (Downlink-Broadcast-Phase) erfolgt in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung keine Energieübertragung von dem Master-Modul zu dem mindestens einen Slave-Modul, so dass die Energieversorgung des Slave-Moduls dann durch einen Energiespeicher in dem Slave-Modul gewährleistet wird, wie noch detailliert beschrieben wird.
In diesem zweiten Betriebszustand (Downlink-Broadcast-Phase) erfolgt bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung die Datenübertragung nur in eine Richtung und zwar von dem Master-Modul zu dem Slave-Modul. Während dieses zweiten Betriebszustands erfolgt dagegen in der Regel keine Datenübertragung in der entgegengesetzten Richtung von dem Slave-Modul zu dem Master-Modul.
Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Übertragungssystem auch in einem dritten Betriebszustand betrieben werden, in dem eine Datenübertragung von dem Slave-Modul zu dem Master- Modul erfolgt, was auch als „Uplink-Phase" bezeichnet werden kann.
In diesem dritten Betriebszustand („Uplink-Phase") kann gleichzeitig auch eine Energieübertragung von dem Master-Modul zu dem mindestens einen Slave-Modul erfolgen. Beispielsweise kann die Datenübertragung von dem Slave-Modul zu dem Master-Modul durch eine sogenannte Lastmodulation des Stroms erfolgen, der von dem Slave-Modul über die Zweidrahtleitung von dem Master- Modul bezogen wird, wobei dieser Laststrom dann auch gleichzeitig die Stromversorgung des Slave- Moduls sicherstellen kann, wie noch detailliert beschrieben wird.
In diesem dritten Betriebszustand („Uplink-Phase") erfolgt dagegen bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Datenübertragung nur in einer Richtung, nämlich von dem Slave-Modul zu dem Master-Modul, nicht dagegen in der entgegengesetzten Richtung von dem Master-Modul zu dem Slave-Modul.
Es wurde bereits vorstehend kurz erwähnt, dass sich das erfindungsgemäße Übertragungssystem dadurch von dem eingangs beschriebenen bekannten Übertragungssystem unterscheidet, dass das erfindungsgemäße Übertragungssystem zwischen mehreren Betriebszuständen umschaltbar ist. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das Übertragungssystem zwischen den drei verschiedenen Betriebszuständen umgeschaltet werden, die vorstehend beschrieben wurden und auch als Energieübertragungsphase, Downlink-Broadcast-Phase und Uplink-Phase bezeichnet werden können. Die Erfindung beansprucht jedoch auch Schutz für solche Übertragungssysteme, bei denen lediglich zwischen zwei Betriebszuständen umgeschaltet wird, beispielsweise zwischen der Energieübertragungsphase und der Downlink-Broadcast-Phase, zwischen der Energieübertragungsphase und der Uplink-Phase oder zwischen der Downlink-Broadcast-Phase und der Uplink-Phase.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Energieübertragung von dem Master-Modul zu dem mindestens einen Slave-Modul in dem zweiten Betriebszustand während der Datenübertragung von dem Master-Modul zu dem Slave-Modul vorübergehend unterbrochen, wie vorstehend bereits kurz erwähnt wurde. Während dieser Unterbrechung der Energieübertragung benötigt das Slave-Modul deshalb eine eigene Energieversorgung, um den Betrieb des Slave-Moduls während der Unterbrechung der Energieversorgung durch das Master-Modul aufrecht zu erhalten. Hierzu kann das Slave-Modul einen eigenen Energiespeicher aufweisen, um das Slave-Modul während der Unterbrechung der Energieübertragung von dem Master-Modul in dem zweiten Betriebszustand mit der zum Betrieb erforderlichen Energie zu versorgen. Beispielsweise kann dieser Energiespeicher einen Kondensator aufweisen.
Hierbei ist es vorteilhaft, wenn das Slave-Modul einen Entladeschutz aufweist, um während der Unterbrechung der Energieübertragung von dem Master-Modul in dem zweiten Betriebszustand eine übermäßige Entladung des Energiespeichers zu verhindern. Beispielsweise kann dieser Entladeschutz eine Diode aufweisen, die in Reihe mit dem Energiespeicher (z.B. Kondensator) geschaltet ist.
Die Datenübertragung von dem Slave-Modul zu dem Master-Modul kann beispielsweise durch eine Lastmodulation erfolgen, wie es an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist. So zieht das Slave- Modul über die Zweidrahtleitung einen Laststrom von dem Master-Modul, so dass die Modulation dieses Laststroms die Übertragung von Daten von dem Slave-Modul zu dem Master-Modul ermöglicht.
Zur Ermöglichung dieser Lastmodulation weist das Slave-Modul vorzugsweise einen Strommodulator auf, um den über die Zweidrahtleitung von dem Master-Modul bezogenen Laststrom entsprechend den zu übertragenden Daten zu modulieren. Das Master-Modul weist dann entsprechend einen Stromdemodulator auf, um den von dem Slave-Modul über die zwei Drahtleitung bezogenen Laststrom zu demodulieren und die darin enthaltenen Daten zu ermitteln.
Der Lastmodulator in dem Slave-Modul kann beispielsweise einen Stromimpulsgenerator aufweisen, der den über die Zweidrahtleitung bezogenen Laststrom impulsförmig moduliert, so dass der Laststrom entsprechend den zu übertragenden Daten Stromimpulse aufweist.
Bei der Lastmodulation in dem Slave-Modul besteht auch die Möglichkeit, dass das Slave-Modul mehrere Stromimpulsgeneratoren aufweist, die parallelgeschaltet sind, um unterschiedliche Stromimpulse des Laststroms erzeugen zu können. Beispielsweise können sich die verschiedenen Stromimpulse in ihrer Amplitude unterscheiden. Die einen Stromimpulse können dann zur Datenübertragung eingesetzt werden, während die anderen Stromimpulse beispielsweise ein Warnsignal oder ein Interrupt-Signal bilden können.
Der Stromimpulsgenerator in dem Slave-Modul kann beispielsweise ein steuerbares Schaltelement aufweisen, dass zwischen die beiden Leitungen der Zweidrahtleitung geschaltet ist, um den Laststrom zu modulieren, der über die Zweidrahtleitung von dem Master-Modul bezogen wird. Beispielsweise kann es sich bei dem Schaltelement um einen Transistor handeln, wie beispielsweise einen Bipolartransistor.
Darüber hinaus kann der Stromimpulsgenerator in dem Slave-Modul einen Strombegrenzer aufweisen, um den Laststrom zu begrenzen, wenn das Schaltelement (z.B. Transistor) durchschaltet. Beispielsweise kann der Strombegrenzer aus einem Kollektorwiderstand an dem Transistor bestehen, wodurch der Laststrom begrenzt wird.
Weiterhin umfasst der Stromimpulsgenerator in dem Slave-Modul vorzugsweise einen Mikroprozessor zur Ansteuerung des Schaltelements entsprechend den zu übertragenden Daten.
Der Stromdemodulator in dem Master-Modul weist bei einer impulsförmigen Datenübertragung vorzugsweise einen Stromimpulsdetektor auf, um die Stromimpulse des Laststroms zu detektieren.
Beispielsweise kann der Stromimpulsdetektor in dem Master-Modul ein Filter aufweisen, um die sich schnell ändernden Stromänderungen des Laststroms durchzulassen, die von den informations- haltigen Stromimpulsen verursacht werden, wohingegen die sich langsam ändernden Stromänderungen des Laststroms abgeschwächt werden. Dieses Filter ist vorzugsweise als Hoch- oder Bandpassfilter ausgebildet und gibt ausgangsseitig ein entsprechend gefiltertes Laststromsignal aus.
Darüber hinaus weist der Stromimpulsdetektor in dem Master-Modul vorzugsweise einen Verstärker auf, um das von dem Filter gefilterte Laststromsignal zu verstärken.
Weiterhin kann der Stromimpulsdetektor in dem Master-Modul einen Detektor aufweisen, um das Laststromsignal mit mindestens einem vorgegebenen Pegel zu vergleichen. Der Detektor ist vorzugsweise als digitaler Detektor ausgebildet und enthält vorzugsweise einen Komparator.
Ferner kann der Stromimpulsdetektor in dem Master-Modul einen Vorzustands-Speicher aufweisen, um einen Vorzustand des Laststroms zwischenzuspeichern, wobei der Komparator dann den aktuellen Zustand des Laststromsignals mit dem in dem Vorzustands-Speicher gespeicherten Vorzustand des Laststromsignals vergleicht.
Es wurde vorstehend bereits erwähnt, dass das erfindungsgemäße Übertragungssystem auch eine Datenübertragung von dem Master-Modul zu dem Slave-Modul ermöglicht. Hierzu enthält das Master-Modul vorzugsweise einen steuerbaren Schalter (z.B. Transistor) zum Schalten der Energieübertragung von dem Master-Modul zu dem mindestens einen Slave-Modul während der Datenübertragung von dem Master-Modul zu dem mindestens einen Slave-Modul. Der Schalter kann also die dem Slave-Modul bereitgestellte Versorgungsspannung modulieren, beispielsweise durch ein getaktetes Abschalten, was eine Impulsübertragung von dem Master-Modul zu dem Slave-Modul ermöglicht. Hierbei ist es jedoch nicht erforderlich, dass die Energieübertragung vollständig abgeschaltet wird. Vielmehr besteht auch die Möglichkeit, dass die Energieübertragung von dem Master-Modul zu dem Slave-Modul während der Datenübertragung nur abgeschwächt wird.
Die Datenübertragung von dem Master-Modul zu dem Slave-Modul kann jedoch auch durch eine separate Ausgangsschaltung erfolgen, die Spannungsimpulse auf der Zweidrahtleitung entsprechend den zu übertragenden Daten erzeugt.
Darüber hinaus enthält auch das Master-Modul vorzugsweise einen Mikroprozessor zur Bereitstellung der an das Slave-Modul zu übertragenden Daten und zur Ansteuerung des Transistors bzw. der Ausgangsschaltung entsprechend den an das Slave-Modul zu übertragenden Daten Zum Empfang der Daten von dem Master-Modul weist das Slave-Modul vorzugsweise einen Spannungsdetektor auf, um die von dem Master-Modul über die Zweidrahtleitung übertragenen Spannungsimpulse zu detektieren. Beispielsweise kann dieser Spannungsdetektor einen Transistor aufweisen, wie beispielsweise einen Bipolartransistor mit einem vorgeschalteten Basiswiderstand und einem Emitterwiderstand.
Allgemein ist zu erwähnen, dass bei dem erfindungsgemäßen Übertragungssystem das Master-Modul und das mindestens eine Slave-Modul ein gemeinsames elektrisches Bezugspotenzial haben können.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Übertragungssystems besteht darin, dass das Übertragungssystem als Bus-System ausgebildet sein kann, so dass über die Zweidrahtleitung mehrere parallelgeschaltete Slave-Module mit dem Master-Modul verbunden werden können. Dadurch unterscheidet sich das erfindungsgemäße Übertragungssystem auch von dem eingangs beschriebenen bekannten Übertragungssystem, bei dem nur ein einziges Slave-Modul mit dem Master-Modul verbunden werden kann. Die Erfindung ist also hinsichtlich der Anzahl der mit dem Master-Modul verbundenen Slave-Module nicht auf eine bestimmte Anzahl von Slave-Modulen beschränkt.
Vorstehend wurde das erfindungsgemäße Übertragungssystem beschrieben, das sowohl das Master-Modul als auch das Slave-Modul und auch die zwei Drahtleitung zur Verbindung des Master- Moduls mit dem Slave-Modul umfasst. Die Erfindung beansprucht jedoch auch einen eigenständigen Schutz für ein entsprechend ausgebildetes Master-Modul und für ein entsprechend ausgebildetes Slave-Modul. Der Schutzbereich der Erfindung ist also nicht auf das komplette Übertragungssystem einschließlich Master-Modul, Slave-Modul und Zweidrahtleitung beschränkt, sondern umfasst auch deren Einzelkomponenten (Master-Modul und Slave-Modul).
Schließlich umfasst die Erfindung auch ein entsprechendes Übertragungsverfahren, wobei sich die Einzelheiten des erfindungsgemäßen Übertragungsverfahrens bereits aus der vorstehenden Beschreibung des erfindungsgemäßen Übertragungssystems ergeben, so dass auf eine separate Beschreibung des erfindungsgemäßen Übertragungsverfahrens verzichtet werden kann.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Figur 1 zeigt ein eingangs beschriebenes herkömmliches Übertragungssystem.
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Übertragungssystems.
Figur 3 zeigt den zeitlichen Verlauf von Spannungen und Strömen bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Stromimpulsdetektors in dem Master-Modul.
Figur 5 zeigt die angedeuteten Signalverläufe bei dem Stromimpulsdetektor gemäß Figur 4.
Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Übertragungssystems.
Figur 7 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel.
Figur 8 zeigt ein Zeitdiagramm mit den Spannungsverläufen bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 7.
Figur 9 zeigt ein weiteres abgewandeltes Ausführungsbeispiel.
Im Folgenden wird nun das in Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Übertragungssystems beschrieben, das ein Master-Modul 8, eine Zweidrahtleitung 9 und mehrere Slave-Module 10-12 umfasst, wobei nur das Slave-Modul 10 detailliert dargestellt ist, während die anderen Slave-Module 11, 12 nur schematisch angedeutet sind.
Das Master-Modul 8 wird über zwei Eingangsanschlüsse 13, 14 („Master Eingang +" und „Master Eingang -") mit einer Versorgungsspannung Uo versorgt. Eine Masse kann intern an den Eingangsanschluss 14 („Master Eingang -") angeschlossen werden.
Über einen Spannungsregler 15 kann das Master-Modul 8 eine interne Spannung U02 erzeugen.
Die Slave-Module 10-12 weisen jeweils zwei Eingangsanschlüsse 16, 17 („Slave +" und „Slave -") auf, die jeweils über eine Versorgungsleitung 18, 19 der Zweidrahtleitung 9 mit zwei Ausgangsanschlüssen 20, 21 des Master-Moduls 8 verbunden sind. Die anderen Slave-Module 11, 12 sind parallelgeschaltet. Die Kernfunktion der Erfindung ist nun, dass über die aus den beiden Versorgungsleitungen 18, 19 bestehende Zweidrahtleitung 9 sowohl eine Energieversorgung von dem Master-Modul 8 zu den Slave-Modulen 10-12 als auch eine bidirektionale digitale Datenübertragung zwischen dem Master- Modul 8 und den Slave-Modulen 10-12 stattfinden kann, was wie folgt gelöst wird.
Der zeitliche Betrieb des Übertragungssystems über die aus den beiden Versorgungsleitungen 18, 19 bestehende Zweidrahtleitung 9 kann in drei Phasen (Betriebszustände) unterteilt werden:
• Phase A: Energieübertragungsphase, d.h. Energieübertragung von dem Master-Modul 8 zu den Slave-Modulen 10-12.
• Phase B: Eine Master-zu-Slave-Kommunikationsphase (Downlink-Broadcast-Phase), d.h. eine Datenübertragung von dem Master-Modul 8 zu mindestens einem der Slave-Module 10-12.
• Phase C: Eine Slave-zu-Master-Kommunikationsphase (Uplink-Phase), d.h. eine Datenübertragung von einem der Slave-Module 10-12 zu dem Master-Modul 8.
Das Master-Modul 8 beinhaltet einen Mikroprozessor 22, der einen Schalter 23 ansteuern kann, beispielsweise einen Bipolartransistor, mit dem die Versorgungsspannung Uo oder eine intern generierte Spannung (z.B. U02) an den Ausgangsanschluss 20 weitergeleitet werden kann.
In der Phase A und in der Phase C ist der Schalter 23 angesteuert, d.h. geschlossen. In der Phase A findet keine Datenübertragung statt. Die Slave-Module 10-12 beinhalten einen Energiespeicher 24 (z.B. Kondensator), der in der Phase A geladen und zu Beginn der Phase C nachgeladen werden kann. Ein Spannungsregler 25, der in den Slave-Modulen 10-12 enthalten ist, kann die zeitveränderliche Spannung UH des Energiespeichers 24 in eine stabilisierte Spannung U12 umwandeln, welche dem Mikroprozessor 27 und weiterer in den Slave-Modulen 10-12 enthaltener Elektronik 27' bereitgestellt wird.
In der Phase B wird der Schalter 23 in dem Master-Modul 8 für einen bestimmten Zeitraum geöffnet. Der Mikroprozessor 22 kann nun über den ansteuerbaren Schalter 23 und/oder direkt von einem Ausgangschaltkreis des Mikroprozessors über eine Ausgangsschaltung 26 Spannungsimpulse an den Ausgangsanschluss 20 des Master-Moduls 8 senden. Die Spannung UH der Energiespeicher 24 in den Slave-Modulen 10-12 sinkt abhängig von der Stromaufnahme der Slave-Module 10-12 und der daraus resultierenden Entladung des Energiespeichers 24 in dieser Phase mit zunehmender Zeit ab. Zwischen dem Ausgang des Mikroprozessors 22 und dem Ausgangsanschluss 20 des Master-Moduls 8 wird die Ausgangsschaltung 26 vorgesehen, um über diesen Pfad Daten übertragen zu können.
Die Slave-Module 10-12 enthalten einen Mikroprozessor 27, der mit einem Spannungsdetektor 28 verbunden ist. Der Spannungsdetektor 28 hat die Aufgabe, die von dem Master-Modul 8 ausgesendeten Spannungsimpulse zu erkennen, wenn diese einen Schwellwert über- bzw. unterschreiten, und deren Pegel auf eine von dem Mikroprozessor 27 verarbeitbaren Wert anzupassen. Der Spannungsdetektor 28 kann beispielsweise aus einem Spannungsteiler oder einem NPN-Bipolartransis- tor mit vorgeschaltetem Basiswiderstand und Emitter-Widerstand, der mit einer internen Versorgungsspannung Ui2 verbunden ist, bestehen. Um ein schnelles Entladen des in dem Slave-Modul 8 enthaltenen Energiespeichers 24 in dieser Phase B zu verhindern, kann ein Entladeschutz 29, beispielsweise in Form einer Diode, vorgesehen werden.
In Phase C, der Slave-zu-Master-Kommunikationsphase, ist der in dem Master-Modul 8 enthaltene steuerbare Schalter 23 geschlossen, so dass von dem Master-Modul 8 Energie für die Slave-Module 10-12 bereitgestellt werden kann. Die in einer möglicherweise vorangegangenen Master-zu-Slave- Kommunikationsphase teilweise entladenen Energiespeicher 24 der Slave-Module 10-12 werden zu Beginn der Phase C nachgeladen.
Während oder im Anschluss an diese Nachladephase können die Slave-Module 10-12 ihre Stromaufnahme über einen Stromimpulsgenerator 30 verändern. Der Stromimpulsgenerator 30 kann aus einem Bipolartransistor mit Basiswiderstand bestehen, der von dem in den Slave-Modulen 10-12 enthaltenen Mikroprozessor 27 angesteuert werden kann. Durch einen Strombegrenzer 31 (im einfachsten Fall ein Kollektorwiderstand), welche von dem Transistor des Stromimpulsgenerators 30 an- und ausgeschaltet wird, kann die Amplitude des Stroms beeinflusst werden, der von dem Master-Modul 8 zu den Slave-Modulen 10-12 fließt.
Darüber hinaus kann ein weiterer Stromimpulsgenerator 32 parallelgeschaltet werden, um verschiedene Stromimpulspegel zu erzeugen. Auch der Stromimpulsgenerator 32 kann einen möglicherweise anderen Strombegrenzer 33 aufweisen.
Das Master-Modul 8 enthält einen Stromdetektor, z.B. in Form eines Strommesswiderstandes 34 und eines Impulsdetektors 35, um die von den Slave-Modulen 10-12 erzeugten Stromimpulse in dem Laststrom in ein Signal umzuwandeln, das von dem in dem Master-Modul 8 enthaltenen Mikroprozessor 22 ausgewertet werden kann. Der Stromdetektor misst den Summenstrom aus normaler Energieversorgung und den Stromimpulsen für die Kommunikation, der von dem Impulsdetektor 35 entsprechend zu trennen und aufzubereiten ist. Das Verfahren ist in der Literatur auch als Lastmodulation bekannt, da die Strombelastung von den Slave-Modulen 10-12 verändert wird, was wiederum in dem Master-Modul 8 detektiert werden kann.
Damit das Master-Modul 8 die Kommunikation der Slave-Module 10-12 eindeutig zuordnen kann, kann auf ein geeignetes Antikollisionsverfahren zurückgegriffen werden.
In Figur 3 ist der schematische zeitliche Verlauf verschiedener Spannungen und Ströme exemplarisch dargestellt, die an verschiedenen Positionen des Übertragungssystems zur Energie- und Datenübertragung über die aus den Versorgungsleitungen 18, 19 bestehende Zweidrahtleitung 9 auftreten können. Allen zeitlichen Verläufen liegt die gleiche Zeitbasis zugrunde.
Im Zeitraum zwischen to und ti findet eine Energieübertragungsphase (Phase A), im Zeitraum ti bis t4 eine Master-zu-Slave-Kommunikationsphase (Phase B) und im Zeitraum t4 bis tg eine Slave-zu- Master-Kommunikation (Phase C) statt. Daran anschließend erfolgt ab dem Zeitpunkt tg eine neue Energieübertragungsphase (Phase A).
Das Signal Uoc stellt den zeitlichen Verlauf der Spannung zwischen den Eingangsanschlüssen 16, 17 des Slave-Moduls 10 (Slave+ und Slave-) dar und entspricht zwischen den Zeitpunkten to und ti der Eingangsspannung Uo abzüglich eines möglichen Spannungsabfalls über dem steuerbaren Schalter 23 in dem Master-Modul 8 sowie einem Spannungsabfall über den Versorgungsleitungen 18, 19 und der Verdrahtung. Alternativ dazu kann die anliegende Spannung auch über einen internen Spannungsregler auf einen anderen Wert eingestellt sein.
Zum Zeitpunkt ti wird der steuerbare Schalter 23 in dem Master-Modul 8 geöffnet und die Spannung sinkt auf einen niedrigen Wert, z.B. 0V ab.
Zwischen den Zeitpunkten t2 bis tg werden Spannungsimpulse erzeugt, die entweder direkt von dem Mikroprozessor 22 des Master-Moduls 8 mittels der Ausgangsschaltung 26 erzeugt werden können oder mit Hilfe des steuerbaren Schalters 23 erzeugt werden. Da während dieser Zeitspanne keine (bzw. keine große) Kapazität direkt am Signalpfad angeschlossen ist, bleiben die steilen Flanken der Spannungspulse erhalten. Der Spannungspegel der Spannungsimpulse zwischen t2 und t3 kann dabei optional einen anderen Wert als in dem Zeitraum zwischen to und ti aufweisen. Die Spannungsimpulse können Informationen enthalten, die von dem Master-Modul 8 an alle angeschlossenen Slave-Module 10-12 übermittelt werden. Ein Beispiel einer solchen Information kann ein Anforderungsbefehlspaket für ein Datenpaket eines der Slave-Module 10-12 sein. Ein Datenpaket kann dabei aus verschiedenen Teilen bestehen, wie einer Zieladresse, den zu übertragenen Daten und einem CRC-Fehlererkennungsteil (CRC: Cyclic Redundancy Check).
Zum Zeitpunkt t4 wird der steuerbare Schalter 23 wieder geschlossen, so dass der Pegel dem Wert im Zeitraum zwischen to und ti entspricht.
Eine andere Option ist, dass die Spannung Uoc zwischen ti und t4 zwischenzeitlich nicht komplett auf 0V abgesenkt wird, sondern z.B. nur leicht reduziert wird, z.B. von 10V auf 5V oder von 24V auf 22V. Das kann den Vorteil haben, dass eine kontinuierliche Energieübertragung ermöglicht wird und die Zeitspanne zwischen t2 und t3, in der eine Datenübertragung möglich ist, verlängert werden kann.
Die Spannung UH an dem Energiespeicher 24 des Slave-Moduls 10 steigt zunächst abhängig von dem Ladezustand des Energiespeichers 24 ab dem Zeitpunkt to an, bis diese schließlich einen mehr oder weniger konstanten Wert annimmt. Da zum Zeitpunkt ti der steuerbare Schalter 23 geöffnet wird, sinkt die Spannung des Energiespeichers 24 abhängig von der Stromaufnahme des Slave-Moduls 10 ab.
Zum Zeitpunkt t4 wird der steuerbare Schalter 23 in dem Master-Modul 8 geschlossen und der Energiespeicher 24 wird nachgeladen. Bei einem konstanten Ladestrom, der z.B. durch eine dem Energiespeicher 24 vorgeschaltete Strombegrenzerschaltung 40 realisiert werden kann, steigt die Spannung an dem Energiespeicher 24 linear an. Die Strombegrenzerschaltung 40 bietet den Vorteil, dass der Ladestrom zum Zeitpunkt t4 begrenzt wird, wodurch die Belastung des steuerbaren Schalters 23 des Master-Moduls 8, durch den der Summenstrom aller angeschlossenen Slave-Module 10-12 fließt, begrenzt wird. Die Spannung an dem Energiespeicher 24 erreicht zum Zeitpunkt t5 einen maximalen Wert und bleibt ab diesem Zeitpunkt mehr oder weniger konstant.
Der mit dem Signal Usdin gekennzeichnete Spannungsverlauf entspricht der dem Mikroprozessor 27 in dem Slave-Modul 8 bereitgestellten Spannungsimpulsdetektorsignal. Das Signal kann durch eine optionale Inverter- und Pegelbegrenzerschaltung in dem Spannungsdetektor 28 beispielsweise eine invertierte und pegelangepasste Version des Spannungssignals Uoc sein.
Pegelwechsel auf diesem Signal laufen typischerweise synchron mit Pegelwechseln der Spannung Uoc- Dabei ist der Schwellwert für den Pegelwechsel so gering zu wählen, dass auch während Phasen kleinerer Amplituden der Spannung Uoc die Wechsel korrekt erkannt werden können. Dieses Signal kann dem Mikroprozessor 27 zugeführt und dort ausgewertet werden, so dass die gesendeten Informationen vom Master-Modul 8 erkannt und entsprechend darauf reagiert werden kann.
Der zeitliche Verlauf des durch den Stromdetektor bzw. durch den Strommesswiderstand 34 fließenden Stromes ist mit dem Signal loc gekennzeichnet. Zum Zeitpunkt to ist der Strom abhängig von dem Ladezustand der Energiespeicher 24 der angeschlossenen Slave-Module 10-12 typischerweise hoch. Durch die optionale Ladestrombegrenzung wird der Strom begrenzt. Erreichen die Spannungen der Energiespeicher 24 der angeschlossenen Slave-Module 10-12 ein bestimmtes Niveau, unterschreitet der Strom den Begrenzungsstrom und der Strom nimmt zeitlich ab, bis er einen konstanten Wert erreicht und alle Energiespeicher geladen sind. Der sich dann typischerweise einstellende mehr oder weniger konstante Wert ist durch den Strombedarf der angeschlossenen Slave- Module 10-12 gegeben, der in diesem Beispiel zugunsten einer übersichtlichen Darstellung als konstant angenommen wird.
Zwischen den Zeitpunkten ti und t4 ist der steuerbare Schalter 23 geöffnet und der erforderliche Betriebsstrom der Slave-Module 10-12 wird aus den jeweiligen Energiespeichern 24 bereitgestellt, so dass durch den Strommesswiderstand 34 kein Strom fließt.
Zum Zeitpunkt t4 wird der steuerbare Schalter 23 geschlossen und die in den angeschlossenen Slave-Modulen 10-12 enthaltenen Energiespeicher 24 werden nachgeladen. Der Ladestrom kann wie zuvor beschrieben begrenzt werden und nimmt ab, wenn ein bestimmtes Spannungsniveau der Energiespeicher 24 erreicht wird.
Zum Zeitpunkt t5 sind die Energiespeicher 24 vollständig geladen und es fließt ein mehr oder weniger konstanter Strom durch den Strommesswiderstand 34, der durch den als konstant angenommenen Betriebsstrom der Slave-Module 10-12 gegeben ist.
Zwischen den Zeitpunkten t6 bis t7 werden Stromimpulse durch den Stromimpulsgenerator 30 eines der Slave-Module 10-12 erzeugt. Die Stromimpulse erhöhen kurzzeitig und steilflankig den Strom in dem Strommesswiderstand 34 gegenüber einem Grundwert, der durch den mehr oder weniger konstanten Betriebsstrom der Slave-Module 10-12 gegeben ist. Die Höhe des Stromwertes während der aktiven Stromimpulse kann durch den Strombegrenzer 31 eingestellt werden. Hierbei wird in der Regel ein guter Kompromiss zwischen einem ausreichenden Signalpegel auf der einen und einer Minimierung der Verlustleistung auf der anderen Seite gewählt.
Durch eine geeignete Pufferung der Versorgungsspannung der Slave-Module 10-12 und den Strombegrenzer 40 kann die zeitliche Änderung des Betriebsstroms der Slave-Module 10-12 nur langsam erfolgen, während die Stromimpulse eine zeitlich schnelle Änderung des Stroms in dem Strommesswiderstand 34 hervorrufen kann. Somit können die Stromimpulse auch bereits während des Nachladens der Puffer-Kapazität übertragen werden, da die schnelle Stromänderung, die mit den Impulsen einhergeht, leicht von den schwachen bzw. langsamen Stromänderungen oder dem Konstantstrom, die/der durch das Nachladen der Energiespeicher 24 entstehen, zu trennen ist. Eine nach dem Ein- bzw. Ausschalten der Energieversorgung abrupte Stromänderung bis auf das Niveau der Strombegrenzung ist zeitlich definiert begrenzt und muss von dem Master-Modul 8 ignoriert werden. Die Stromimpulse können binäre Informationen enthalten, die von dem Mikroprozessor 27 in dem Slave-Modul 10 an das Master-Modul 8 übermittelt werden können. Ein Beispiel kann eine Antwort auf einen Anfragebefehl des Master-Moduls 8 sein. Ein erfindungsgemäßer Vorteil ist, dass auch während der Phase C eine Energieübertragung von dem Master-Modul 8 zu den Slave-Modulen 10-12 möglich ist. Insofern können über einen längeren Zeitraum Informationen von den Slave- Modulen 10-12 zu dem Master-Modul 8 übertragen werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn viele Informationen von den Slave-Modulen 10-12 zu dem Master-Modul 8 übertragen werden müssen und nur relativ wenige Informationen von dem Master-Modul 8 zu den Slave-Modulen 10-12 übertragen werden sollen.
In dem Zeitraum zwischen den Zeitpunkten t7 und tg werden keine Stromimpulse erzeugt. Zwischen den Zeitpunkten tg und tg werden Stromimpulse mit höherer Amplitude und kürzerer Intervallbreite als im Zeitraum tg bis t7 erzeugt, die durch den zweiten Stromimpulsgenerator 32 erzeugt werden können. Durch die höhere Amplitude des Stroms, die in einer beispielhaften Ausführungsform höher ist (der Strombegrenzer 33 ist anders gewählt als der Strombegrenzer 31), als die Stromaufnahme zu Beginn des Nachladens der Energiespeicher 24 zum Zeitpunkt to und t4, können andere Informationen, z.B. zeitkritische Informationen wie ein Fehlerindikator, störungssicherer übertragen werden, als dies bei der Übertragung der Daten im Zeitintervall zwischen tg bis t7 der Fall ist. Durch das Verwenden einer Intervallbreite, die sich von der in dem Zeitintervall tg bis t7 unterscheidet, kann zudem die Fehlerinformation schnell und effizient erkannt werden, ohne beispielsweise Datenpakete zu rekonstruieren oder eine Fehlererkennung durchzuführen. Beispielsweise können hier nur ein oder wenige Impulse übertragen werden, die die Notwendigkeit eines sofortigen Handelns signalisieren.
Der von dem Impulsdetektor 35 erzeugte und dem Mikroprozessor 22 in dem Master-Modul 8 bereitgestellte Spannungsverlauf wird in der Figur 2 mit UMdin beschrieben. Der Spannungsverlauf weist binäre Pegel auf, einen hohen Pegel, der idealerweise der Versorgungsspannung des Mikroprozessors 22 in dem Master-Modul 8 entspricht und einen niedrigen Pegel, der idealerweise 0V entspricht.
Zwischen den Zeitpunkten to und ti hängt der Spannungspegel von dem Ladezustand der Energiespeicher 24 und damit der Stromänderung des Stroms im Messwiderstand dloc/dt ab. Das genaue Verfahren wird in den Figuren 3und 4 beschrieben. Im gezeigten Beispiel ist die Stromänderung zum Zeitpunkt to stark positiv und führt zu einem hohen Pegel des Impulsdetektors 35, ist dann konstant und wird dann negativ, was zu einem niedrigen Pegel des Impulsdetektors 35 führt.
Zum Zeitpunkt t4 ist die Stromänderung hoch, ist dann konstant und daraufhin negativ, was ebenfalls zu einem Signal mit wechselndem Pegel führt. Beide Pegelwechsel von UMdin sind für die Daten- bzw. Informationsübertragung nicht relevant und können bzw. müssen vom Mikroprozessor ignoriert werden.
Im Zeitraum tg bis t7 wird die Stromänderung, hervorgerufen durch die Stromimpulsgeneratoren 30, 32 der Slave-Module 10-12 in entsprechende Signalpegel umgewandelt. In dem Zeitraum zwischen den Zeitpunkten t8 und t9 werden die Stromimpulse erzeugt von dem zweiten Stromimpulsgeneratoren der Slave-Module 10-12 mit anderer Flankenbreite in Signalpegel umgewandelt. Die unterschiedliche Stromimpulsamplitude wird dabei in diesem Ausführungsbeispiel nicht unterschieden. Für die Kommunikation von dem Slave-Modul 8 zu dem Master-Modul 8 enthalten nur die Zeiträume tg bis t7 und tg bis tg Informationen. Pegelwechsel der Spannung UMdin in anderen Zeitabschnitten enthalten keine für die Kommunikation zwischen dem Master-Modul 8 und Slave- Modulen 10-12 relevanten Informationen. Der Zeitpunkt, zu dem der ansteuerbare Schalter 23 geschlossen und geöffnet wird, ist dem Mikroprozessor 22 in dem Master-Modul 8 bekannt. Das Schließen und Öffnen des steuerbaren Schalters 23 hat jedes Mal eine hohe Stromänderung dloc/dt zur Folge, hervorgerufen durch das Nachladen der Energiespeicher 24 in den Slave-Modulen 10-12, die sich in Pegeländerungen auf der Spannung UMdin bemerkbar macht. Die Dauer des entstandenen Pegels ist von dem Master-Modul 8 und den Slave-Modulen 10-12 abzuschätzen und darf nicht für die Kommunikation berücksichtigt werden.
Figur 4 enthält eine schematische Darstellung eines Impulsdetektors 35 und Figur 5 angedeutete Signalverläufe hierzu.
Der Strom loc (Block 41) entspricht dem Strom, der in dem Master-Modul 8 durch den Strommesswiderstand 34 fließt.
Die Spannung URm (Block 42), die differenziell über dem Strommesswiderstand 34 abfällt, ist direkt zum Strom proportional.
Durch eine Hoch- oder Bandpassfilterung und Verstärkung der Spannung URm (Block 43) wird der langsam veränderliche Teil der Spannungsänderung, die durch die zeitveränderliche Stromaufnahme der Slave-Module 10-12 hervorgerufen werden kann, stärker gedämpft als zeitlich schnelle Änderungen. Eine zeitlich schnelle Erhöhung des Stroms durch den Strommesswiderstand 34, wie sie durch das Einschalten eines geeigneten Stromimpulsgenerators in einem an das Master-Modul 8 angeschlossenen Slave-Modul 10 hervorgerufen werden kann, führt dabei zu einem positiven Spannungsimpuls der Spannung UF.
Überschreitet die Spannung UF einen positiven Schwellwert (Block 44), kann einer Spannung UD ein hoher Pegel zugewiesen werden. Eine zeitlich schnelle Reduzierung des Stroms, der durch den Strommesswiderstand 34 fließt, die durch das Abschalten eines Stromimpulsgenerators 30, 32 in einem an das Master-Modul 8 angeschlossenen Slave-Modul 10 erfolgen kann, führt zu einem negativen Spannungsimpuls der Spannung UF. Unterschreitet die Spannung UF einen negativen Schwellwert, kann einer Spannung UD ein niedriger Pegel zugewiesen werden. Da in einer Realisierung der Schaltung die Stromimpulsgeneratoren 30, 32 eine Stromänderung mit endlicher Geschwindigkeit erzeugen können, der zeitliche Verlauf der Stromaufnahme der Slave-Module 10-12 nicht konstant ist und die Filterung nur eine begrenzte Dämpfung aufweist, kann nur ein endlicher Spannungshub der Spannung UF erzeugt werden. Ist der Spannungshub nicht ausreichend, so dass die Spannung UF einen Schwellwert auch zu Zeitpunkten erreicht, an denen einer der Stromimpulsgenerator 30, 32 nicht an- bzw. abgeschaltet wird, kann es vorteilhaft sein, eine Flankendetektion des zeitlichen Verlaufs der Spannung UF durchzuführen. Hierzu kann beispielsweise der aktuelle Wert der Spannung UF mit einem vergangenen Wert vergleichen werden und eine Flanke dann erkannt werden, wenn ein Schwellwert der Differenz beider Spannungen überschritten wird. Der in der Figur 5 mit t4 gekennzeichnete Zeitpunkt entspricht der Zeit, zu der der steuerbare Schalter 23 in dem Master-Modul 8 geschlossen wird. Der Strom steigt zum Zeitpunkt t4 stark an, da die in den an das Master-Modul 8 angeschlossenen Slave-Module 10-12 enthaltenen Energiespeicher 24 nachgeladen werden. Durch den in den Slave-Modulen 10-12 enthaltenen Strombegrenzer 40 kann der Strom auf einen maximalen, von der Anzahl an angeschlossenen Slave-Modulen 10-12 abhängigen Wert beschränkt werden. Der schnelle Stromanstieg zum Zeitpunkt t4 führt zu einem Spannungsimpuls der Spannung UF. Die Spannung UMdin nimmt einen hohen Pegel an. Zum Zeitpunkt t5 ist der Ladevorgang abgeschlossen und der Strom verringert sich zeitlich schnell. Dies kann als negativer Spannungsimpuls der Spannung UF entnommen werden und führt zu einem niedrigen Spannungspegel der Spannung UMdin-
Zwischen den Zeitpunkten tg bis t7 werden Stromimpuls von einem der Stromimpulsgeneratoren 30, 32 in einem der angeschlossenen Slave-Module 10, 12 erzeugt. Zwischen den Zeitpunkten tg und tg werden Spannungsimpulse durch den zweiten in einem angeschlossenen Slave-Modul 10-12 enthaltenen Stromimpulsgenerator 32 erzeugt. Die Stromimpulse können sich dabei in Amplitude und/oder Frequenz unterscheiden.
Figur 6 beschreibt eine mögliche Realisierung der Kommunikation von den Slave-Modulen 10-12 zu dem Master-Modul 8. Insbesondere liegt hier der Fokus auf dem Aufbau des Impulsdetektors 35, der hier in detaillierterer Form als Blockschaltbild aufgezeichnet ist. Außerdem sind nochmals die für die Kommunikation per Lastmodulation erforderlichen Bestandteile aus dem Slave-Modul 8 dargestellt.
Ein sich durch die veränderbare Stromsenke abrupt ändernder Strom I wird zusammen mit dem kontinuierlich zu dem Slave-Modul 8 fließenden Versorgungsstrom k als Summenstrom loc über den Strommesswiderstand 34 in dem Master-Modul 8 gemessen und dabei in eine Spannung URm umgewandelt. Über geeignete Filter- und Verstärker-Elemente 36 können die sich schnell ändernden Stromänderungen von den langsamen herausgefiltert werden. Es entsteht das Spannungssignal UF. Anschließend werden die gefilterten Impulse über einen Komparator 37 auf eine für einen Empfänger 38 verarbeitbare Form gebracht, wobei das Signal UMdin entsteht. Ein optionaler Vorzustands- Speicher 39 kann dabei helfen, zuverlässigere Pegel aus dem gefilterten Signal UF zu extrahieren. In Figur 7 ist der grundsätzliche Aufbau der Datenübertragungsstrecke gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel zu sehen. Teilweise stimmt dieses Ausführungsbeispiel mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auch auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Die Datenübertragungsstrecke besteht aus einem Master-Modul 8, welches über eine Zweidrahtleitung 9 (Versorgungsleitung) mit einem Slave-Modul 10 verbunden ist. Das Master-Modul 8 kann über die Zweidrahtleitung 9 das Slave-Modul 10 mit Energie versorgen und mit diesem kommunizieren.
In der Versorgungsphase steht ein Umschalter 47 auf Stellung (a) und ein Schalter 46 ist geschlossen.
Während einer Datensendung von dem Master-Modul 8 zu dem Slave-Modul 10 bleibt der Umschalter 47 auf Stellung (a) und der Schalter 46 wird im Takt der Daten ein- und ausgeschaltet. Dies hat eine Potentialänderung auf der Zweidrahtleitung 9 zur Folge, die sich ebenfalls im Takt der Daten einstellt und mit dem Spannungsdetektor 28 in dem Slave-Modul 10 ausgewertet werden kann.
Wenn das Master-Modul 8 eine Antwort erwartet, wird der Umschalter 47 auf Stellung (b) gebracht, so dass eine Strombegrenzung 45 den Strom, welcher durch das Slave-Modul 10 bezogen wird, begrenzt. Durch den Stromimpulsgenerator 30 kann das Slave-Modul 10 eine Potentialänderung auf der Zweidrahtleitung 9 erzeugen, wenn der zusätzlich durch den Stromimpulsgenerator 30 bezogene Strom über dem Begrenzungsstrom durch die Strombegrenzung 45 liegt. Mit anderen Worten wird durch das Zuschalten des Stromimpulsgenerators 30 mehr Strom von dem Master- Modul 8 gefordert als durch die Strombegrenzung 45 bereitgestellt werden kann. Das hat einen Spannungsabfall bzw. Potentialänderung an der Zweidrahtleitung 9 zur Folge. Durch einen Spannungsdetektor 49 in dem Master-Modul 8 kann diese Potentialänderung in dem Master-Modul 8 ausgewertet werden. Durch zyklisches Schalten des Stromimpulsgenerators 30 können somit Daten von dem Slave-Modul 10 zu dem Master-Modul 8 gesendet werden.
Während einer Datensendung von dem Slave-Modul 10 zu dem Master-Modul 8 kann das Slave-
Modul 10 die Zweidrahtleitung 9 intern mit einem Schalter 48 trennen, um durch ungewollte Ein- flösse der nachfolgenden Schaltungsteile (z.B. Energieversorgung) keinen Einfluss auf die Kommunikation zu haben. Diese Phase muss das Slave-Modul 10 durch z.B. einen Energiespeicher überbrücken können, um den eigenen Energiebedarf zu gewährleisten.
Figur 8 beschreibt die Spannungssignale an den Potentialen Uoc (Signal zwischen dem Master-Modul 8 und dem Slave-Modul 10 an der Zweidrahtleitung 9) und Uu (Spannung am Energiespeicher eines Slaves) während einer Kommunikationssequenz zwischen beiden Geräten. Dabei wird ein abgewandeltes Verfahren zu dem bisher beschriebenen Ablauf verwendet:
In Phase 1 („Versorgung") wird das Slave-Modul 10 durch das Master-Modul 8 über das Potential Uoc mit Energie versorgt, die auch im Energiespeicher mit dem Potential Uu gespeichert wird.
Es folgt Phase 2 („Master -> Slave"), in der das Master-Modul 8 Daten über Uoc an das Slave-Modul 10 sendet. Die Besonderheit ist hieran, dass während der Übertragung einer definierten Menge an Daten die Spannung am Energiespeicher signifikant abgefallen ist, so dass nicht der gesamte Dateninhalt übertragen werden kann, ohne dass ein sich das Slave-Modul 10 zwischenzeitlich ausschalten würde, da die Versorgungsspannung irgendwann zum Betrieb des Gerätes nicht mehr ausreichend sein würde. Abhilfe schaffen Übertragungspausen zwischen zwei der oben erwähnten definierten Menge an übertragenen Daten, in denen eine kurze Versorgungsphase der Länge Ati eingeschoben wird, in denen sich der Energiespeicher wieder aufladen kann. So wäre hier theoretisch eine Übertragung von beliebig vielen Daten von dem Master-Modul 8 zu dem Slave-Modul 10 möglich.
Die Rückkommunikation von dem Slave-Modul 10 zu dem Master-Modul 8 läuft wie bereits in Figur
7 beschrieben anders ab, als in den bisherigen Ausführungen beschrieben. Wenn das Master-Modul
8 Daten vom Slave-Modul 10 nach der Zeitdauer Atz erwartet, schaltet dieses eine Strombegrenzung für das Potential Uoc hinzu (Umschalter 47). Somit kann das Slave-Modul 10 nicht mehr beliebig viel Strom beziehen, ohne dass die Spannung Uoc einbricht. Dieses Prinzip wird für die Datenübertragung von dem Slave-Modul 10 zu dem Master-Modul 8 genutzt, indem das Slave-Modul 10 eine Last im Takt der zu übertragenen Daten zu- und abschaltet, die so dimensioniert ist, dass die Spannung Uoc bei zugeschalteter Last ausreichend einbricht. Das Master-Modul 8 kann die modulierte Spannung dann einlesen (über den Spannungsdetektor 49) und entsprechend auswerten.
Während die Strombegrenzung in dem Master-Modul 8 aktiv ist (Umschalter 47 auf Stellung (b)), wird keine zusätzliche Energie für den Betrieb des Slave-Moduls 10 bereitgestellt (Schalter 48 zum Trennen der Versorgung aus Figur 7 ist geöffnet). Entsprechend fällt die Spannung UH am Energiespeicher des Slave-Moduls 10 in dieser Phase kontinuierlich ab. Auch hier gibt es nach einer definierten Menge an übertragenen Daten eine entsprechend zeitlich dimensionierte Übertragungspause der Länge At4, in der das Master-Modul 8 die Versorgung wieder für Ata einschaltet, also den Umschalter 51 auf den Zustand (a) schaltet. Der Energiespeicher kann während dieser Phase nachgeladen werden. Anschließend schaltet das Master-Modul 8 die Strombegrenzung wieder hinzu und erwartet das nächste Datenpaket vom Slave-Modul 10. Auch hier können theoretisch beliebig viele Daten von dem Slave-Modul 10 zu dem Master-Modul 8 übertragen werden.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 9 stimmt teilweise mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 7 überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen ergänzend auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
In Figur 9 ist der grundsätzliche Aufbau der Datenübertragungsstrecke zu sehen. Diese besteht aus einem Master-Modul 8, welches über eine Zweidrahtleitung 9 (Versorgungsleitung) mit einem Slave-Modul 10 verbunden ist. Das Master-Modul 8 kann über die Zweidrahtleitung 9 das Slave- Modul 10 mit Energie versorgen und mit diesem kommunizieren.
In der Versorgungsphase ist ein Schalter 50 geschlossen und vorzugsweise ein Schalter 51 geöffnet, so dass Pfad (a) in Benutzung ist.
Während einer Datensendung von dem Master-Modul 8 zu dem Slave-Modul 10 wird der Schalter
50 im Takt der Daten ein- und ausgeschaltet. Dies hat eine Potentialänderung auf der Zweidrahtleitung 9 zur Folge, die sich ebenfalls im Takt der Daten einstellt und mit dem Spannungsdetektor 28 in dem Slave-Modul 10 ausgewertet werden kann. Während der Schalter 50 ausgeschaltet ist, muss sich das Slave-Modul 10 z.B. über einen Energiespeicher selbst versorgen.
Wenn das Master-Modul 8 eine Antwort erwartet, wird der Schalter 50 geöffnet und der Schalter
51 geschlossen. Somit ist Pfad (b) in Benutzung, so dass durch eine Strombegrenzung 52 der Strom, welcher durch das Slave-Modul 10 bezogen wird, begrenzt wird. Durch den Stromimpulsgenerator 30 kann das Slave-Modul 10 eine Potentialänderung auf der Zweidrahtleitung 9 erzeugen, wenn der zusätzlich durch den Stromimpulsgenerator 30 bezogene Strom über dem Begrenzungsstrom durch die Strombegrenzung 52 liegt. Durch einen Spannungsdetektor 49 in dem Master-Modul 8 kann diese Potentialänderung in dem Master-Modul 8 ausgewertet werden.
Während einer Datensendung von dem Slave-Modul 10 zu dem Master-Modul 8 kann das Slave- Modul 10 die Zweidrahtleitung 9 intern mit dem Schalter 48 trennen, um durch ungewollte Einflüsse der nachfolgenden Schaltungsteile (z.B. Energieversorgung) keinen Einfluss auf die Kommunikation zu haben. Diese Phase muss das Slave-Modul 10 durch z.B. einen Energiespeicher überbrücken können, um den eigenen Energiebedarf zu gewährleisten. Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den jeweils in Bezug genommenen Ansprüchen und insbesondere auch ohne die Merkmale des Hauptanspruchs. Die Erfindung umfasst also verschiedene Erfindungsaspekte, die unabhängig voneinander Schutz genießen.
Bezugszeichenliste
1 Master-Modul
2 Slave-Modul
3 Zweidrahtleitung
4 Energiequelle des Master-Moduls
5 Datenschnittstelle des Master-Moduls
6 Energiesenke des Slave-Moduls
7 Datenschnittstelle des Slave-Moduls
8 Mastermodul
9 Zweidrahtleitung
10-12 Slave-Module
13 Eingangsanschluss des Master-Moduls an High-Side
14 Eingangsanschluss des Master-Moduls an Low-Side
15 Spannungsregler im Master-Modul
16 Eingangsanschluss des Slave-Moduls an High-Side
17 Eingangsanschluss des Slave-Moduls an Low-Side
18, 19 Versorgungsleitungen zwischen Master-Modul und Slave-Modul
20 Ausgangsanschluss des Master-Moduls an High-Side
21 Ausgangsanschluss des Master-Moduls an Low-Side
22 Mikroprozessor im Master-Modul
23 Schalter im Master-Modul
24 Energiespeicher im Slave-Modul
25 Spannungsregler im Slave-Modul
26 Ausgangsschaltung im Master-Modul
27 Mikroprozessor im Slave-Modul
27' Weitere Elektronik im Slave-Modul
28 Spannungsdetektor im Slave-Modul
29 Entladeschutz im Slave-Modul
30 Stromimpulsgenerator 1 im Slave-Modul
31 Strombegrenzer des Stromimpulsgenerators 1 im Slave-Modul
32 Stromimpulsgenerator 2 im Slave-Modul
33 Strombegrenzer des Stromimpulsgenerators 2 im Slave-Modul
34 Strommesswiderstand im Master-Modul
35 Impulsdetektor im Master-Modul 36 Filter- und Verstärkerelemente im Master-Modul
37 Komparator
38 Empfänger
39 Vorzustandsspeicher
40 Strombegrenzerschaltung im Slave-Modul
41 Block „Bereitstellung Strom loc"
42 Block „Bereitstellung Spannung URM"
43 Block „Filterung und Verstärkung"
44 Block „Pegelwechsel Detektion"
45 Strombegrenzung
46 Schalter
47 Umschalter
48 Schalter
49 Spannungsdetektor
50 Schalter
51 Schalter
52 Strombegrenzung
Uo Versorgungsspannung des Master-Moduls
U02 Interne Spannung im Master-Modul
Un Spannung des Energiespeichers (Kondensator) im Slave- Modul
Ui2 Interne Versorgungsspannung im Slave- Modul
Usdin Spannung am Daten-Eingang des Mikroprozessors im Slave-Modul
Uoc Spannung an dem Eingangs-Anschluss des Slave-Moduls an der High-Side
UMdin Spannung am Daten-Eingang des Mikroprozessors im Master-Modul loc Strom durch den Strommesswiderstand im Master-Modul li Versorgungsstrom zu den Slave-Modulen
URm Spannung über dem Strommesswiderstand im Master-Modul
UF Spannungsimpuls am Eingang des Komparators

Claims

ANSPRÜCHE
1. Übertragungssystem zur Übertragung von Daten und Energie, mit a) einem Master-Modul (8), b) mindestens einem Slave-Modul (10-12), und c) einer Zweidrahtleitung (9) zwischen dem Master-Modul (8) und dem Slave-Modul (10-12) zur bidirektionalen Datenübertragung zwischen dem Master-Modul (8) und dem Slave-Modul (10-12) und zur Energieübertragung von dem Master-Modul (8) zu dem Slave-Modul (10-12), dadurch gekennzeichnet, d) dass das Übertragungssystem umschaltbar ist zwischen mehreren Betriebszuständen, wobei sich die Betriebszustände vorzugsweise hinsichtlich der Energieübertragung und/oder hinsichtlich der Datenübertragung unterscheiden.
2. Übertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungssystem umschaltbar ist zwischen mindestens zwei der folgenden Betriebszustände: a) einem ersten Betriebszustand zur Energieübertragung von dem Master-Modul (8) über die Zweidrahtleitung (9) zu dem mindestens einen Slave-Modul (10-12), wobei in dem ersten Betriebszustand vorzugsweise keine Datenübertragung von dem Master-Modul (8) zu dem mindestens einen Slave-Modul (10-12) erfolgt, b) einem zweiten Betriebszustand zur Datenübertragung von dem Master-Modul (8) über die Zweidrahtleitung (9) zu dem mindestens einen Slave-Modul (10-12), wobei in dem zweiten Betriebszustand vorzugsweise keine Energieübertragung von dem Master-Modul (8) zu dem mindestens einen Slave-Modul (10-12) erfolgt, und c) einem dritten Betriebszustand zur Datenübertragung von dem mindestens einen Slave-Modul (10-12) über die Zweidrahtleitung (9) zu dem Master-Modul (8), wobei in dem dritten Betriebszustand vorzugsweise auch eine Energieübertragung von dem Master-Modul (8) zu dem mindestens einen Slave-Modul (10-12) erfolgt.
3. Übertragungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Energieübertragung von dem Master-Modul (8) zu dem mindestens einen Slave-Modul (10-12) in dem zweiten Betriebszustand während der Datenübertragung von dem Master-Modul (8) zu dem mindestens einen Slave-Modul (10-12) vorübergehend eingeschränkt
24 oder unterbrochen ist, und b) dass das mindestens eine Slave-Modul (10-12) einen Energiespeicher (24) aufweist, insbesondere einen Kondensator (24), um das Slave-Modul (10-12) während der Einschränkung oder Unterbrechung der Energieübertragung von dem Master-Modul (8) in dem zweiten Betriebszustand mit der zum Betrieb erforderlichen Energie zu versorgen, c) dass das mindestens eine Slave-Modul (10-12) vorzugsweise einen Entladeschutz (29) aufweist, um während der Einschränkung oder Unterbrechung der Energieübertragung von dem Master-Modul (8) in dem zweiten Betriebszustand eine übermäßige Entladung des Energiespeichers (24) zu verhindern, insbesondere mit cl) einer Diode, die dem Energiespeicher (24) vorgeschaltet ist, oder c2) einer aktiven Abschaltung des Energiespeichers (24), insbesondere mittels einem in Reihe mit dem Energiespeicher (24) geschalteten Transistor oder einem in Reihe mit dem Energiespeicher (24) geschalteten Relais.
4. Übertragungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Master-Modul (8) und das mindestens eine Slave-Modul (10-12) ausgebildet sind, um Daten von dem mindestens einen Slave-Modul (10-12) durch eine Lastmodulation über die Zweidrahtleitung (9) zu dem Master-Modul (8) zu übertragen.
5. Übertragungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, a) dass das mindestens eine Slave-Modul (10-12) einen Strommodulator (30, 32) aufweist, um einen über die Zweidrahtleitung (9) von dem Master-Modul (8) bereitgestellten Laststrom entsprechend den zu übertragenden Daten zu modulieren, und b) dass das Master-Modul (8) einen Stromdemodulator (35) aufweist, um den von dem Slave- Modul (10-12) bereitgestellten Laststrom zu demodulieren und die darin enthaltenen Daten zu ermitteln.
6. Übertragungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Strommodulator (30, 32) in dem mindestens einen Slave-Modul (10-12) mindestens einen Stromimpulsgenerator (30, 32) aufweist, der den über die Zweidrahtleitung (9) bereitgestellten Laststrom impulsförmig moduliert, so dass der Laststrom entsprechend den zu übertragenden Daten Stromimpulse aufweist.
7. Übertragungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, a) dass der Strommodulator (30, 32) in dem mindestens einen Slave-Modul (10-12) mehrere Stromimpulsgeneratoren (30, 32) aufweist, die parallelgeschaltet sind, und b) dass die parallelgeschalteten Stromimpulsgeneratoren (30, 32) den über die Zweidrahtleitung (9) bereitgestellten Laststrom unterschiedlich modulieren, so dass der Laststrom unterschiedliche Stromimpulse zeigen kann.
8. Übertragungssystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromimpulsgenerator (30, 32) in dem mindestens einen Slave-Modul (10-12) mindestens eine der folgenden Komponenten aufweist: a) ein Schaltelement, insbesondere einen Transistor, insbesondere einen Bipolartransistor, wobei das Schaltelement zwischen die beiden Leitungen der Zweidrahtleitung (9) geschaltet ist, um den Laststrom zu modulieren, der über die Zweidrahtleitung (9) von dem Master-Modul (8) bereitgestellt wird, b) einen Strombegrenzer (31, 33), insbesondere als Kollektorwiderstand an dem Transistor, um den Laststrom zu begrenzen, wenn der Transistor durchschaltet, c) einen Mikroprozessor (27) zur Ansteuerung des Transistors entsprechend den Daten, die von dem Slave-Modul (10-12) an das Master-Modul (8) übertragen werden sollen.
9. Übertragungssystem nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromdemodulator (35) in dem Master-Modul (8) einen Stromimpulsdetektor (35) aufweist, um die Stromimpulse des Laststroms zu detektieren.
10. Übertragungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromimpulsdetektor (35) in dem Master-Modul (8) mindestens eine der folgenden Komponenten aufweist: a) ein Filter (36), insbesondere ein Hochpassfilter, um die sich schnell ändernden Stromänderungen des Laststroms durchzulassen, die von den informationshaltigen Stromimpulsen verursacht werden, und die sich langsam ändernden Stromänderungen des Laststroms zu abzuschwächen, wobei das Filter ein Laststromsignal ausgibt, b) einen Verstärker (36) zur Verstärkung des von dem Filter gefilterten Laststromsignals, c) einen Detektor (37) zum Vergleich des Laststromsignals mit mindestens einem vorgegebenen Pegel, insbesondere als digitaler Detektor, insbesondere als Komparator (37), d) einen Vorzustand-Speicher (39) zur Zwischenspeicherung eines Vorzustands des Laststroms, wobei der Komparator (37) den aktuellen Zustand des Laststromsignals mit dem in dem Vorzustand-Speicher (39) gespeicherten Vorzustand des Laststromsignals vergleicht.
11. Übertragungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Master-Modul (8) für die Datenübertragung zu dem mindestens einen Slave-Modul (10- 12) mindestens eine der folgenden Komponenten aufweist: a) einen steuerbaren Schalter (34), insbesondere als Transistor, zum Schalten der Energieübertragung von dem Master-Modul (8) zu dem mindestens einen Slave-Modul (10-12) während der Datenübertragung von dem Master-Modul (8) zu dem mindestens einen Slave-Modul (10-12), b) eine Ausgangsschaltung (26) zur Erzeugung von Spannungsimpulsen auf der Zweidrahtleitung (9) entsprechend den an das mindestens eine Slave-Modul (10-12) zu übertragenden Daten, c) einen Mikroprozessor (22) zur Bereitstellung der an das Slave-Modul (10-12) zu übertragenden Daten und zur Ansteuerung des Transistors oder der Ausgangsschaltung (26) entsprechend den an das mindestens eine Slave-Modul (10-12) zu übertragenden Daten.
12. Übertragungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Slave-Modul (10-12) einen Spannungsdetektor (28) aufweist zur Detektion der von dem Master-Modul (8) über die Zweidrahtleitung (9) übertragenen Spannungsimpulse, insbesondere mit einem Transistor, insbesondere mit einem Bipolartransistor mit einem vorgeschalteten Basiswiderstand und einem Emitterwiderstand.
13. Übertragungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass das Master-Modul (8) und das mindestens eine Slave-Modul (10-12) ein gemeinsames elektrisches Bezugspotential haben, und/oder b) dass das Übertragungssystem als Bus-System ausgebildet ist, so dass über die Zweidrahtleitung (9) mehrere parallelgeschaltete Slave-Module (10-12) mit dem Master-Modul (8) verbunden werden können.
14. Übertragungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass das Master-Modul einen steuerbaren Umschalter aufweist, der die Zweidrahtleitung in dem Master-Modul entweder mit einer Versorgungsspannung oder mit einem Empfänger verbindet, und/oder b) dass das Master-Modul zwischen der Versorgungsspannung und dem Umschalter einen steuerbaren Schalter aufweist, um Spannungsimpulse über die Zweidrahtleitung zu übertragen, und/oder c) dass das Slave-Modul einen Spannungsdetektor enthält, um die von dem Master-Modul über die Zweidrahtleitung gesendeten Spanungsimpulses zu erfassen, und/oder
27 d) dass das Slave-Modul einen Stromimpulsgenerator aufweist, um Stromimpulse für die Datenübertragung von dem Slave-Modul zu dem Master-Modul zu erzeugen.
15. Übertragungssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungssystem umschaltbar ist zwischen mindestens zwei der folgenden Betriebszustände: a) einem ersten Betriebszustand zur Energieübertragung von dem Master-Modul zu dem Slave- Modul, wobei der Umschalter in dem Master-Modul die Zweidrahtleitung mit der Versorgungsspannung verbindet und der Schalter geschlossen ist, so dass die Versorgungsspannung mit der Zweidrahtleitung verbunden ist und das Slave-Modul über die Zweidrahtleitung mit Strom versorgt, b) einem zweiten Betriebszustand zur Datenübertragung von dem Master-Modul zu dem Slave- Modul, wobei der Umschalter in dem Master-Modul die Zweidrahtleitung mit der Versorgungsspannung verbindet und der Schalter die Versorgungsspannung entsprechend den zu übertragenden Daten moduliert, c) einem dritten Betriebszustand zur Datenübertragung von dem Slave-Modul an das Master- Modul, wobei der Umschalter in dem Master-Modul die Zweidrahtleitung mit dem Empfänger verbindet und der Empfänger in dem Master-Modul die von dem Slave-Modul über die Zweidrahtleitung gesendeten Daten empfängt.
16. Übertragungssystem nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, a) dass der Empfänger in dem Master-Modul einen Transistor aufweist, insbesondere einen Bipolartransistor, der mit seiner Basis über den Umschalter mit der Zweidrahtleitung verbunden ist, b) dass der Transistor des Empfängers in dem Master-Modul zwischen die Versorgungsspannung und Masse geschaltet ist, c) dass in dem Master-Modul zwischen der Versorgungsspannung und dem Transistor ein Strombegrenzer angeordnet ist.
17. Master-Modul (8) für ein Übertragungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Master-Modul (8) umschaltbar zwischen mehreren Betriebszuständen, wobei sich die Betriebszustände vorzugsweise hinsichtlich der Energieübertragung und/oder hinsichtlich der Datenübertragung unterscheiden.
18. Master-Modul (8) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Master-Modul (8) umschaltbar ist zwischen mindestens zwei der folgenden Betriebszustände:
28 a) dem ersten Betriebszustand zur Energieübertragung von dem Master-Modul (8) über die Zweidrahtleitung (9) zu dem mindestens einen Slave-Modul (10-12), wobei in dem ersten Betriebszustand vorzugsweise keine Datenübertragung von dem Master-Modul (8) zu dem mindestens einen Slave-Modul (10-12) erfolgt, b) dem zweiten Betriebszustand zur Datenübertragung von dem Master-Modul (8) über die Zweidrahtleitung (9) zu dem mindestens einen Slave-Modul (10-12), wobei in dem zweiten Betriebszustand vorzugsweise keine Energieübertragung von dem Master-Modul (8) zu dem mindestens einen Slave-Modul (10-12) erfolgt, und c) dem dritten Betriebszustand zur Datenübertragung von dem mindestens einen Slave-Modul (10-12) über die Zweidrahtleitung (9) zu dem Master-Modul (8), wobei in dem dritten Betriebszustand vorzugsweise auch eine Energieübertragung von dem Master-Modul (8) zu dem mindestens einen Slave-Modul (10-12) erfolgt.
19. Master-Modul (8) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Master-Modul (8) mindestens eine der folgenden Komponenten aufweist: a) den Stromdemodulator (35), um den von dem Master-Modul (8) über die Zweidrahtleitung (9) bereitgestellten Laststrom zu demodulieren und die darin enthaltenen Daten zu ermitteln, b) das Filter (36), insbesondere ein Hochpassfilter, um die sich schnell ändernden Stromänderungen des Laststroms durchzulassen, die von den informationshaltigen Stromimpulsen verursacht werden, und die sich langsam ändernden Stromänderungen des Laststroms abzuschwächen, wobei das Filter ein Laststromsignal ausgibt, c) den Verstärker (36) zur Verstärkung des gefilterten Laststromsignals, d) den Detektor (35) zum Vergleich des Laststromsignals mit mindestens einem vorgegebenen Pegel, insbesondere als digitaler Detektor, insbesondere als Komparator (37), e) den Vorzustand-Speicher (39) zur Zwischenspeicherung eines durch den Detektor (35) ermittelten Vorzustands des gefilterten Laststroms, wobei der Komparator (37) den aktuellen Zustand des Laststromsignals mit dem in dem Vorzustand-Speicher (39) gespeicherten Vorzustand des Laststromsignals vergleicht. f) den steuerbaren Schalter (23), insbesondere als Transistor, zum Schalten der Energieübertragung von dem Master-Modul (8) zu dem mindestens einen Slave-Modul (10-12) während der Datenübertragung von dem Master-Modul (8) zu dem mindestens einen Slave-Modul (10-12), g) die Ausgangsschaltung (26) zur Erzeugung von Spannungsimpulsen auf der Zweidrahtleitung (9) entsprechend den an das mindestens eine Slave-Modul (10-12) zu übertragenden Daten,
29 h) den Mikroprozessor (22) zur Bereitstellung der an das mindestens eine Slave-Modul (10-12) zu übertragenden Daten und zur Ansteuerung des Transistors oder der Ausgangsschaltung (26) entsprechend den an das mindestens eine Slave-Modul (10-12) zu übertragenden Daten.
20. Master-Modul nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, a) dass das Master-Modul einen steuerbaren Umschalter aufweist, der die Zweidrahtleitung in dem Master-Modul entweder mit einer Versorgungsspannung oder mit einem Empfänger verbindet, und/oder b) dass das Master-Modul zwischen der Versorgungsspannung und dem Umschalter einen steuerbaren Schalter aufweist, um Spannungsimpulse über die Zweidrahtleitung zu übertragen, und/oder c) dass das Slave-Modul einen Spannungsdetektor enthält, um die von dem Master-Modul über die Zweidrahtleitung gesendeten Spanungsimpulses zu erfassen, und/oder d) dass das Slave-Modul einen Stromimpulsgenerator aufweist, um die Stromimpulse für die Datenübertragung von dem Slave-Modul zu dem Master-Modul zu erzeugen.
21. Master-Modul nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungssystem umschaltbar ist zwischen mindestens zwei der folgenden Betriebszustände: a) einem ersten Betriebszustand zur Energieübertragung von dem Master-Modul zu dem Slave- Modul, wobei der Umschalter in dem Master-Modul die Zweidrahtleitung mit der Versorgungsspannung verbindet und der Schalter geschlossen ist, so dass die Versorgungsspannung mit der Zweidrahtleitung verbunden ist und das Slave-Modul über die Zweidrahtleitung mit Strom versorgt, b) einem zweiten Betriebszustand zur Datenübertragung von dem Master-Modul zu dem Slave- Modul, wobei der Umschalter in dem Master-Modul die Zweidrahtleitung mit der Versorgungsspannung verbindet und der Schalter die Versorgungsspannung entsprechend den zu übertragenden Daten moduliert, c) einem dritten Betriebszustand zur Datenübertragung von dem Slave-Modul an das Master- Modul, wobei der Umschalter in dem Master-Modul die Zweidrahtleitung mit dem Empfänger verbindet und der Empfänger die von dem Slave-Modul über die Zweidrahtleitung gesendeten Daten empfängt.
22. Master-Modul nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, a) dass der Empfänger in dem Master-Modul einen Transistor aufweist, insbesondere einen Bi-
30 polartransistor, der mit seiner Basis über den Umschalter mit der Zweidrahtleitung verbunden ist, b) dass der Transistor des Empfängers in dem Master-Modul zwischen die Versorgungsspannung und Masse geschaltet ist, c) dass in dem Master-Modul zwischen der Versorgungsspannung und dem Transistor ein Strombegrenzer angeordnet ist.
23. Master-Modul (8) nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, a) dass das Master-Modul (8) einen steuerbaren ersten Schalter (50) aufweist, der die Zweidrahtleitung (9) in Abhängigkeit von seiner Ansteuerung wahlweise mit einer Versorgungsspannung verbindet oder von der Versorgungsspannung trennt, b) dass der steuerbare erste Schalter (50) für eine Energieübertragung von dem Master-Modul (8) zu dem Slave-Modul (10) geschlossen wird, c) dass der steuerbare erste Schalter (50) für eine Datenübertragung von dem Master-Modul (8) zu dem Slave-Modul (10) im Takt der zu übertragenden Daten geschlossen und geöffnet wird, d) dass der steuerbare erste Schalter (50) für eine Datenübertragung von dem Slave-Modul (10) zu dem Master-Modul (8) geöffnet wird.
24. Master-Modul (8) nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, a) dass das Master-Modul (8) einen steuerbaren zweiten Schalter (51) aufweist, der die Zweidrahtleitung (9) in Abhängigkeit von seiner Ansteuerung wahlweise über eine Strombegrenzung (52) mit der Versorgungsspannung verbindet oder von der Versorgungsspannung trennt, b) dass der steuerbare zweite Schalter (51) für eine Energieübertragung von dem Master-Modul (8) zu dem Slave-Modul (10) vorzugsweise geöffnet wird, c) dass der steuerbare zweite Schalter (51) für eine Datenübertragung von dem Master-Modul (8) zu dem Slave-Modul (10) geöffnet wird, und d) dass der steuerbare erste Schalter (51) für eine Datenübertragung von dem Slave-Modul (10) zu dem Master-Modul (8) geschlossen wird.
25. Slave-Modul (10-12) für ein Übertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Slave-Modul (10-12) umschaltbar ist zwischen mehreren Betriebszuständen, wobei sich die Betriebszustände vorzugsweise hinsichtlich der Energieübertragung und/oder hinsichtlich der Datenübertragung unterscheiden.
31
26. Slave-Modul (10-12) nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Slave-Modul (10- 12) umschaltbar ist zwischen mindestens zwei der folgenden Betriebszustände: a) dem ersten Betriebszustand zur Energieübertragung von dem Master-Modul (8) über die Zweidrahtleitung (9) zu dem mindestens einen Slave-Modul (10-12), wobei in dem ersten Betriebszustand vorzugsweise keine Datenübertragung von dem Master-Modul (8) zu dem mindestens einen Slave-Modul (10-12) erfolgt, b) dem zweiten Betriebszustand zur Datenübertragung von dem Master-Modul (8) über die Zweidrahtleitung (9) zu dem mindestens einen Slave-Modul (10-12), wobei in dem zweiten Betriebszustand vorzugsweise keine Energieübertragung von dem Master-Modul (8) zu dem mindestens einen Slave-Modul (10-12) erfolgt, und c) dem dritten Betriebszustand zur Datenübertragung von dem mindestens einen Slave-Modul (10-12) über die Zweidrahtleitung (9) zu dem Master-Modul (8), wobei in dem dritten Betriebszustand vorzugsweise auch eine Energieübertragung von dem Master-Modul (8) zu dem mindestens einen Slave-Modul (10-12) erfolgt.
27. Slave-Modul (10-12) nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Slave- Modul (10-12) mindestens eine der folgenden Komponenten aufweist: a) den Energiespeicher (24), insbesondere einen Kondensator, um das Slave-Modul (10-12) während der Unterbrechung der Energieübertragung von dem Master-Modul (8) in dem zweiten Betriebszustand mit der zum Betrieb erforderlichen Energie zu versorgen, b) den Entladeschutz (29), um während der Unterbrechung der Energieübertragung von dem Master-Modul (8) in dem zweiten Betriebszustand eine übermäßige Entladung des Energiespeichers (24) zu verhindern, insbesondere mit einer Diode, die in Reihe mit dem Energiespeicher (24) geschaltet ist, c) den Strommodulator (30, 32), um einen von dem Master-Modul (8) über die Zweidrahtleitung (9) bereitgestellten Laststrom entsprechend den an das Master-Modul (8) zu übertragenden Daten zu modulieren, d) den Stromimpulsgenerator (30, 32), der den über die Zweidrahtleitung (9) bereitgestellten Laststrom impulsförmig moduliert und Stromimpulse entsprechend den an das Master-Modul (8) zu übertragenden Daten erzeugt, e) den Transistor, insbesondere den Bipolartransistor, der zwischen die beiden Leitungen der Zweidrahtleitung (9) geschaltet ist, um den Laststrom zu modulieren, der über die Zweidrahtleitung (9) von dem Master-Modul (8) bereitgestellt wird, f) den Strombegrenzer (31, 33), insbesondere als Kollektorwiderstand an dem Transistor, um
32 den Laststrom zu begrenzen, wenn der Transistor durchschaltet, g) den Mikroprozessor (27) zur Ansteuerung des Transistors entsprechend den Daten, die von dem Slave-Modul (10-12) an das Master-Modul (8) übertragen werden sollen.
28. Übertragungsverfahren zur Übertragung von Daten und Energie über eine Zweidrahtleitung
(9) zwischen einem Master-Modul (8) und einem Slave-Modul (10-12), dadurch gekennzeichnet, dass das Master-Modul (8) und das Slave-Modul (10-12) in verschiedenen Betriebszuständen betrieben werden, wobei sich die Betriebszustände vorzugsweise hinsichtlich der Energieübertragung und/oder hinsichtlich der Datenübertragung unterscheiden.
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US20200304172A1 (en) * 2018-01-12 2020-09-24 Hitachi Automotive Systems, Ltd. Power line communication device, in-vehicle device and in-vehicle system

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