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  • 优先权
    • 专利摘要:
    In einer Empfängerschaltung für APM-kodierte Daten, die in Abhängigkeit der Signalamplitude eines Datentelegramms und getrennt nach positiven und negativen Spannungspulsen abgetastet werden, insbesondere in einem AS-Interface Kommunikationssystem, werden die positiven Spannungspulse von einem Komparator (Cp) und die negativen Spannungspulse von einem Komparator (Cn0) abgetastet, deren Referenzspannungen (VREF1_0...VREF1_n; VREF2_0...VREF2_n) in Abhängigkeit der Signalamplitude diskret umgeschaltet werden.
    公开号:DE102004009745A1
    申请号:DE200410009745
    申请日:2004-02-25
    公开日:2005-09-22
    发明作者:Tom Dr.-Ing. Barthel；Thomas Dipl.-Ing. Reichel
    申请人:Zentrum Mikroelektronik Dresden GmbH；
    IPC主号:H04L25-06
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft eine Empfängerschaltungfür APM-kodierte Daten, die in Abhängigkeitder Signalamplitude eines Datentelegramms, und getrennt nach positivenund negativen Spannungspulsen, abgetastet werden, insbesondere ineinem AS-InterfaceKommunikationssystem.
    [0002] Ineinem AS (Aktuator- Sensor)- Interface Kommunikationssystem erfolgtein überwiegendbitorientierter serieller Datenaustausch zwischen der Steuerungsseite(Master) und den peripheren Teilnehmern (Slaves) nach dem APM- Verfahren(Alternierende Puls Modulation). Hierbei wird zunächst auf derSendeseite eine zu sendende Bitfolge in eine Bitfolge umkodiert,die bei jeder Änderungdes Sendesignals zwecks gleichstromfreier Datenübertragung eine Phasenänderungbewirkt. Daraus erzeugte Sendestrompulse werden mit Hilfe der Induktivität des AS-Interface Netzgerätesin Spannungspulse differenziert und auf dem AS- Interface Bus zumEmpfänger übertragen.Um eine geringe Störabstrahlungauf dem üblicherweiseungeschirmten Zweileiter- Flachdrahtkabel zu erreichen, werden dieSpannungspulse nach hierfürgeeigneter Formung der Sendestrompulse entsprechend dem Integraleines sin2- Pulses mit alternierender Pulsfolge übertragen.Jeder Anstieg des Sendestroms erzeugt einen negativen, jeder Abfalldes Sendestromes einen positiven Spannungspuls. Jede Bitfolge beginntdefinitionsgemäß mit einemnegativen Spannungspuls, dem Startbit. Im Empfänger werden die Spannungspulsedetektiert und wieder in die gesendete Bitfolge umgewandelt. Anwendungfinden AS-InterfaceKommunikationssysteme insbesondere in der industriellen Automatisierungstechnikzur verdrahtungsarmen und damit kostengünstigen Ansteuerung von Endgeräten, Sensorenund Aktuatoren.
    [0003] DerSlave versorgt die ihm zugeordneten Sensoren und Aktuatoren einerindustriellen Steuerung mit elektrischer Energie und wickelt dieKommunikation zwischen diesen und dem Master ab. AS- Interface typischwerden Daten und Energie auf demselben Bus übertragen.
    [0004] Sowohldie Slaves als auch der Master besitzen für den bidirektionalen Datenaustauschsjeweils einen Sender und einen Empfänger. Während ein Slave immer nur miteinem Teilnehmer, dem ortsfesten Master, kommuniziert, muss derMaster jede Slave- Antwort von jedem Ort im Kommunikationssystemaus verarbeiten können.Ein Problem bezüglich einermöglichstfehlerfreien Kommunikation sind dabei größere Schwankungen in der Amplitudeder Spannungspulse in Datentelegrammen verschiedener Slaves zumMaster, aber auch innerhalb eines Datentelegramms selbst. DieseAmplitudenschwankungen werden insbesondere hervorgerufen durch Lastschwankungen,durch Überschwingungspulse, durchdie Anzahl und die Entfernung der an das offene Kommunikationssystemangeschlossenen Slaves und durch Reflexionen am Leitungsende. Weiterhin können vonder Umgebung verursachte hochfrequente Störimpulse in das Übertragungskabeleinstrahlen und ein Datentelegramm verfälschen. Werden Fehlpulse imEmpfängernicht erkannt, kommt es zu Funktionsstörungen im Kommunikationssystem oderwidrigenfalls zu folgenschweren Fehlsteuerungen innerhalb einerindustriellen Anlage.
    [0005] ZurEliminierung von Überschwingungspulsenohne gleichzeitige VerfälschungbinärerSendesignale eines Datentelegramms wurde bereits in der DE 43 16 810 C1 einezweikanalige analoge Filterschaltung für eine getrennte Filterungder positiven und der negativen Spannungspulse vorgeschlagen.
    [0006] Ausder DE 198 50 928C2 ist es bekannt, ausgehend von einer zweikanaligen Filterschaltung, zusätzlich diesystembedingten Schwankungen in der Signalamplitude zu berücksichtigen.Hierzu werden die in einem Empfängerankommenden binären Span nungspulseeines Datentelegramms zunächst einerKomparatoranordnung zugeführt,deren einzelne Komparatoren unterschiedliche Schwellwerte generieren.Eine Auswerteeinheit am Ausgang dieser ersten Komparatoranordnungermittelt den Maximalwert der Amplitude des ersten Spannungspulseseines übertragenenDatentelegramms. In Abhängigkeit diesesMaximalwertes werden, aufgeteilt für die positiven und die negativenSpannungspulse, die jeweils vorgesehenen Referenzkomparatoren zweierweiterer Komparatoranordnungen ausgewählt. Den Ausgängen dieserzweiten und dritten Komparatoranordnungen für die positiven und negativenSpannungspulse ist jeweils ein Multiplexer nachgeordnet. Die Ausgänge derMultiplexer sind an den Eingang eines gemeinsamen Decoders geführt, mittelsdessen die Folgen von positiven und negativen Spannungspulsen wiederin eine Folge binärerAusgangssignale umgewandelt wird.
    [0007] Nachteiligan dieser Schaltungsanordnung ist der hohe Aufwand für eine möglichstgeringe Pulsfehlerrate und damit möglichst störungsarme Datenübertragung.Für dieim Ausführungsbeispielangegebene Filteranordnung mit 8 festgelegten Schwellwertstufenwerden beispielsweise 24 analoge Komparatoren eingesetzt. Schließlich istein analoger Tiefpass fürdie Filterung von eingestrahlten Störpulsen am Eingang der Filterschaltungnotwendig, der bei einer Implementierung in einer integrierten Schaltungsanordnungerheblich Platz beansprucht und die Reproduzierbarkeit der Einstellwerteerschwert.
    [0008] Aufgabevorliegender Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden,also den Schaltungsaufwand füreine sichere Detektion von Sendesignalen zu verringern und die Implementierungdes Empfängersin hochintegrierter Schaltungstechnik zu verbessern. Eine weitereAufgabe ist in diesem Zusammenhang, die Ausgangssignale der Komparatorenauf das Taktschema der nachfolgenden digitalen Schaltung zu synchronisieren.
    [0009] DieAufgabe wird erfindungsgemäß durch dieMerkmale des unabhängigenAnspruchs 1 gelöst. VorteilhafteWeiterbildungen geben die abhängigen Ansprüche 2 bis10 an.
    [0010] DieErfindung und ihre Vorteile sollen anhand eines Ausführungsbeispielsnachstehend nähererläutertwerden. In den zugehörigenZeichnungen zeigen:
    [0011] 1 dasBlockschaltbild einer Empfängerschaltungeines AS-Interface Teilnehmers und
    [0012] 2 zwei Kennlinien der Empfängerschaltungnach 1.
    [0013] Ineiner Eingangsstufe HP des Empfängers, bestehendaus einem Hochpaß,werden zunächstdie ankommenden Spannungspulse eines Datentelegramms von der Versorgungsgleichspannunggetrennt. Die Spannungspulse werden auf einen Komparator Cp, einenKomparator Cn0 und außerdem aufeine Komparatoranordnung geführt,die aus n Komparatoren Cn1 ... Cnn besteht. Die Komparatoren Cn0... Cnn werden zur Bestimmung des Maximalwertes des ersten negativenSpannungspulses eines Datentelegramms verwendet. Zur Detektion dernachfolgenden positiven und negativen Spannungspulse des Datentelegrammswird erfindungsgemäß jeweilsnur ein Komparator verwendet, und zwar der Komparator Cp für die Spannungspulsepositiver Polaritätund der Komparator Cn0 fürdie Spannungspulse negativer Polarität. ReferenzspannungsquellenREF1, REF2 und REF3 stellen stufenweise einstellbare ReferenzspannungenVREF1_0 ... VREF1_n, VREF2_0 ...VREF2_n und VREF3_1 ...VREF3_n für stufenweise definierte Spannungswerteam Ausgang der Komparatoren Cp, Cn0, Cn1 ... Cnn bereit. Die ReferenzspannungenVREF3_1 ... VREF3_n derReferenzspannungsquelle REF3 werden den Komparatoren Cn1 ... Cnnentsprechend den Erfordernissen des Kommunikationssystems fest vorgegeben.Die Referenzspannung fürden Komparator Cn0, die zur Bestimmung des Maximalwertes verwendetwird, wird von einer noch zu beschreibenden Entscheiderlogik RLaus dem Bereich VREF2_0 ... VREF2_n ausgewählt.
    [0014] DieReferenzspannungen VREF1_0 ... VREF1_n und VREF2_0 ...VREF2_n der Referenzspannungsquellen REF1und REF2 fürdie beiden Komparatoren Cp und Cn0 werden umgeschaltet. Die Umschaltungwird von der Entscheiderlogik RL veranlasst, die an die Ausgänge derKomparatoren Cn0 ... Cnn angeschlossen ist. Grundlage für eine Umschaltungbildet der Maximalwert des ersten negativen Spannungspulses einesDatentelegramms, repräsentiertdurch entsprechende Signalpegel Vn0 ...Vnn an den Ausgängen der Komparatoren Cn0 ...Cnn. Der Komparator Cn0 wird folglich sowohl zur Bestimmung des Maximalwertesals auch zur Abtastung der negativen Spannungspulse verwendet, wodurchsich insgesamt ein Komparator einsparen lässt. Es wird jeweils eine Referenzspannungder Referenzspannungsquellen REF1, REF2 ausgewählt, die beispielsweise 50%des gemessenen Maximalwertes des ersten negativen Spannungspulseseines Datentelegramms entspricht, und zwar mit positiver Polarität für die ReferenzspannungsquelleREF1 zur Abtastung der positiven Spannungspulse und mit negativerPolarität für die ReferenzspannungsquelleREF2 zur Abtastung der negativen Spannungspulse. Multiplexer MUX1und MUX2 am Ausgang der Referenzspannungsquellen REF1, REF2 schaltendie beiden Komparatoren Cp, Cn0 auf die ausgewählten Referenzspannungen VREF1_0 ... VREF1_n undVREF2_0 ... VREF2_n um.
    [0015] DieAbständezwischen den einzelnen Referenzspannungen der Referenzspannungsquellen REF1,REF2 und REF3 können äquidistantsein oder exponentiell ansteigen, beginnend bei der betragsmäßig kleinstenReferenzspannung. Die Referenzspannungen der ReferenzspannungsquellenREF1, REF2 untereinander ändernsich dabei vorzugsweise um dieselben Beträge, wobei der betragsmäßig kleinsteWert fürdie positive und negative Polarität entweder identisch ist, aberauch zur Erfassung unsymmetrischer Spannungspulse unterschiedlichsein kann.
    [0016] DieSeparation der positiven und negativen Spannungspulse für eine getrennteFilterung erfolgt allein durch gegenpolige Referenzspannungen an denzwei Komparatoren Cp, Cn0. Außerdem wirdfür jedenFilterzweig nur ein Komparator benötigt, Cp für positiven Spannungspulseund Cn0 fürdie negativen Spannungspulse eines Datentelegramms. Man erspartsich also je Filterzweig eine Vielzahl von Komparatoren für die Generierungfester Schwellwerte. Daraus ergeben sich insgesamt geringe Kostenund ein sehr kleiner Flächenbedarfbei der Implementierung der Empfängerschaltungin einer integrierten Schaltungstechnik. Beide Faktoren sind für AS- InterfaceAnwendungen entscheidende Einsatzmerkmale.
    [0017] AlleKomparatoren Cp, Cn0 ... Cnn arbeiten zeitdiskret. Die Signalamplitudeder positiven und negativen Spannungspulse wird in äquidistantenZeitabständenabgetastet, und entsprechend der abgetasteten Pulsbreite nehmendie Komparatoren einen Schaltzustand ein. Damit werden die Ausgangssignaleder Komparatoren bereits auf das Taktschema der nachfolgenden Digitalschaltung,bestehend aus der Auswertelogik RL und digitalen Filtern Dp, Dn, synchronisiertund ggf. hochfrequente Störungenunterdrückt.Die Zeitabständeder Abtastung betragen beispielsweise 1/24 der nominalen Pulsbreiteeines Spannungspulses.
    [0018] DieAusgängeder beiden Komparatoren Cp, Cn0 sind getrennt auf die zwei digitalenFilter Dp, Dn geführt.Diese Filter Dp, Dn unterdrückenPulse, die entsprechend ihrer Filterzeit eine bestimmte Pulsbreiteunterschreiten und dadurch als Störpulse detektiert werden. Sielassen sich daher einfach aufbauen. In vorteilhafter Weise kannhierdurch auf einen analogen Tiefpass verzichtet werden, womit auchhierdurch bei der Implementierung in einer integrierten Schaltungstechnikweniger Chipflächebenötigtwird und eine bessere Reproduzierbarkeit des Systemverhaltens erreichtwird. Die Filterzeit kann des Weiteren durch die EntscheiderlogikRL derart beeinflusst werden, dass größere Maximalwerte des erstennegativen Spannungsimpulses eines Datentelegramms zu einer größeren Filterzeitführenund umgekehrt. Dies ermöglichteine Wichtung zwischen Nutzsignal und Störsignal bei der Ermittlungdes Maximalwertes des ersten negativen Spannungspulses.
    [0019] DieAusgängeder digitalen Filter Dp, Dn sind auf einen digitalen Decoder ULgeführt,in welchem die binäreSignalfolge der übertragenenDaten zurückgewonnen wird. Außerdemerkennt der Decoder UL das Ende eines Datentelegramms und setztdie Entscheiderlogik RL in einen definierten Ausgangszustand zurück.
    [0020] AmAusgang des Decoders UL stehen die von Störpulsen gefilterten binären Empfangssignale unmittelbarzur Weiterverarbeitung zur Verfügung.
    [0021] Anhandder in 2 dargestellten zwei Kennliniensoll die Arbeitsweise der Empfängerschaltungnach 1 nähererläutertwerden.
    [0022] MitA ist die Amplitude des ersten negativen Spannungspulses eines Datentelegrammsbezeichnet. Die speziellen diskreten Werte A0, A1, A2, A3 ... aufder Abszisse bezeichnen jeweils diejenige Amplitude, die genau einerReferenzspannung an den Komparatoren Cn0, Cn1, Cn2, Cn3 ... entspricht.Auf der mit Q bezeichneten Ordinate ist jeweils der Quotient ausdem ausgewähltenSchwellwert der Komparatorspannung und der Amplitude des erstennegativen Spannungspulses A dargestellt. Der Wert Q entspricht alsodem tatsächlichenprozentualen Schwellwert, mit dem die dem ersten negativen Spannungspulsnachfolgenden negativen und positiven Spannungspulse bewertet werden,bezogen auf die Amplitude des ersten negativen Spannungspulses.Infolge der endlichen Anzahl von Komparatoren der KomparatoranordnungCn0 ... Cnn und der damit verbundenen Quantisierung variiert derWert Q um einen bestimmten nominellen Wert Q0, der beispielsweise 0,5betragen kann. Um eine ausreichende Datensicherheit zu gewährleisten,sollte diese Variation möglichstminimiert werden. Die werte Q1 und Q2 geben bei spielsweise eineBandbreite von 0,45 bis 0,55 um den nominellen Wert Q0 an.
    [0023] Wieaus 2a zu erkennen ist, in welcher die ReferenzspannungenA0, A1, A2, A3 ... in äquidistantenAbständenangeordnet sind, sinkt diese Variation mit steigender Signalamplitude.
    [0024] Vorteilhafterhingegen ist eine gemäß 2b gleichbleibende Variation überden gesamten Dynamikbereich eines Empfängers. Dies wird erreicht,indem die Abständezwischen den einzelnen Referenzspannungen für die Komparatoren Cn0 ... Cnnexponentiell ansteigen, beginnend bei der betragsmäßig kleinstenReferenzspannung. Dabei hat die Referenzspannung an einer Stellen den Wert: VREFn = kn∙VREF0 wobei VREF0 die kleinste Referenzspannungist und k der Quotient aus den Werten der oberen und unteren Grenzedes Variationsbereichs Q2 ÷ Q1.
    权利要求:
    Claims (10)
    [1] Empfängerschaltungfür APM-kodierte Daten, die in Abhängigkeitder Signalamplitude eines Datentelegramms, und getrennt nach positivenund negativen Spannungspulsen, abgetastet werden, insbesondere ineinem AS- Interface Kommunikationssystem, dadurch gekennzeichnet,dass die positiven Spannungspulse von einem Komparator (Cp) unddie negativen Spannungspulse von einem Komparator (Cn0) abgetastetwerden, deren Referenzspannungen (VREF1_0 ... VREF1_n; VREF2_0 ...VREF2_n) in Abhängigkeitder Signalamplitude diskret umgeschaltet werden.
    [2] Empfängerschaltungnach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalamplitudedes jeweils ersten (negativen) Spannungspulses eines Datentelegrammsermittelt wird und zur Auswahl der Referenzspannung (VREF1_0 ...VREF1_n; VREF2_0 ... VREF2_n) fürdie Abtastung aller nachfolgenden Spannungspulse an den Komparatoren (Cp,Cn0) herangezogen wird.
    [3] Empfängerschaltungnach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertung derSignalamplitude anhand einer Anordnung von Komparatoren (Cn0 ...Cnn) erfolgt, deren Referenzspannungen zueinander in diskreten Schrittenfest eingestellt sind.
    [4] Empfängerschaltungnach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine am Ausgang der Komparatorenanordnung(Cn0 ... Cnn) angeordnete Entscheiderlogik (RL) die Umschaltungder Referenzspannungen (VREF1_0 ... VREF1_n; VREF2_0 ... VREF2_n) über Multiplexer(MUX1; MUX2) vornimmt.
    [5] Empfängerschaltungnach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die Abtastung der negativenSpannungspulse eines Datentelegramms ein von der Komparatorenanordnung(Cn0 ... Cnn) separater Komparator eingesetzt ist.
    [6] Empfängerschaltungnach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass die Differenzen zwischen den Referenzspannungen (VREF1...,VREF2 ..., VREF3 ...)der Komparatoren (Cp, Cn0 ... Cnn) exponentiell ansteigen, beginnendbei der betragsmäßig kleinstenReferenzspannung.
    [7] Empfängerschaltungnach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Komparatoren (Cp,Cn0 ... Cnn) die Signalamplitude in äquidistanten Zeitabständen abtasten.
    [8] Empfängerschaltungnach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitabstände der Abtastung1/24 der nominalen Impulsbreite eines Spannungsimpulses betragen.
    [9] Empfängerschaltungnach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgänge derbeiden Komparatoren (Cp, Cn0) zur Abtastung der positiven und negativenSignalpulse auf je einen digitalen Filter (Dp, Dn) geführt sind,die Pulse oberhalb einer ausgewähltenPulsbreite an eine gemeinsame nachgeordnete Auswerteeinheit (UL)liefern.
    [10] Empfängerschaltungnach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsbreite derdigitalen Filter (Dp, Dn) in Abhängigkeitder Signalamplitude umgeschaltet wird.
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    同族专利:
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    引用文献:
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    法律状态:
    2005-09-22| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2006-12-07| 8364| No opposition during term of opposition|
    2017-01-12| R082| Change of representative|Representative=s name: LIPPERT STACHOW PATENTANWAELTE RECHTSANWAELTE , DE |
    2017-02-14| R082| Change of representative|Representative=s name: LIPPERT STACHOW PATENTANWAELTE RECHTSANWAELTE , DE |
    2021-09-01| R119| Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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    PCT/DE2005/000313| WO2005083962A1|2004-02-25|2005-02-23|Empfängerschaltung für apm- kodierte daten|
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