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Schaltungsanordnung zur Ubertragung digitaler Daten Die Erfindung
betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ubertragung digitaler Daten zwischen einer
Leitstelle und mehreren unabhängig voneinander anwählbaren Meßstellen, bei der die
Übertragung mehr er er impulskodierter Daten in einem vorzugsweise rechnergesteuerten
Zyklus zeitmultiplex über einen Datenweg erfolgt.
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Infolge des hohen Automatisierungsgrades- und der Kompliziertheit
heutiger Industrieanlagen ist es unerläßlich, den jeweiligen Prozeßablauf an vielen
Stellen durch Meßeinrichtupgen zu überwachen. Die von den Meßeinrichtungen gelieferten
Meßwerte werden einer Leitstelle zugeführt und dort in übersichtlicher Form zur
Anzeige gebracht. Daneben ist in der Leitstelle meist
die Möglichkeit
zur Betätigung von in der Anlage enthaltenen Stell- und Steuereinrichtungen gegeben.
Die Auswertung von Meßwerten sowie die Befehlsabgabe an Stell- und Steuereinrichtungen
erfolgt oft durch einen Prozeßrechner.
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Dieses Verfahren zur Prozeßüberwachung und -steuerung setzt einen
engen Kontakt zwischen der Leitstelle und den Meß- und Regeleinrichtungen voraus.
Die Möglichkeit eines Eingriffes in den Prozeßablauf durch den Prozeßrechner oder
das Bedienung personal der Leitstelle muß unmittelbar dann gegeben sein, wenn die
Notwendigkeit eines Eingriffes anhand bestimmter Meßwerte erkannt wird.
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Im einfachsten Fall ist diese Forderung dadurch zu realisieren, daß
jede der Meß- und Regeleinrichtungen über eine eigene Leitung mit der Leitstelle
verbunden ist. Bei diesem Verfahren ergibt sich jedoch insbesondere bei einer großen
Anzahl von Meß-und Regeleinrichtungen ein hoher Verdrahtungsaufwand.
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Andererseits ist es bekannt, die Abfrage von Meßwerten in einem von
der Leitstelle gesteuerten Zyklus vorzunehmen und viele Daten zeitmultiplex über
einen Datenweg zu übertragen.
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Eine Schaltungsanordnung, der dieses Prinzip zugrundeliegt und die
neben der Abfrage von Meßwerten auch die Befehlsabgabe an Stell- und Steuerglieder
ermöglicht, ist in der Zeitschrift "Radio Elektronik Schau", Heft 5/73 beschrieben.
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Die Schaltungsanordnung besteht im wesentlichen aus mehreren Sender-
und Empfängermodulen, die an verschiedenen Meßstellen installiert und über zweiadrige
Leitungen mit einem Multiplexer verbunden sind. Vom Multiplexer ist eine zweiadrige,
in ihrer Länge auf 3 km begrenzte Leitung zu einem in einer Leitstelle befindlichen
Rechner hingeführt. Während ein Sendermodul die Übermittlung von Meßwerten zur Leitstelle
übernimmt, ist ein Empfängermodul dann eingesetzt, wenn an einer Meßstelle ein Stell-
oder Steuerglied zu betätigen ist. Der Multiplexer ist von der Leitstelle durch
den Rechner steuerbar.
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Die Datenübertragung von der Leitstelle zum Multiplexer bzw.
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vom Multiplexer zu den Sender- und Empfängermodulen erfolgt in digitaler
Form durch Stromimpulse. Da ein Sendermodul jedoch analoge Meßwerte übermitteln
soll und durch die Empfängermodule analoge Befehle an Stell- und Steuerglieder ergehen
sollen, ist jedem Sendermodul ein Analog-Digital-Umsetzer und jedem Empfängermodul
ein Digital-Analog-Umsetzer vorgeschaltet.
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Als nachteilig ist bei der beschriebenen Schaltungsanordnung anzusehen,
daß zwischen jedem Sender- bzw. Empfängermodul und dem Multiplexer jeweils eine
zweiadrige Leitung erforderlich ist, deren Bandbreite in keiner Weise ausgenutzt
wird. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn die Sender- bzw.
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Empfängermodule räumlich getrennt angeordnet sind. In einem solchen
Fall ist dann zwar nur eine zweiadrige Leitung von
der Leitstelle
zum Multiplexer erforderlich, doch müssen von dort mehrere, unter Umständen lange
Leitungen zu den einzelnen Sender- und Empfängermodulen hingeführt werden.
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Ferner muß jedem Sender- bzw. Empfängermodul die erforderliche Betriebsspannung
über weitere Leitungen zugeführt werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine einfache Schaltungsanordnung
der obengenannten Art zu schaffen, bei der die Anzahl der erforderlichen Datenwege
gegenüber bekannten Schaltungsanordnungen reduziert ist und die eine Übertragung
der Versorgungsspannung von an den Meßstellen befindlichen Geräten über die bestehenden
Datenwege ermöglicht, wobei gleichzeitig die Störüberwachung und die Einhaltung
der Bedingungen bei explosionsgeschützten Anlagen vereinfacht wird.
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Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Datenübertragung
und zur Stromversorgung der Meßstellen ein zweiadriger Bus eingesetzt ist, daß die
Leitstelle einen Adressensender und einen Datenempfänger enthält, daß jeder Meßstelle
ein Adressenempfänger und ein Datensender zugeordnet ist und daß jeder Adressenempfänger
einen Vergleich zwischen einer vom Adressensender ausgesendeten Adresse und einer
Festadresse durchführt und bei Übereinstimmung der Adressen den Datensender zur
Meßwertausgabe veranlaßt.
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Eine Alternativlösung der Erfindung sieht vor, daß zur Datenübertragung
und zur Stromversorgung der Meßstellen
ein dreiadriger Bus eingesetzt
ist, daß die Leitstelle einen Adressensender und einen Datenempfänger enthält, daß
jeder Meßstelle ein Adressenempfänger und ein Datensender zugeordnet ist und daß
jeder Adressenempfänger einen Vergleich zwischen einer vom Adressensender ausgesendeten
Adresse und einer Festadresse durchführt und bei Übereinstimmung der Adressen den
Datensender zur Meßwertausgabe veranlaßt.
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Die Erfindung ist anhand von Fig. 1 bis 3 der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild der Schaltungsanordnung, Fig.
2 ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung und Fig. 3 mehrere
Impulsdiagramme.
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Einander entsprechende Teile sind mit dem gleichen Bezugszeichen versehen.
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In Fig. 1 ist mit 1 eine Leitstelle bezeichnet, die einen Rechner.2,
einen Adressensender 3, einen Datenempfänger 4 und digitale Anzeigegeräte 5 enthält.
Es sind weiter mit 6 Adressenempfänger und mit 7 Datensender bezeichnet, denen analoge
Meßwert xl bis Xn zugeführt sind. Die Verbindung
zwischen der Leitstelle
1 und den Meßstellen ist durch eine zweiadrige Sammelleitung 8 hergestellt, die
im weiteren mit "Bus" bezeichnet ist.
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Die Schaltungsanordnung zeichnet sich durch folgende Wirkungsweise
aus: Aufgrund eines Auslösesignals des Rechners 2 erzeugt der Adressensender 3 eine
aus Impulsen bestehende Adresse und leitet diese sämtlichen am Bus 8 angeschlossenen
Adressenempfängern 6 zu. Jeder Adressenempfänger 6 führt nun einen Vergleich zwischen
der ausgesendeten Adresse und einer ihm zugeordneten Festadresse durch. Wird die
Identität der beiden Adressen festgestellt, so erhält der Datensender 7 einen Freigabeimpuls,
der die Abgabe des jeweiligen Meßwertes x. an den Bus 8 bewirkt. Die Ubertragung
des Meßwertes x erfolgt ebenfalls in impulskodierter Flor. Der in der Leitstelle
1 enthaltene Datenempfänger 4 führt nun die Dekodierung der Impulskombination durch,
so daß der jeweilige Meßwert x durch eines der digitalen Anzeigegeräte 5 zur Anzeige
gebracht werden kann.
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Die Abfragefolge der Meßwerte xl bis x wird in dem dargestellten n
Ausführungsbeispiel durch den Rechner 2 bestimmt, der jedoch durch eine einfachere
Ablaufsteuerung ersetzbar ist; gleichzeitig ist eine Handanwahl der Adressenempfänger
6 durch das Bedienungspersonal der Leitstelle 1 möglich.
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Die beschriebene Schaltungsanordnung bezieht sich aus Gründen der
Übersichtlichkeit nur auf ein System zur Abfrage von Meßwerten. Die Anwendungsmöglichkeiten
der Schaltungsanordnung
sind aber keineswegs auf dieses Beispiel
beschränkt. Vielmehr kann sie zur Übertragung weiterer Daten (Anforderung von Meldungen,
Befehlsabgabe an Steuerglieder, Ansteuerung von Stellgliedern) herangezogen werden.
Eine derartig hohe Ausnutzung des zweiadrigen Busses 8 gestattet den Aufbau einer
Schaltungsanordnung der obengenannten Art mit einem Minimum an Verdrahtung -und
bringt daher auch wesentliche Vereinfachungen bei der Planung und der Störüberwachung
mit sich.
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Der Adressensender 3 besteht gemäß Fig. 2 aus einem Oszillator 9,
einem Schieberegister lo, einem Adressenspeicher 11, einer logischen Schaltung 12,
einem elektronischen Umschalter 13 und einem Impulszähler 14. Die Aussendung einer
Adresse wird durch ein Auslösesignal des Rechners 2 eingeleitet. Dieses Auslösesignal
hat die Übergabe einer Adresse aus dem Adressenspeicher 11 in das Schieberegister
lo zur Folge. Der Adressenspeicher 11 erhält vom Rechner 2 die Adressen aller am
Bus 8 angeschlossenen Adressenempfänger 6, Die Impulse des Oszillators 9 bestimmen
den Schiebetakt des Schieberegisters lo und sind durch eine logische Schaltung 12
mit den Ausgangssignalen des Schieberegisters lo verknüpft. Am Ausgang der logischen
Schaltung 12 entsteht eine Impulsserie bestehend aus Einzelimpulsen unterschiedlicher
Länge, die bei konstanter Frequenz des Oszillators 9 nur von der dem Schieberegister
lo übergebenen Adresse abhängig ist. Ein Beispiel für eine Impulsserie ist in Fig.
3a dargestellt.
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Die Ausgangsspannung der logischen Schaltung 12 ist dort mit U(a)
bezeichnet.
Den unterschiedlich langen Impulsen sind unterschiedliche logische Wertigkeiten
zugeordnet. Beispielsweise kann die Festlegung getroffen werden, daß ein langer
Impuls die Wertigkeit 1" n und ein kurzer Impuls die Wertigkeit "O" besitzt. Der
Ausgang der logischen Schaltung 12 steht in Verbindung mit einem elektronischen
Umschalter 13, der den Bus 8 im Ruhezustand an eine Versorgungsspannung U schaltet.
Bei der Aussendung einer Adresse vermindert der elektronische Umschalter 13 die
Versorgungsspannung U für die Länge der Adressenimpulse um eine Spannung Ui; der
zeitliche Verlauf der Ausgangsspannung U (b) des Umschalters 13 ist in Fig. 3b wiedergegeben.
Hier weist die Spannung Ui die gleiche Größe wie die Versorgungsspannung U auf.
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Die Versorgungsspannung U ist auf die Betriebsspannung der Adressenempfänger
6 und Datensender 7 abgestimmt. Eine an jeder Meßstelle befindliche Speisetrennschaltung
15 sorgt während des Aussendens einer Adresse dafür, daß den Adressenempfängern
6 und Datensendern 7 die erforderliche Betriebsspannung unterbrechungsfrei zugeführt
ist.
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Ein Adressenempfänger 6 enthält eine Adressenverdrahtung 16, einen
Vergleicher 17, ein Schieberegister 18, eine monostabile Kippstufe 19 und eine Trennschaltung
20. Eine bei dem Adressenempfänger 6 eintreffende Adresse wird zunächst durch die
Trennschaltung 20 so umgeformt, daß sie wieder mit der ursprünglich durch die logische
Schaltung 12 des Adressensenders 3 erzeugten Form (Fig. 3a) übereinstimmt. Der Ausgang
der Trennschaltung 20
ist mit einem Schieberegister 18 und mit
einer monostabilen Kippstufe 19 verbunden. Die monostabile Kippstufe 19 spricht
auf jede Anstiegsflanke der aus der Trennschaltung 20 gelangenden Impulse an und
liefert nach Ablauf einer bestimmten Lauf zeit einen Einleseimpuls zum Schieberegister
18, so daß die Adresse schrittweise in das Schieberegister 18 übertragen wird. Nach
dem Einlesen der vollständigen Adresse prüft ein Vergleicher 17, ob die eingelesene
Adresse mit der Festadresse der Adressenverdrahtung 16 übereinstimmt.
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Stellt der Vergleicher 17 eine Übereinstimmung fest, so gibt er einen
Erkennungsimpuls- an den Datensender 7 ab.
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Der Datensender 7 enthält einen Analog-Digital-Umsetzer 21, einen
Meßwertspeicher 22 und eine logische Schaltung 23.
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Daneben ist mit 24 eine Trennschaltung, mit 25 ein Spannung-Strom-Umsetzer
und mit 26 ein Oszillator bezeichnet.
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Ein analoger Meßwert x. wird in bestimmten Zeitabständen im Analog-Digital-Umsetzer
21 digitalisiert und in einem Meßwertspeicher 22 festgehalten. Ein Erkennungsimpuls
des Adressenempfängers 6 löst die Meßwertausgabe dadurch aus, daß der Inhalt des
Meßwertspeichers 22 schrittweise an die logische Schaltung 23 abgegeben wird. Der
logischen Schaltung 23 sind außerdem Impulse eines Oszillators 26 zugeführt. Der
Oszillator 26 kann außer mit der logischen Schaltung 23 auch mit dem Meßwertspeicher
21 und über Frequenzteiler mit dem Analog-Digital-Umsetzer 21 verbunden sein, so
daß er gleichfalls die Zeitabstände bestimmt,nach denen eine Digitalisierung des
Meßwertes xi
erfolgt und außerdem die schrittweise Ausgabe des
gespeicherten Meßwertes x. steuert. Anstelle des Meßwertspeichers 22 ist auch eine
Schaltung einsetzbar, die den parallel am Analog-Digital-Umsetzer 21 anstehenden
Meßwert x. zyklisch in eine serielle Form überführt.
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Ähnlich wie bei der Adressenerzeugung liefert die logische Schaltung
23 eine Impulsserie aus Einzel impulsen unterschiedlicher Länge, die den Meßwert
xi darstellt. Diese Impuls serie wird über die Trennschaltung 24 dem Spannung-Strom-Umsetzer
25 zugeführt, der der Versorgungsspannung U bei jedem Einzelimpuls einen Strom I
von bestimmter Größe entnimmt.
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Der zeitliche Verlauf des über den Bus 8 fließenden Stromes I ist
in Fig. 3d dargestellt. Hier ist mit 1v der Versorgungsstrom zu den Meßstellen und
mit 1max die Amplitude der Stromimpulse bezeichnet. Bis zum Zeitpunkt tl fließt
der Versorgungsstrom 1 über den Bus 8. Zum Zeitpunkt tl beginnt v nach Fig. 3a und
3b die Übertragung einer Adresse durch impulsförmiges Abschalten der Versorgungsspannung
U. Dieses Abschalten der Versorgungsspannung U hat gleichzeitig die Unterbrechung
des Versorgungsstromes Iv zur Folge. Zum Zeitpunkt t2 beginnt der Datensender 7
mit der Übertragung eines Meßwertes xi durch das Erzeugen von Stromimpulsen 1may'
die dem normalerweise zu den Meßstellen fließenden Versorgungsstrom 1v überlagert-sind.
Dieser Strom durchfließt im Datenempfänger 4 einen Strom-Spannung-Umsetzer 27, der
die Stromimpulse mit der Amplitude 1max erkennt und in entsprechend lange Spannungsimpulse
umsetzt.
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Der Datenempfänger 4 enthält ferner einen Schalter 28, ein Schieberegister
29, eine monostabile Kippstufe 30, eine bistabile Kippstufe 31, einen Vielfach-Umschalter
32 und eine der Zahl der Meßstellen entsprechende Anzahl von Meßwertspeichern 33.
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Bei der Aussendung eines Meßwertes xi durch den Datensender 7 ist
der Schalter 28 geschlossen, so daß die durch den Strom-Spannung-Umsetzer 27 erzeugten
Spannungsimpulse zum Schieberegister 29 und zu der monostabilen Kippstufe 30 gelangen.
Die Spannungsimpulse werden in das Schieberegister 29 eingelesen, wobei die monostabile
Kippschaltung 30 den Einlesetakt aus den Spannungsimpulsen ableitet. Der Ausgang
des Schieberegisters 29 ist über einen Vielfach-Umschalter 32 mit einer der Zahl
der Meßstellen entsprechenden Anzahl von Meßwertspeichern 33 und digitalen Anzeigegeräten
5 verbunden, die nach den Einlesen der Impuls serie den Meßwert xi zur Anzeige bringen.
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Durch den Schalter 28 ist sichergestellt, daß keine vom Adressensender
3 ausgesendete Adresse vom Datenempfänger 4 aufgenommen wird. Der Schalter 28 ist
im Ruhezustand geschlossen und wird durch die bistabile Kippstufe 31 sofort geöffnet,
wenn der Rechner 2 die Aussendung einer Adresse einleitet. Während der Adressenerzeugung
im Adressensender 3 zählt ein Impulszähler 14 die Anzahl der Adressenimpulse.
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Besteht eine Adresse beispielsweise aus vier Einzelimpulsen,
so
gibt der Impuls zähler 14 nach dem Erkennen des vierten Impulses ein Signal an die
bistabile Kippstufe 31 des Datenempfängers 4 ab. Das Ausgangssignal der bistabilen
Kippstufe 31 schließt nun den Schalter 28 und bewirkt die Aufnahmebereitschaft des
Datenempfängers 4 für einen Meßwert xi. Der zeitliche Verlauf der Schalterstellung
geht aus Fig. 3c hervor.
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Eine eindeutige Unterscheidungsmöglichkeit zwischen den von der Leitstelle
1 ausgesendeten Daten und den Antworten der Datensender 7 ist dadurch gegeben, daß
die von der Leitstelle 1 ausgesendeten Daten als Spannungsimpulse und die Antwortdaten
als Stromimpulse über den Bus 8 übertragen werden.
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Sollen mit der Schaltungsanordnung neben Adressen und Meßwerten auch
Stell- und Steuerbefehle übertragen werden, so ist eine geringfügige Abänderung
des Aufrufverfahrens notwendig, um Verwechslungen der genannten Daten auszuschließen.
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Dies kann dadurch sichergestellt werden, daß die Eingänge der Adressenempfänger
6 normalerweise gesperrt sind und erst durch eine der Adresse vorausgehende Impuls
serie oder einen langen Impuls freigeschaltet werden. Hat ein Adressenempfänger
6 eine Adresse erkannt, so sind alle anderen Adresseneingänge wieder blockiert.
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Bei der beschriebenen und bei bekannten Schaltungsanordnungen ist
eine Störung des Busses durch einen Kurzschluß oder eine Leitungstrennung nicht
auszuschließen. Zur Vermeidung derartiger
Störungen kann es zweckmäßig
sein, die Verbindung zwischen der Leitstelle und den Adressenempfängern über zwei
unabhängige Busse herzustellen. Zur Entkopplung der beiden Busse sind den Eingängen
der Adressenempfänger Dioden vorgeschaltet.
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Tritt nun in einem der Busse z.B. ein Kurzschluß auf, so steht nach
der Umschaltung auf den zweiten, betriebsfähigen Bus ein ungestörter Datenweg zur
Verfügung. Eine Übertragung der Störung auf den zweiten Bus ist durch die Dioden
verhindert.
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Eine laufende Überwachung der Funktionsfähigkeit der beiden Busse
kann dadurch erfolgen, daß die Leitstelle eine alternierende Umschaltung von einem
Bus auf den anderen vornimmt.
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Ferner kann die Schaltungeanordnung zur Erhöhung der Sicherheit so
programmiert sein, daß jeder Adressenempfänger das Erkennen seiner Adresse durch
die Rücksendung seiner Adresse an die Leitstelle bestätigt und daß jeder Datensender
die gleiche Information mehrmals aussendet.
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Die Kodierung der von den Datensendern ausgesendeten Daten erfolgt
zweckmäßigerweise im BCD-Kode, der direkte Anzeigemöglichkeiten bietet (BCD-7 Segmentanzeige)
und es erlaubt, handelsübliche Analog-Digital-Umsetzer zu verwenden. Die Sicherung
eines übertragenden Meßwertes läßt sich z.B.
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dadurch realisieren, daß jede BCD-kodierte Dezimalziffer durch ein
Prüfbit (Parity Check) abgesichert ist.
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Die Stromaufnahme der am Bus angeschlossenen Adressenempfänger und
Datensender ist durch die Verwendung von CMOS-Digitalschaltkreisen so eingeschränkt,
daß etwa zehn Meßstellen an einem Bus in der Schutzart Eigensicherheit betreibbar
sind. Die Meßstellen können an beliebigen Stellen des Busses angeschlossen werden.
Im Normalfall ist die Länge des Busses auf etwa 1 km begrenzt; sind ohne Eigensicherheit
längere Busse erforderlich, so müssen Zwischenverstärker eingesetzt oder größere
Versorgungsspannungen U verwendet werden.
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Grundsätzlich besteht bei der beschriebenen Schaltungsanordnung die
Möglichkeit, den zweiadrigen Bus durch einen dreiadrigen Bus zu ersetzen. In diesem
Fall ist eine Ader von den Adressen und der Versorgungsspannung beaufschlagt, während
die Meßwerte auf einer separaten Ader übertragen werden. Es lassen sich auch Meßwerte
und die Versorgungsspannung gemeinsam auf einer Ader bei separater Adressenader
übertragen. Die dritte Ader führt jeweils ein Bezugspotential. Der Einsatz eines
dreiadrigen Busses bietet eine Möglichkeit zur Vereinfachung der Schaltungsanordnung,
da sich beispielsweise die beschriebene Verriegelung des Datenempfängers gegen Adressen
erübrigt. Außerdem lassen sich bei einem dreiadrigen Bus Adressen sowie Meßdaten
als Norm-Spannungsimpulse übertragen.
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Grundsätzlich ist es bei Verwendung eines dreiadrigen Busses auch
möglich, die Adressen und die Meßwerte auf der ersten Ader, die Versorgungsspannung
auf der zweiten Ader und das Bezugspotential auf der dritten Ader zu führen.
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15. Seiten Beschreibung 8 Ansprüche 3 Blatt Zeichnungen mit 3 Figuren