Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Über¬ tragen von Energie von einer Haupteinheit zu einer Nebenein¬ heit und zum bidirektionalen Übertragen von Daten zwischen der Haupteinheit und der Nebeneinheit und ein System, beste¬ hend aus einer Haupteinheit und einer Nebeneinheit, zum Übertragen von Energie von der Haupteinheit zu der Nebenein¬ heit und zum bidirektionalen Übertragen von Daten zwischen der Haupteinheit und der Nebeneinheit.

Aus der EP-A-288 791 sind bereits ein Verfahren und ein System zum Übertragen von Energie von einer Haupteinheit zu einer Nebeneinheit und zum bidirektionalen Datenübertragen zwischen diesen Einheiten bekannt. Bei dem bekannten Verfah¬ ren findet abwechselnd eine Energieübertragung von der Haupteinheit zur Nebeneinheit bzw. eine Datenübertragung von einer Einheit zu der anderen Einheit statt. Die Übertragung von Energie und Daten findet in einem festen Zyklus statt. Jeder Zyklus beginnt mit einem Energieimpuls von vorbestimm¬ ter Dauer, der von der Haupteinheit zu der Nebeneinheit übertragen wird, um eine Energieversorgung der Nebenheinheit sicherzustellen. Nach Ablauf einer Abklingphase nach dem Ab¬ schalten des Energieimpulses folgt eine Umschaltphase, wäh¬ rend der die Hauptelektronik durch Aussenden eines weiteren Energieimpulses die Datenrichtung zwischen der Haupteinheit und der Nebeneinheit für alle weiteren Datenzyklen umschal¬ ten kann. Erfolgt während dieser Umschaltphase keine Ener¬ gieübertragung von der Haupteinheit zu der Nebeneinheit, so wird nach Verstreichen der genannten zweiten Abklingphase eine Datenübertragung in der zuvor festgelegten Datenüber¬ tragungsrichtung vorgenommen.

Die Übertragung von Daten zwischen der Haupteinheit und der Nebeneinheit findet in beiden Datenübertragungsrichtungen durch binäre Amplitudenumtastmodulation statt. Dies ermög¬ licht eine einfache Demodulation und eine hohe Störsicher¬ heit. Bei diesem bekannten Verfahren und System ist es erforderlich, daß die Nebeneinheit ein eigenes frequenzbe¬ stimmendes Element aufweist, so daß sie nicht vollständig als anwenderspezifisch integrierte Schaltung implementiert werden kann. Ferner ist es erforderlich, daß die Nebenein¬ heit über einen Energiespeicher mit relativ hoher Kapazität verfügt, was gleichfalls einer Integration und einer kompakten Bauweise entgegensteht.

Aus der EP-Al-02 87 175 ist ein weiteres Verfahren und System zur Übertragung von Energie von einer Haupteinheit zu einer Nebenheinheit und zur bidirektionalen Datenübertragung zwischen diesen Einheiten bekannt. Bei diesem System findet eine gleichzeitige Übertragung von Energie und Daten statt. Bei der Datenübertragung von der Haupteinheit zur Teilein¬ heit wird ein Träger amplitudenmoduliert, wobei, wie später erläutert wird, für jedes zu übertragende Datenbit acht Bits (ein Byte) auf einen hochfrequenten Träger moduliert werden. In der Nebeneinheit wird mittels eines Spannungsteilers aus dem empfangenen, modulierten Signal ein Taktsignal und ein Datensignal gewonnen, um eine übertragene "0" mit einer er¬ sten kleinen Amplitude von einer übertragenen "l" mit einer zweiten, großen Amplitude unterscheiden zu können. Daher ist es erforderlich, eine Anpassung der Sendeleistung der Haupt¬ einheit an die Dämpfung der jeweiligen Übertragungsstrecke vorzunehmen.

Die Übertragung von Daten von der Nebeneinheit zur Hauptein¬ heit erfolgt dadurch, daß seitens der Nebeneinheit eine Laständerung an der Sekundärspule mit der halben Trägerfre¬ quenz vorgenommen wird. Die Phasenlage des Schaltens der Laständerung an der Sekundärspule bestimmt den Zustand des rückübertragenen Bits. Um eine synchrone Ablaufsteuerung in

der Haupteinheit und in der Nebeneinheit zu erzielen, werden für die Übertragung eines jeden Datenbits von der Hauptein¬ heit zwei Startbits, ein Datenbit mit seinem Komplementär¬ wert, ein Taktbit mit seinem Komplementärwert und zwei Stoppbits übertragen. Nach der Übertragung dieser Bits wird der Träger für eine Zeitdauer von acht Schwingungen des Trä¬ gers nicht moduliert. Während dieser Zeit findet die Daten- rückübertragung durch Rücksenden eines Datenbits mit der oben beschriebenen Laständerung der Sekundärspule statt.

Aus der EP-A2-03 20 015 ist ein weiteres Verfahren und System zum Übertragen von Energie von einer Haupteinheit zu einer Nebeneinheit und zum bidirektionalen Datenübertragen zwischen diesen Einheiten bekannt. Die Datenübertragung von der Haupteinheit zur Nebeneinheit erfolgt durch Pulsdauer¬ modulation eines hochfrequenten Versorgungsspannungssignales mittels dreier verschiedener Puls-Pausen-Verhältnisse, die einer übertragenen "1", einer übertragenen "0 ^H bzw. dem Ab¬ rufen eines Bits von der Nebeneinheit entsprechen. Das Rück¬ übertragen von Daten von der Nebeneinheit zur Haupteinheit erfolgt durch Kurzschließen der Sekundärspule in der Ab¬ klingphase nach dem übertragenen Puls von der Haupteinheit zur Nebeneinheit, wodurch sich der Abklingpegel der Primär- spulenspannung ändert. Ein Vergleicher in der Haupteinheit entscheidet zu einem festgelegten Zeitpunkt innerhalb des Übertragungszyklus, ob der Wert der Primärspulenspannung der F ϊcksendung einer "1" oder "0" von der Nebeneinheit zur E αpteinheit entspricht.

Aus der EP-A2-01 85 610 ist wiederum ein weiteres Verfahren und System zum Übertragen von Energie von einer Haupteinheit zu einer Nebeneinheit und zum bidirektionalen Datenübertra¬ gen zwischen diesen Einheiten bekannt. Die Datenübertragung von der Haupteinheit zur Nebeneinheit erfolgt durch Modula¬ tion der gegenseitigen Phasenlage zweier kohärenter Versor- gungsspannungsschwingungen. Die Datenübertragung in der ent¬ gegengesetzten Richtung erfolgt durch Laständerungen an den Spulen der Nebeneinheit. Damit ist eine gleichzeitige bi-

direktionale Datenübertragung möglich. Für die Übertragung der beiden kohärenten Signale bedarf es zweier räumlich ge¬ trennter Spulenpaare.

Aus der US-C-47 30 188 ist ein anderes Verfahren und System zum Übertragen von Energie von einer Haupteinheit zu einer Nebeneinheit und zum unidirektionalen Übertragen von Daten von der Nebeneinheit zur Haupteinheit bekannt. Die Hauptein¬ heit sendet ständig ein hochfrequentes Versorgungswechsel¬ signal aus. Die von der Nebeneinheit zur Haupteinheit zu sendenden Daten werden durch Frequenzumtastung mit Manche¬ ster-Codierung moduliert. Zwar bedarf es bei diesem System keines eigenen Oszillators und keines eigenen Energiespei¬ chers in der Nebeneinheit, so daß diese in einfacher Weise als integrierte Schaltung ausgeführt werden kann, jedoch ist dieses System auf eine unidirektionale Datenübertragung be¬ schränkt.

Aus der DE-Al-36 31 477 ist bereits ein Netzwerk für die Da¬ ten- und Energieübertragung bekannt, welches ein Netzwerk aufweist, an das eine Mehrzahl von gleichstrukturierten Ein¬ heiten angeschlossen ist. Das Netzwerk wird von einem zen¬ tralen Speisegerät mit Energie versorgt. Das Speisegerät dient allein der Energieversorgung mit Wechselspannung. Die Datenübertragung zwischen den einzelnen Einheiten erfolgt dadurch, daß jeweils eine Einheit auf das Netzwerk zugreift, um das dort anliegende Wechselspannungssignal mit einer Amplitudenmodulation zu beaufschlagen.

Aus der EP-A2-01 95 626 ist bereits ein Nachrichtenübertra¬ gungssystem bekannt, bei dem im Frequenzu tastverfahren mo¬ dulierte Nachrichten von einer Nebeneinheit zu einer Haupt¬ einheit übertragen werden.

Aus der Fachzeitschrift "Technisches Messen", 1989, Heft 4, Seiten 164 bis 170 ist es bekannt, zum Zwecke der Energie¬ übertragung von einer Haupteinheit zu dezentralen Sensoren Lichtwellenleiter einzusetzen.

Ausgehend von dem oben beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfah¬ ren und System zum Übertragen von Energie von einer Haupt¬ einheit zu einer Nebeneinheit und zum bidirektionalen Über¬ tragen von Daten zwischen diesen Einheiten so weiterzubil¬ den, daß die Nebeneinheit einfach und kompakt aufgebaut ist und daß eine sichere Übertragung der Daten in beide Daten¬ übertragungsrichtungen gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Patentan¬ spruch 1 angegebenen Verfahrensschritten und durch ein System mit den im Patentanspruch 8 angegebenen Merkmalen gelöst.

Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 7 und des erfindungsgemäßen Systemes in den Ansprüchen 9 bis 12 angegeben.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Übertragungssystemes, das nach dem erfindungsgemäßen Über¬ tragungsverfahren arbeitet, wird nachfolgend unter Bezug¬ nahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Übersichtsdiagramm des Übertragungssystemes;

Fig. 2 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispieles der Nebeneinheit;

Fig. 3 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispieles der Haupteinheit; und

Fig. 4 ein zeitliches Ablaufdiagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Übertragungsverfahrens.

Das in Fig. 1 in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnete System zum Übertragen von Daten und Energie um¬ faßt eine Haupteinheit 2 und eine Nebeneinheit 3. Die Haupt¬ einheit 2 umfaßt eine Stromversorgungseinheit 4 für die Ver¬ sorgung einer Hauptschaltungseinrichtung 5, die mit einem ersten und einem zweiten Koppelelement Lla, L2a verbunden ist. Die Nebeneinheit 3 umfaßt eine Nebenschaltungseinrich¬ tung 6, die mit einem dritten und vierten Koppelelement Llb, L2b verbunden ist.

Eine Energieübertragung von der Haupteinheit 2 zu der Neben¬ einheit 3 findet über das erste und dritte Koppelelement Lla, Llb statt. Eine bidirektionale Datenübertragung zwi¬ schen der Haupteinheit 2 und der Nebeneinheit 3 erfolgt über das zweite und vierte Koppelelement L2a, L2b.

Für den Fachmann ist es offensichtlich, daß sowohl für die Datenübertragung wie auch für die Energieübertragung jegli¬ che Art von berührungsfreien Koppelelementen für die induk¬ tive oder kapazitive oder optische Kopplung geeignet sind.

Bei dem bevorzugten, gezeigten Ausführungsbeispiel haben die Koppelelemente Lla, Llb, L2a, L2b die Form von Spulen für die Erzeugung einer induktiven Kopplung.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, umfaßt die Nebeneinheit 3 eine Gleichrichterschaltung 7, die das von dem dritten Koppel¬ element Llb empfangene Versorgungswechselsignal in eine Ver¬ sorgungsgleichspannung V _cc umwandelt. Dem dritten Koppel¬ element Llb ist ferner eine erste Signalformerschaltung 8 nachgeschaltet, die das empfangene, im wesentlichen sinus¬ förmige Signal in ein im wesentlichen rechteckförmiges Takt¬ signal umwandelt, welches einerseits einem ReferenzZähler 9 und andererseits einer Ablaufsteuerschaltung 10 zugeführt wird.

Dem vierten Koppelelement L2b ist ein erster Sende-/Emp¬ fangs-Umschalter 11 nachgeschaltet, dessen Schaltzustand von

der AblaufSteuerschaltung 10 bestimmt wird. In seiner Emp¬ fangsstellung verbindet der erste Sende-/Empfangs-Umschalter 11 das vierte Koppelelement L2b mit einer zweiten Signal¬ formerschaltung 12, die eingangsseitig mit einem Datenzähler 13 verbunden ist. Ein Mikroprozessor 14 steht ausgangsseitig sowohl mit dem Referenzzähler 9 wie auch mit dem Datenzähler 13 in Verbindung und ist ferner mit der Ablaufsteuerschal¬ tung 10 zum gegenseitigen Datenaustausch verbunden.

In an sich üblicher Weise hat der Mikroprozessor 14 eine Rücksetzlogikschaltung 15, die den Mikroprozessor beispiels¬ weise bei einem anfänglichen Anlegen der Versorgungsspannung V _cc sowie im Falle des Auftretens von unerwünschten Pro¬ grammzuständen rücksetzt.

Eine Frequenzumtastschaltung 16 für die Rückübertragung von Daten von der Nebeneinheit 3 zu der Haupteinheit 2 wird von dem Mikroprozessor 14 für eine binäre Frequenzumtastung je nach dem logischen Wert des rückzuübertragenden Bits ange¬ steuert und steht ausgangsseitig mit dem ersten Sende-/Emp- fangs-Umschalter 11 in Verbindung, der die Frequenzumtast¬ schaltung 16 in seiner Sendestellung mit dem vierten Koppel¬ element L2b verbindet.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, umfaßt die Haupteinheit 2 einen Hostcomputer 17, der mit einem zweiten Mikroprozessor 18 in Datenübertragungsverbindung steht.

Ferner umfaßt die Haupteinheit 2 einen Oszillator 19, der mit einem Leistungsverstärker 20 verbunden ist, welcher aus¬ gangsseitig mit dem ersten Koppelelement Lla zum Übertragen eines hochfrequenten Versorgungswechselsignales zu der Ne¬ beneinheit 3 verbunden ist.

Das Ausgangssignal des Oszillators 19 wird in Abhängigkeit von einer von dem zweiten Mikroprozessor 18 festgelegten Torzeit oder Einschaltzeit in der Sendestellung eines zwei¬ ten Sende-/Empfangs-Umschalters 21 dem zweiten Koppelelement

L2a zugeführt. ie später noch im einzelnen erläutert wird, entspricht eine kurze bzw. lange Torzeit der Durchschaltung des Ausgangssignales des Oszillators 19 zu dem zweiten Kop¬ pelelement L2a der Übertragung eines ersten oder zweiten binären Datenwertes von der Haupteinheit 2 zu der Nebenein¬ heit 3.

Anstelle der unterschiedlich langen Beaufschlagung des zwei¬ ten Koppelelementes mit einem Ausgangssignal eines Oszilla¬ tors von vorbestimmter Frequenz ist es in Abweichung von dem gezeigten Ausführungsbeispiel möglich, einen ersten bzw. einen zweiten Oszillator mit einer ersten bzw. zweiten Fre¬ quenz während einer jeweils gleichen Torzeit zur Übertragung des ersten oder zweiten Binärwertes mit dem zweiten Koppel¬ element L2a zu verbinden.

In der durch den zweiten Mikroprozessor 18 festgelegten Emp¬ fangsstellung des zweiten Sende-/Empfangs-Umschalters 21 verbindet dieser das zweite Koppelelement L2a mit einer ersten phasenstarren Regelschleife 22 und einer zweiten phasenstarren Regelschleife 23, die jeweils ausgangsseitig mit dem zweiten Mikroprozessor 18 verbunden sind. Die erste phasenstarre Regelschleife 22 spricht auf Signale der ersten Frequenz an, die die Frequenzumtastschaltung 16 der Neben¬ einheit 3 erzeugt, während die zweite phasenstarre Regel¬ schleife 23 auf Signale der zweiten Frequenz von der Fre¬ quenzumtastschaltung 16 anspricht.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 4 das Übertragungsverfahren näher erläutert. Es findet beginnend ab einem Einschalten der Haupteinheit eine kontinuierliche Energieübertragung in Form des hochfrequenten Versorgungs- wechselsignales von der Haupteinheit 2 zu der Nebeneinheit 3 statt. In der Nebeneinheit 3 wird durch die erste Signalfor¬ merschaltung 8 ein Taktsignal generiert, mit dem der Refe¬ renzzähler 9 getaktet bzw. inkre entiert wird. Nach dem Emp¬ fangen eines Datensignales von der Haupteinheit durch die Nebeneinheit wird der Datenzähler 13 entsprechend den

Schwingungen des übertragenen Datensignales hochgezählt, wobei ab dem Empfang des Datensignales und somit ab dem Be¬ ginn des Zählens des Datenzählers 13 die Ablaufsteuerschal¬ tung 10 den Referenzzähler 9 zählen läßt. Der Referenzzähler 9 dient zur Definition eines Zeitfensters mit einer von dem Taktsignal festgelegten Zeitbasis.

Sobald der Zählwert des ReferenzZählers 9 einen dem Ende des Zeitfensters entsprechenden Maximalwert oder Zählendwert er¬ reicht hat, bewirkt der Mikroprozessor 14 ein Auslesen des Datenzählers 13 zu diesem Zeitpunkt. Zum Ablauf des Zeitfen¬ sters schaltet der erste Mikroprozessor 14 den ersten Sen¬ de-/Empfangs-Umschalter 11 um, um eine Rückübertragung von Daten von der Nebeneinheit 3 zu der Haupteinheit 2 einzulei¬ ten. Entsprechend des zu übertragenden Datenwertes erzeugt die Frequenzumtastschaltung 16 nun ein Sendesignal mit einer von zwei Sendefrequenzen. Der zweite Mikroprozessor 18 der Haupteinheit hat nach Beendigung der Datenübertragung zu der Nebeneinheit 3 den zweiten Sende-/Empfangs-Umschalter 21 umgeschaltet, so daß entweder die erste oder die zweite pha¬ senstarre Regelschaltung 22, 23 auf das von der Nebeneinheit 3 ausgesandte Signal anspricht, was wiederum von dem zweiten Mikroprozessor 18 erfaßt wird. Hiermit ist die Datenrück- übertragung abgeschlossen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können selbstverständ¬ lich pro Übertragung in die jeweilige Datenrichtung mehr als nur ein Bit übertragen werden, soweit der Datenzähler 13 eine ausreichende Kapazität hat und die Übertragungsstrecke ausreichend sicher ist. Für eine Mehr-Bit-Datenrückübertra- gung bedarf es anstelle einer binären Frequenzumtastung einer entsprechenden mehrfachen Frequenzumtastung mit geeig¬ neter mehrfacher phasenstarrer Regelschleife.

Das erfindungsgemäße Verfahren und System ermöglichen einen sehr niedrigen Schaltungsaufwand auf der Seite der Neben¬ einheit 3, die neben Komparatoren und Grundgattern fast aus¬ schließlich mit Flipflops zum Realisieren von Zählern und

Teilern implementiert werden kann. Dadurch ist es leicht möglich, die Nebeneinheit als anwenderspezifische integrierte Schaltung auszuführen.

Bei dem erfindungsgemäßen Übertragungsverfahren findet eine Zwangssynchronisation statt. Hierbei bestimmt die Hauptein¬ heit den StartZeitpunkt eines Zyklus und die Nebenheit das Ende desselben. Aufgrund dieser Charakteristika des Übertra¬ gungsverfahrens können sowohl die Haupteinheit als auch die Nebeneinheit vor einer jeweiligen Datenübertragung die je¬ weils andere Einheit warten lassen, um bestimmte zeitkri¬ tische Aufgaben zu erledigen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich ferner durch eine hohe ÜbertragungsSicherheit aus. Durch geeignete Wahl des Zeitfensters kann eine nahezu beliebig große Übertra¬ gungssicherheit erreicht werden. Falls das schaltungsmäßig festgelegte Zeitfenster groß genug gewählt ist, kann durch eine geeignete Software eine Interpretation des Datenzähler- inhaltes in der Weise erfolgen, daß beispielsweise Bits paarweise übertragen werden oder daß der Datenzählerinhalt direkt einem Byte entspricht. Selbstverständlich führt dies jedoch zu einer Reduktion der erzielbaren ÜbertragungsSi¬ cherheit.

Auch die Datenübertragung von der Nebeneinheit zur Hauptein¬ heit ist aufgrund des gewählten Frequenzumtastmodulations- verfahrens störungsunempfindlich.

Dadurch, daß die Nebeneinheit nach jedem empfangenen Bit ein Bit zurücksenden kann, ist die Übertragung eines Bytes in beiden Datenrichtungen fast gleichzeitig möglich.