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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schnittstellenschaltung, die einen Zweidraht-Datenbus für den Anschluss an Geräte vorsieht.
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Hintergrund der Erfindung
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Prozessleitsysteme mit Zweitdraht-Leitungen werden in vielen industriellen Umgebungen für die Steuerung und Überwachung einer Vielzahl von Geräten eingesetzt. Diese Systeme werden unter Verwendung bestimmter Protokolle geführt. Eines davon ist das Feldbus-Protokoll. Dabei handelt es sich um die Bezeichnung einer Familie industrieller Rechnernetzprotokolle, die für eine verteilte Echtzeit-Steuerung verwendet werden und in der Norm IEC61158-2 standardisiert sind. Ein komplexes automatisiertes industrielles System, z. B. eine Erdölraffinerie, benötigt, um arbeiten zu können, in der Regel eine organisierte Hierarchie von Steuerungssystemen. An der Spitze dieser Hierarchie befindet sich eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (MMS), mit der ein Bediener das System überwachen oder führen kann. Diese ist typischerweise über ein nicht zeitkritisches Kommunikationssystem (z. B. Ethernet) mit einer Mittelschicht speicherprogrammierbarer Steuerungen (SPS) verbunden. Am Ende der Regel- bzw. Steuerkette befindet sich ein Feldbus, der die SPS mit den Geräten verbindet, die die Arbeit eigentlich verrichten, wie Sensoren, Aktoren, elektrische Motoren, Bedienpultlampen, Schalter, Ventile und Kontaktschalter. Der Feldbus ist gewöhnlich ein kombiniertes Strom- und Datennetz mit Zweidraht-Leitung, das den Feldgeräten sowohl Strom als auch Kommunikationsmittel bereitstellt.
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In einer typischen kombinierten Strom- und Kommunikations-Feldbusschaltung mit Zweitdraht-Leitung gibt es eine Stromversorgung, eine Eigensicherheitsbarriere jeglichen Typs, eine zum Feld führende Haupttrasse und eine Anzahl von Gerätekopplern mit ihnen verbundenen Abzweigleitungen, an die die Feldgeräte angeschlossen sind. Die Haupttrasse und die Abzweigleitungen bilden zusammen ein ”Segment.” Durch die Eigensicherheitsbarriere wird die Schaltung in eine eigensichere Seite und eine nicht eigensichere Seite eingeteilt. Die Stromversorgung, die SPS und weitere Systeme, wie Diagnosemodule des Physical Layers, die die Physical Layer-Eigenschaften von elektrischer Schaltung und der Netzwerk-Hardware messen, und zum Teil die physikalische Software oder das physikalische Protokoll, die verwendet werden, befinden sich auf der nicht eigensicheren Seite der Schaltung, in der Regel einem Leitstand. Die Haupttrasse, die Gerätekoppler, die Abzweigleitungen und die Feldgeräte befinden sich auf der eigensicheren Seite im Feld.
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Die verschiedenen Komponenten des Systems kommunizieren miteinander unter Verwendung des Feldbus-Kommunikationsprotokolls IEC61158-2, das ein Manchester-Codierungssystem ist. Datentelegramme werden entweder auf eigens dafür vorgesehenen Kommunikationsschaltungen oder auf denselben elektrischen Schaltungen, wie der Strom zur Betreibung der Feldgeräte, übertragen. Die Datentelegramme dienen der Steuerung und Regelung, Überwachung und Diagnose der verwendeten Feldgeräte. Das Feldbus-Protokoll oder andere ähnliche Zweidraht-Protokolle können jedoch auch in gewöhnlichen nicht eigensicheren Umgebungen und ohne Eigensicherheitsbarriere verwendet werden.
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Das Feldbus-Kommunikationsprotokoll gemäß IEC61158-2 und andere ähnliche Datensysteme, wie DSL, Ethernet, HART und so weiter, und die Systeme, die das IEC61158-2-Feldbusprotokoll zu einem späteren Zeitpunkt ersetzen werden, beinhalten eine Menge diskreter, für den Physical Layer geltender Einschränkungen, innerhalb derer die Kommunikationssignale und die Hardware zu ihrer Übermittlung arbeiten müssen. Diese Einschränkungen für den Physical Layer umfassen Aspekte der Signalisierung, einschließlich der Datenform und Regeln für zeitliche Abläufe. Diese Einschränkungen und Toleranzen sind sehr konservativ, so dass die resultierenden Systeme sehr robust und wenig ausfallanfällig sind. Darüber hinaus bedeutet dieser konservative Ansatz, dass ein System, nachdem es physikalisch eingerichtet wurde, sofort, ohne dass Anpassungen notwendig wären, korrekt arbeitet, obwohl ein System in der Praxis mit gewissen Unterschieden zum ursprünglichen Entwurf arbeiten kann.
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Die Feldbus-Lösung wurde vor über einem Jahrzehnt eingeführt und gegenwärtig steigt die Nachfrage nach Datenraten höherer Geschwindigkeit, um mit den technologischen Entwicklungen mitzuhalten und die Netzwerkeffizienz zu erhöhen. Feldbus-Instrumente oder -Geräte werden daher schließlich nach der Einführung und dem Ausreifen eines feldbasierten Kommunikationsstandards für höhere Geschwindigkeiten, bei dem es sich um eine Erweiterung des IEEE802.3-Ethernet-Standards, aber auch eine Erweiterung anderer ähnlicher Standards oder zukünftiger Standards handeln kann, wobei auch eine Anlage oder eine Ergänzung des IEC61158-2 nicht ausgeschlossen ist, zu ”Altgeräten.”
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Da die installierte Basis an IEC61158-2-Feldbus-Geräten sehr groß ist und es sich bei diesen Geräten um Güter handelt, die bei einer Neuverkabelung der Infrastruktur der Prozessanlage oft wieder verwendet (oder beibehalten) werden, ist es wünschenswert, dass neue Plattformen oder Schnittstellen in der Lage sind, IEC61158-2-Feldbus-Geräte zu integrieren, um die Übergangskosten für den Kunden gering zu halten.
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Es ist ebenfalls möglich, dass Kunden bei einer Anlagenaufrüstung durchgehend IEC61158-2-Feldbus-Geräte behalten möchten, um die Ersatzteilhaltung so schlank wie möglich zu halten, dass sie aber auch von einem Kommunikations-Backbone höherer Geschwindigkeit profitieren möchten, der die bestehende Verkabelung mit geringfügigen Änderungen verwenden kann.
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Außerdem wäre es für Kunden viel annehmbarer, wenn bei der Einführung eines neuen Hochgeschwindigkeits-Backbones sowohl neue als auch Altgeräte optional an denselben Schnittstellen-Switchport oder Abzweig-Port angeschlossen werden könnten. Damit hätte der Kunde ein größeres Sortiment an Alt- und Hochgeschwindigkeitsgeräten, aus dem er von vornherein wählen kann, falls es nicht wahrscheinlich ist, dass alle Gerätetypen mit Hochgeschwindigkeitskommunikation zur Verfügung stehen.
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Die Aufrüstung mit Geräten höherer Geschwindigkeit, wenn diese zu einem späteren Zeitpunkt zur Verfügung stehen, ist dann ein einfacher Prozess, bei dem nur geringfügige Änderungen und/oder Ausgaben erforderlich wären.
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Es ist daher ein Ziel der Erfindung eine Schnittstellenschaltung vorzusehen, die verwendet werden kann, um über einen kombinierten Strom- und Datenbus mit Zweidraht-Leitung Geräte anzuschließen, die unterschiedliche Signalisierungsprotokolle verwenden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung ist eine Schnittstellenschaltung nach einem der beigefügten Ansprüche 1 bis 16 vorgesehen. Die Schnittstellenschaltung verfügt über eine Datenbus-Schnittstelle und einen Sender und Empfänger zum Senden und Empfangen von Daten über die Datenbus-Schnittstelle. Die Datenbus-Schnittstelle umfasst zwei Busleitungen, die aus einem positiv gepolten Leiter und einem negativ gepolten Leiter bestehen, die in Kombination Strom und Daten bereitstellen, und Steckverbinderklemmen zum Anschluss der zwei Busleitungen an eines von einem ersten Gerät, das zur Kommunikation ein erstes Signalisierungsprotokoll verwendet, und von einem zweiten Gerät, das zur Kommunikation ein zweites Signalisierungsprotokoll verwendet, wobei das erste und zweite Signalisierungsprotokoll voneinander verschieden sind. Die Schnittstellenschaltung ist so konfiguriert, dass sie das erste Signalisierungsprotokoll und das zweite Signalisierungsprotokoll abhängig davon auswählt, ob das erste oder das zweite Gerät über die Steckverbinderklemmen angeschlossen ist. Die Schnittstellenschaltung umfasst des Weiteren eine Spannungsquelle zum Antreiben der zwei Busleitungen, wobei die Spannungsquelle über einen Blindwiderstand und darauf folgend einen in Reihe geschalteten ersten Widerstand mit den beiden Busleitungen verbunden ist, wobei ein Ausgang des Senders über einen zweiten Widerstand mit einem Punkt zwischen dem Blindwiderstand und dem ersten Widerstand verbunden ist, um die Spannung zwischen den zwei Busleitungen zu modulieren.
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Dementsprechend kann die Schnittstellenschaltung ein mit dem Physical Layer konformes Signal sowohl an das erste Gerät mit dem ersten Signalisierungsprotokoll als auch an das zweite Gerät mit dem zweiten Signalisierungsprotokoll senden oder von diesen Geräten empfangen. Das erste Signalisierungsprotokoll kann eine erste Signalisierungsgeschwindigkeit und das zweite Signalisierungsprotokoll kann eine zweite Signalisierungsgeschwindigkeit haben, wobei die zweite Signalisierungsgeschwindigkeit höher ist als die erste Signalisierungsgeschwindigkeit. So kann das erste Gerät zum Beispiel ein IEC61158-2-Altgerät und das zweite Gerät ein Gerät höherer Geschwindigkeit als das erste Gerät sein. Die Geschwindigkeit der Signalisierung des Geräts höherer Geschwindigkeit kann bis zu 100 Mal höher sein als die Geschwindigkeit der Signalisierung des Altgeräts (geringerer Geschwindigkeit).
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Das erste und zweite Signalisierungsprotokoll können in dem Physical Layer voneinander verschiedene Eigenschaften haben, so dass sie sich in physikalischen Aspekten voneinander unterscheiden. So können das erste und zweite Signalisierungsprotokoll voneinander verschiedene Modulationsarten und/oder Spannungssignalpegel und/oder verschiedene Anforderungen an die zeitliche Signalabfolge haben. Des Weiteren können sich das erste und zweite Signalisierungsprotokoll voneinander in Bezug auf ihre Eigenschaften in höheren Schichten, zum Beispiel in der Art wie ihre Datencodierung und/oder Fehlerkorrektur erfolgt, unterscheiden.
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Die Schaltungsanordnung aus erstem und zweitem Widerstand sorgt dafür, dass die Spannungsquelle sowohl Altgeräten als auch Geräten höherer Geschwindigkeit ausreichend Energie bereitstellt, und gleichzeitig dafür, dass eine ausreichende Eingangsimpedanz (Last) an der Datenbus-Schnittstelle für das Altgerät oder das Gerät höherer Geschwindigkeit erhalten bleibt. In einigen Ausführungsformen benötigt das Altgerät diese Eingangsimpedanz wohingegen das Gerät höherer Geschwindigkeit entweder aufgrund der eigenen Geschwindigkeit und/oder des Vorhandenseins interner Abschlusswiderstände diese nicht erfordert.
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Die von der Datenbus-Schnittstelle dem angeschlossenen Gerät bereitgestellte Eingangsimpedanz ist wichtig, da das Gerät Signale senden kann, indem es den dem Datenbus entnommenen Strom moduliert. Dementsprechend bestimmt die durch die Datenbus-Schnittstelle bereitgestellte Eingangsimpedanz die Änderung der Spannung zwischen dem positiv und dem negativ gepolten Leiter des Datenbusses, die eintritt, wenn das angeschlossene Gerät Signale sendet, indem es den von ihm entnommenen Strom moduliert. Die Spannungsänderungen müssen innerhalb festgelegter Grenzwerte bleiben, so dass die Signale vom Empfänger der Schnittstellenschaltung gelesen werden können.
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Die Schaltungsanordnung aus erstem und zweitem Widerstand bedeutet, dass die durch die Datenbus-Schnittstelle dem angeschlossenen Gerät bereitgestellte Eingangsimpedanz größtenteils durch die Summe des ersten und zweiten Widerstands bestimmt wird, wohingegen die Energie, die die Spannungsquelle der Datenbus-Schnittstelle bereitstellen kann, größtenteils durch den ersten Widerstand und nicht durch den zweiten Widerstand bestimmt wird. Dementsprechend kann der Widerstand des ersten Widerstands zur Verbesserung der Energiezufuhr minimiert werden, ohne dass die von der Datenbus-Schnittstelle dem angeschlossenen Gerät bereitgestellte Eingangsimpedanz beeinträchtigt wird, da die Eingangsimpedanz durch den zweiten Widerstand auf einen adäquaten Wert gebracht werden kann. Bei nicht eigensicheren Schaltungen, die nicht die gleichen Anforderungen an die Begrenzung der Stromstärke stellen, kann der Wert des ersten Widerstands viel kleiner als der Wert des zweiten Widerstands sein.
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Bei eigensicheren Energieversorgungs-Schnittstellen gemäß IEC60079-11, insbesondere in Übereinstimmung mit FISCO, weisen sowohl das Altgerät als auch das Gerät höherer Geschwindigkeit vorzugsweise Parameter auf, die denselben Energieversorgungsparametern der Schnittstelle entsprechen und zumindest mit dem IEC60079-11-FISCO-Standard konform sind.
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Die Datenbus-Schnittstelle weist vorzugsweise eine Eingangsimpedanz (Lastimpedanz) auf, die die Anforderungen sowohl der IEC61158-2-Altgeräte als auch der Geräte höherer Geschwindigkeit erfüllt, vorzugsweise ohne Änderung oder Anpassung der Schnittstellenschaltung. Die Lastimpedanz für Altgeräte wird stark durch die Netzwerk-Konfigurierung des schlimmsten Falls beeinflusst, in diesem Fall ist die Verbindung zum Altgeräte jedoch eine direkte Zweidraht-Verbindung von der Schnittstellenschaltung zum Altgerät und die Zugaben für Signalverzerrung/Jitter können daher weniger streng ausgelegt werden. Falls die Lastimpedanz erreicht wird, indem für den Blindwiderstand aktive Schaltungen (Gyratoren) verwendet werden, kann möglicherweise für diese eine Anpassung/Änderung, die automatisch und/oder manuell durchgeführt werden kann, notwendig sein.
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Vorzugsweise sind die Signalisierungspegel sowohl für das Signalisierungsprotokoll des Altgeräts als auch des Geräts höherer Geschwindigkeit gleich oder liegen innerhalb der Spezifikation und zwar vorzugsweise ohne Änderung oder Anpassung an die Schnittstellenschaltung. In einigen Ausführungsformen kann es notwendig sein, zum Erreichen der korrekten Signalisierungspegel die Spitze-Spitze-Ausgangsspannung des sendenden Geräts entweder automatisch und/oder manuell zu ändern. Vorzugsweise sollte die Spannung zwischen den beiden Busleitungen nicht unter eine minimale bzw. über eine maximale Spezifikation der Eingangsspannung des ersten und zweiten Signalisierungsprotokolls fallen bzw. steigen.
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Der erste Widerstand hat einen Nennwiderstand und ist vorzugsweise ein unfehlbarer Widerstand. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, sind unfehlbare Widerstände Widerstände, die so konfiguriert sind, dass sie beim Eintreten einer Fehlfunktion zumindest den Nennwiderstand bereitstellen. Eine Fehlfunktion kann daher zu einer offenen Schaltung, nicht aber zu einem Kurzschluss führen.
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Zur Unterstützung der Bereitstellung einer abgeglichenen Impedanz für das angeschlossene Gerät, damit die zwischen Sender und Gerät gesendeten Signale weniger empfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen sind, kann der erste Widerstand zwischen dem positiv und dem negativ gepolten Leiter geteilt werden. Insbesondere kann der erste Widerstand einen Reihenwiderstand im positiv gepolten Leiter und einen Reihenwiderstand im negativ gepolten Leiter umfassen. Der Nennwiderstand des ersten Widerstands ist dann die Summe der Nennwiderstände der zwei Reihenwiderstände. Die Reihenwiderstände haben zum Abgleichen der Impedanz vorzugsweise jeweils den gleichen Nennwiderstand, sie können jedoch voneinander verschiedene Nennwiderstände haben, um an anderer Stelle in der Schnittstellenschaltung auftretende, nicht abgeglichene Impedanzen auszugleichen. Aus demselben Grund kann der zweite Widerstand ebenfalls in gleicher Weise zwischen dem positiv und dem negativ gepolten Leiter geteilt sein.
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Um die Konformität mit den elektrischen Anforderungen von IEC61158-2-Feldbus-Geräten zu unterstützen, kann der erste Widerstand einen Nennwiderstand von 50 Ohm und der zweite Widerstand gleichfalls einen Nennwiderstand von 50 Ohm haben. Dementsprechend kann der erste Widerstand aus zwei 25 Ohm-Reihenwiderständen, einen im positiv gepolten Leiter und einen im negativ gepolten Leiter, bestehen und der zweite Widerstand kann ebenfalls aus zwei 25-Ohm-Reihenwiderständen, einen im positiv gepolten Leiter und einen im negativ gepolten Leiter, bestehen.
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Um zwischen dem Ausgang des Senders und den zwei Busleitungen eine Gleichstromisolierung vorzusehen, kann der Ausgang des Senders über zweiten Widerstand, umfassend eine Kapazität und einen ohmschen Widerstand, mit dem Punkt zwischen dem Blindwiderstand und dem ersten Widerstand verbunden werden, wobei die Kapazität und der ohmsche Widerstand in Reihe geschaltet sind. Da die Ausgangsimpedanz des Senderausgangs niedrig ist, bildet sie effektiv einen Kurzschluss für auf sie gerichtete Wechselstromsignale und der zweite Widerstand wirkt somit als Abschlusswiderstand. Im Falle, dass der ohmsche Widerstand aus zwei abgeglichenen Reihenwiderständen besteht, besteht die Kapazität ebenfalls aus zwei abgeglichenen Reihenkondensatoren.
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Es ist wünschenswert, dass Signale, die vom Sender über die Datenbus-Schnittstelle in ein verbundenes Gerät gesendet werden, stabil und nicht für Oszillation oder Instabilität anfällig sind oder zu einer Signalverzerrung führen, falls die Lastimpedanz des Geräts zwischen einer voll abgeschlossenen Last und einer höheren Impedanz schwankt oder andere Schaltungen zugeschaltet werden. Die Schnittstellenschaltung kann daher eine zusätzliche Impedanz und einen zusätzlichen Schalter zum Zuschalten der zusätzlichen Impedanz zwischen dem positiv und dem negativ gepolten Leiter der beiden Busleitungen umfassen, wobei die zusätzliche Impedanz mit den zwei Busleitungen an einem Punkt zwischen dem ersten Widerstand und den Steckverbinderklemmen verbunden ist. Dementsprechend kann die zusätzliche Impedanz zugeschaltet werden, wenn sie benötigt wird, um etwaige an der Datenbus-Schnittstelle auftretende Signalinstabilitäten zu dämpfen.
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Die Schnittstellenschaltung kann des Weiteren eine andere zwischen dem positiv und dem negativ gepolten Leiter der zwei Busleitungen verbundene Impedanz umfassen, wobei diese andere Impedanz mit den zwei Busleitungen über den ersten und zweiten Widerstand am Ausgang des Senders verbunden ist. Diese Impedanz kann daher dabei helfen, Signalinstabilitäten, die am Ausgang des Senders auftreten können, zu dämpfen. Diese Impedanz kann optional mit den zwei Busleitungen über einen anderen Schalter verbunden sein, so dass sie je nach Anforderungen zur Schnittstellenschaltung zu- und aus ihr herausgeschaltet werden kann.
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Elektrische Komponenten, die geschaltet sind, um Strom zwischen gleich gepolten Leitern zu leiten, werden als Reihenkomponenten betrachtet, zum Beispiel die Reihenwiderstände des ersten und zweiten Widerstands. Im Gegensatz dazu werden elektrische Komponenten, die geschaltet sind, um zwischen entgegengesetzt gepolten Leitern Strom zu leiten, als Nebenschlusskomponenten (Shunts) betrachtet, zum Beispiel die zusätzliche Impedanz und der zusätzliche Schalter oder die andere Impedanz und der andere Schalter.
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Der Gerätetyp muss der Schnittstellenschaltung während des Geräteanschlusses/'Einschaltens' bzw. jederzeit, wenn ein Gerät angeschlossen oder eingeschaltet wird, bekannt sein, oder sie muss in der Lage sein, festzustellen, welcher Gerätetyp angeschlossen ist, so dass das Signalisierungsprotokoll bestimmt und von diesem Zeitpunkt an beibehalten werden kann.
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Vorzugsweise pollt die Schnittstellenschaltung das verbundene Gerät unter Verwendung eines Protokolls und verwendet, falls das Gerät keine Antwort zurücksendet, ein anderes Protokoll, wobei dann eine Antwort zurückgesendet wird, wenn ein funktionales Gerät angeschlossen ist. Wurde für die Kommunikation mit einem Gerät ein bestimmtes Protokoll etabliert, wird das Protokoll beibehalten und weiteres Polling ist nicht notwendig. Insbesondere kann die Schnittstellenschaltung so konfiguriert sein, dass sie zwischen dem ersten Signalisierungsprotokoll und dem zweiten Signalisierungsprotokoll wählt, indem sie über die zwei Busleitungen mit einem Signalisierungsprotokoll Daten überträgt, das aus dem ersten und zweiten Signalisierungsprotokoll ausgewählt wurde, und:
falls vom Empfänger eine gültige Antwort auf die gesendeten Daten empfangen wird, feststellt, dass ein Gerät mit der Datenbus-Schnittstelle verbunden ist, das das aus den Signalisierungsprotokollen ausgewählte verwendet; oder
falls vom Empfänger keine gültige Antwort auf die gesendeten Daten empfangen wird, über die zwei Busleitungen Daten in einem anderen der Signalisierungsprotokolle sendet, und feststellt, dass ein Gerät, das dieses Protokoll verwendet, mit der Datenbus-Schnittstelle verbunden ist, falls vom Empfänger eine gültige Antwort auf diese Daten empfangen wird.
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Ersatzweise kann das Signalisierungsprotokoll basierend auf einer bekannten Beziehung zwischen der Gerätestromstärke und dem Signalisierungsprotokolltyp festgestellt werden. Die Gerätestromstärke kann gemessen werden und das passende Signalisierungsprotokoll kann basierend auf dieser bekannten Beziehung ausgewählt werden. Oder das Signalisierungsprotokoll kann basierend auf den Eigenschaften des Geräts beim Erstanschluss ermittelt werden, zum Beispiel eine Strommenge die vom Gerät beim ersten Anschluss an die Datenbus-Schnittstelle zunächst entnommen wird. Es kann daher sein, dass die Schnittstellenschaltung nicht erst die Kommunikation aufnehmen muss, um den Typ des angeschlossenen Geräts aus einer Geräteantwort zu ermitteln.
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Als andere Alternative kann der Schnittstellenschaltung im Voraus mitgeteilt werden, welcher Gerätetyp an die Datenbus-Schnittstelle angeschlossen wird, ohne dass weitere Maßnahmen oder Übertragungen notwendig sind, so dass das korrekte Protokoll und die korrekte Signalisierung von Anfang an initialisiert werden. Dies kann auch auf geschaltete Komponenten zutreffen, die eventuell für ein Altgerät eingefügt werden müssen, wenn dies im Voraus durchgeführt werden kann. Dieser Prozess kann automatisch oder manuell, lokal oder ferngesteuert durchgeführt werden, wobei er im letzteren Fall durch Verweise auf eine Gerätetyp-Datenbank, die manuell oder automatisch übergangen werden kann, automatisch ausgeführt werden kann.
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Nachdem der Gerätetyp mit vorstehenden alternativen Verfahren bestimmt wurde, kann die Schnittstellenschaltung immer noch Daten senden, um festzustellen, ob der Gerätetyp korrekt ist.
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Oder das angeschlossene Gerät kann vielmehr in der Lage sein, sowohl im ersten als auch im zweiten Signalisierungsprotokoll zu kommunizieren, oder es kann teilweise doppelprotokollfähig sein, so dass das Gerät der Schnittstellenschaltung in beiden Protokollen mitteilen kann, welches Protokoll vom Gerät bevorzugt wird. Ist das erste Gerät ein Altgerät, wird es selbstverständlich nicht in der Lage sein, das bei höherer Geschwindigkeit angewandte Protokoll zu verwenden.
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Wenn die Kommunikation unterbrochen ist oder wenn eine Trennung des Geräts festgestellt wird, kann die Protokollermittlung/-prüfung, wenn das Gerät wieder angeschlossen wird, oder während der ”Stille” optional erneut erfolgen.
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Um die Fähigkeit der Schnittstellenschaltung zu verbessern, mit Geräten umzugehen, die verschiedene Protokolle verwenden, kann der Sender eine Vielzahl von Senderschaltungen umfassen, zwischen denen abhängig vom Signalisierungsprotokoll, das zur Verwendung durch den Sender ausgewählt wurde, umgeschaltet wird. Sollte die Kommunikation zwischen einem bestimmten Senderschaltungstyp und einem bestimmten Gerätetyp nicht möglich oder inkompatibel sein, kann eine alternative Senderschaltung, die kompatibel sein kann, automatisch oder manuell an dessen Stelle geschaltet werden, so dass die Kommunikation mit diesem Gerät erfolgreich sein kann. Der Empfänger kann gleichfalls eine Vielzahl von Empfängerschaltungen umfassen, zwischen denen, abhängig vom Signalisierungsprotokoll, das zur Verwendung durch den Sender ausgewählt wurde, umgeschaltet wird.
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Die Klemmen und Verkabelung und die Spezifikation zwischen Datenbus-Schnittstelle und Gerät sind vorzugsweise für die IEC61158-2-Altgeräte und die Geräte höherer Geschwindigkeit die gleichen, so dass keine Adapter oder Änderungen notwendig sind. Dann kann ein Altgerät gegen ein Gerät höherer Geschwindigkeit unter Verwendung derselben Kabelseelen/-drähte ausgetauscht werden. Entsprechend können das erste und zweite Gerät an die Steckverbinderklemmen anschließbar sein, indem ein erstes Ende eines Buskabels mit den Steckverbinderklemmen verbunden wird und ein erstes Gerät oder ein zweites Gerät mit einem zweiten Ende des Buskabels verbunden wird. Weiterhin kann das erste Gerät an die Steckverbinderklemmen anschließbar sein, indem ein erster Bus mit den Steckverbinderklemmen verbunden wird, wobei der erste Bus mit dem ersten Gerät verbunden wird, und das zweite Gerät kann an die Steckverbinderklemmen anschließbar sein, indem ein zweiter Bus mit den Steckverbinderklemmen verbunden wird, wobei der zweite Bus mit dem zweiten Gerät verbunden wird.
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Der erste und zweite Widerstand können vorteilhafterweise in der Summe einen an eine Wellenimpedanz des Buskabels angepassten Wert haben. Diese Wellenimpedanz kann vom zweiten Signalisierungsprotokoll benötigt werden, damit das zweite Gerät die gewünschten Signale auf dem Buskabel erzeugen kann. Die Wellenimpedanz ist für das zweite Signalisierungsprotokoll relevant, falls das zweite Signalisierungsprotokoll im Vergleich zur Länge des Buskabels eine ausreichend hohe Frequenz aufweist, so dass Übertragungsleitungseffekte wichtig werden. Das Angleichen der Summe des ersten und zweiten Widerstands an die Wellenimpedanz des Buskabels ist, wie dem Fachmann ersichtlich, nützlich um zu verhindern, dass Signale vom Gerät von der Schnittstellenschaltung zurück in das Buskabel reflektiert werden.
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Die Länge des Buskabels von der Datenbus-Schnittstelle bis zum Gerät ist vorzugsweise 120 m plus oder minus einer angemessenen Anzahl von Metern, so dass dies bei Altgeräten als eine Abzweigleitung eingeordnet wird, die keine weiteren Abschlusswiderstände an der Geräteseite des Buskabel benötigt. Sind Geräte höherer Geschwindigkeit an das Buskabel angeschlossen, kann in das Gerät höherer Geschwindigkeit ein Abschlusswiderstand eingebaut sein, und das Kabel kann daher länger als 120 m sein oder es kann zu einem späteren Zeitpunkt verlängert werden, falls es für ein Gerät höherer Geschwindigkeit verwendet wird. Der erste Widerstand und der zweite Widerstand haben als Anpassung an die Impedanz eines Kabels mit einer Wellenimpedanz von 100 Ohm vorzugsweise eine Summe von 100 Ohm.
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In Übereinstimmung mit dem beigefügten Anspruch 17 kann die Schnittstellenschaltung als Teil eines Netzwerk-Switches oder Netzwerkgerätekopplers implementiert werden. Falls die summierte Signalstromstärke im Switch oder dem Gerätekoppler eingeschränkt oder begrenzt ist, sollte der Anschluss eines Geräts diese summierte Stromstärke nicht überschreiten. In Übereinstimmung mit dem beigefügten Anspruch 18 können der Netzwerk-Switch oder der Netzwerkgerätekoppler zusammen mit dem Buskabel und einem von dem ersten oder zweiten Gerät ein Netzwerk bilden.
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Im Einsatz erstreckt sich der Datenbus von der Schnittstellenschaltung entweder zum ersten Gerät oder zum zweiten Gerät. Normalerweise sind über den Datenbus nur zwei Geräte verbunden, d. h. die Schnittstellenschaltung und entweder das erste oder zweite Gerät, so dass der Datenbus aus einer einfachen Direktdatenverbindung besteht. Unter bestimmten Umständen und in Abhängigkeit von den Kennzahlen der jeweiligen Geräte kann es jedoch möglich sein, dass mehr als ein erstes Gerät oder mehr als ein zweites Gerät an den Datenbus angeschlossen sind. Die ersten und zweiten Geräte können typischerweise nicht mit demselben Datenbus für einander verwendet werden, es sein denn, wenigsten eines der Geräte ist in der Lage, sowohl in dem ersten als auch dem zweiten Signalisierungsprotokoll zu arbeiten, so dass über den gesamten Bus dasselbe Signalisierungsprotokoll verwendet wird.
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Ausführliche Beschreibung
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Ausführungsformen der Erfindung werden nun mit Hilfe von nicht einschränkenden Beispielen und durch Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1a einen schematischen Schaltplan einer Schnittstellenschaltung zeigt, die mit einem Altgerät gemäß IEC61158-2 oder einem Gerät höherer Geschwindigkeit verbunden ist, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung,
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1b einen detaillierteren Schaltplan einer Art und Weise zeigt, wie die Schaltung aus 1a konfiguriert sein kann,
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2a einen Ersatzschaltplan der von einem Sender der Schnittstellenschaltung wahrgenommenen Gleichstromimpedanz zeigt, wenn dieser an ein Gerät höherer Geschwindigkeit sendet,
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2b einen Ersatzschaltplan der von einem Sender der Schnittstellenschaltung wahrgenommenen Gleichstromimpedanz zeigt, wenn dieser an ein Altgerät gemäß IEC61158-2 sendet,
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2c einen Ersatzschaltplan der vom Gerät höherer Geschwindigkeit wahrgenommenen Impedanz zeigt, wenn dieses an die Schnittstellenschaltung sendet,
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2d einen Ersatzschaltplan der von dem Altgerät gemäß IEC61158-2 wahrgenommenen Gleichstromimpedanz zeigt, wenn dieses an die Schnittstellenschaltung sendet,
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3a ein Flussdiagramm eines Prozesses in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung für die Bestimmung des mit der Schnittstellenschaltung verbundenen Gerätetyps, zeigt und
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3b ein Flussdiagramm eines anderen Prozesses in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung für die Bestimmung des mit der Schnittstellenschaltung verbundenen Gerätetyps, zeigt.
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Dieselben oder ähnliche Bezugszeichen verweisen auf dieselben oder ähnliche Merkmale.
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Der schematische Schaltplan aus 1 zeigt eine mit einem Gerät 6 verbundene Schnittstellenschaltung. In dieser Ausführungsform ist das Gerät 6 entweder ein Feldbus-Gerät gemäß IEC61158-2 oder ein Gerät höherer Geschwindigkeit. Wie dem Fachmann ersichtlich, kommuniziert das Feldbus-Gerät gemäß IEC61158-2 unter Verwendung von Manchester-Codierung bei 31,25 Kbps. Das Gerät höherer Geschwindigkeit in dieser Ausführungsform kommuniziert unter Verwendung von 8B10B-Codierung mit der Modulationsart Amplitudenumtastung (Amplitude-Shift Keying, ASK) bei Geschwindigkeiten von 2 Mbps und 10 Mbps. Die 8B10B-Codierung ist eine bekannte Codierungsart, die, wie dem Fachmann ersichtlich, verwendet werden kann, um einen Gleichspannungsausgleich zu gewährleisten. Bei der Amplitudenumtastung kann es sich um 2ASK handeln, eine Amplitudenumtastungsart, bei der zur Codierung des eingehenden Bitstroms nur zwei verschiedene Symbole verwendet werden. Andere Codierungsschemata, Modulationsformate und Übertragungsgeschwindigkeiten können jedoch ebenfalls in alternativen Ausführungsformen verwendet werden.
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Die Schnittstellenschaltung stellt eine Schnittstelle zu demjenigen Typ dieses Geräts 6 her, mit dem sie verbunden ist. Das Gerät 6 ist über ein Zweidraht-Buskabel 5 mit einer eine Datenbus-Schnittstelle 7 umfassenden Generalschnittstelle verbunden. Die Zweidraht-Datenbus-Schnittstelle 7 verbindet einen Datenbus 14 an das Buskabel 5. Das Buskabel 5 kann innerhalb der typischen, für Feldbus-Netzwerke bekannten Konfigurationen aus Haupttrasse und Abzweigungen eine Abzweigschaltung bilden.
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Die Datenbus-Schnittstelle 7 erhält Strom von einer eigensicheren Spannungsquelle 12 mit niedriger Ausgangsimpedanz, die mit beiden Typen des Geräts 6 kompatibel ist und IEC60079-11 erfüllt. Die Spannungsquelle 12 ist spannungsbegrenzt und ihr Ausgangsstrom an die Datenbus-Schnittstelle 7 wird durch einen unfehlbaren Widerstand 4 begrenzt, der für eine eigensichere Strombegrenzung sorgt. Der unfehlbare Widerstand 4 ist so ausgelegt, dass er mit der Norm IEC60079-11 kompatibel ist und vorzugsweise Anforderungen der Zone 0 erfüllt, kann aber auch für die Zone 2 und/oder alle Gasgruppen oder Staubgruppen ausgelegt sein. In einer alternativen Ausführungsform ist die Spannungsquelle 12 keine eigensichere Spannungsquelle und erfüllt daher IEC60079-11 nicht.
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Zwischen der Spannungsquelle 12 mit niedriger Impedanz und dem unfehlbaren Widerstand 4 ist zur Erfüllung der korrekten Modulationsimpedanz für beide Typen des Geräts 6 ein Blindwiderstand 10 eingefügt, so dass der Datenbus durch Signale von einem Sender 13 moduliert und von der Spannungsquelle 12 mit niedriger Impedanz isoliert werden kann. In dieser Ausführungsform ist der Blindwiderstand 10 ein Induktor, könnte ersatzweise aber auch durch eine LC- oder LCR-Schaltung oder einen aktiven Gyrator gebildet werden. Der unfehlbare Widerstand 4 ist zwischen den Datenbus 14 und den Blindwiderstand 10 geschaltet, so dass der unfehlbare Widerstand 4 und der Blindwiderstand 10 in Reihe zwischen dem Datenbus 14 und der Spannungsquelle 12 geschaltet sind.
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Um Daten an das Gerät 6 zu senden, wird der Sender 13 mit niedriger Impedanz an einem Punkt nach dem Blindwiderstand 10 mit dem Datenbus verbunden, aber in dieser speziellen Ausführungsform ist er zwischen dem Blindwiderstand 10 und dem unfehlbaren Widerstand 4 an Punkt 15 verbunden. Dieser Sender 13 ist ein spannungsgetriebener Modulator und kann unter Verwendung sowohl von Protokollen für niedrige und hohe Geschwindigkeiten senden. Der Sender 13 ist konfiguriert, um bei den korrekten Spannungen, die für den Typ des Geräts 6 geeignet sind, auf dem Datenbus zu senden.
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Um Daten vom Gerät 6 zu empfangen, umfasst die Schaltung einen Empfänger 1 mit hoher Impedanz, der mit einem Punkt des Datenbusses nach dem Blindwiderstand 10 verbunden sein kann. Wenn das Gerät 6 ein (Feldbus-)Altgerät (gemäß IEC61158-2) ist, wird in dieser Ausführungsform das Ende des Buskabels 5, an dem das Gerät 6 angeschlossen ist, nicht mit einem 100-Ohm-Abschlusswiderstand ausgestattet. Ein 100-Ohm-Abschlusswiderstand ist normalerweise zur Erfüllung der IEC61156-2-Regeln für Abzweige erforderlich und wird faktisch durch die Schnittstellenschaltung anstelle einer extra dafür vorgesehenen Abschlusswiderstandsvorrichtung bereitgestellt.
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Das Altgerät hat eine Konstantstrom-Sendeschaltung und benötigt daher diese von der Schnittstellenschaltung bereitgestellte Impedanzlast, um zu verhindern, dass das von ihm gesendete Signal eine bestimmte Spitze-Spitze-Spannung übersteigt. Anderenfalls könnte das Signal verzerrt werden und/oder dazu führen, dass der Eingangsspannungsbereich des Empfängers 1 überschritten wird. Wenn das Gerät 6 sendet, muss der Empfänger 1 in der Lage sein, das Signal zu erkennen, wenn das Gerät 6 mit dem niedrigsten zulässigen Spannungspegel oder der äquivalenten, sich durch die niedrigste konstante Stromstärke ergebenden Spannung sendet, und durch die Schnittstellenschaltung erzeugte Dämpfungen einzurechnen.
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Da die Sendevorrichtung 13 der Schnittstellenschaltung einen Ausgang mit niedriger Impedanz hat, was zu einer wesentlichen Last für von Altgeräten gesendete Signale führen würde, so dass das Signal für den Empfänger 1 nicht länger erkennbar wäre, wird eine Impedanz 3 am Ausgang des Senders 13 eingefügt, um die Lastimpedanz zwischen Sender 13 und Gerät 6 zu erhöhen. Die Impedanz 3 ist in Reihe mit dem unfehlbaren Widerstand 4 zwischen dem Sender 13 und dem Datenbus 14 geschaltet, so dass der Widerstand 4 und die Impedanz 3 addiert werden. In dieser Ausführungsform addieren sich der Widerstand 4 und die Impedanz 3, um einen Abschlusswiderstand oder eine Impedanzlast von ungefähr 100 Ohm bereitzustellen. Das Gerät 6 nimmt dies faktisch als über das Buskabel 5 auftretend wahr.
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Im Falle das Gerät 6 ein Gerät höherer Geschwindigkeit ist, wird das Gerät höherer Geschwindigkeit mit einem integrierten Abschlusswiderstand (nicht gezeigt) ausgestattet. Dies ist, wie dem Fachmann ersichtlich, der Fall, da es die von der Schnittstellenschaltung erzeugte Impedanz nicht wahrnimmt, da die Wellenlänge seiner Signalübertragungen im Vergleich zur Länge des Kabels 5 kurz sein kann.
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Signale, die auf dem Datenbus 14 in die Schnittstellenschaltung übertragen werden, nehmen eine Last von ungefähr 100 Ohm (wenn der Blindwiderstand 10 nicht berücksichtigt wird) wahr, die die Signalreflexionen bei Geräten hoher Geschwindigkeit dämpft oder eingrenzt und jedem Altgerät eine Signallast bereitstellt, die eine für Altgeräte gemäß IEC61158-2, die einen eigensicheren Ausgangsport haben, zulässige Last ist.
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Die Last für IEC61158-2-Altgeräte sollte idealerweise 50 Ohm betragen, die typische Last für eigensichere Geräte, die einen obligatorischen mit dem Datenbus verbundenen unfehlbaren Widerstand umfassen, kann jedoch überall innerhalb des Bereichs von 50 Ohm bis 140 Ohm liegen und immer noch konform sein. 100 Ohm sind daher konform.
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Ist das verbundene Gerät 6 ein IEC61158-2-Altgerät, wird dem Sender 13 eine sehr geringe Last bereitgestellt, da ein IEC61158-2-Altgerät typischerweise eine sehr hohe Eingangsimpedanz von typischerweise mehr als 3 kOhm hat. Dies kann zu Instabilitäten in der Schaltung, Ringing oder zu Oszillation führen, wenn der Sender Signale sendet. Wird zur Bereitstellung von Last für den Sender eine niedrigere Impedanz benötigt und/oder benötigt der Sender 13 eine niedrigere Last als die Geräteimpedanz, kann eine zusätzliche Nebenschlussimpedanz 9 automatisch oder manuell mit dem Schalter 8 zugeschaltet werden. Die Steuerung der Zuschaltung kann basierend auf dem Typ des angeschlossenen Geräts 6 erfolgen.
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Die zusätzliche Nebenschlussimpedanz 9 kann durch eine andere Nebenschlussimpedanz 11 beim Sender 13 ergänzt werden, die in Reihe mit einem Schalter zum Zu- und Herausschalten der Impedanz 11 zur oder aus der Schaltung geschaltet ist. In einer alternativen Ausführungsform kann die Impedanz 11 jedoch auch ohne den Schalter dauerhaft zwischen den Senderausgängen geschaltet sein. Theoretisch benötigt ein eine Spannung bereitstellender Sender mit niedriger Ausgangsimpedanz keine stabilisierenden Schaltungen, wenn er in eine Schaltung mit hoher Impedanz sendet, wenn die Länge des Buskabels 5 auf 120 m begrenzt ist. Tritt jedoch Instabilität auf, kann die Bereitstellung von Extra-Last (Impedanz 11 und/oder Impedanz 9) notwendig sein oder kann für das Altgerät zugeschaltet werden müssen.
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Die Impedanzen 9 und 11 können jeweils einen mit einem Kondensator in Reihe geschalteten Widerstand umfassen. Durch den Kondensator können Wechselstromkomponenten beseitigt werden.
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Ist das angeschlossene Gerät 6 ein Gerät höherer Geschwindigkeit, ist die dem Ausgang des Senders 13 bereitgestellte Impedanz ohne die Impedanzen 9 und 11, die herausgeschaltet werden können, ausreichend. Dies ist der Fall, da der Sender mit einer höheren Frequenz sendet und der Sender 13 damit die Wellenimpedanz des Buskabels 5 wahrnimmt, statt der Eingangsimpedanz des Geräts höherer Geschwindigkeit. Die Lastbereitstellung für den Sender 13 erfolgt damit nur durch das Kabel 5 und die Impedanz 3 und den Widerstand 4. Da die Impedanz 3 und der Widerstand 4 zusammen eine Impedanz von 100 Ohm bereitstellen und die Wellenimpedanz des Kabels 100 Ohm beträgt, beträgt die Last für den Sender 200 Ohm.
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Wenn das Gerät höherer Geschwindigkeit sendet, nimmt es eine Impedanzlast von 50 Ohm wahr. Diese ergibt sich aus dem eigenen 100-Ohm-Abschlusswiderstand des Geräts höherer Geschwindigkeit und der 100-Ohm-Wellenimpedanz des Buskabels 5, die zueinander parallel geschaltet auftreten. Der 100-Ohm-Abschlusswiderstand und die 100-Ohm-Eingangsimpedanz der Impedanz 3 und des Widerstands 4, sind beide an die Wellenimpedanz des Buskabels 5 angepasst und helfen daher dabei, Signalreflexionen zu verhindern.
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Der Sender 13 umfasst zwei Senderschaltungen, die abhängig vom Typ des angeschlossenen Geräts 6 (Altgerät oder hohe Geschwindigkeit) aktiviert werden. Der Sender kann automatisch oder manuell so eingestellt werden, dass eine der Senderschaltungen zur Verwendung ausgewählt wird, wobei die nicht verwendete Senderschaltung isoliert wird. In einer alternativen Ausführungsform übernimmt eine einzige Senderschaltung die Kommunikation für sowohl Altgeräte als auch Geräte hoher Geschwindigkeit.
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Ein Schaltplan, der eine Art und Weise zeigt, wie die schematische Schaltung aus 1a implementiert werden kann, wird nun unter Bezugnahme auf 1b beschrieben. Die Datenbus-Schnittstelle 7 umfasst zwei Steckverbinderklemmen 7a und 7b, an die die zwei Drähte des Zweidraht-Buskabels 5 angeschlossen werden können. Die Steckverbinderklemmen 7a und 7b sind jeweils mit dem positiv und dem negativ gepolten Leiter 14a bzw. 14b des Datenbusses 14 verbunden.
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Der unfehlbare Widerstand 4 wird durch zwei Reihenwiderstände 4a und 4b gebildet, die jeweils in den positiv und den negativ gepolten Leiter 14a bzw. 14b geschaltet sind. Die Reihenwiderstände haben in dieser Ausführungsform jeweils einen Widerstand von 25 Ohm und bilden im Datenbus zusammen einen abgeglichenen Widerstand von 50 Ohm. In ähnlicher Weise wird der Blindwiderstand 10 durch zwei Reiheninduktoren 10a und 10b gebildet, die jeweils über die Reihenwiderstände 4a und 4b mit dem positiv und dem negativ gepolten Leiter 14a bzw. 14b verbunden sind. Die Spannungsquelle 12 hat eine positive und negative Spannungsausgangsklemme, die jeweils über die Reiheninduktoren 10a bzw. 10b und die Reihenwiderstände 4a bzw. 4b mit dem positiv bzw. dem negativ gepolten Leiter 14a bzw. 14b verbunden sind.
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An Punkt 15 entlang des Datenbusses zwischen dem unfehlbaren Widerstand 4 und dem Blindwiderstand 10, ist die Impedanz 3 geschaltet. Die Impedanz 3 wird durch zwei Reihenwiderstände 3a und 3b und zwei Reihenkondensatoren 3c und 3d gebildet. Der positiv gepolte Leiter 15a an Punkt 15 ist mit dem Widerstand 3a und dem Kondensator 3c verbunden, die zwischen den Leitern 15a und 13a in Reihe zueinander angeordnet sind. Der negativ gepolte Leiter 15b an Punkt 15 ist mit dem Widerstand 3b und dem Kondensator 3d verbunden, die zwischen den Leitern 15b und 13b in Reihe zueinander angeordnet sind. Die Leiter 13a und 13b sind die positiv und negativ gepolten Ausgänge des Senders 13. Die zwei Reihenwiderstände 3a und 3b haben in dieser Ausführungsform jeweils einen Widerstand von 25 Ohm und bilden daher zwischen dem Ausgang des Senders und dem Punkt 15 zusammen einen abgeglichenen Widerstand von 50 Ohm.
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Der Empfänger 1 ist zum Empfang von an den Datenbus 14 gesendeten Spannungssignalen an Punkt 15 zwischen den positiv und den negativ gepolten Leiter 15a und 15b geschaltet. In einer alternativen Ausführungsform kann der Empfänger 1 mit einem Spannungsteiler zwischen den positiv und negativ gepolten Leiter 15a und 15b geschaltet sein, um zu helfen, das gewährleistet wird, dass die von ihm empfangenen Spannungspegel in seinem Bereich liegen. In alternativen Ausführungsformen könnte der Empfänger 1 zwischen den positiv und negativ gepolten Leiter an einem Punkt zwischen dem Sender 13 und der Datenbus-Schnittstelle 7 geschaltet sein.
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Die zusätzliche Impedanz 9 und der Schalter 8 sind im Nebenschluss zwischen den positiv und negativ gepolten Leiter 14a und 14b geschaltet. Die andere Impedanz 11 und der Schalter 11s sind im Nebenschluss zwischen den positiv und negativ gepolten Leiter 13a und 13b geschaltet.
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Um bei der Veranschaulichung der Wechselstromimpedanzen, die vom Sender 13 und dem Gerät 6 während des Sendens von Signalen wahrgenommen werden, zu helfen, werden im Folgenden mit Bezugnahme auf die 2a bis 2d verschiedene Wechselstrom-Ersatzschaltungen beschrieben. Die verschiedenen Wirkkomponenten und Empfangseingänge der Geräte haben hohe Impedanzen und werden daher in diesen Ersatzschaltungen ignoriert. Da dies Ersatzschaltungen sind, werden die Impedanz 3 und der unfehlbare Widerstand 4 in 2a und 2b im positiv gepolten Leiter gezeigt, wohingegen sie in Wirklichkeit, wie in 1b gezeigt, zwischen dem positiv und dem negativ gepolten Leiter aufgeteilt sind.
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2a zeigt die Wechselstrom-Ersatzschaltung, die der Sender 13 wahrnimmt, wenn er Hochfrequenzsignale an das Gerät 6 überträgt, wenn das Gerät 6 ein Gerät höherer Geschwindigkeit ist. Der Sender 13 nimmt die Impedanz 3 und den unfehlbaren Widerstand 4 in Reihe und die Wellenimpedanz des Buskabels 5 als Nebenwiderstand wahr, so dass die Gesamtlast am Senderausgang 200 Ohm ist. Das Gerät höherer Geschwindigkeit hat einen internen Abschlusswiderstand, der aufgrund der kurzen Wellenlänge des mit einer höheren Frequenz gesendeten Signals vom Sender 13 jedoch nicht wahrgenommen wird.
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2b zeigt die Wechselstrom-Ersatzschaltung, die der Sender 13 wahrnimmt, wenn er Signale niedrigerer Frequenz an das Gerät 6 überträgt, wobei das Gerät 6 ein Altgerät gemäß IEC61158-2 ist. Da das Gerät 6 ein Altgerät ist, ist der Schalter 8 geschlossen und verbindet die Impedanz 9 im Nebenschluss mit den zwei Leitern 14a und 14b des Datenbusses. Der Sender 13 nimmt daraufhin die Impedanz 3 und den unfehlbaren Widerstand 4 in Reihe und die Impedanz 9 als Nebenwiderstand wahr, so dass die Gesamtlast am Senderausgang wiederum 200 Ohm ist. Der Sender 13 nimmt die Wellenimpedanz des Buskabels 5 nicht wahr, wenn das IEC61158-2-Altgerät angeschlossen ist, da die Signalisierungsfrequenz des Senders 13 niedriger ist, so dass, wie dem Fachmann ersichtlich, die Übertragungsleitungseffekte nicht wesentlich sind. Die Impedanzen 3, 4 und 9 werden mit gepunkteten Linien dargestellt, da sie nur relevant sind, wenn der Schalter 8 geschlossenen ist. Ist der Schalter 8 geöffnet, werden die Impedanzen 3 und 4 von der sehr hohen Eingangsimpedanz des IEC61158-2-Altgeräts (ungefähr 3 kOhm) dominiert.
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2c zeigt die Wechselstrom-Ersatzschaltung, die das Gerät 6 wahrnimmt, wenn es Signale mit höherer Frequenz an die Schnittstellenschaltung sendet, wobei das Gerät 6 ein Gerät höherer Geschwindigkeit ist. Das Gerät höherer Geschwindigkeit hat einen integralen Abschlusswiderstand 16 von 100 Ohm im Nebenschluss. Dies hilft dabei, die Spannungsschwankungen auszuregeln, die auftreten, wenn seine Stromquellen Strom bei hoher Frequenz modulieren. Das Gerät höherer Geschwindigkeit nimmt außerdem die Wellenimpedanz von 100 Ohm des Buskabels 5 in Parallelschaltung mit dem integralen Abschlusswiderstand 16 wahr. Dementsprechend nimmt das Gerät höherer Geschwindigkeit eine Impedanz von 50 Ohm wahr. Die Impedanzen in der Schnittstellenschaltung werden vom Gerät höherer Geschwindigkeit aufgrund seiner hohen Signalisierungsgeschwindigkeit nicht wahrgenommen. Sobald die von ihm gesendeten Signale die Schnittstellenschaltung erreichen, nehmen sie die an die Wellenimpedanz des Buskabels 5 angepassten Impedanzen 3 und 4 mit insgesamt 100 Ohm wahr.
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2d zeigt die Wechselstrom-Ersatzschaltung, die das Gerät 6 wahrnimmt, wenn es Signale mit niedrigerer Frequenz an die Schnittstellenschaltung sendet, wobei das Gerät 6 ein IEC61158-2-Altgerät ist. Da das Gerät 6 ein Altgerät ist, ist der Schalter 8 geschlossen und verbindet die Impedanz 9 im Nebenschluss mit den zwei Leitern 14a und 14b des Datenbusses. Das Altgerät hat keine Abschlusswiderstände und sendet bei einer niedrigeren Frequenz, so dass die Übertragungsleitungseffekte des Buskabels 5 nicht wahrgenommen werden. Dementsprechend nimmt das Altgerät die Nebenschlussimpedanz 9 und die Impedanzen 3 und 4 im Nebenschluss wahr, was eine Last von 50 Ohm ergibt. Die Impedanzen 3 und 4 treten in der Ersatzschaltung als Nebenanschlüsse auf, da sie mit dem Sender 13 verbunden sind, wodurch, wie dem Fachmann ersichtlich, effektiv die auf ihn gerichteten Wechselstromsignale absorbiert werden.
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Prozesse, mit denen die Schnittstellenschaltung erkennen oder feststellen kann, von welchem Typ das an sie angeschlossene Gerät 6 ist, werden in 3a und 3b gezeigt. 3a verwendet ein Verfahren zum Polling oder Abfragen des Geräts, indem verschiedene Protokolle verwendet werden, bis das Gerät antwortet. 3b verwendet eine Gerätetyp-Datenbank, um im Voraus festzustellen, welches Protokoll zu verwenden ist, und um dann in dem korrekten Protokoll zu kommunizieren, ohne dass das Gerät zuvor integriert werden muss. Es kann darüber hinaus auch ein Abfrageverfahren wie in 3a verwenden, falls das Gerät von einem anderen als in der Gerätetyp-Datenbank aufgeführten Typ ist.
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Viele andere Varianten der beschriebenen Ausführungsformen, die in den Schutzbereich der Erfindung fallen, sind einem Fachmann ersichtlich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Empfänger
- 2
- Zone
- 3
- Impedanz
- 3a
- Reihenwiderstand
- 3b
- Reihenwiderstand
- 3c
- Reihenkondensator
- 3d
- Reihenkondensator
- 4
- Widerstand
- 4a
- Reihenwiderstand
- 4b
- Reihenwiderstand
- 5
- Zweidraht-Buskabel
- 6
- Gerät
- 7
- Datenbus-Schnittstelle
- 7a
- Steckverbinderklemme
- 7b
- Steckverbinderklemme
- 8
- Schalter
- 9
- Impedanz
- 10
- Blindwiderstand
- 10a
- Reiheninduktor
- 10b
- Reiheninduktor
- 11
- Impedanz
- 11s
- Schalter
- 12
- Spannungsquelle
- 12a
- positiv gepolter Leiter
- 12b
- negativ gepolter Leiter
- 13
- Sender
- 13a
- positiv gepolter Leiter
- 13b
- negativ gepolter Leiter
- 14
- Datenbus
- 14a
- positiv gepolter Leiter
- 14b
- negativ gepolter Leiter
- 15
- Punkt
- 15a
- positiv gepolter Leiter
- 15b
- negativ gepolter Leiter
- 16
- Abschlusswiderstand