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Die Erfindung betrifft eine galvanische
Isoliervorrichtung für
bidirektionale Verbindungsleitungen/Busleitungen unter Verwendung
von Optokopplern.
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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer
galvanischen Isoliervorrichtung für bidirektionale Verbindungsleitungen
nach deren Gattung. Werden mehrere unabhängige Geräte miteinander über Leitungen zusammengeschaltet,
so ist es oftmals erforderlich eine galvanische Isolierung der zusammengeschalteten
Komponenten voneinander vorzusehen. Dies gilt insbesondere immer
dann, wenn die verbundenen Geräte
z. B. in einem Gebäude
verteilt aufgestellt sind. In dieser Situation können nämlich größere Potentialdifferenzen zwischen
den Geräten
auftreten, die z. B. bedingt sind durch unterschiedliche Potentiale
auf den Stromversorgungsleitungen. Solche Potentialdifferenzen können im
Bereich von einigen Millivolt bis zu mehreren Volt auftreten. Potentialdifferenzen
dieser Art können
mehr oder weniger stabil vorliegen. Sie können variieren z. B. entsprechend des
momentanen Gesamtstromverbrauchs im Gebäude. Sie können aber auch kurzzeitig mit
zerstörerischer
Wirkung ausfallen z. B. bedingt durch Blitzeinschlag im Gebäude selbst
oder in der Nachbarschaft des Gebäudes.
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Im weniger schweren Fall werden lediglich die
Datensignale bzw. Steuersignale, die über die Busverbindungen laufen, verfälscht. Sie
können
aber bis zur Zerstörung
der angeschlossenen Schaltungsteile führen.
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Häufig
besteht das Problem von unerwünschten
Masseschleifen verursacht durch die Verbindungsleitungen. Z. B.
kann induzierter Strom durch die Kabelabschirmung der Busverbindung
fließen
und ebenfalls die übertragenen
Datensignale verfälschen.
wenn die induzierte Potentialdifferenz groß genug ist, könnten auch
Personen zu Schaden kommen, die zufällig mit dem entsprechenden
Busverbindungskabel hantieren.
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Deshalb ist die Forderung nach vollständiger galvanischer
Trennung der über
Leitungen miteinander verbundenen Stationen erforderlich.
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Ein Beispiel eines Bussystems, bei
dem eine galvanische Trennung der miteinander verbunden Komponenten
gefordert ist, ist der in der letzten Zeit immer mehr Bedeutung
erlangende Busstandard IEEE 1394. Die genaue Bezeichnung dieses
Busstandards lautet: IEEE Std 1394 – 1995, "IEEE Standard for a high performance
serial bus" vom 12.12.1995.
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Es handelt sich um ein Bussystem
bei dem zwei Datenleitungspaare sowie zwei Stromversorgungsleitungen
Masse und Vcc sowie eine Kabelabschirmung
im Busverbindungskabel enthalten sind. Mit den beiden Datenleitungspaaren
ist synchrone serielle Datenübertragung
im Vollduplexbetrieb möglich.
Eine der wohl herausragendsten Eigenschaften des Bussystemes ist,
daß Datenübertragung
mit sehr hohen Datenraten von 100 Megabit pro Sekunde bis zu 400
Megabit pro Sekunde möglich
ist.
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Im Hinblick auf die Realisierung
einer galvanischen Trennung von über
den Bus miteinander verbundenen Stationen, sind in dem erwähnten Standard
im Anhang J.6 zwei konkrete Schaltungsrealisierungen angegeben.
In beiden Fällen
wird eine galvanische Trennung zwischen Data-Link-Layer-Baustein
und Physical-Layer-Baustein vorgenommen. Im einen Fall wird für die galvanische
Trennung ein Transformator verwendet, der entsprechend mit Widerständen und
Kondensatoren beschaltet ist und im anderen Fall wird für die galvanische
Trennung eine kapazitive Entkopplung vorgesehen. Bei diesen Lösungen wurde
aber davon ausgegangen, daß Data-Link-Layer-Baustein
und Physical-Layer-Baustein als getrennte Chips vorhanden sind.
Es hat sich im nachhinein gezeigt, daß die kapazitive Isolation
der beiden Bausteine in der Praxis bei den hohen Frequenzen keine
zuverlässige
Lösung
darstellt. Signalverfälschungen
und Störeinstrahlungen
sind aufgetreten. Bei der galvanischen Isolierung mit Transformator
besteht außerdem
der Nachteil, daß diese
Lösung
nicht mehr eingesetzt werden kann, wenn Data-Link-Layer-Baustein und Physical-Layer-Baustein der
Busschnittstelle auf einem einzigen Chip integriert werden sollen.
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Weiterhin ist es bekannt sogenannte
Optokoppler für
die galvanische Trennung von miteinander verbundenen Schaltungseinheiten
einzusetzen.
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Erfindung
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine
galvanische Isoliervorrichtung insbesondere für bidirektionale Verbindungsleitungen
anzugeben, die auch bei sehr hohen Frequenzen zuverlässig arbeitet
und sehr leicht auf einem Chip integriert werden kann.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale
des unabhängigen
Anspruchs 1 gelöst.
Gemäß der Erfindung
besteht die galvanische Isoliervorrichtung für bidirektionale Verbindungsleitungen
aus zwei separaten Optokopplern pro bidirektionaler Verbindungsleitung
und einer Steuereinheit, die in Abhängigkeit von Steuersignalen,
die von einer der beiden Schaltungseinheiten ausgegeben werden,
Schaltsignale erzeugt, die über
entsprechende Schalter einen der beiden Optokoppler aktivieren und
den anderen deaktivieren und so dann eine Übertragung von Signalen über die
Verbindungsleitung in eine Richtung zu gestatten. Bei dieser Lösung sind
keine schlecht integrierbaren Komponenten wie Transformatoren nötig. Auch
die erwähnte
Steuereinheit kann einfach aufgebaut sein und läßt sich gut auf einem Chip
integrieren.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der
in Anspruch 1 genannten Vorrichtungen möglich. Gemäß Anspruch 3 kann die galvanische
Isoliervorrichtung sehr vorteilhaft zwischen einem Data-Link-Layer-Baustein
und einem Physical-Layer-Baustein einer Busschnittstelle vorgesehen
sein. Wird die Lösung
bei einer IEEE 1394-Busschnittstelle eingesetzt, so ist es ausreichend,
wenn die jeweilige Steuereinheit die Steuersignale auf den beiden
Steuerleitungen CTL[0:1] des Verbindungsbusses zwischen den beiden
Bausteinen auswertet um den entsprechenden Optokoppler zu aktivieren
bzw. die Wirkrichtung des Optokopplers umzuschalten.
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Für
die Umschaltung zwischen den Optokopplern oder zur Umschaltung der
Wirkrichtung des Optokopplers können
als Schalter insbesondere Tristate-Treiber sinnvoll eingesetzt werden,
die von der Steuereinheit entsprechend angesteuert werden.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 Die
Verbindungsleitungen zwischen Data-Link-Baustein und Physical-Layer-Baustein entsprechend
des IEEE 1394 Standards;
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2 die
prinzipielle Anordnung von Data-Link-Layer-Baustein galvanischer Isoliervorrichtung
und Physical-Layer-Baustein;
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3 den
Aufbau der galvanischen Isoliervorrichtung gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels
der Erfindung;
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4 ein
Zustandsdiagramm der Steuereinheit der galvanischen Isoliervorrichtung
gemäß 3;
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5 den
Aufbau der galvanischen Isoliervorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Die Erfindung wird am Beispiel einer
galvanischen Isoliervorrichtung für eine IEEE 1394-Busschnittstelle
erläutert. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau
einer IEEE 1394-Busschnittstelle. Diese besteht aus den beiden Bausteinen
Data-Link-Layer-Baustein 10 und Physical-Layer-Baustein 20.
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Diese beiden Bausteine können auf
separaten Chips integriert sein. Es ist jedoch erwünscht, diese
Bausteine zusammen auf einem einzigen Chip zu integrieren. Die Verbindung
zwischen den Bausteinen geschieht mit zwei bidirektionalen Steuerleitungen
CTL[0:1], und z. B. acht bidirektionalen Datenleitungen D[0:7],
sowie einer unidirektionalen Steuerleitung LREQ ausgehend vom Data-Link-Layer-Baustein
sowie einer vom Physical-Layer-Baustein ausgehenden Steuerleitungen
SCLK für
den Systemtakt. Der Klarheit wegen wird noch erwähnt, daß die Verbindung zu einer weiteren
IEEE 1394-Busschnittstelle über
nicht eingezeichnete externe Verbindungsleitungen geschieht, die
an den Physical-Layer-Baustein 20 angeschlossen
werden. Dementsprechend sind an dem Data-Link-Layer-Baustein 10 Anschlüsse vorhanden,
die die IEEE 1394-Busschnittstelle mit einer Applikations-Einheit
verbinden. Für
weitere Einzelheiten zu dem Aufbau und der Funktionsweise der Bausteine
Data-Link-Layer-Baustein und Physical-Layer-Baustein wird auf den
schon zuvor erwähnten
IEEE 1394-Standard verwiesen.
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Gemäß einem Vorschlag in dem IEEE 1394-Standard
wird die galvanische Isoliervorrichtung 30 zwischen dem
Data-Link-Layer-Baustein 10 und
dem Physical-Layer-Baustein 20 vorgesehen. Dies ist in 2 dargestellt.
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Der Aufbau der galvanischen Isoliervorrichtung 30 ist
in 3 für ein erstes
Ausführungsbeispiel
wiedergegeben. Darin wird mit der Bezugszahl 31 eine Optokoppler-Einheit
bezeichnet. In dieser Einheit sind zwei separate Optokoppler 311, 312 enthalten.
Diese sind antiparallel geschaltet, so daß das lichtemittierende Glied
des einen Optokopplers mit dem Teil der bidirektionalen Verbindungsleitung
verbunden ist, der mit dem Data-Link-Layer-Baustein 10 in
Verbindung steht und das lichtemittierende Glied des anderen Optokopplers
von dem Teil der Verbindungsleitung gespeist wird, der mit dem Physical-Layer-Baustein in
Verbindung steht. In dem gezeigten Beispiel ist die Steuerleitung
CTL[0] mit der Optokopplereinheit 31 verbunden. Zwischen
den beiden Optokopplern sind auf jeder Seite der Optokopplereiheit 31 jeweils
ein Tristate-Treiber 32 geschaltet. Die beiden dargestellten
Tristate-Treiber 32 werden durch komplementäre Enablesignale EN und EN geschaltet. Hierauf
wird nachfolgend noch genauer eingegangen. Die Tristate-Treiber 32 bewirken
nun das folgende. Sie können
entweder in einen hochohmigen Zustand geschaltet werden oder in
einen niederohmigen Zustand in dem sie Signale durchlassen. Wenn
jetzt der Tristate-Treiber 32 auf der Seite des Data-Link-Layer-Bausteins 10 niederohmig
geschaltet ist, ist ein Signalfluss über die Steuerleitung CTL[0]
vom Physical-Layer-Baustein 20 ausgehend über den
unteren Optokoppler 312 zum Data-Link-Layer-Baustein 10 möglich. Der
umgekehrte Signalfluß ist
gleichzeitig gesperrt, da der Tristate-Treiber 32 auf der
Seite des Physical-Layer-Bausteins 20 gleichzeitig hochohmig
geschaltet ist. Parallel dazu kann natürlich auch gleichzeitig eine
Abschaltung des oberen Optokopplers gemacht sein. Im umgekehrten
Fall, d. h. wenn der linke Tristate-Treiber 32 hochohmig
geschaltet ist und der rechte Tristate-Treiber 32 niederohmig
geschaltet ist, ist ein Signalfluß vom Data-Link-Layer-Baustein 10 zum Physical-Layer-Baustein 20 über die
Steuer-Leitung CTL[0] möglich.
Das Umschalten der Tristate-Treiber 32 geschieht
mit Hilfe der Steuersignale EN und EN durch
die Steuereinheit 33. Dazu wertet die Steuereinheit 33 die
Signalzustände
auf den beiden Steuerleitungen CTL[0:1] aus. Zur vollständigen Funktion werden
der Steuereinheit 33 noch das Taktsignal SCLK oder ein
davon abgewandeltes Taktsignal sowie ein Reset-Signal zugeführt.
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Im IEEE 1394-Standard ist vorgesehen,
daß der
Physical-Layer-Baustein 20 die
Kontrolle über
die bidirektionalen Verbindungsleitungen CTL[0:1] und D[0:7] hat.
Der Data-Link-Layer-Baustein 10 darf
nur dann diese bidirektionalen Verbindungsleitungen treiben, wenn
der Physical-Layer-Baustein 20 seine Kontrolle über diese
Leitungen an den Data-Link-Layer-Baustein 10 abgibt.
Eine volle Erläuterung
wann und wie der Physical-Layer-Baustein 20 seine Kontrolle über die
bidirektionalen Verbindungsleitungen abgibt, findet sich in Anhang
J des IEEE 1394-Standards. Ein Zustandsdiagramm für die Steuereinheit 33,
daß die
Spezifikationen des IEEE 1394-Standards
erfüllt,
ist in 4 gezeigt und
wird nachfolgend näher
erläutert.
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Zuvor wird noch darauf hingewiesen,
daß die in 3 gezeigte Struktur mit
den Tristate-Treibern 32 und der Optokoppleranordnung 31 für jede der
bidirektionalen Verbindungsleitungen zwischen Data-Link-Layer-Baustein 10 und
Physical-Layer-Baustein 20 vorhanden sein muß, also
für die
Steuerleitungen CTL[0:1] und die Datenleitungen D[0:7]. Für die beiden
unidirektionalen Steuerleitungen LREQ und SCLK müssen bei einer vollständigen galvanischen
Isoliervorrichtung einfache Optokoppler vorhanden sein, die aber
lediglich in eine Richtung wirken müssen entsprechend der Unidirektionalität dieser
Leitungen.
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Das Zustandsdiagramm der Steuereinheit 33 zeigt
4 Zustände.
Nach einem Reset bzw. nach der Initialisierung der Busschnittstelle
wird die Steuereinheit 33 in den Zustand IDLE versetzt.
In diesem Zustand gibt die Steuereinheit als Ausgangssignale die logischen
Zustände
EN = 0 und EN = 1 aus. Dies
ist gleichbedeutend mit der Umschaltung des linken Tristate-Treibers 32 von 3 in den niederohmigen Zustand
und der Umschaltung des rechten Tristate-Treibers 32 in
den hochohmigen Zustand. Der Signalfluß über alle bidirektionale Leitungen
geht daher vom Physical-Layer-Baustein 20 zum Data-Link-Layer-Baustein 10.
Dieser Zustand wird verlasen, wenn auf beiden Steuerleitungen CTL[0]
und CTL[1] der logische Pegel 1 in einem Taktzyklus detektiert
wurde. Dann wird die Steuereinheit 33 in den Zustand CHECK0
versetzt. Sie wartet dann ab, welchen Zustand die beiden Steuerleitungen
im nächsten
Taktzyklus aufweisen. Sollten beide Steuerleitungen den Zustand
logisch 0 aufweisen, wird die Steuereinheit 33 in den Zustand
LINK versetzt. In allen anderen Fällen fällt die Steuereinheit 33 in
den IDLE Zustand zurück.
Im LINK-Zustand wird als Ausgangssignal die Kombination EN = 1 und EN = 0 ausgegeben. Dies ist
gleichbedeutend mit der Abgabe der Kontrolle über die bidirektionalen Verbindungsleitungen
an de Data-Link-Layer-Baustein 10. Somit ist dann der linke
Tristate-Treiber 32 von 3 in
den hochohmigen Zustand versetzt und der rechte Tristate-Treiber 32 in
den niederohmigen Zustand geschaltet. Der Signalfluß für alle bidirektionalen
Leitungen geht dann also aus vom Data-Link-Layer-Baustein 10 zu dem Physical-Layer-Baustein 20.
Sollte in diesem Zustand auf beiden Steuerleitungen CTL[0:1] der
Logisch 0-Zustand anstehen, so verläßt die Steuereinheit 33 den
LINK-Zustand und
wechselt über
in den CHECK1-Zustand. In diesem Zustand wird überprüft, ob im nachfolgendem Taktzyklus über beide
Steuerleitungen ebenfalls der logische Zustand 0 geliefert wird.
Ist dies der Fall, wechselt die Steuereinheit
33 zum IDLE-Zustand
zurück.
Andernfalls geht sie in den LINK-Zustand über.
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Die alternative Ausführungsform
einer galvanischen Trennvorrichtung gemäß der Erfindung wird nun anhand
der 5 näher erläutert. Gleichartige Komponenten
sind mit den selben Bezugszeichen bezeichnet wie in 3. Der Unterschied zu der Lösung gemäß 3 besteht darin, daß in der
Optokoppler-Einheit 31 nur noch ein Optokoppler pro bidirektionaler
Verbindungsleitung vorgesehen ist. Dessen Wirkrichtung wird aber
in Abhängigkeit
der Signale auf den Steuerleitungen CTL[0:1] umgeschaltet. Dies
geschieht mit vier Tristate-Treibern 32 pro Verbindungsleitung.
Die Steuereinheit 33 ist dabei genauso aufgebaut wie im
Beispiel der 3. Sie
funktioniert nach dem gleichen Zustandsdiagramm wie in 4 dargestellt. Im IDLE-Zustand
wird sie also über die
Leitungen EN und EN die logischen
Zustände
0 und 1 ausgeben. Dadurch wird der erste der beiden Tristate-Treiber 32 auf
der linken Seite von 5 hochohmig
geschaltet und der zweite Tristate-Treiber dementsprechend niederohmig.
Der erste der beiden Tristate-Treiber auf der rechten Seite von 5 wird dementsprechend ebenfalls
hochohmig geschaltet und der andere niederohmig. Der Signalfluss
ist dann wie folgt. Das Signal fließt über die Datenleitung D[0] ausgehend
vom Physical-Layer-Baustein 20 als Sender zum zweiten Tristate-Treiber 32 auf
der linken Seite von 5 über den
Optokoppler zum zweiten Tristate-Treiber 32 auf der rechten
Seite von 5 und von
dort zum Data-Link-Layer-Baustein.
Im anderen Zustand LINK werden auf den Leitungen EN und EN die logischen Signale 1 und 0 ausgegeben. Dies
schaltet den Signalfluß um.
Damit arbeitet der Data-Link-Layer-Baustein 10 als
Sender. Die Daten passieren den ersten Tristate-Treiber 32 auf
der linken Seite von 5,
den Optokoppler in der Optokoppler-Einheit 31, den ersten
Tristate-Treiber 32 auf der rechten Seite von 5 und gelangen von dort an
den Eingang des Physical-Layer-Bausteins 20.
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Die beschriebenen Ausführungsformen
einer galvanischen Isoliervorrichtung können nicht nur für den Busstandard
IEEE 1394 vorteilhaft eingesetzt werden. Sie können immer
dort Anwendung finden, wenn bidirektionale Verbindungsleitungen
mit galvanischer Isolierung versehen werden sollen. Dieses Problem
kann auch bei anderen Bussystemen auftreten.