用於傳輸傳感器數據的設備的製作方法與工藝
2023-10-24 01:37:42 4
本發明涉及根據權利要求1的用於傳輸傳感器數據的設備。尤其是可以藉助於本發明設備在使用測量設備和控制設備之間的接口連接的情況下將傳感器的測量值傳輸到恰好該控制設備。
背景技術：
在自動化技術中越來越多地使用提供數字測量值的測量設備。在例如用於控制工具機的數字式控制領域中，這特別是適合於用於測量線性或轉動運動的位置測量設備。生成數字測量值的位置測量設備被稱為絕對位置測量設備。為了傳輸絕對位置值，主要使用串行數據接口，因為所述串行數據接口僅用少量的數據傳輸線路就足夠並且儘管如此仍具有高的數據傳輸速率。這裡特別有利的是具有單向或雙向數據線路和時鐘線路的所謂的同步串行接口。經由數據線路對數據分組的傳輸與時鐘線路上的時鐘信號同步地進行。在自動化技術中，實施了大量數字標準接口，用於同步串行接口的廣受歡迎的代表例如是申請人的EnDat接口，另一個以名稱SSI已知。此外，諸如Hiperface的異步串行接口也仍是流行的。SSI接口在EP0171579A1中被描述。在此情況下涉及具有單向數據線路和單向時鐘線路的同步串行數據接口。這裡與時鐘線路上的時鐘信號同步地從位置測量設備讀出位置值。而EP0660209B2描述了申請人的EnDat接口的基礎。該EnDat接口同樣是同步串行接口，但是其除了單向時鐘線路之外還具有雙向數據線路。由此可以在兩個方向上—從數字式控制裝置到位置測量設備和從位置測量設備到數字式控制裝置—傳輸數據。這裡也與時鐘線路上的時鐘信號同步地進行數據傳輸。此外經常存在以下願望：除了在測量設備中檢測或計算的數據之外也將由外部設備或傳感器生成的數據例如在位置測量設備和數字式控制裝置之間經由現有的接口連接傳輸。因此，DE102006041056B4建議，給旋轉式編碼器裝備附加接口，外部傳感器可以連接到這些附加接口上，其中傳感器數據可以在編碼器中被處理並且經由總線接口被傳輸給控制裝置。DE10306231A1描述了一種中間組件，一方面例如傳感器的外圍設備可以連接到所述中間組件上並且所述中間組件另一方面可以藉助於通信接口連接到位置測量裝置上。位置測量裝置又可以處理傳感器數據和/或經由接口連接在數字式控制裝置的方向上輸出。兩種變型方案需要旋轉式編碼器處的至少一個附加接口，所述附加接口此外必須即使在裝入狀態下也可接近。
技術實現要素：
本發明的任務是提供以下可能性：經由在測量設備和控制設備之間的接口連接將傳感器數據傳輸到恰好該控制設備，而不對測量設備進行修改。該任務通過根據權利要求1的設備來解決。本發明的有利的細節從權利要求1的從屬權利要求中得出。現在建議一種用於操縱接口信號的設備，具有·從機接口，其可連接到控制設備的主機接口，·主機接口，其可連接到測量設備的從機接口，·至少一個傳感器接口，傳感器可連接到所述傳感器接口，和·電路裝置，包括操縱單元和協議單元，其中·主機接口的主機數據輸入信號和傳感器數據輸出信號被輸送給所述操縱單元並且所述操縱單元將從機數據輸出信號輸出給從機接口，和·從機接口或主機接口的至少一個與協議有關的接口信號以及傳感器接口的傳感器數據信號被輸送給協議單元並且傳感器數據輸出信號可以由協議單元從傳感器數據信號中生成，並且根據操縱規則和至少一個與協議有關的接口信號可選擇：操縱單元何時作為從機數據輸出信號輸出主機接口的主機數據輸入信號或傳感器數據輸出信號。附圖說明本發明的其他優點以及細節從根據圖的以下描述中得出。在此：圖1示出布置在控制設備和位置測量設備之間的本發明設備，圖2示出包含在本發明設備中的電路裝置的框圖，和圖3示出用於圖解本發明設備的作用原理的簡化的數據傳輸序列。具體實施方式圖1示出布置在控制設備20和測量設備30之間的用於操縱接口信號的設備10。控制設備20可以是自動化技術或驅動技術的任意設備，所述設備具有至少一個串行接口，該串行接口適用於與連接到接口上的測量設備通信。對此的例子是位置顯示器、數字式控制裝置（NC）和存儲器可編程的控制裝置（SPS）。在下面的實施例中作為控制設備20的代表使用數字式控制裝置20。測量設備尤其是位置測量設備30，例如用於測量旋轉角和/或軸W的所經過的旋轉數目。為了與數字式控制裝置20進行數據交換，設備10包括從機接口12，所述從機接口藉助於第一接口線纜13與數字式控制裝置20的接口控制器24的主機接口22連接。此外，該設備包括主機接口18，所述主機接口藉助於第二接口線纜19與位置測量設備30的從機接口32連接。設備10的中央單元是電路裝置15，所述電路裝置處理接口信號。電路裝置15的結構下面結合圖2更詳細地描述。接口線纜和接口通常裝備有適當的插接連接器，使得本發明設備即使在已經安裝的自動化設備或者說工具機情況下也可以簡單地被接入到數字式控制裝置20和位置測量設備30之間，其方式例如是分開在數字式控制裝置20的主機接口22和位置測量設備30的從機接口32之間的連接並且在數字式控制裝置20的主機接口22與設備10的從機接口12之間以及在位置測量設備30的從機接口32和設備10的主機接口18之間各建立一個連接。為了完整性起見也提及，經由接口線纜通常也進行位置測量設備30的供電並且在設備10中建立相應的連接（未示出）。該供電也可以被採用用於運行設備10。接口此外可以以已知方式包括驅動器和接收器構件，例如用於將作為簡單的、與物質相關的（massebezogen）數位訊號在數字式控制裝置20、設備10和位置測量設備30中產生和處理的接口信號轉換成適用於在較大的距離上防幹擾地傳輸的信號。特別流行的是按照已知的RS-485標準允許數位訊號的差動傳輸的驅動器和接收機構件。同樣已知和有利的是將數字接口信號轉換成經由光波導傳輸的光學信號。在數字式控制裝置20中，經由應用接口27、28與接口控制器24連接的控制單元26確定由位置測量設備30請求何種數據或者向位置測量設備30發送何種數據。接口控制器24在此情況下在一定程度上用作轉化單元，該轉換單元將一般應用接口27、28的通信指令轉換成數字式控制裝置20的專用主機接口22的接口信號。在位置測量設備30中在測量單元34中提供所請求的數據或者處理所接收的數據。控制單元26是程序控制單元，尤其是基於微控制器或微處理器。控制單元26的功能的例子是讀出和顯示位置值以及控制複雜的調節迴路，其方式是，所述控制單元從測量設備、例如位置測量設備30請求實際值並且從這些實際值確定額定值以用於控制驅動裝置。根據本發明，在所述設備10處設置至少一個傳感器接口300。傳感器接口300可以被實施為用於連接模擬傳感器310的模擬接口或者被實施為用於連接數字傳感器310的數字接口。如果傳感器接口300是模擬接口，則在所述設備10中設置傳感器數據處理單元320，其將模擬傳感器信號、也即傳感器310的測量值轉換成數字傳感器數據信號S_M。為此在傳感器數據處理單元320中設置適當的裝置，例如A/D轉換器。而如果傳感器接口300是數字接口，則直接從所連接的傳感器310中得出數字傳感器數據信號S_M，其包括傳感器310的測量值。傳感器接口300雖然原理上可以是與從機接口12或者說主機接口18相同的類型，但是按照該類型所述傳感器接口具有比其傳輸傳感器數據所需要的高的複雜性和數據傳輸速度，所以作為傳感器接口300可以使用較簡單的串行接口。用於實施傳感器接口300的一些例子是I2C接口、SPI接口或者JTAG接口。此外，也可以使用無線接口，例如按照IrDA標準以光學方式或者按照藍牙或ZigBee標準經由無線電段的無線接口。同樣可以將傳感器接口300構成為RFID讀取設備並且將傳感器構成為RFID標籤。數字傳感器數據信號S_M被輸送給電路裝置15。在此，當前的傳感器值可以關於傳感器數據信號S_M未被請求地連續地或者以短的時間間隔被傳輸給電路裝置15，或者僅根據電路裝置15的請求被傳輸。在後一情況下，電路裝置15承擔傳感器接口300的控制。在所述設備10處此外可以設置操作接口16，操作單元40可以藉助於另一接口線纜45連接到所述操作接口16上。操作接口16不僅可以用於編程，而且可以用於控制電路裝置15的功能。操作接口16也不被確定成特定的接口變型，原理上考慮也可以對於傳感器接口300所選擇的相同的實施。實際上特別有利的是，作為操作單元40使用商業上常見的個人計算機、尤其是膝上型電腦或筆記本電腦。這種設備按標準擁有USB或乙太網接口，這些接口同樣適合作為操作接口16。代替單獨的操作單元40，也存在經由控制設備20的附加接口（未示出）操作設備10的可能性。可選地（未示出），還可以在設備10中實施例如作為鍵區的操作元件並且布置一行或多行顯示器形式的顯示單元，通過它們可以編程和/或可以操作電路裝置15。通過這種方式可以直接在所述設備10處實施複雜的操作功能，例如選擇連接到傳感器接口300處的傳感器310、數據格式、接口協議等，使得所述設備可作為自給自足的設備運行。在本例子中，數字式控制裝置20的主機接口22是EnDaT接口。因此如在開頭所提及的EP0660209B2中所述的那樣，按照RS-485標準以差信號的形式經由兩個線路對進行物理數據傳輸，其中第一線路對用於雙向地傳輸數據並且第二數據對用於單向地傳輸時鐘信號。數據的傳輸與時鐘信號同步地進行。對於所述接口在內部必須管理三個接口信號：時鐘信號TCLK、數據輸入信號DIN和數據輸出信號DOUT。經由根據數據傳輸協議被切換的釋放信號OEN調整數據方向，也即是否主動地輸出數據輸出信號。下面，用於設備10的從機接口12與數字式控制裝置20的主機接口22通信的從機接口信號稱為從機數據輸入信號DIN_S、從機數據輸出信號DOUT_S、從機時鐘信號TCLK_S和從機釋放信號OEN_S。與此類似地，設備10的主機接口18與位置測量設備30的從機接口32的通信經由主機接口信號、尤其是經由主機數據輸入信號DIN_M、主機數據輸出信號DOUT_M、主機時鐘信號TCLK_M和主機釋放信號OEN_M進行。相對應的接口信號分別是從機數據輸入信號DIN_S和主機數據輸出信號DOUT_M，從機時鐘信號TCLK_S和主機時鐘信號TCLK_M，以及主機數據輸入信號DIN_M和從機數據輸出信號DOUT_S。圖2示出電路裝置15的框圖。與協議有關的接口信號、也即適用於識別和處理數據傳輸協議的信號被輸送給中央協議單元100。在本例子中，從機數據輸入信號DIN_S（用於標識由數字式控制裝置20發送給位置測量設備30的指令）、從機時鐘信號TCLK_S（使數據傳輸與其同步）是與協議有關的接口信號。同樣，例如如果協議流程與位置測量設備30的應答數據或者與確定的應答數據到達的時刻有關，則主機數據輸入信號DIN_M可以是與協議有關的。根據從協議流程所得出的當前數據方向，協議單元100也產生從機釋放信號OEN_S和主機釋放信號OEN_M。此外，協議單元100也經由主機接口18向位置測量設備30輸出主機時鐘信號TCLK_M。此外，傳感器數據信號S_M被輸送給協議單元100。每個任意的數字數據傳輸方法均適用於將傳感器數據信號S_M傳輸給協議單元100，優選地，傳感器數據信號S_M以數字串行數據流的形式被傳輸給協議單元100。如在上面已經所提及的，當前傳感器值可以關於傳感器數據信號S_M未被請求地連續地或者以短的時間間隔到達，或者可以由協議單元100發起當前傳感器值的傳輸。除了協議單元100之外，電路裝置15包括操縱單元110。給該操縱單元在第一輸入端處輸送主機數據輸入信號DIN_M並且在第二輸入端處輸送在協議單元100中從傳感器數據信號S_M中產生的傳感器數據輸出信號SOUT以及必要時輸送校正數據信號X。該操縱單元110在其輸出端處在數字式控制裝置20的方向上輸出從機數據輸出信號DOUT_S。操縱單元110中的轉換器112確定：是主機數據輸入信號DIN_M還是傳感器輸出數據信號SOUT或校正數據信號X作為從機數據輸出信號DOUT_S被輸出。換句話說，利用轉換器112實現如下可能性：代替經由主機數據輸入信號DIN_M從位置測量設備30到達的數據，向數字式控制裝置20輸出替換的數據、尤其是傳感器數據輸出信號SOUT。轉換器112的控制通過協議單元100實現。該協議單元有利地被實現為狀態控制的自動機，其識別隨著與協議有關的接口信號從數字式控制裝置20到達的信息、尤其是指令並且根據這些信息和按照預先給定的操縱規則對轉換器112進行控制。此外，協議單元100從傳感器數據信號S_M生成傳感器數據輸出信號SOUT，使得該傳感器數據輸出信號SOUT無縫隙地插入到作為從機輸出數據信號DOUT_S所輸出的數據流中。在所述的例子中，其中數據作為主機數據輸入信號DIN_M從位置測量設備30與主機時鐘信號TCLK_M同步地到達操縱單元110並且作為從機輸出數據信號DOUT_S在數字式控制裝置20的方向上轉發，這意味著，由協議單元100作為傳感器數據輸出信號SOUT生成數據序列，所述數據序列為了輸出同樣與主機時鐘信號TCLK_M同步地被輸出給操縱單元110。此外，為了生成傳感器數據輸出信號SOUT執行的操作可以包括變換數據格式或者匹配在傳感器數據信號S_M中所包含的傳感器值的解析度。傳感器數據輸出信號SOUT的輸出可能引起從機輸出數據信號DOUT_S的不一致性，所述不一致性在數字式控制裝置20中被解釋為誤差。為了消除這種不一致性，在協議單元100中此外可生成校正數據信號X，所述校正數據信號同樣如傳感器數據輸出信號SOUT那樣可被輸送給操縱單元110並且代替主機數據輸入信號DIN_M可以作為從機數據輸出信號DOUT_S被輸出給數字式控制裝置20。協議單元100再次根據與協議有關的接口信號、例如從機數據輸入信號DIN_S、從機時鐘信號TCLK_S或者主機數據輸入信號DIN_M來確定在數據傳輸的哪個位置處輸出校正數據信號X。對此的例子：為了確保數據傳輸，或者作為數據是否正確到達數字式控制裝置20的控制可能性，由發送器（位置測量設備30）經常產生校驗和CRC（循環冗餘校驗（CyclicRedundancyCheck））並且同樣傳輸給數字式控制裝置20。如果現在數據流被操縱並且所傳輸的數據的一部分通過傳感器數據輸出信號SOUT代替，則校驗和CRC不再與所傳輸的數據一致並且數字式控制裝置20將會以該不一致性識別到誤差。為了防止這一點，協議單元100在該情況下從在主機數據輸入信號DIN_M中所包含的數據和傳感器輸出數據字SOUT中生成新的校驗和，所述新的校驗和考慮改變的數據並且將該新的校驗和作為校正數據信號X代替由位置測量設備20發送的校驗和來輸出。與輸出傳感器數據輸出信號SOUT類似地，與主機時鐘信號TCLK_M同步地輸出校正數據信號X。協議單元100與工作時鐘信號CLK同步地工作，所述工作時鐘信號CLK要麼在電路裝置15中被產生，要麼從外部被輸送給該電路裝置。因為從數字式控制裝置20的方向到達電路裝置15的接口信號在該例子中具體地是從機時鐘信號TCLK_S和從機數據輸入信號DIN_S，與工作時鐘信號CLK異步，所以有利的是，已經在電路裝置15的輸入端處藉助於同步單元102、104使這些接口信號與工作時鐘信號CLK同步。在此，這些信號僅僅在時間上被延遲，但是在其它方面在很大程度上保持不變。因為由此位置測量設備30的應答數據也延遲地到達數字式控制裝置20，所以這種延遲如同使用較長的接口線纜13、19一樣作用於數字式控制裝置20。為了能夠處理接口信號，工作時鐘信號CLK必須具有相同的或比從機時鐘信號TCLK_S的最大待期待的頻率高的頻率。原則上適用的是，工作時鐘信號CLK的頻率越高，接口信號的時間延遲越小。在從機時鐘信號TCLK_S的最大頻率為10MHz情況下，在實踐中處於40至100MHz的範圍中的工作時鐘信號CLK的頻率已經表明是有益的。操縱規則例如可以固定地存儲在協議單元100中。但是特別有利的是，設置操縱存儲器130，該操縱存儲器的內容可以經由通信單元140編程，所述通信單元與操作單元40經由操作接口16通信。在操縱存儲器130中可以存儲：數字式控制裝置20向位置測量設備30所發送的指令中的哪些指令應該被使用以便代替實際上從位置測量設備30到達的數據而傳輸傳感器輸出數據信號SOUT。通過這種方式，設備10可以靈活地匹配於改變的要求。作為電路裝置15有利地使用可編程構件，例如FPGA（現場可編程門陣列（FieldProgrammableGateArray））。這種構件目前可以被新編程並且從而最佳地適用於對本發明設備10的操縱可能性的變化和/或擴展作出反應。微控制器同樣特別好地適合作為電路裝置15，因為微控制器也可以簡單地被重新編程並且可以匹配於改變的條件。例如同樣可以經由操作接口16對電路裝置15進行編程。圖3示出用於圖解本發明設備10的作用原理的簡化的數據傳輸序列。尤其是放棄表示由在電路裝置15中接口信號的處理或同步化引起的小時間延遲。示出專門的位置請求指令從數字式控制裝置20到位置測量設備30的傳輸，接著，位置測量設備30將當前的位置數據POS和附加數據Z發送給數字式控制裝置20。附加數據例如可以是來自位置測量設備30中的存儲器的數據。為了提高傳輸安全性，一方面冗餘地設計位置請求指令，尤其是所述位置請求指令由例如各由3個位組成的第一指令塊C1和第二指令塊C2組成，其中第二指令塊C2僅僅與第一指令塊C1相同或者以相反的方式重複。另一方面，位置測量設備30最後發送校驗和CRC。作為上述位置請求指令的操縱規則，在設備10中存放：代替附加數據Z應該將溫度傳感器的溫度值傳輸給數字式控制裝置20，所述溫度傳感器作為傳感器310連接到傳感器接口300。操縱規則從而確定，操縱單元110在哪個時刻必須被轉換，以便作為從機數據輸出信號DOUT_S代替主機數據輸入信號DIN_M輸出傳感器數據輸出信號SOUT和相應地改變的校驗和CRC。在此處詳盡地表明，操縱規則不必強制性地分配給在數據傳輸協議的範圍中從數字式控制裝置20發送給位置測量設備30的指令。更確切地，可以給從數字式控制裝置20或者也從位置測量設備30到達設備10或者說電路裝置100的每個任意的信息分配操縱規則。在最簡單的情況下，已經可以將時鐘信號的使用、也即數據傳輸的開始評價為操縱規則所分配給的信息。在圖3中所示的數據傳輸序列的第一行示出從數字式控制裝置20到達電路裝置15的從機時鐘信號TCLK_S或者（在忽略延遲的情況下）從電路裝置15轉發給位置測量設備30的主機時鐘信號TCLK_M。第二行示出從機數據輸入信號DIN_S，其包括指令塊C1和C2並且必要時在與同步單元102中的工作時鐘信號CLK同步之後，作為主機數據輸出信號DOUT_M在位置測量設備30的方向上被轉發。在第三行中示出主機數據輸入信號DIN_M，其包含位置測量設備30的應答數據。第四行最後示出傳感器數據輸出信號SOUT和矯正數據信號X，它們由協議單元100產生，前者從傳感器數據信號S_M中產生，後者從整個發送給數字式控制裝置20的數據流中產生。時間流程如下形成：在激活從機時鐘信號TCLK_S之後，首先發生數據方向轉換。在假設在靜止狀態中從機釋放信號OEN_S被切換為主動的並且主機釋放信號OEN_M被切換為被動的情況下，協議單元100在時刻t1和t2之間的第一轉換時間段U1中首先將從機釋放信號OEN_S切換為被動的並且然後將主機釋放信號OEN_M切換為主動的。以時間上錯列的方式進行轉換，以便避免數據衝突。從時刻t2起，接著傳輸第一指令塊C1，之後從時刻t3起，傳輸第二指令塊C2。第二指令塊C2的傳輸在時刻t4結束，協議單元100現在可以通過比較指令塊C1，C2來確定：指令的傳輸是否是無誤差的。最遲在時刻t4，協議單元100具有足夠的信息以便能夠確定，是否應該進行接口信號的操縱，也即對於該指令是否如在該例子中那樣存在操縱規則。操縱規則例如在協議單元100中被定義或者被存儲在操縱存儲器130中。在指令傳輸之後從時刻t4起至時刻t5是第二轉換時間段U2，在該第二轉換時間段中數據方向被轉換，尤其是協議單元將主機釋放信號OEN_M切換為被動的並且將從機釋放信號OEN_S切換為主動的。從時刻t5起，開始應答數據從位置測量設備30到數字式控制裝置20的傳輸，其中首先發送起始序列START，該起始序列例如由起始位組成，之後是各種狀態位，所述狀態位允許推斷出位置測量設備30的運行狀態。在起始序列START之後，從時刻t6起傳輸位置值POS。根據當前指令的操縱規則，協議單元100在時刻t7轉換操縱單元110中的開關元件112，使得從該時刻起，由協議單元100從傳感器數據信號S_M中生成的傳感器數據輸出信號SOUT代替主機數據輸入信號DIN_M作為從機數據輸出信號DOUT_S被輸出給數字式控制裝置20。從時刻t8起，直接接著傳輸校驗和CRC，開關元件112保持在所轉換的位置並且協議單元100作為矯正數據字X輸出與所改變的數據相匹配的校驗和CRC。在時刻t9，數據傳輸結束並且協議單元100以及操縱單元112回到初始狀態。如結合圖3所述的用於操縱在數字式控制裝置20的主機接口22與位置測量設備30的從機接口之間的數據業務的例子，本發明設備10或者說電路裝置15提供將傳感器310的測量數據耦合輸入到現有的接口通信中的簡單的和有效的可能性。特別有利的是，為此既不必改變數字式控制裝置20也不必改變位置測量設備30。