Die Erfindung betrifft ein Feldgerät zur Bestimmung oder Überwachung einer physikalischen oder chemischen Prozessgröße in der Automatisierungstechnik mit einer Vorrichtung zum induktiven Senden und/oder Empfangen von Daten.

In der Automatisierungstechnik erfolgt die Datenübertragung oftmals über galvanisch voneinander getrennte bzw. galvanisch entkoppelte Stromkreise. Da bei galvanisch getrennten Verbindungen elektrische Potentiale

voneinander getrennt sind, spricht man auch von potentialfreien

Verbindungen. Wichtig ist der Einsatz von galvanisch getrennten

Stromkreisen insbesondere beim Einsatz von Feldgeräten, wie Sensoren, Aktoren, Ventilen, usw. in explosionsgefährdeten Bereichen.

Eine bekannte Methode zur Datenübertragung stellt der Sog. Print-Übertrager dar. Beim Print- oder auch Spiral-Übertrager werden als Übertrager zwei in oder auf einer Leiterplatte gegenüberliegend angeordnete spiralförmige Leiterbahnen verwendet. Die Übertragung der Daten erfolgt über eine induktive Kopplung, wodurch die galvanische Trennung sichergestellt ist. Eine entsprechende Lösung ist beispielsweise in der US 7,852,186 B2 offenbart.

Print-Übertrager werden oftmals auch in integrierten Schaltkreisen eingesetzt. Sie lassen sich relativ einfach in die Metalllagen integrieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine galvanische getrennte

Datenübertragung innerhalb einer auf einem FPGA realisierten Schaltung vorzusehen.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zumindest eine Sende- /Empfangselement in Form einer Spirale auf einem FPGA-Bauteil realisiert ist, wobei die Spirale aus internen Verbindungsleitungen des FPGA-Bauteils konfiguriert ist. Die Spirale der Sende-/Empfangselennent überträgt die Daten induktiv zu einer zweiten aus einer Spirale bestehenden Sende- /Empfangselement. Bei dem FPGA-Bauteil handelt es sich entweder um einen einmalig konfigurierbaren FPGA (Antifuse FPGA), um einen

rekonfigurierbaren Flash-FPGA oder um einen dynamisch bzw. partiell dynamisch, also zur Laufzeit, rekonfigurierbaren FPGA. Ein Feldgerät, das einen partiell dynamisch rekonfigurierbaren FPGA enthält ist detailliert in der WO 2008/046696 A2 beschrieben. Der Inhalt dieser Patentanmeldung ist dem Offenbarungsgehalt der vorliegenden Patentanmeldung hinzuzurechnen.

Die Form der Spirale kann übrigens beliebig ausgestaltet sein. Insbesondere hat die Spirale eine runde oder eine eckige Form. Darüber hinaus kann sich die zweite Spirale auf demselben oder einem anderen FPGA-Bauteil befinden, oder sie ist auf einer beliebigen von dem FPGA-Bauteil abgesetzten

Komponente, z.B. einer Leiterplatte, vorgesehen.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen

Feldgeräts sieht vor, dass die Spirale aus Verbindungsleitungen konfiguriert ist, die in mehreren Verbindungsleitungsebenen des FPGA-Bauteils

angeordnet sind. So ist es durchaus üblich, dass FPGA-Bauteile 12 Lagen von Verbindungsleitungsebenen aufweisen.

Weiterhin ist vorgesehen, dass die zumindest eine Spirale des ersten Sende- ZEnnpfangselennents permanent auf dem FPGA-Bauteil konfiguriert ist.

Alternativ wird vorgeschlagen, dass die zumindest die Spirale des ersten

Sende-/Empfangselements auf dem FPGA-Bauteil dynamisch rekonfigurierbar ist.

Als besonders vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Feldgerät angesehen, wenn es für den Einsatz in Bereich mit erhöhter Sicherheitsstufe eingesetzt wird. Hierzu sind auf dem FPGA-Bauteil zumindest ein erster Teilbereich und ein zweiter Teilbereich vorgesehen. In jedem Teilbereich ist ein digitaler Messpfad partiell dynamisch rekonfigurierbar, wobei der Messpfad aus mehreren softwarebasierten und/oder hardwarebasierten Funktionsmodulen besteht.

Darüber hinaus ist eine Kontroll-/Auswerteeinheit vorgesehen, die die

Funktionsmodule in den Messpfaden bzw. in den Teilbereichen in

Abhängigkeit von einer definierten sicherheitskritischen Anwendung partiell dynamisch rekonfiguriert, so dass das Feldgerät einen geforderten

Sicherheitsstandard erfüllt. Ein Feldgerät, das in einer sicherheitskritischen Anwendung anwendbar ist, ist in der WO 2009/062954 A1 beschrieben. In dieser Patentanmeldung wird ein Feldgerät zur Bestimmung oder

Überwachung einer Prozessgröße in der Prozessautomatisierung

vorgeschlagen. Das Feldgerät besteht aus einem Sensor, der nach einem definierten Messprinzip arbeitet, und einer Kontroll-/Auswerteeinheit, wobei die Kontroll-/Auswerteeinheit die die vom Sensor gelieferten Messdaten in Abhängigkeit von einem in der jeweiligen sicherheitskritischen Anwendung geforderten Sicherheitsstandard entlang von mindestens zwei gleichwertigen Messpfaden aufbereitet und auswertet. Hierbei ist die Kontroll-/Auswerte- einheit zumindest teilweise als rekonfigurierbarer Logikbaustein mit mehreren partiell dynamisch rekonfigurierbaren Funktionsmodulen ausgebildet. Die Kontroll-/Auswerteeinheit konfiguriert die Funktionsmodule in den Messpfaden in Abhängigkeit von der jeweils definierten sicherheitskritischen Anwendung so, dass das Feldgerät entsprechend dem geforderten Sicherheitsstandard ausgelegt ist. Insbesondere ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass jeweils zwei

Teilbereiche durch einen Distanzbereich voneinander getrennt sind. Bevorzugt ist der Distanzbereich so ausgestaltet, dass eine Potentialtrennung zwischen den Teilbereichen erreicht wird, die derart ist, dass eine Temperatur- und/oder eine Spannungsänderung in einem der Teilbereiche keinen Einfluss auf den benachbarten Teilbereich bzw. die benachbarten Teilbereiche hat und dass im Fehlerfall keine Verbindung zwischen den Teilbereichen auftritt. Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Kontroll-/Auswerteeinheit in einem

Teilbereich des FPGA-Bauteils permanent konfiguriert ist. Verschiedene Ausgestaltungen eines in Verbindung mit der Erfindung einsetzbaren FPGA-Bauteils sind in der WO 201 1 /023469 A2, in der DE 1 0 201 0 002346 A1 und in der nicht vorveröffentlichten DE 10 2919 943 706.9, angemeldet am 28.07.2010, bzw. in der korrespondierenden US 61 /344,438, angemeldet am 22.07.2010, beschrieben. Der Offenbarungsgehalt der zitierten Anmeldungen ist dem Offenbarungsgehalt der vorliegenden

Patentanmeldung hinzuzurechnen.

Im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Feldgerät wird es als vorteilhaft erachtet, wenn jedem Messpfad bzw. jedem Teilbereich ein aus einer Spirale bestehendes Sende-/Empfangselement zugeordnet ist. Damit ist die geforderte elektrische Trennung gewährleistet.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 : eine Draufsicht auf einen Ausschnitt eines FPGA-Bauteils, Fig. 2: eine auf dem Ausschnitt des FPGA-Bauteils als Sende-ZEnnpfangselennent ausgebildete Spirale,

Fig. 3: eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausgestaltung des

erfindungsgemäßen FPGA-Bauteils mit eingezeichneten Magnetfeldlinien,

Fig. 4: die in Fig. 3 dargestellte Ausgestaltung ohne Magnetfeldlinien,

Fig. 5: eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen FPGA-Bauteils mit eingezeichneten Magnetfeldlinien,

Fig. 6: die in Fig. 5 dargestellte Ausgestaltung ohne Magnetfeldlinien, Fig. 7: eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen FPGA-Bauteils mit eingezeichneten Magnetfeldlinien,

Fig. 8: die in Fig. 7 dargestellte Ausgestaltung ohne Magnetfeldlinien und

Fig. 9: eine bevorzugte Anordnung von zwei Sende-/Empfangselennenten auf bzw. in einer Leiterplatte.

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf einen Ausschnitt eines FPGA-Bauteils 1 . Ein FPGA-Bauteil 1 besteht üblicherweise aus einer Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Verbindungsleitungsebenen 4 und einer

Transistorebene. Die unterste Ebene ist die Transistorebene. Sie beinhaltet die konfigurierbaren Logikbausteine 8 und die konfigurierbaren Switch- matrizen 7. Die darüberliegenden Ebenen sind die Verbindungsleitungsebenen 4 mit Verbindungsleitungen 3 verschiedener Länge zwischen den verschiedenen Switchmatrizen 7. Durch entsprechende Verknüpfungen der Logikbausteine 8 lassen sich die erforderlichen Funktionsmodule (in Fig. 1 nicht gesondert dargestellt, aber z.B. in der WO 2009/062954 A1

beschrieben) auf dem FPGA-Bauteil 1 bevorzugt partiell dynamisch rekonfigurieren. Die Konfiguration erfolgt über eine Kontroll-/Auswerteeinheit, die in der Fig. 1 nicht gesondert dargestellt ist. Üblicherweise ist die KontroN- ZAuswerteeinheit permanent auf dem FPGA konfiguriert. Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäß auf dem FPGA-Bauteil 1 als Sende- /Empfangselement 2 ausgebildete Spirale. Die Spirale des Sende- /Empfangselements 2 ist entweder permanent auf dem FPGA-Bauteil 1 konfiguriert, oder die Spirale des Sende-/Empfangselements 2 ist auf dem FPGA-Bauteil 1 dynamisch oder partiell dynamisch rekonfigurierbar. Die Spirale kann - wie bereits zuvor erwähnt - jede beliebige Form aufweisen. Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen FPGA-Bauteils 1 mit eingezeichneten Magnetfeldlinien 12.1 , 1 2.2. In Fig. 4 sind die Magnetfeldlinien 12.1 , 12.2 weggelassen. Das FPGA-Bauteil 1 weist einen ersten Teilbereich 5.1 und einen zweiten

Teilbereich 5.1 auf, wobei in jedem Teilbereich 5.1 , 5.2 ein digitaler Messpfad MP1 , MP2 partiell dynamisch rekonfiguriert ist. Hierzu sind in jedem digitalen Messpfad MP1 , MP2 mehrere softwarebasierte und/oder hardwarebasierte Funktionsmodule, die in der Fig. 3 nicht gesondert dargestellt sind, konfigurierbar.

Weiterhin ist eine in Fig. 3 gleichfalls nicht gesondert dargestellte Kontroll- /Auswerteeinheit vorgesehen, die die Funktionsmodule in den Messpfaden MP1 , MP2 bzw. in den Teilbereichen 5.1 , 5.2 in Abhängigkeit von einer definierten sicherheitskritischen Anwendung partiell dynamisch rekonfiguriert, so dass das Feldgerät einen geforderten Sicherheitsstandard erfüllt. Die einzelnen Teilbereiche 5.1 , 5.2 sind durch den Distanzbereich 6 voneinander getrennt, wobei der Distanzbereich 6 so ausgestaltet ist, dass eine

Potentialtrennung zwischen den Teilbereichen 51 , 5.2 erreicht wird. Diese Potentialtrennung verhindert, dass eine Temperatur- und/oder eine

Spannungsänderung in einem der Teilbereiche 5.1 , 5.2 Einfluss auf den benachbarten Teilbereich 5.2, 5.1 hat und dass im Fehlerfall eine Verbindung zwischen den Teilbereichen 5.1 , 5.2 auftritt. Über eine Kontaktierungsschicht 1 1 ist das FPGA-Bauteil 1 mit der

Leiterplatte 9 verbunden. In oder auf der Leiterplatte 9 sind zwei Sende- /Empfangselemente 2.2, 2.4 angeordnet. Diese korrespondieren mit den Sende-/Empfangselementen 2.1 , 2.3 auf dem FPGA-Bauteil 1 , so dass eine induktive Kopplung zwischen den Sende/Empfangselementen 2.1 , 2.3; 2.2, 2.4 stattfindet. In der Fig. 3 sind die entsprechenden Magnetfeldlinien 12.1 , 12.2 zwischen den jeweils korrespondieren Sende-/Empfangselementen 2.1 , 2.3; 2.2, 2.4 eingezeichnet. Die Datenübertragung zwischen den beiden galvanisch voneinander getrennten Messpfaden MP1 , MP2 erfolgt über die beiden Sende- /Empfangselemente 2.1 , 2.3, die elektrische Verbindung 13 zwischen den Sende-/Empfangselennenten 2.2 und 2.4 und die beiden Sende- /Empfangselemente 2.4, 2.3. Zwecks Verstärkung der übertragenen Signale ist zwischen den beiden in oder auf der Leiterplatte 9 angeordneten Sende- /Empfangselementen 2.2, 2.4 ein Treiber 10 bzw. ein Verstärker vorgesehen.

Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen FPGA-Bauteils 1 mit eingezeichneten Magnetfeldlinien 12.1 , 1 2.2. In Fig. 6 sind die Magnetfeldlinien 12.1 , 12.2. weggelassen.

Bei dieser Ausgestaltung erfolgt die induktive Datenübertragung zwischen den beiden galvanisch voneinander getrennten Teilbereichen 5.1 , 5.2 bzw. den Messpfaden MP1 , MP2 über einen jeweils oberhalb und unterhalb der

Leiterplatte 9 mit befestigtem FPGA-Bauteil 1 angeordneten magnetischen Kern 14.1 , 14.2. Die Kerne 14.1 , 14.2 sind bevorzugt aus Ferrit gefertigt und bündeln und verstärken die Magnetfeldlinien 14.1 , 14.2. Fig. 7 zeigt eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen FPGA-Bauteils mit eingezeichneten Magnetfeldlinien. In Fig. 8 sind die Magnetfeldlinien 14.1 , 14.2 wiederum weggelassen. Die in den Figuren Fig. 7 und Fig. 8 gezeigte Ausgestaltung unterscheidet sich von der in den Figuren Fig. 3 und Fig. 4 gezeigten Ausgestaltung dadurch, dass sich die Leiterplatte 9.2, in oder auf der die Sende-/Empfangselemente 2.3, 2.4 angeordnet sind, oberhalb des FPGA-Bauteils 1 befindet. Die Verbindung zwischen dem FPGA-Bauteil 1 und der Leiterplatte 9.2 erfolgt in der üblichen Art und Weise, wobei die Leiterplatte 9.2 auch durchaus von dem FPGA- Bauteil 1 beabstandet angeordnet sein kann.

In Fig. 9 sind beide Anordnungen eines Sende-/Empfangselements 2.2, 2.4 bezüglich der Leiterplatte 9, 9.2 gezeigt. Bei im oberen Teil gezeigten

Ausgestaltung ist das Sende-/Empfangselement 2.3, 2.4 auf der Leiterplatte 9 angeordnet. Bei der im unteren Teil gezeigten Ausgestaltung ist das Sende- /Empfangselement 2.3, 2.4 in der Leiterplatte 9 zu finden.

Bezugszeichenliste

1 FPGA-Bauteil

2.Π Sende-/Empfangselennent / Spirale

3 Verbindungsleitung

4 Verbindungsleitungsebene

5.n Teilbereich

6 Distanzbereich

7 Progrannnnierbare Switchmatrix

8 Logikbaustein

9 Leiterplatte

10 Treiber

1 1 Kontaktierungsschicht

12 Magnetfeldlinien

13 elektrische Verbindungsleitung

14.1 Kern

14.2 Kern