DE19634099C2 - Verfahren zur bidirektionalen Datenübertragung - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von der Gattung aus, wie im unabhängigen Anspruch 1 angegeben.

In der Gefahrenmeldetechnik werden Bus-Systeme eingesetzt, um die einzelnen Melder unabhängig voneinander überwachen zu können. Eine Erhöhung der Sicherheit ergibt sich durch den Einsatz von Ringleitungsstrukturen. Im LSN ("Lokalen SicherheitsNetzwerk") werden Zweidraht-Leitungen zur gleichzeitigen Übertragung von Energie und Daten eingesetzt (Sonderdruck von BOSCH TELENORMA "Lokales SicherheitsNetzwerk in Gefahrenmeldeanlagen, Ausgabe 3).

Aufgabe der Erfindung ist eine Erhöhung der Reichweite. Eine Vergrößerung der erlaubten Länge der Zweidrahtleitung bei LSN-Leitungen (Ring- und Stichleitungen) von derzeit einem Kilometer würde besonders in der Brandmeldetechnik die Einsatzmöglichkeit von LSN vergrößern. Ideal wäre es, wenn die Reichweite nur durch den Spannungsabfall begrenzt wäre, der sich durch das Ohmsche Gesetz ergibt.

Das Verfahren der bidirektionalen Datenübertragung im LSN weist eine richtungsabhängige Unsymmetrie der Übertragungsqualität auf. Während die spannungsgeprägte Übertragung vom Master zu den Slaves infolge des Stromsenkenverhaltens der Slaves dämpfungsfrei erfolgt und daher als qualitativ hochwertig mit geringer Störanfälligkeit und großer Reichweite bezeichnet werden kann, ist die stromgeprägte Übertragung von den Slaves zum Master von geringerer Qualität. Dieses gilt für alle derzeitigen Komponenten des LSN.

Eine der Ursachen hierfür ist darin zu sehen, daß der Zeitpunkt des Eintreffens der Daten von den Slaves beim Master unbekannt ist. Um diese Daten zu empfangen, wird derzeit nach Absenden der Daten zu den Slaves ein zeitliches Empfangsfenster geöffnet, innerhalb dessen die Antwort der Slaves liegen muß. In diesem asynchronen Verfahren ist der Zeitpunkt des Eintreffens des ersten Bits unsicher, deshalb muß der Empfänger mit einer Empfindlichkeit arbeiten, die gewährleistet, daß die Datenbits wesentliche Änderungen der vom Rauschen des Datenübertragungskanals hervorgerufenen Spannung erzeugen.

Eine weitere Ursache liegt darin, daß der Kapazitätsbelag des Datenübertragungskanals zu einer Stromteilung führt, so daß nur ein Bruchteil des von den Slaves erzeugten Stromhubes beim Master ankommt. Da die Information, ob es sich bei den übertragenen Bits jeweils um eine logische Eins oder Null handelt, in der Dauer des einzelnen Bits liegt, ist die Lage der Entscheidungsschwelle im Empfänger des Masters ausschlaggebend. Diese Entscheidungsschwelle muß festgelegt werden, ohne eine Kenntnis über die Amplitude der zu erwartenden Datenbits zu besitzen. Liegt diese Schwelle zu nahe beim Ruhestrom, besteht die Gefahr, daß Rauschanteile die Schwelle erreichen und somit die Daten verfälschen oder daß es wegen der Impulsverzerrungen zu einer Vertauschung von Nullen und Einsen kommt. Liegt diese Schwelle zu hoch, können kleine Stromänderungen nicht mehr erkannt werden. Auf diese Weise ergibt sich eine Einschränkung der Reichweite des Systems.

Vorteile der Erfindung

Der Anmeldungsgegenstand mit den Merkmalen des Anspruches 1 hat folgende Vorteile:

• - Es ergibt sich eine Erhöhung der Reichweite, die nur durch die Nachweisgrenze der Stromimpulse im Master begrenzt ist. Der Stromhub der Slaves wird nur so hoch eingestellt, wie es für diesen Nachweis nötig ist.
• - Der Stromhub führt nicht zu einer Verringerung der verfügbaren Versorgungsspannung am Leitungsende.
• - Der Stromimpuls wird während des "high"-Zustandes abgegeben, so daß eine zusätzliche Spannungsreserve entsteht.
• - Als zusätzlicher Vorteil ergibt sich eine Energieeinsparung, da nicht mehr durchschnittlich jedes zweite Bit, wie bisher, durch einen vollen Stromimpuls dargestellt wird.
• - Die Detektion im Master vereinfacht sich, da nur noch die qualitative Entscheidung "Stromerhöhung oder nicht" getroffen werden muß.
• - Die Antwort der Slaves ist driftfrei, da jedes Bit durch den Takt neu synchronisiert wird.
• - Die bisherige, aufwendige Störausblendung kann entfallen, da keine Zeitmessungen mehr nötig sind.
• - Der bisherige Einsatz von Repeatern erübrigt sich.
• - In den Slaves muß nur die Software angepaßt werden, es ist keine Hardwareänderung erforderlich.
• - Eine Mischung bisheriger und neuer Komponenten ist möglich, bis alle Komponenten umgestellt sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben, deren Merkmale auch, soweit sinnvoll, miteinander kombiniert werden können. Durch diese Weiterbildungen ergeben sich weitere Vorteile:

• - Es entfallen Startbit und Stopbit.
• - Eine dynamische Anpassung an die Entfernung zu den Slaves ist möglich durch Anpassen einer Entscheiderschwelle.

Im Folgenden wird gezeigt, wie ein bitsynchrones Verfahren der Datenübertragung von den Slaves zum Master realisiert werden kann. Hierbei müssen die Slaves, wie auch schon bisher, nicht über eine stabile Zeitbasis verfügen.

Der Grundgedanke besteht darin, daß der Master, der über einen quarzstabilen Takt verfügt, eine spannungsgeprägte Übertragung einer Datenfolge jeweils mit einem spannungsgeprägten Takt, das heißt, mit einer Sequenz von Taktsignalen, fortsetzt, deren Anzahl der vom Slave erwarteten Bits entspricht. Der Slave setzt nun seinen Stromimpuls in diejenigen Positionen der Sequenz, die der Wertigkeit der logischen Einsen seines Datentelegrammes entsprechen. Auf diese Weise wird für jedes Bit ein Zeitfenster geöffnet, in das die Information nach nur wenigen Maschinenzyklen eingeschrieben wird. Das Ausbleiben des Stromimpulses wird vom Master als logische Null gewertet. Damit das von einem Slave gesendete Datentelegramm, das dem Wert 00 entspricht, sich vom Ausbleiben jeglicher Stromimpulse unterscheidet, wird das Paritätsbit so definiert, daß es bei diesem Datentelegramm als "Überlebensbit" gesetzt ist (ungerade Parität). Auf die Übertragung von Start- und Stopbits kann jeweils verzichtet werden, da Beginn und Ende der Übertragung eines Datentelegramms vom Master durch die Sequenz von Taktsignalen festgelegt wird.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung gezeigt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die folgende Zeichnung stellt dem bisherigen das neue Übertragungsverfahren gegenüber. Als Beispiel wurde für Adresse und Daten der Wert 01 dargestellt.

Der linke Teil der Zeichnungen zeigt jeweils die spannungsmodulierte Adressierung des Slaves mit der Adresse "Eins". Die Bitfolge ist Startbit SB, Adressbits A0 ... A7, Paritätsbit P und Stopbit STP. Im oberen Teil ist die bisher verwendete Adressierung dargestellt, die nach dem Stopbit beendet ist, rechts ist die strommodulierte Antwort des Slave zu sehen, die Bitfolge ist Startbit SB, Datenbits D0 bis D7, Paritätsbit P und Stopbit STP. Im unteren Teil ist das neue Verfahren dargestellt, das sich bis nach Aussenden des Stopbits nicht von der bisherigen Adressierung unterscheidet. Rechts sind die Taktimpulse für die Synchronisierung der Slaves angefügt, wobei im ersten Taktimpuls das Datenbit D0 durch einen Stromimpuls vom Slave markiert ist.

Der rechte Teil des oberen Bildes zeigt innerhalb eines Empfangsfensters E das Oszillogramm der bisherigen Slaveantwort, wie es sich qualitativ als Spannungsabfall, hervorgerufen durch den Leitungswiderstand, beim Slave zeigen würde. Die Lage der idealen Entscheiderschwelle ist als dicke, waagerechte Linie eingezeichnet. Man sieht, daß Amplituden der halben Höhe nicht mehr fehlerfrei detektiert werden würden. Zu berücksichtigen ist, daß eine Verschiebung der Entscheiderschwelle in Richtung der Nullinie wegen der Verzerrung der Impulse durch den Übertragungskanal zu einer Vertauschung von Nullen und Einsen führen kann. Die Lage des Datentelegramms innerhalb des Empfangsfensters E ist nicht definiert und hängt von der Taktfrequenz des Slaves ab, ebenso die absolute Dauer von Nullen und Einsen. Die Strommodulation führt zu einer Verringerung der Versorgungsspannung (das ist der Gleichspannungsanteil des gezeigten Datentelegramms) und damit zu einer Begrenzung der Reichweite in Abhängigkeit vom Leitungswiderstand.

Das untere Bild zeigt das erfindungsgemäß verbesserte Verfahren. Im rechten Teil des unteren Bildes ist die Sequenz von Taktsignalen gezeigt, mit welcher der Master den Takt seiner Datenfolge fortsetzt, wobei durch den Slave das erste Bit (D0) durch einen Stromimpuls I markiert wurde. Die Detektion durch den Master kann nun auf verschiedene Art, wie auch durch Kombination mehrerer Arten erfolgen Eine Möglichkeit besteht darin, festzustellen, ob der Takt überhaupt mit einer Stromerhöhung korreliert ist. Wird die Detektion des Stromimpulses, z. B. durch Integration, ausgehend vom maximalen Wert der Taktsignalspannung vorgenommen, so kann die Entscheiderschwelle sehr nahe an diese Spannung gelegt werden, da das Rauschen im allgemeinen keinen Beitrag zum Integral liefert. Dies wird durch die schräge Gerade im Stromimpuls I veranschaulicht. Vor jedem Bit steht der maximale Wert der Taktsignalspannung erneut zur Verfügung, so daß die Entscheiderschwelle mit Hilfe einer Klemmschaltung von diesem Wert abgeleitet werden kann. Bei entsprechender Dimensionierung kann der Stromhub des Slaves herabgesetzt werden, so daß es auch bei längeren Leitungen nicht zu einer Unterschreitung der Ruhespannung kommt.

Eine individuelle Anpassung an die einzelnen Slaves kann dadurch erfolgen, daß den Taktsignalen z. B. zwei Leertakte vorangestellt werden, die vom adressierten Slave immer mit einer Eins und einer darauffolgenden Null (oder umgekehrt) "gefüllt" werden. Der Mittelwert dieser beiden Zustände kann dann die Entscheiderschwelle für die folgenden Datenbits (also Stromimpulse) bestimmen, oder es kann durch einen Mustervergleich mit den folgenden Bits deren Wert ermittelt werden. So kann eine Anpassung an die entfernungsabhängige Dämpfung der Slave-Signale erfolgen. Um Übertragungszeit zu sparen, wäre es auch möglich, diesen beiden Bits den Wert des Paritätsbits und des invertierten Paritätsbits zu geben, so daß nur insgesamt ein Bit mehr zu übertragen wäre als ohne Anpassung der Entscheiderschwelle.

Claims (6)

1. Verfahren zur bidirektionalen Datenübertragung auf einem Bus zwischen einem Master und Slaves, wobei die Übertragung von Datenfolgen vom Master zu den Slaves spannungsgeprägt erfolgt und die Slaves beim Senden das Verhalten von Stromsenken haben, dadurch gekennzeichnet,

• 1. - daß jeweils nach der Übertragung einer Datenfolge vom Master zu einem Slave eine Sequenz von Taktsignalen vom Master auf den Bus gegeben wird, bei der sich fortlaufend ein Impuls mit einer Spannung mit einem Impuls mit einer anderen Spannung abwechselt, und
• 2. - daß die Impulse mit der höheren Spannung jeweils als Fenster für Stromimpulse des Slaves dienen, die entweder für eine logische Eins oder für eine Null stehen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Master die Detektion der Stromimpulse durch deren Integration, die jeweils von der höheren Spannung ausgeht, mit anschließendem Vergleich mit einer Entscheiderschwelle erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine individuelle Anpassung an einen sendenden Slave dadurch erfolgt, daß am Anfang der Sequenz von Taktsignalen nur einer von zwei Impulsen der höheren Spannung vom sendenden Slave mit einem Stromimpuls belegt wird und im Master der Mittelwert der Spannungswerte der resultierenden Impulsdächer als Entscheiderschwelle für weitere vom Slave gesendete Stromimpulse dient.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Anfang der Sequenz von Taktsignalen nur einer von zwei Impulsen der höheren Spannung von einem sendenden Slave mit einem Stromimpuls belegt wird und der Wert der folgenden, von dem Slave gesendeten Stromimpulse im Master durch Mustervergleich ermittelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eines der beiden Taktsignale am Anfang der Sequenz von Taktsignalen vom Slave den Wert eines Paritätsbits und das andere Taktsignal den Wert des invertierten Paritätsbits aufgeprägt bekommt.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Abgabe von Start- und Stop-Bits durch die Slaves verzichtet wird.