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Verfahren und Einrichtung zur Uberwachung von
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optoelektronischen Übertragungsstrecken für seriell ausgesendete digitale
Signale Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung von optoelektronischen
Ubertragungsstrecken für seriell ausgesendete digitale Signale, insbesondere Impulstelegramine.
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Eine Überwachung solcher Übertragungsstrecken ist wichtig wegen der
Alterung der sendeseitig angeordneten lichtemittierenden Dioden und hilft ausfallbedingte
Folgekosten bei industriellen Anwendungen zu vermeiden.
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Die Erfindung stellt sich die Aufgabe vor einem voraussichtlich bald
erfolgenden Ausfall der Übertragungsstrekke ein Warnsignal zu erzeugen, so daß das
fehlerhafte Bauelement, meist die lichtemittierende Diode, noch rechtzeitig in der
nächsten Betriebspause ausgetauscht werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren
soll es insbesondere auch gestatten, empfangsseitig eine Aussage über die jeweils
noch vorhandene Dämpfungsreserve der Übertragungsstrecke zu gewinnen, wenn der Ausgang
des analogen Eingangsverstärkers einer voll integrierten Empfängerschaltung nicht
zugänglich ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Hauptanspruches gelöst. Dabei ergibt sich auch noch der Vorteil, daß die gesamte
Ubertragungsstrecke bis zu ihrem empfängerseitigen Ende in die Überwachung einbezogen
wird.
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Die Erfindung samt ihren weiteren, in Unteransprüchen gekennzeichneten
Ausgestaltungen soll nachstehend anhand eines Anwendungsbeispieles näher erläutert
werden.
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In Figur 1 ist ein Übertragungssystem für Impulstelegramme im Synchronbetrieb
gezeigt. Synchronbetrieb bedeutet in diesem Zusammenhang, daß fortlaufend ein Impulstelegramm
nach dem anderen ohne Sendepause übertragen wird.
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Die seriell über eine Lichtwellenleitung 9 zu übertragende Information
liegt binär codiert an den mit 20 bis bezeichneten Eingängen eines Schieberegisters
10, dem außerdem noch ein Signal PB für ein Paritätsbit und ein weiteres Signal
AB für das erfindungsgemäß vorgesehene Testbit zugeführt sind. Die aus diesen Eingangssignalen
bestehende Information wird nun bitweise im Raster der von einem Taktgenerator 11
gelieferten Taktimpulse C vom Schieberegister 10 als sogenanntes Impulstelegramm
I ausgegeben, mittels eines optoelektronischen Wandlers 12 in entsprechende Lichtimpulse
I' umgewandelt und am Ende der Lichtwellenleitung 9 von einem weiteren optoelektronischen
Wandler 13 in entsprechende elektrische Spannungssignale umgesetzt. Der optoelektronische
Wandler 13 auf der Empfangsseite ist meist voll integriert ausgeführt und weist
außer zwei Klemmen zur Spannungsversorgung nur noch eine Ausgangsklemme auf, an
welcher das digitale Signal I abgenommen werden kann. Er besteht im wesentlichen
aus einem analogen Eingangsverstärker mit einem nachgeschalteten Schwellwertglied,
welches dann ein konstantes Signal abgibt, wenn sein Eingangssignal einen bestimmten
Grenzwert über- oder unterschritten hat. Eine gleichartige Übertragungsstrecke,
bestehend aus den beiderseits der Lichtwellenleitung 15 angeordneten Wandlern 16
und 17 ist für die Taktimpulse C vorhanden. Es soll nun ermittelt werden, ob sich
die Eingangs leistung der Wandler 13 bzw. 17 noch um einen bestimmten Prozentsatz
vermindern kann, ehe ihre internen Grenzwertmelder
nicht mehr ansprechen
und demzufolge das ausgesendete Impulstelegramm nicht mehr übertragen wird.
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Die Ausgangsgröße des Wandlers 13 ist einem Schieberegister 14zugeführt
und wird nach Maßgabe des Taktes C, welcher wie die Information I über eine optoelektronische
Übertragungsstrecke 15 auf das Schieberegister 14 gelangt, in dasselbe eingelesen.
Nach einer vorbestimmten Anzahl von Taktimpulsen erscheint in an sich bekannter
Weise an den Ausgängen des Schieberegisters 14 die dem Schieberegister 10 eingegebene
Information. Die Schieberegister 10 und 14 laufen synchron; nach Beendigung der
Aussendung eines Impulstelegramms wird in das Schieberegister 10 durch einen Impuls
R das nächste Datenwort übernommen und und mit dem nächstfolgend auftretenden Taktimpuls
beginnt die Aussendung eines neuen Impulstelegramms. Der Impuls R setzt gleichzeitig
auch einen Zähler 18 zurück, welcher von den Taktimpulsen C aufwärtsgezählt wird.
Der Stand des Zählers 18 gibt also Aufschluß über das jeweils gerade gesendete Bit.
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Mittel einer Abfrage- bzw. Decodiereinrichtung 19 wird der Stand des
Zählers 10 abgefragt und nach dem fünften bzw. sechsten Bit jedes Impulstelegramms
jeweils für die Dauer einer Taktperiode T ein Signal A6 bzw. A7 auf einen Eingang
der optoelektronischen Wandler 12 bzw. 16 gegeben, mit welchem jeweils die Sendeleistung
von deren lichtemittierender Diode um ein bestimmtes Maß verringert wird.
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Die Folge sind Lichtimpulse mit entsprechend verminderter Amplitude
in den Lichtwellenleitern 9 und 15, was jedoch solange ohne erkennbare Auswirkung
bleiben wird, als diese Amplitude noch groß genug ist, um die internen Grenzwertmelder
der Wandlerstufen 13 und 17 ansprechen zu lassen. Das Ende des Impulstelegrammes
wird durch den Impuls R bestimmt, welcher anstelle eines Taktimpulses T vom Taktgenerator
10 ausgegeben wird. Im Impulszug T
entsteht dadurch eine entsprechende
Lücke, welche von einer monostabilen, retriggerbaren, mit der ansteigenden Flanke
von C angestoßenen Kippstufe 20 mit einer Kippzeit, welche das 1,5-fache der Taktperiode
beträgt, ausgewertet wird, so daß an deren Ausgang nach Beendigung des Impulses
R das Signal TE als High-Signal erzeugt wird, welches das empfangsseitige Ende des
Telegrammes signalisiert und zum Auslesen des Schieberegisters verwendet wird. Eine
solche Auswertung erspart die gesonderte Übertragung des Löschimpulses R.
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Bei dem angenommenen Beispiel würde ein Impulstelegramm jeweils aus
acht Taktperioden bestehen. Wenn nach Ablauf dieser acht Taktperioden an dem mit
IF bezeichneten Ausgang des Schieberegisters kein High-Signal, sondern ein Low-(Null)Signal
ansteht, dann ist dies als Kriterium dafür anzusehen, daB die Grenzwertmelderstufe
im optoelektronischen Wandler 13 nicht mehr angesprochen hat und nur noch eine bestimmte
prozentuale Dämpfungsreserve für die Übertragung auf dem Lichtwellenleiter 9 vorhanden
ist. Genau um diesen Prozenzsatz dürfte die lichtemittierende Diode im optoelektronischen
Wandler 12 noch altern, d.h. ihre ausgestrahlte Lichtleistung vermindern, ehe die
Übertragungsstrecke nicht mehr funktioniert.
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Nach der sechsten Taktperiode wird von der Decodiereinrichtung 19
das Signal A7 ausgegeben, welches für die Dauer der darauffolgenden Taktperiode
ansteht und die Sendeleistung der im Wandler 16 befindlichen lichtemittierenden
Diode herabsetzt. Bei einer entsprechenden Alterung dieser Diode wird in der siebten
Taktperiode der interne Grenzwertmelder des Wandlers 17 nicht mehr ansprechen, so
daß die monostabile Kippstufe 12 früher zum Abfallen kommt und diesen Zustand bis
zum Beginn des nächsten Impulstelegrammes beibehält, so daß eine Verzögerungsstufe
21 mit einer der Taktperiode entsprechenden
Verzögerungszeit zum
Ansprechen kommen und an ihrem Ausgang das Signal TF als High-Signal ausgeben kann.
Dadurch kann auf der Empfangsseite erkannt werden, daß jetzt noch eine Dämpfungsreserve
auf der Taktleitung 15 von bestimmter Größe vorliegt.
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Figur 2 zeigt Impulsdiagramme zur bisher beschriebenen Wirkungsweise.
Zeile a gibt den Verlauf der von dem Taktgenerator 11 abgegebenen Taktimpulse wieder,
welche ein Tastverhältnis von ungefähr 0,5 und eine Periodendauer von T aufweisen.
Diesen Taktimpulsen C entsprechen die in Zeile d dargestellten Lichtwellenimpulse
C' der Lichtwellenleitung 15. Ein Impulstelegramm besteht jeweils aus acht Taktperioden
1 - 8, wobei jeweils in der achten Taktperiode der Taktimpuls ausgeblendet und dafür
ein entsprechender Impuls R vom Taktgenerator 11 ausgegeben wird (Zeile b). Zeile
c zeigt den Verlauf des vom Schieberegister ausgegebenen Impulstelegramms I für
den Fall, daß die Schieberegistereingangssignale 20, 21, 23 und AB High-Signal sowie
22 und PB Low-Signal aufweisen. Mittels der während der sechsten und der siebten
Taktperiode ausgegebenen High-Signale A6 bzw. A7 der Decodiereinrichtung 19 werden
die Amplituden der digitalen Lichtwellenleitersignale I' und C' in den Lichtwellenleitern
9 und 15 reduziert. Die Impulssignale mit verringerter Amplitude sind in der Zeile
d und e durch eine Schraffur hervorgehoben. Solange sich die Alterung der lichtemittierenden
Dioden in den Wandlern 12 und 16 im zulässigen Bereich bewegt, erscheint am Ausgang
des optoelektronischen Wandlers 13 während der Taktperiode 6 ein High-Signal (Zeile
e) und während der Taktperiode 8 am Ausgang der monostabilen Kippstufe 20 das Signal
TE mit dem in Zeile f voll ausgezogenen Verlauf. Ein High-Signal TE kann am Ausgang
der monostabilen Kippstufe grundsätzlich nur dann erscheinen, wenn seit Beginn des
letzten übertragenen Taktimpulses C eine Zeit von t = 1,5 T verstrichen ist.
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Wird also in der Taktperiode 7 noch ein Takttestimpuls mit erfindungsgemäß
verminderter Amplitude übertragen, dann bleibt, wie in Zeile g dargestellt, das
Ausgangssignal der Verzögerungsstufe 21 dauernd auf Null, denn zu deren Ansprechen
bedarf es eines Eingangssignales, welches länger andauert als deren Verzögerungszeit
t2 = T.
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Bewegt sich die Alterung der im Wandler 16 angeordneten Diode im sogenannten
Warnbereich, welcher dadurch gekennzeichnet ist, daß in der Taktperiode 7 der interne
Grenzwertmelder des Wandlers 17 nicht mehr anspricht und demgemäß in dieser Taktperiode
ein Low-(Null)-Signal an seinem Ausgang auftritt, dann erscheint, wie in Zeile f
gestrichelt dargestellt, das das Telegrammende kennzeichnende Signal TE am Ausgang
der monostabilen Kippstufe 20 um eine Taktperiode verfrüht und entsprechend verlängert,
so daß nunmehr die Verzögerungsstufe 21 zum Ansprechen kommen und TF als High-Signal
ausgeben kann, was in Zeile g ebenfalls gestrichelt dargestellt ist. Dieses Signal
kann als Warnung dafür verwendet werden, daß die Alterung der lichtemittierenden
Diode im Wandler 16 sich einem gefährlichen, die Taktübertragung in Frage stellenden
Wert genähert hat. Trifft dies auch bezüglich der Informationsübertragung auf der
Leitung 9 durch eine entsprechende Alterung der lichtemittierenden Diode des Wandlers
4 zu, so fällt der in Zeile e schraffiert gezeichnete Impuls aus und nach Erhalt
des vollständigen Impulstelegramms ergibt sich mit IF = Low das entsprechende Warnsignal.
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Figur 3 zeigt den inneren Aufbau der optoelektronischen Wandler 12
(bzw. 16). Eine lichtemittierende Diode 22, deren Licht in einen Lichtwellenleiter
9 bzw. 15 eingeleitet wird, ist in Reihe mit einem elektronischen Schalter 23, einem
Transistor 24 und einem Widerstand 25 an eine Gleichspannungsquelle von +5 Volt
geschaltet. Der elektronische Schalter wird von dem Signal I (bzw. C) so
betätigt,
daß er geschlossen ist, wenn dieses ein High-Signal aufweist. Es ist weiterhin ein
Operationsverstärker 26 vorgesehen, dessen mit -" bezeichneter, invertierender Eingang
mit dem Emitter des Transistors 24 verbunden ist und dessen nichtinvertierender,
mit "+ bezeichneter Eingang über einen Widerstand 27 mit der Kathode einer Zenerdiode
28 verbunden ist, welche in Reihe mit einem weiteren Widerstand 29 ebenfalls von
der Gleichspannung +5 Volt beaufschlagt wird. Transistor 24 und Operationsverstärker
26 bilden eine Stromquelle, welche bei geschlossenem Schalter 23 durch die lichtemittierende
Diode 22 stets einen konstanten Strom solcher Größe treibt, daß zwischen dem Emitter
des Transistors 24 und dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers
26 kein Potentialunterschied herrscht. Je größer also das Potential an dem mit 2'+'t
bezeichneten Eingang des Operationsverstärkers 26 ist, desto kleiner wird auch der
Strom und damit die Sendeleistung der lichtemittierenden Diode 22. Wenn ein weiterer
elektronischer Schalter 29 geöffnet ist, was der Fall ist, wenn das an der Klemme
30 anzulegende Betätigungssignal A6 (bzw. A7) ein Low- Signal ist, dann entspricht
das Potential an dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 26 dem
Potential der Gleichspannungsquelle +5 Volt abzüglich der konstanten Spannung der
Zenerdiode 28. Der Strom durch die Diode 22 ist dann am größten. Wird hingegen an
der Klemme 30 ein High-Signal angelegt, dann wird der Schalter 29 geschlossen und
das Potential am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 26 wird entsprechend
dem nun aktivierten, aus den Widerständen 27 und 32 bestehenden Spannungsteiler
angehoben, wodurch der Strom und dadurch die Sendeleistung um einen bestimmten Bruchteil
vermindert wird. Entsprechend reduziert sich die Amplitude der Lichtwellenimpulse
im Lichtwellenleiter 9 (bzw. 15) in der Taktperiode, in der das Signal A6 (bzw.
A7) ein High-Signal ist.
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In Figur 4 ist angenommen, daß beispielsweise die lichtemittierende
Diode im Wandler 16 zeitlich so altert, daß deren Sendeleistung allmählich absinkt.
Für diskrete Zeitaugenblicke ta bis td sind jeweils ein Taktimpuls normaler Amplitude
und ein durch Schraffur gekennzeichneter Taktimpuls mit erfindungsgemäß reduzierter
Amplitude nebeneinander dargestellt, wobei die Reduzierung beispielsweise jeweils
20 % betragen soll. Solange die in ihrer Höhe reduzierten Taktimpulse oberhalb der
mit S bezeichneten Schwelle des im optoelektronischen Wandler 17 befindlichen Grenzwertielders
sind, bleibt die Reduzierung ohne Auswirkung und es wird kein Warnsignal entsprechend
Zeile g in Figur 2 ausgegeben. Im Zeitpunkt td jedoch wird bei den Testimpulsen
mit reduzierter Amplitude die Ansprechschwelle des Grenzwertmelders unterschritten
und das Warnsignal wird ausgelöst.
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Für gewisse Anwendungsfälle kann es sich als zweckmäßig erweisen,
nicht nur den Warnbereich anzuzeigen, sondern auch Beginn und Verlauf der Alterung
der lichtemittierenden Dioden zu verfolgen, um z.B. zu jedem Zeitpunkt einen Anhaltspunkt
darüber zu haben, wie weit man noch vom Warnbereich entfernt ist. Hierzu kann in
weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen werden, daß in aufeinanderfolgenden
Impulstelegrammen die Amplitude der Testsignale zyklisch, ausgehend von einem Minimalwert
in Stufen bis zu einem Maximalwert erhöht wird.
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In Figur 5 ist jeweils ein schraffiert hervorgehobener Testimpuls
neben einem Taktimpuls normaler Amplitude für vier zeitlich aufeinanderfolgende
Impuls telegramme I-IV dargestellt. Jeweils beim ersten solcher vier Impulstelegramme
wird die Testimpulsamplitude um 80 % verringert, in dem darauffolgenden um 60 %,
in dem nächsten um 40 % und in dem letzten um 20 X, worauf wieder die Amplitude
um 80 %, 60%, 40 X, 20 X usw. verringert wird. Wird nun
entsprechend
Figur 4 eine allmählich beginnende und zunehmende Alterung der lichtemittierenden
Diode angenommen, dann wird jeweils in dem ersten von vier aufeinanderfolgenden
Impulstelegrammen ein Signal ausgegeben, sodann in dem ersten und zweiten, sodann
in der ersten, zweiten und dritten und schließlich während sämtlicher Impulstelegramme.
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Figur 6 zeigt, wie die Schaltung gemäß Figur 3 auf der Sendeseite
für diese zusätzliche Überwachung beispielsweise erweitert werden kann. Für dieselben
Bauelemente sind die entsprechenden Bezugszeichen der Figur 3 beibehalten worden.
Die Ergänzung besteht in einem vierstufigen, rückgekoppelten Schieberegister, mit
den Stufen ST80, ST60, ST40, ST20, von denen jeweils eine, im betrachteten Zeitaugenblick
die mit ST80 bezeichnete Stufe ein High-Signal als Ausgangssignal aufweist, welches
durch den einmalig innerhalb jedes Impulsdiagrammes auftretenden, als Schiebetakt
verwendeten Löschimpuls R, an die nächstfolgende Schieberegisterstufe weitergegeben
wird. Die Ausgangssignale der Schieberegisterstufen ST80 - ST20 betätigen elektronische
Schalter 33 - 36, so daß immer einer von diesen geschlossen ist. Auf diese Weise
werden jeweils für die Dauer eines High-signals an der Klemme 30 in den einzelnen
Impulstelegrammen verschiedene Spannungsteiler aktiviert und zwar in der Weise,
daß das Potential am Verbindungspunkt der Widerstände 32 und 27, d.h. an den nichtinvertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 26 in vier verschiedene Stufen erhöht wird. Durch
entsprechende Dimensionierung der Widerstände 37 - 39 läßt sich dabei jede gewünschte
prozentuale Verminderung der Amplitude der Testimpulse verwirklichen.
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Figur 7 zeigt die zugehörige Ergänzung auf der Empfangsseite. Wiederum
ist ein vierstufiges rückgekoppeltes Schieberegister 40 mit den Schieberegisterstufen
ST80
ST60, ST40 und ST20 vorgesehen, welches von dem das Telegrammende
markierende Signal TE weitergetaktet wird und dessen Ausgangsspannungen bistabilen
Kippstufen 41 bis 44 in UND-Verknüpfung mit dem Fehlersignal TF zugeführt sind.
Die Kippstufen 41 bis 44 besitzen eine Vorzugslage in dem ihre verwendeten Ausgänge
jeweils Low- Signal aufweisen. Bleibt in der Taktperiode 7 am Ausgang des Wandlers
17 ein Taktimpuls C aus, dann ist das Ausgangssignal TF der Verzögerungsstufe TF
ein High- Signal und die Kippstufen 41 bis 44 können von den Ausgangssignalen des
Schieberegisters entsprechend gesetzt werden. Bei einer allmählich fortschreitenden
Alterung wird also zuerst der Ausgang der Kippstufe 41, sodann der Ausgang der Kippstufen
41 und 42, danach der Ausgang der Kippstufen 41, 42, 43 und schließlich der Ausgang
aller Kippstufen ein High-Signal aufweisen, was einfach von den entsprechenden Kippstufenausgängen
unmittelbar zugeordneten Lampen angezeigt werden könnte. Dies würde allerdings voraussetzen,
daß die beiden Schieberegister auf der Sende- bzw. Empfangsseite stets synchron
zueinander arbeiten, d.h. daß das umlaufende High- Signal in beiden Schieberegistern
während eines Impulstelegramms stets bei gleich bezeichneten Schieberegisterstufen
ST80 bis ST20 auftritt. Kann dies nicht gewährleistet werden, beispielsweise wegen
zeitlich nicht mit der Sendeseite abgestimmter Betriebsaufnahme auf der Empfangsseite,
dann kann die Tatsache ausgenützt werden, daß auch die jeweilige Anzahl der von
dem Taktfehlersignal TF gesetzten Kippstufen 41 bis 44 die Information enthält,
bei welcher prozentualer Amplitudenverminderung die Ubertragungsstrecke nicht mehr
funktioniert: Führen während der vier aufeinanderfolgenden Impulstelegramme, z.B.
drei beliebige Kippstufen gleichzeitig ein High-Signal, so ist dies das Kriterium
dafür, daß die Dämpfungsreserve der Übertragungsstrecke auf weniger als 40 % abgesunken
ist (vergl. Fig. 5). Entsprechendes gilt für die Fälle, daß eine, zwei oder alle
vier
Kippstufen ein High-Signal führen. Mittels einer geeigneten logischen Schaltung,
beim Ausführungsbeispiel der Fig. 7 mit einem Nurlese-Speicher (ROM), lassen sich
die Signalzustände der Kippstufen 41 bis 44 in der zuvor geschilderten Weise auswerten
und mittels der mit TF20 bis TF80 bezeichneten Lampen anzeigen.
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Für die Überwachung der Übertragung der Übertragung auf der Informations-Lichtwellenleitung
9 kann eine gleichartig aufgebaute Zusatzschaltung gemäß Fig. 7 vorgesehen werden,
bei welcher das Signal IF anstelle des Signals TF als Eingangssignal verwendet wird.
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3 Patentansprüche 7 Figuren
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