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Die
Erfindung betrifft einen Feldbus-Stecker mit integriertem bidirektionalen
Bus-Repeater gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 und gemäß Patentanspruch
7 ein Verfahren zur Kopplung hierzu.
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Feldbusse,
d. h. Bussysteme im prozessnahen Bereich zum direkten Anschluss
von Sensoren und Aktuatoren mit eigener Intelligenz sind seit längerem bekannt.
Zurzeit gibt es etwa 50 verschiedene Feldbussysteme, die sich hinsichtlich
ihrer technischen Funktionen und den daraus resultierenden Einsatzgebieten
und Anwendungshäufigkeiten grundsätzlich von
einander unterscheiden Beispiele für bekannte Feldbusse sind CAN-Bus,
Profibus, Modbus, DeviceNet oder Interbus. Auf einem Feldbus werden
kleinere Datenmengen zwischen Sensorik, Aktorik und Steuereinrichtung
in digitaler Form übertragen.
Die Übertragung
muss dabei möglichst schnell,
d. h. echtzeitnah erfolgen. Zudem muss eine feste minimale und maximale
Antwortzeit garantiert sein. Darüber
hinaus müssen
Feldbusse einfach montierbar, konfigurierbar und wartbar sein und
den industriellen Umgebungsbedingungen standhalten. Die Kommunikation
der Einheiten erfolgt auf dem Feldbus anhand von spezifizierten
Protokollen. Um der Forderung nach offenen Systemen zur Vernetzung
entsprechen zu können,
besteht die Notwendigkeit, einfache und kostengünstige Kommunikationsmechanismen
zur Verfügung
zu stellen, um industrielle Geräte
netzwerkfähig
zu machen. Diese Forderung besteht vor allem auch im Zusammenhang
mit der Kopplung von Antriebskomponenten, wie zwischen Antriebsregelungen,
Leistungsteilen und Gebern bei numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen
und Robotern, bei denen eine Mehrzahl interpolierender Achsen synchron
betrieben werden müssen.
Bei der zunehmenden Vernetzung verschiedenster technischer Systeme
wächst
deshalb die Forderung nach standardisierten Strukturen in der Industrie.
In modernen Automatisierungssystemen ersetzen zunehmend serielle
Feldbusse die konventionelle parallele Feldverkabelung. Die serielle
Vernetzung der Komponenten spart Zeiten bei der Planung und Installation,
außerdem
werden Schaltschrankausmaße
reduziert sowie Ausfall- und Wartungszeiten verkürzt und damit eine bessere
Anlagenverfügbarkeit
erzielt. Systemerweiterungen, -änderungen und
-ergänzungen
sind einfach zu realisieren.
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Der
CAN-Bus (Controller Area Network) ist ein serielles Bussystem mit
dem Aufbau nach ISO 11898, wobei das Bus-Medium ein verdrilltes
Leiterpaar ist. Der CAN-Bus weist gute Übertragungseigenschaften im
Kurzstreckenbereich unterhalb 40 m bei 1 Mbit/s Datenübertragungsrate
auf und die maximale Anzahl der Teilnehmer ist theoretisch unbegrenzt,
in der Praxis bis zu 120 Knoten je Einzelbus. Weitere Eigenschaften
sind die echtzeitfähig,
d. h. definierte maximale Wartezeiten für Nachrichten hoher Priorität, die hohe
Zuverlässigkeit
durch Fehlererkennung, Fehlerbehandlung, Fehlereingrenzung sowie
die Hamming-Distanz: 6. CANopen ist eine standardisierte Profilfamilie
für die
Kommunikation zwischen interoperabel arbeitenden Geräten in verteilten
industriellen Automatisierungssystemen auf der Basis des CAN-Bus.
Sie basiert auf einem so genannten Kommunikationsprofil, welches
die zugrunde gelegten Kommunikationsmechanismen und deren Beschreibung
spezifiziert. Dabei werden die wichtigsten, in der industriellen
Automatisierungstechnik eingesetzten Gerätetypen, wie digitale und analoge
Ein/Ausgabemodule, Antriebe, Regler, programmierbare Steuerungen,
oder Encoder in so genannten Geräteprofilen
beschrieben. Darin sind sowohl Funktionalität, als auch Parameter von Standardgeräten des
jeweiligen Typs festgelegt. Auf der Grundlage dieser standardisierten
Profile kann auf identische Art und Weise über den Bus auf CANopen Geräte zugegriffen
werden. Insbesondere erreicht man hiermit eine weitgehende Herstellerunabhängigkeit
durch Interoperabilität
und Austauschbarkeit von Geräten
verschiedener Hersteller. CANopen liegt seit Ende 2002 als EN 50325-4
in standardisierter Form vor.
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Bei
Systemerweiterungen werden häufig
Repeater zur Anwendung kommen, das sind Netzwerkelemente zum Verstärken und
Regenerieren von Signalen in einem Netzwerk. Informationen, die
einen Repeater passieren, können
größere Entfernungen zurücklegen
als sie es ohne Unterstützung
durch den Repeater könnten.
Beispielsweise betrifft die
EP
1 199 836 A2 den Aufbau eines vernetzten Systems, insbesondere
eine baumartige Bus-Topologie, bei der zur Verkopplung zweier Busse
ein sogenannter Bus-Repeater erforderlich ist. Bei bekannten Bus-Repeater
von denen die
EP 1
199 836 A2 ausgeht, liest ein Mikrokontroller die von einem
Bus über eine
Bus-Schnittstelle empfangenen Signalpulsfolgen ein und sendet diese
anschließend über eine weitere
Bus-Schnittstelle
an den zweiten Bus und umgekehrt. Üblicherweise werden dabei die
Signalpulsfolgen ganzer Nachrichten jeweils vollständig eingelesen,
bevor diese an den zweiten Bus weitergesendet werden. Dadurch kommt
es zu unerwünschten
Verzögerungen
bei der Signalübertragung
zwischen den jeweils verkoppelten Bussen. Zudem sind die bekannten
Bus-Repeater aufgrund der erforderlichen Mikrokontroller teuer.
Um einen preisgünstigen
und schnellen Bus-Repeater zu schaffen, ist beim Gegenstand der
EP 1 199 836 A2 vorgesehen,
dass der bidirektionale Bus-Repeater Sperrmittel aufweist, die während des
Sendens eines von dem ersten Bus empfangenen Signalpulses auf den zweiten
Bus ein Senden des Bus-Repeaters von von dem zweiten Bus empfangenen
Signalpulsen auf den ersten Bus für eine Sendesperrzeit sperren
und umgekehrt. Im Vergleich zum Stand der Technik wartet der Bus-Repeater
gemäß der
EP 1 199 836 A2 also nicht
erst den Eingang einer eine Nachricht bildenden Signalpulsfolge
ab, sondern überträgt die jeweiligen Signalpulse
unmittelbar nach deren Empfang, ohne Verzögerung und ohne Zwischenspeicherung,
von dem einen Bus in den jeweils anderen Bus. Beim CAN-Bus, der
ein bevorzugtes Anwendungsgebiet für die Erfindung bildet, wird
dabei ein Zustandswechsel rezessiv-dominant-rezessiv vom Bus-Repeater
vom einen in den anderen Bus übertragen. Um
einen Kreisverkehr (der sendende Bus-Repeater empfängt die
von ihm an den zweiten Bus gesendeten Signalpulse wieder, d. h.
dieser hört
sozusagen mit) zu vermeiden, sind in dem Bus-Repeater gemäß der
EP 1 199 836 A2 die
Sperrmittel vorgesehen, die beim CAN-Bus während der Übertragung eines von dem ersten
Bus empfangenen dominanten Signalpulses auf den zweiten Bus aktiv
sind und umgekehrt. In der Praxis tritt bedingt durch Leitungskapazitäten der
Busleitungen häufig
das Problem auf, dass eine Signalflanke am Ende eines auf einem
Bus gesendeten Signalpulses, beim CAN-Bus die Signalflanke vom dominanten
in den rezessiven Zustand, z. B. in einer Exponentialfunktion ausläuft. Ein
an den jeweiligen Bus angeschlossener Teilnehmer, also auch der
Bus-Repeater, erkennt das Ende eines derart langsam abklingenden
Signalpulses erst dann, wenn dieser eine vorbestimmte Spannungsschwelle unterschreitet.
Damit der Bus-Repeater nicht aufgrund der Abklingzeit wieder das
Anstehen eines zu übertragenden
Signalpulses auf dem zweiten Bus ermittelt und diesen wieder an
den ersten Bus zurück überträgt, sind
in einer vorteilhaften Ausgestaltung des Bus-Repeaters gemäß der
EP 1 199 836 A2 die Sperrmittel
derart ausgestaltet, dass diese die Sendesperrzeit für eine vorbestimmte
Nachlaufzeit verlängern.
Somit kann ein auf dem zweiten Bus noch verlängert anstehender Signalpuls
abklingen, ohne dass der Bus-Repeater diesen Signalpuls fälschlicherweise
wieder an den ersten Bus zurücksendet. Bei
höheren
Baudraten kann es dabei im Extremfall zu Wartezeiten kommen, die
bei etwa 50 Prozent einer an sich vorgesehenen Länge des jeweiligen Signalpulses
liegen. Daher weist der Bus-Repeater gemäß der
EP 1 199 836 A2 vorzugsweise
Entlademittel zum Entladen des ersten Busses und/oder des zweiten
Busses nach erfolgtem Senden eines Signalpulses auf dem ersten Bus
bzw. dem zweiten Bus auf, so dass die Abklingzeit der Signalpulse
verkürzt wird
und erneut Signalpulse übertragen
werden können.
Beim CAN-Bus wird
dabei ein Zustandswechsel von dominant auf rezessiv beschleunigt.
Die Entlademittel enthalten hierfür einen zeitgesteuerten Kurzschlussschalter,
wobei es alternativ auch möglich
ist, dass die Entlademittel einen Spannungspegel erfassen. Die Entlademittel
können
während
der gesamten Nachlaufzeit der Sperrmittel, aber auch nur während eines
Teils der Nachlaufzeit aktiviert werden. Für den zuletzt genannten Fall
ist für
die Entlademittel und die Sperrmittel zur Bildung eines Nachlaufzeit-Impulses
einen gemeinsamen Zeitgeber vorgesehen. Somit weist der Bus-Repeater
Mittel auf, die dessen Übertragungswege
vom ersten Bus an den zweiten Bus und umgekehrt bei der Übertragung
eines Signalpulses wechselseitig verriegeln und anschließend wieder
freigeben. Der bidirektionale Bus-Repeater gemäß der
EP 1 199 836 A2 ist bei diesem Übertragungsprinzip
kompakt bauend und kann aus preisgünstigen Komponenten gefertigt
werden, so dass er z. B. in einen Verbindungsstecker zum Anschluss
zweier oder mehrerer Busse integriert werden kann. Der Bus-Repeater
kann aus diskreten Bauelementen oder in einer vorteilhaften Variante
als integrierter Schaltkreis aufgebaut werden und erfordert dabei
keine teueren Komponenten, wie z. B. Mikrokontroller. Ferner muss
an dem Bus-Repeater keine Baudrate eingestellt werden, da sich dieser
sozusagen automatisch an die jeweiligen Baudraten anpasst.
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Für den Informationsaustausch
von Automatisierungssystemen untereinander sowie mit den angeschlossenen
dezentralen Feldgeräten
wird heute vorwiegend der Profibus (Process Field Bus) eingesetzt.
Profibus ist ein serieller Feldbus, welcher als universell einsetzbares,
offenes Feldbussystem mit Übertragungsgeschwindigkeit
bis zu 12 Mbit/s, üblicherweise
0,5 bis 4 Mbit/s konzipiert ist. Mit dem Profibus-DP (Profibus für den Bereich
der „Dezentralen Peripherie") können einfache
digitale und analoge Ein-/Ausgabebaugruppen sowie intelligente signal- und
prozessdatenverarbeitende Einheiten vor Ort verlagert werden und
damit u. a. die Kosten für
den Verkabelungsaufwand deutlich gesenkt werden. Profibus-DP ist
vorwiegend für
zeitkritische Anwendungen in der Fertigungsautomatisierung vorgesehen. Weitere
Varianten sind Profibus-FMS (Profibus-Fieldbus Message Specification),
ein Feldbus für
den Einsatz auf der Systemebene mit relativ geringen Echtzeitanforderungen
sowie Profibus-PA (Process Field Bus for Process Automation) eine
eigensichere Variante des Profibus, welche sich von der Profibus-DP-Variante
nur durch das physikalische Medium unterscheidet und welche vorwiegend
für die
Prozessautomatisierung in der Verfahrenstechnik zur Anwendung kommt.
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Wie
die vorstehende Würdigung
des Standes der Technik aufzeigt, werden in der Automatisierungstechnik
zur Kommunikation zwischen den einzelnen Geräten verschiedene Schnittstellen
mit ihren physikalischen Eigenschaften und Übertagungsprotokolle definiert
und in internationale Normen eingebracht oder etablieren sich als
Industriestandards. Diese Systeme werden allgemein als Feldbussystem bezeichnet,
wobei auch die Ethernet-basierten Technologien dazu zu zählen sind.
Die Schnittstellen bzw. Busanschaltungen des jeweiligen Bus-Teilnehmers sind
in Form von dedizierten Kommunikations-Controllern, zum Teil mit
CPU als integrierte Schaltkreise (Kommunikations-Prozessor) aufgebaut,
siehe beispielsweise
DE
198 31 405 A1 (ASIC: ASPC2),
DE 299 07 909 U1 (ASIC:
SPC3) oder
DE 199
28 517 C2 (ASIC: SUPI). Dabei sind in der Regel spezielle Hard-
und Softwarekomponenenten mit einer Reihe von teueren, für die Kommunikation
speziell ausgelegten Komponenten, wie HUB und Leitungstreiber, Ethernet-Controller,
Media Interpent Interface für
die Verbindung zu einem anderen Netz (öffentliches Datennetz, anderes
LAN oder einem Hostsystem), Feldbus-Schnittstellen bzw. Sensorbus-Schnittstelle,
insbesondere Serial Peripheral Interface mit Master- bzw. Slave-Protokollchips,
sowie die Umsetzung entsprechender Netzwerk-Zugangsprotokolle, z.
B. CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection),
Token-Passing (Bitmuster als Berechtigungsmarke) oder TCP/IP (Transmission
Control Protocol/Internet Protocol) in für den Feldbus spezifizierte
Protokolle erforderlich.
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Weiterhin
ist aus der
US 6,047,379
A ein Busregenerator gemäß dem SCSI-1 Standard für die Leitungsverlängerung – ohne einen
110/220 Volt Anschluss hierfür
zu benötigen – bekannt.
Das Small Computer System Interface (SCSI) ist eine standardisierte
parallele Schnittstelle für
die Verbindung und Datenübertragung
zwischen Peripheriegeräten
und dem Computer-Bus. SCSI-1, auch Narrow SCSI genannt, bietet einen
Bus mit 8 Bit Breite und Paritätsprüfung, der
asynchron mit 3,5 MB/s oder synchron mit 5 MB/s läuft, die
maximale Kabellänge
beträgt
dabei 6 Meter. Der SCSI-Bus ist ein Parallelbussystem mit Steuerbus,
Datenbus, Adressbus und Versorgungsbus, bei welchem die Übertragungssteuerung unter
Benutzung spezieller Steuerleitungen nach dem Master-Slave abgewickelt
wird. Die Stecker und Kabel für
SCSI-Geräte sind
50-pol Standardkabel, 8 Bit Busbreite bzw. 68-pol Standardkabel,
16 Bit Busbreite. Eine Variante des SCSI-1-Standards verwendet eine
auf differentiellen Signalpegeln basierende Übertragungstechnik (Differential-SCSI)
und ermöglicht
so eine Kabellänge
von 25 m. Um an einen Computer SCSI-Geräte
anschließen
zu können,
wird ein SCSI-Host-Bus-Adapter (kurz HBA) benötigt, der den Datentransfer
auf dem SCSI-Bus kontrolliert. Das anzuschließende SCSI-Gerät besitzt
einen SCSI-Controller, um die Daten über den Bus zu übertragen
und mit dem Host Bus Adapter zu kommunizieren. Der SCSI-Host-Bus-Adapter
kann auf der Hauptplatine integriert sein, wird aber in der Regel
als Steckkarte nachgerüstet.
Jedes SCSI-Gerät
(einschließlich
des Host Bus Adapters) muss mit einer eindeutigen ID-Nummer konfiguriert
werden. Dem Host Bus Adapter bzw. Controller wurde die ID = 7 generell
zugeordnet. So werden die einzelnen Geräte auf dem SCSI-Bus eindeutig
identifiziert und die Priorität
der Geräte
festgelegt. Die Priorität
der IDs lautet in absteigender Reihenfolge 6 bis 0 und dann 15 bis
8. Jeder SCSI-Strang muss mit genau zwei Terminatoren abgeschlossen
werden – an
jedem physikalischen Leitungsende einen. Meist bieten die Host Bus
Adapter die Möglichkeit,
eine Seite des Busses zu terminieren, sodass in der Regel an dem
anderen physikalischen Leitungsende nur ein Steckterminator erforderlich
ist. Es gibt sowohl aktive als auch passive Terminatoren, wobei
dem aktiven Typ der Vorzug gegeben werden sollte (auf LVD-Bussen
ist er zwingend notwendig). Für
einen SCSI-Bus erfordern solche Terminatorkonfigurationen im Allgemeinen
ungefähr 5
Volt bei 1 Ampere, um zu arbeiten; hierfür ist eine separate Leitung
(genannt TERMPWR) vorgesehen, da unsachgemäße Terminierung eines der häufigsten
Probleme bei SCSI-Installationen ist. Weiterhin ist beim Gegenstand
der
US 6,047,379 A ein
Bus-Repeater in Form eines Signalregenerators beschrieben, der in
der Bitübertragungsschicht
ein Signal empfängt,
dieses dann neu aufbereitet und wieder aussendet. Rauschen sowie
Verzerrungen der Laufzeit (Jitter) und der Pulsform werden bei dieser
Aufbereitung aus dem empfangenen Signal entfernt (re-timing und
Filterung; d. h. das Signalformat ist dasselbe, beispielsweise single-ended)).
Sowohl für SCSI-Busregenerator
als auch für
den SCSI-Repeater ist sowohl die separate Leitung (TERMPWR) als auch
die entsprechende Regelschaltung in der Terminatorkonfiguration
erforderlich.
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Weiterhin
betrifft die
US 6,363,085
B1 einen Universal Serial Bus (USB) Repeater. Trotz seines Namens – Universal
Serial Bus – ist
der USB kein physischer Datenbus, denn bei einem solchen werden
mehrere Geräte
parallel an eine Leitung angeschlossen, sondern ist zum Anschluss
von Peripheriegeräten
an den PC konzipiert. Die Bezeichnung „Bus" bezieht sich auf die logische Vernetzung,
die tatsächliche
elektrische Ausführung
erfolgt nur mit Punkt-zu-Punkt-Verbindungen.
Beim USB werden die einzelnen Bits des Datenpaketes bitseriell – also nacheinander – übertragen.
Die Datenübertragung erfolgt
symmetrisch über
zwei verdrillte Leitungen, wobei die eine Leitung das Datensignal
unverändert und
die andere das invertierte Signal überträgt. Zwei weitere Leitungen
dienen zur Stromversorgung der angeschlossenen Geräte. Eine
hohe Datenübertragungsrate
ist mit relativ geringem Aufwand zu erreichen, da nicht mehrere
Signale mit identischem elektrischem und zeitlichem Verhalten übertragen
werden müssen
(maximale Datenraten von 800 byte/s bei Low-Speed, 64 kbyte/s bei Full-Speed und
bis zu 24 Mbyte/s bei High-Speed). Die USB-Spezifikation zum Anmeldetag
der
US 6,363,085 B1 sieht
zwingend einen zentralen Host-Controller (Master) vor, der die Koordination
der angeschlossenen Peripherie-Geräte (den sog. Slave-Clients
wie Massenspeicher (etwa Festplatte, Diskette, DVD-Laufwerk), Drucker,
Scanner, Webcams, Maus, Tastatur, aber auch Dongles und sogar Grafikkarten
und Monitore) übernimmt.
Daran können
theoretisch bis zu 127 verschiedene Geräte angeschlossen werden. An
einem USB-Port kann immer nur ein USB-Gerät angeschlossen werden, so
dass wenn an einem Host mehrere Geräte angeschlossen werden sollen,
deshalb ein Verteiler (Hub) für
deren Kopplung sorgen muss. Durch den Einsatz von Hubs entstehen
Baumstrukturen, die alle im Host-Controller enden. USB überträgt seine
Daten in Paketen, und ist für
zeitkritische Anwendungen (wie für
die Automatisierungstechnik) weniger/nicht geeignet. Insbesondere
bei nur mit wenigen Bytes belegten Paketen, welche die Übertragungsrate
senken, oder wenn das Sammeln von Bytes zum Füllen eines Pakets die Übertragung verzögern würde. Die
Kommunikation bei USB wird vom Host-Controller gesteuert, der in
der Regel auf dem Motherboard eines Computers verbaut ist. Nur dieser
kann Daten von einem Gerät
lesen oder zu einem Gerät
senden. Ein Gerät
darf nur dann Daten zum Host-Controller senden, wenn es von diesem abgefragt
wird. Da alle USB-Transaktionen durch die USB-Software auf dem Host-Computer
realisiert werden muss bei zeitkritischen Datenströmen, wie
etwa bei Mausbewegungen, sich der Host-Controller häufig genug
beim Gerät
erkundigen, ob es Daten senden will, um ein Ruckeln zu verhindern.
Eine direkte Kommunikation zwischen USB-Geräten ist in der
US 6,363,085 B1 nicht beschrieben
(bzw. war gemäß dem USB-Standard
zum Anmeldetag nicht möglich). Der
USB-Bustreiber ist die Schnittstelle zwischen dem USB-Gerätetreiber
und dem USB-Host-Controller, wobei der Universal Serial Bus-Host-Controller-Treiber
(Host controller driver) die zeitliche Abfolge der einzelnen Transaktionen
(Scheduling) organisiert. Dazu baut er eine Folge von Transaktionslisten auf,
welche aus den noch nicht abgearbeiteten Transaktionen in Richtung
eines Gerätes,
welches am USB angeschlossen ist, bestehen. Der USB-Bustreiber (USB-Driver)
kennt die spezifischen Kommunikationseigenschaften der einzelnen
USB-Geräte, zum
Beispiel die Datenmenge pro Frame oder Abstände zwischen den periodischen
Zugriffen. Diese Eigenschaften erkennt der USB-Bustreiber beim Analysieren
der Geräte-Deskriptoren während der Konfigurationsphase.
Die Aufgabe des USB-Gerätetreibers
(USB device driver) ist die Erzeugung von Anfragen (Requests) an
den USB-Bustreiber. Für eine
Anfrage werden I/O-Request-Packets (IRP) verwendet. Die Länge eines
Kabels vom Hub zum Gerät ist
auf fünf
Meter begrenzt. Low-Speed-Kabel werden von der USB-Spezifikation
auf drei Meter beschränkt.
Zu beachten ist weiterhin, dass pro Anschluss zur Stromversorgung
nur max. 500 mA (High Power) oder 100 mA (Low Power) zur Verfügung stehen,
wodurch Geräte
mit einer Leistung von bis zu 2,5 W über den Bus mitversorgt werden
können.
Das reicht für
externe Festplatten meist nicht aus, weswegen oft ein externes Netzteil
(self-powered) benötigt wird.
Die Stecker eines USB-Kabels sind verpolungs- und vertauschungssicher
gestaltet. In Richtung des Host-Controllers (Upstream) werden flache
Stecker mit voreilenden äußeren Pins
für die
Versorgungsspannung (Typ A, DIN IEC 61076-3-107) verwendet. Zum
angeschlossenen Gerät
hin (Downstream) werden die Kabel entweder fix montiert oder über annähernd quadratische
Stecker (Typ B, DIN IEC 61076-3-108) angeschlossen. Die USB-Spezifikation schließt Verlängerungen
aus. Hier setzt nun die Erfindung gemäß der
US 6,363,085 B1 an und schafft
einen USB-Repeater, wobei das Upstream-Kabel Gegenstand der
US 6,363,085 B1 ist, über welches
(wie auch beim USB-Standard)
ein echter bidirektionaler Austausch nicht möglich ist.
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Schließlich betrifft
die
US 6,954,808 B2 eine Universal
Serial Bus(USB)-Erweiterung
mit Translator (Formatwandler). Dieser USB-Line-Extender bestehen
aus zwei Komponenten, nämlich
einem transmitter hub, welcher an den Computer = PC host (oder root
hub) angeschlossen werden, und einem Receiver-Hub, jeweils mit eigener
Stromversorgung für den
Anschluss der USB-Geräte
an den Ports 1 bis 4 bzw. 5 bis 8. Weiterhin sind ein USB-Hub-Emulator und mehrere
Translatoren vorgesehen.
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Wie
die vorstehende Würdigung
des Standes der Technik aufzeigt, findet wenig Beachtung jedoch
die Entwicklung einer solchen Schnittstelle bzw. Busanschaltung,
welche eine individuelle und komfortable Systemerweiterung und Anpassung
der Kommunikationsfunktionen ermöglicht.
Deshalb fehlen in der Praxis kostengünstige Kommunikationsschnittstellen
bzw. Bus-Repeater für
ein in Echtzeit betreibbares Automatisierungssystem, welches eine individuelle,
insbesondere automatisch anpassbare, interaktive Systemerweiterung
und Kommunikation sicherstellt. Besonders bedeutsam ist dies, weil
die Telekommunikations- und Computerindustrie als fortschrittliche, entwicklungsfreudige
Industrien anzusehen sind, die schnell Verbesserungen und Vereinfachungen
aufgreifen und in die Tat umsetzen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Bus-Repeater und ein
Verfahren zur Systemerweiterung eines Automatisierungssystems derart auszugestalten,
dass der Anschluss eines Bus-Teilnehmers an den jeweiligen Bus ermöglicht wird.
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Diese
Aufgabe wird von einem bidirektionalen Bus-Repeater zur Ankoppelung
von zumindest einem ersten seriellen Feldbus an einem zweiten seriellen
Feldbus oder Bussegment, welcher als integrierter Schaltkreis aufgebaut
und in einem Feldbus-Stecker integriert ist, gemäß Patentanspruch 1 gelöst, indem:
- • mindestens
eine erste und eine zweite Sende-/Empfangseinrichtung vorgesehen
ist, an die der erste bzw. der zweite Feldbus ankoppelbar sind und über die
der Bus-Repeater von dem ersten Feldbus empfangene Signalpulsfolgen
auf den zweiten Feldbus senden kann und umgekehrt,
- • der
im Feldbus-Stecker integrierte Bus-Repeater zur Ankopplung eines
Bus-Teilnehmers ausgestaltet ist,
- • der
Bus-Repeater seine Stromversorgung ausschließlich aus der vom Bus-Teilnehmer zur Bestromung
von mindestens einem Abschlusswiderstand des jeweiligen Feldbusses
zur Verfügung gestellten
Spannung bezieht und
- • der
Bus-Repeater mindestens Mittel zur Baudraten-Detektion, Mittel zur
Taktwiederherstellung und Mittel zur Detektion der Busbelegung und Senderichtung
aufweist.
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Weiterhin
wird diese Aufgabe erfindungsgemäß bei einem
Verfahren zur Ankoppelung von zumindest einem ersten seriellen Feldbus
an einem zweiten seriellen Feldbus mittels einem bidirektionalen
Bus-Repeater, welcher als integrierter Schaltkreis aufgebaut und
in einem Feldbus-Stecker integriert ist und mindestens eine erste
und eine zweiten Sende-/Empfangseinrichtung sowie Mittel zur Baudraten-Detektion,
Mittel zur Taktwiederherstellung und Mittel zur Detektion der Busbelegung
und Senderichtung aufweist, nach Patentanspruch 7 gelöst, bei dem:
- • der
im Feldbus-Stecker integrierte Bus-Repeater einen Bus-Teilnehmer
ankoppelt und
- • der
Bus-Repeater ausschließlich
vom Bus-Teilnehmer gespeist werden kann und
- • der
Bus-Repeater nach dem Einschalten von beiden Feldbussen solange
Datensignale empfängt,
bis anhand der Mittel zur Detektion der Busbelegung und Senderichtung
und der Mittel zur Baudraten-Detektion eine gültige Baudrate erkannt wird.
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Der
erfindungsgemäße Bus-Repeater
und das erfindungsgemäße Verfahren
weisen den Vorteil auf, dass auf überraschend einfache Art und
Weise die Funktion eines Bus-Steckers, beispielsweise Profibus-Steckers,
und eines Repeaters in einem Gerät vereinigt
ist. Auch kann der Anschluss eines Bus-Teilnehmers an den Feldbus erfolgen,
ohne dass dieser vom Benutzer spezielle Handfertigkeiten oder Vorkenntnisse
erfordert. Weiterhin wird zunächst
ermittelt, welcher Bus zuerst sendet und dann wird mindestens ein
vollständiges
Byte zum anderen Bus übertragen.
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Dabei
wird das Timing der Bits bezogen auf die Baudrate wiederhergestellt.
Vorzugsweise überträgt der erfindungsgemäße Bus-Repeater
jedes Byte um mindestens eine Bit-Zeit verzögert.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten lassen sich der nachfolgenden Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmen. In der
Zeichnung zeigt:
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1 das
Blockschaltbild eines bidirektionalern Bus-Repeaters gemäß der Erfindung.
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In
der Automatisierungstechnik sind seit Jahren verschiedene Kommunikationssysteme
mit standardisierten Kommunikationsdiensten und Protokollen, mit
denen man zwischen heterogenen und homogenen Netzwerken kommunizieren
kann, im Einsatz. In der untersten Ebene sind beispielsweise einfache
Sensor-Aktuator-Bussysteme oder Rückwandbussysteme (z. B. auf
handelsüblichen
Norm-Tragschienen anbringbare modulare Ein-/Ausgabe-Geräte), in
der mittleren Ebene „eingebettete" Netzwerke zur Steuerung
der Maschinen (welche programmierbare Steuerungen, komplexe elektrische
und hydraulische Antriebsgeräte,
Ein-/Ausgabe-Geräte.
Datenerfassungsgeräte
oder Mensch/Maschine-Schnittstellen verbinden) und in der obersten
Ebene die Netzwerke zur Fabrikautomation angeordnet. Bei der erfindungsgemäßen Lösung liegt
in Hinblick auf die Kommunikationsbeziehungen ein einheitliches
logisches Netzwerk vor, so dass eine scharfe Trennlinie zwischen
der Technik in herkömmlichen
Telekommunikationsnetzen und (Computer)-Datennetzen nicht mehr gezogen
werden kann.
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Bei
der in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Lösung werden zwei Bussegmente 1, 2,
auf denen digitale serielle Daten übertragen werden, logisch miteinander
verbunden und elektrisch voneinander getrennt (Trennstelle 34;
optional Trennstelle 34',
insbesondere optischer oder magnetischer Übertrager). Der bidirektionale
Bus-Repeater 3 dient also zur Ankoppelung von zumindest
dem ersten Bus bzw. Bussegment 1 an den zweiten Bus bzw.
Bussegment 2, und weist zumindest eine erste und eine zweite
Sende-/Empfangseinrichtung 31, 32 auf, an die
der erste bzw. der zweite Bus 1, 2 ankoppelbar sind
und über
die der Bus-Repeater 3 von dem ersten Bus 1 empfangene
Signalpulsfolgen auf den zweiten Bus 2 senden kann und
umgekehrt. Der Bus-Repeater 3 ist als integrierter Schaltkreis
aufgebaut und in einem Bus-Stecker integriert. Im Einzelnen ist
der im Bus-Stecker integrierte Bus-Repeater 3 zur Kopplung
eines Bus-Teilnehmers 11, 21, ausgestaltet und bezieht
seine Stromversorgung ausschließlich
aus der vom Bus-Teilnehmer 11, 21 zur Bestromung
von mindestens einem Abschlusswiderstand 12, 22 des jeweiligen
Bus 1, 2 zur Verfügung gestellten Spannung.
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Vorzugsweise
sind alle Funktionen um die jeweilige Baudrate zu ermitteln in einem
integrierten Schaltkreis gepackt. Dieser weist mindestens Mittel zur
Baudraten-Detektion
33a, Mittel zur Taktwiederherstellung
33b und
Mittel zur Detektion der Busbelegung und Senderichtung
33c auf
und ermittelt, welcher Bus
1,
2 zuerst sendet
und überträgt dann
mindestens ein vollständiges
Byte zum anderen Bus
1,
2. Dabei wird das Timing
der Bits bezogen auf die Baudrate wiederhergestellt. Insbesondere
wird jedes Byte um mindestens eine Bit-Zeit verzögert übertragen. Vorrichtungen zum
Umladen der Leitungskapazitäten
wie beim bidirektionalen Bus-Repeater gemäß der
EP 1 199 836 A2 sind nicht
erforderlich.
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Vorzugsweise
weist der Bus-Repeater 3 einen Speicher für die Abspeicherung
von Testdaten mit verschiedenen Baudraten auf, wodurch es möglich ist
nacheinander diese Testdaten zu senden, bis die Mittel zur Baudraten-Detektion 33a diese
jeweils erkennen. Insbesondere weist der Bus-Repeater 3 eine
Steuereinrichtung 33 auf, welche die Baudrate aufgrund
von speziellen Test-Telegrammen
errechnet. Alternativ ist die Steuereinrichtung 33 mit
den Mittel zur Baudraten-Detektion 33a verbunden oder weist
diese auf und die Baudrate wird beginnend mit der zuletzt detektierten
erraten. Weiterhin kann vorgesehen werden, dass die Steuereinrichtung 33 eine gezielte,
modifizierte Wiederholung des Sendens der Daten mit verschiedenen
Baudraten nach Maßgabe einer
empfangsseitigen Fehlererkennung und unter Berücksichtigung, dass die Übertragungssicherheit der
Datenblöcke
von dem Inhalt der Daten abhängt, durchführt.
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Vorzugsweise
sind die Mittel zur Detektion der Busbelegung und Senderichtung 33c zur
Detektion welcher Bus zuerst sendet ausgestaltet. Bei den Mitteln
zur Taktwiederherstellung 33b wird berücksichtigt, dass die Bit-Erkennungszeiten
variabel sein können,
z. B. in Abhängigkeit
der Baudrate und dass der Wechsel von Bus aktiv zu Bus inaktiv ebenfalls variabel
sein kann, z. B. in Abhängigkeit
der Baudrate.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist dadurch gekennzeichnet, dass der Bus-Repeater 3
- • zunächst ermittelt,
welcher Feldbus (1, 2) zuerst sendet,
- • dann
mindestens ein vollständiges
Byte zum anderen Feldbus (1, 2) überträgt, wobei
das Timing der Bits bezogen auf die Baudrate wiederhergestellt wird
und wobei jedes Byte um mindestens eine Bit-Zeit verzögert wird
und
- • nach
dem Erkennen einer gültigen
Baudrate bei nachfolgenden Übertragungen
eine Änderung
der Baudrate erkennt und diese entsprechend einstellt.
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Insbesondere
empfängt
der Bus-Repeater 3 nach dem Einschalten von beiden Busen 1, 2 (bzw. bei
einer baumartigen Struktur oder Sternstruktur von den jeweils aktiven
beiden Bussegmenten) solange Datensignale, bis anhand der Mittel
zur Detektion der Busbelegung und Senderichtung 33c und
der Mittel zur Baudraten-Detektion 33a eine gültige Baudrate erkannt
wird.
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Auch
wenn die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung für den Einsatz bei der Automatisierungstechnik
(einschließlich
universelle Kommunikations-Plattform
für Barcode-
und Identifikationssysteme, intelligente EAs, Low-Cost-Antriebe, SPSen oder
Maschinenterminals) beschrieben ist, so ist der Einsatz des erfindungsgemäßen bidirektionalen
Bus-Repeater bzw. erfindungsgemäßen Verfahrens
auch in anderen Nachrichtennetzen mit entsprechenden Netzwerkübergängen möglich. Dies
ist darauf zurückzuführen, dass
das erfindungsgemäße Konzept
auf Vorleistungen in Nachrichtennetzen oder Systemen/Anlagen (auch
für vermittelte
Verbindungen) aufbaut und die einfache Anpassung an die jeweiligen
Gegebenheiten und Einbindung ohne Änderung der Erfindung bzw.
des Grundkonzepts erlaubt.
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Die
Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt,
sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden
Ausführungen.
Ferner ist die Erfindung bislang auch noch nicht auf die im Patentanspruch
1 oder 7 definierte Merkmalskombination beschränkt, sondern kann auch durch
jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller
insgesamt offenbarten Einzelmerkmale definiert sein. Dies bedeutet,
dass grundsätzlich
praktisch jedes Einzelmerkmal des Patentanspruchs 1 oder 7 weggelassen
bzw. durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes
Einzelmerkmal ersetzt werden kann.