DE102005014133B3

DE102005014133B3 - Integrierte Schaltung mit Mischsignal-Eindrahtschnittstelle und Verfahren zu ihrem Betrieb

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Publication number: DE102005014133B3
Application number: DE102005014133A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Engl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-03-29
Filing date: 2005-03-29
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2025-03-30
Also published as: WO2006102864A8; WO2006102864A2; US7586430B2; US20080315934A1; WO2006102864A3

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine integrierte Schaltung (1) mit einer neuartigen bidirektionalen Mischsignal-Eindrahtschnittstelle (6), über den sie von einem Wirt Kommandoinformationen empfangen kann und aufbereitete analoge Signale an den Wirt senden kann. Zur Implementierung der Mischsignalschnittstelle weist die integrierte Schaltung Mittel zur Analogsignalaufbereitung (2), Kommandodetektion (3) und digitalen Steuerung (4) auf. In der bevorzugten Verkörperung der Erfindung werden zur Kommandodetektion Stromdetektoren eingesetzt, die auf den durch den Schnittstellenanschluß (6) fließenden Strom ansprechen, so daß Kommandos auch dann gegeben werden können, wenn analoge Signale auf dem Bus anliegen. Die Erfindung umfaßt verschiedene Betriebsverfahren, insbesondere Verfahren zum Betrieb mehrerer der integrierten Schaltungen auf demselben Mischsignalbus, und Verfahren zum kompatiblen Betrieb mit herkömmlichen integrierten Schaltungen. Die Erfindung ist besonders geeignet, um in Verbindung mit einem herkömmlichen Mikrocontroller mit ADC als Wirt intelligente Sensoren kostengünstig herzustellen. Sensoren können über Rohsignaleingänge (14) angeschlossen werden oder sich auf der integrierten Schaltung selbst befinden.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung liegt im Gebiet der integrierten Schaltungen und Betriebsverfahren hierfür und ist insbesondere eine integrierte Schaltung die in der Lage ist, analoge Signale aufzubereiten und diese aufbereiteten analogen Signale über eine neuartige bidirektionale Mischsignal-Eindrahtschnittstelle zu einer herkömmlichen Verarbeitungsschaltung zu übertragen, welche über Mittel verfügt, um die aufbereiteten analogen Signale weiter zu verarbeiten, es kann sich hier beispielsweise um einen Mikrocontroller mit Analog-zu-Digitalwandler handeln. Die Verarbeitungsschaltung ist dabei in der Lage, die erfindungsgemäße integrierte Schaltung über dieselbe Eindrahtschnittstelle digital zu steuern. Die Erfindung umfaßt Verfahren zum Betrieb von einer oder mehreren der erfindungsgemäßen integrierten Schaltungen) an der bidirektionalen Mischsignal-Eindrahtleitung.

Es sind viele Bussysteme bekannt, die eine niedrige Pinanzahl und eine niedrige Leitungsanzahl aufweisen.

Gewöhnlich- drehen sich solche Bussysteme um das Ziel, digitale Daten zwischen mindestens zwei Datenprozessoren oder einem Datenprozessor und intelligenten Peripherieeinheiten oder intelligenten Sensoren zu transferieren, und dabei nur eine minimale Zahl von Leitern oder Anschlußpins am Gehäuse einer integrierten Schaltung zu benötigen. Insbesondere sind Zwei- oder Dreidraht-Bussysteme allgegenwärtig, die Datenleitungen und eine Taktleitung aufweisen, bekannt unter Handelsmarken oder Kürzeln wie I²C, SPI, Mikrowire, etc.

Es ist jedoch nicht immner machbar, daß mehrere Port-Anschlüsse belegt und mehrere Signalleitungen bereitgestellt werden, speziell bei sehr preisgünstigen Mikrocontrollern mit nur geringer Pinanzahl, wie etwa dem 8-pin PIC16F629 oder dem 6-pin PIC10F des Herstellers Microchip Technology [9].

Für viele Applikationen derselben oder entsprechender Chips mit geringer Pinanzahl von anderen Herstellern verbietet sich die Verwendung von mehreren Leitungen und mehreren Port-Anschlüssen, so daß ein Eindraht-Bussystem die einzige Lösung sein könnte.

Dem Stand der Technik sind mehrere Eindraht-Bussysteme bekannt, und im folgenden wird eine kleine Auswahl davon, die für die vorliegende Erfindung relevant erscheint, kurz diskutiert.

Ugon [1] beschreibt eine bidirektionale Datenübertragungsmethode, die für die Kommunikation zwischen zwei Mikroprozessoren nur eine einzige Signalleitung benötigt, und die auf der Tatsache basiert, daß gewöhnliche Port-Anschlüsse von Mikroprozessoren (oder Mikrocontrollern) unter Softwaresteuerung von einem Eingabemodus zu einem Ausgabemodus wechseln können. Jedes Ende der Signalleitung ist jeweils mit einem einzelnen Port-Anschluß eines der beiden Mikrocontroller verbunden, was für diesen Zweck das absolute Minimum darstellt. In einem solchen System werden nur drei elektrische Leiter benötigt, um eine intelligente Peripherieeinheit an ein Wirtssystem anzuschließen: jeweils ein Leiter für die Versorgungsspannung, das Signal, und das Bezugspotential (Masse). Hat die Peripherieeinheit eine eigene Stromversprgung, dann werden nur zwei Leiter, Signal und Masse, benötigt. Im System von Ugon können die digitalen Logikzustände '0' oder '1' entweder als Spannungspegel oder als Strompegel in der Signalleitung repräsentiert sein.

Wroblevski et al [2] beschreiben ein Eindrahtbus – Multiplexsystem, in dem der Eindrahtbus nicht nur bidirektionale Daten trägt, sondern auch eine Vielzahl von intelligenten Sensoren oder Peripherieeinheiten mit Betriebsenergie versorgt. Kommandos von einem Busmaster zu den Sensoren oder Peripherieeinheiten werden durch verschiedene Spannungspegel auf der Busleitung codiert. Die Sensoren und Peripherieeinheiten antworten durch die Injektion von Stromsignalen in die Busleitung. Im Empfänger des Busmasters werden diese Stromsignale in Spannungssignale umgewandelt und dann mit einem Analog-zu-Digitalwandler (ADC), der Bestandteil des Busmasters ist, digitalisiert.

Bodley-Scott [3] beschreibt ein weiteres Eindraht-Bussystem, bei dem eine Vielzahl von intelligenten Sensoren ein jeder seinen eigenen Analog-zu-Digitalwandler hat.

Lee [4] beschreibt eine Methode für Datenkommunikation über einen Eindrahtbus, wobei der Busmaster den logischen Zustand des Bus testet, indem er versucht, nach einer bestimmten Zeitverzögerung, innerhalb der die Antwort der Peripherieeinheit oder des 'Slave' durch Treiben des Bus auf logisch 'low' oder Loslassen des Bus erwartet wird, diesen selber auf logisch 'high' zu treiben. Dieser Versuch mißlingt, wenn die Peripherieeinheit den Bus auf 'low' treibt, daher können während der besagten Leseoperation zwei digitale logische Zustände erkannt werden.

Heberle [5] verwendet das Blockieren der Eindrahtleitung auf einen vorgegebenen Spannungspegel als Signal zur Beendigung einer digitalen Übertragungsfolge. Lee [6] beschreibt ferner ein Kommando- und Datentransferprotokoll für die Eindraht-Busarchitektur von [4], bei dem ein serielles Kommandowort in Teile unterteilt ist, die benutzt werden können, um die Slave-Schaltung rückzusetzen, sie zur Selbstidentifikation anzuweisen, und den Typ des Datentransfers zu spezifizieren-, der zwischen dem Wirtssystem und der Slave-Schaltung stattfinden wird.

Cusey [7] benützt den Eindrahtbus von [4] für eine Eindrahtvorrichtung mit einem Analog-zu-Digitalwandler, die dazu eingesetzt werden kann, um Sensorsignale zu digitalisieren und die digitalisierten Signale über den Eindrahtbus zu einem Wirtssystem zu übertragen.

Wettroth et al [10] beschreiben ein Eindraht – Businterface für sogenannte Multidrop – Anwendungen, in welchem Slave-Vorrichtungen direkt an einen digitalen Allgemeinzweck – I/O – Anschluss eines als Wirt benutzten Microcontrollers angeschlossen werden können. Innerhalb der Slave – Vorrichtungen werden die analogen Daten durch eine Umwandlungsfunktion in den digitalen Bereich gebracht, und das resultierende Digitalsignal wird durch Verwendung einer digitalen Bustreiberstufe auf den Bus getrieben.

Luitje et al [11] erweitern das Grundsystem von Wroblevski et al [2] solchermaßen, dass die Größe der in den Bus injizierten Stromsignale durch Sensorwiderstände bestimmt wird, die dem Bus selektiv über Transfergatter zugeschaltet werden. Nach dem Spiegeln des resultierenden Stroms auf einen mit einem Mikrocontrolleranschlußpin verbundenen Umwandlungswiderstand, auf diese Weise das Stromsignal in ein Spannungssignal umwandelnd, wird es vom ADC des Mikrocontrollers gemessen.

Obwohl die obengenannten Patente sicherlich viele nützliche Anwendungen finden, verfehlen sie alle ein bestimmtes Ziel, das unlängst durch die Marktnachfrage nach intelligenten Sensoren entstanden ist: Schaffung einer Lösung für die Verstärkung von Sensorsignalen, Analog-zu-Digitalwandlung, digitaler Signalverarbeitung und Kommunikation mit einem Wirtssystem zu den geringstmöglichen Kosten bei gleichzeitigem Angebot einer hohen Genauigkeit.

Grund dafür ist, daß die obengenannten Eindraht-Bussysteme – bis auf Luitje et al – eine grundsätzlich digitale Natur haben: zwar geben ihre Peripherieeinheiten oder intelligenten Sensoren und dergleichen bei der Beantwortung der Anfrage ihres Busmasters elektrische Größen wie Ströme oder Spannungen auf den Eindrahtbus aus, jedoch codieren diese Ströme oder Spannungen nur digitale Informationen, wie 'logisch 0', 'logisch 1', 'Schalter geschlossen', 'Sensor vorhanden', und so weiter, obgleich die besagte digitale Information durch mehr als zwei mögliche Strom- oder Spannungspegel encodiert und durch einen ADC im Busmaster ausgewertet werden kann, wie es bei Wroblevski der Fall ist.

Verschuldet durch ihre grundsätzlich digitale Natur müssen beim Einsatz dieser bekannten Eindraht-Bussysteme bei der Messung von nichtdigitalen Größen – beispielsweise von Temperatur oder von Drucksignalen aus einem Sensor – die an den Bus angeschlossenen intelligenten Sensor – Peripherieeinheiten jede ihren eigenen Analog-zu-Digitalwandler beinhalten, der teuer herzustellen ist, falls eine gute Leistungsfähigkeit gewünscht wird. Die Lehren von Cusey [7] zeigen drastisch die verschiedenen ausgefeilten und kostspieligen Mittel und Methoden, die nötig sind, um einen ADC und seine Referenz auf die geforderte Genauigkeit zu trimmen. Das System von Wettroth at al [10] benutzt in seiner besten Implementierungsart eine Umwandlungsfunktion von Spannung zu Zeit, um die Analog-zu-Digitalumsetzung innerhalb einer jeden Slave – Vorrichtung auszuführen, indem ein spannungsgesteuerter Oszillator oder alternativ ein vollständiger ADC verwendet wird, dessen. digitale Ausgabe zu Zeitdauer konvertiert wird. Beide Alternativen sind mit hoher Präzision teuer zu implementieren. Überdies benötigt ihr System eine genaue und stabile Zeitbasis innerhalb einer jeden Slave – Vorrichtung schon alleine für das Adressierungsverfahren. Es ist unklar, wie ihre vorgeschlagene Lösung – Quarzoszillatoren in jedem Slave – jemals zu einer wirtschaftlichen Lösung mit niedrigen Kosten führen könnte.

Luitje et al [11] benötigen keinen kostspieligen ADC in jeder Sensor – Peripherieeinheit, sondern nur einen hinreichend genauen ADC im Wirt. Da ihr System dasselbe Grundprinzip benutzt wie Wroblevski et al [2], kann es die analogen Signale auf dem Bus nur als Ströme zum Wirt übertragen, da gleichzeitig eine fest vorgegebene Kommando- und Versorgungsspannung auf dem Bus vorliegen muß. Auf der Seite des Wirts oder „Bus Masters" müssen die das analoge Signal repräsentierenden Ströme zu einem massebezogenen Signalspannungspegel umgewandelt werden, indem sie vom Bus auf einen Umwandlungswiderstand gespiegelt werden. Der Stromspiegel alleine kann nichtlineare Fehler von einigen Prozent einführen, was das System für Präzisionsanwendungen unbrauchbar macht. Dazu ist es einfach zu sehen, daß ihr System in der offenbarten Form nur mit Widerständen als Sensorelement arbeitet, und nicht mit elektrischen Sensoren aller Art. Ihre Verwendung von Spannungspegeln am Bus als Kommandos und Strömen durch die Busleitung als analoge Signale hat zwar den Vorteil, daß digitale Kommandosignale und analoge Sensorsignale einfach unterschieden und getrennt werden können, bringt aber neben der geringen Genauigkeit noch weitere gewichtige Nachteile mit sich, jedenfalls für das von der vorliegenden Erfindung gesuchte Anwendungsgebiet. So benötigt ihr System zur Trennung der Strom- und Spannungssignale einen zwischen den Microcontroller und dem Bus geschalteten speziellen Interfacebaustein („Smart Sensor Driver/Receiver"), der die Kosten und Teileanzahl erhöht, und mehr als einen Anschlußpin des Mikrocontrollers belegt. Ferner ist ihr System grundsätzlich nicht in der Lage dazu, analoge Signale auf dem Bus direkt als Spannungspegel an den Wirt zu übertragen, was eine sehr viel bessere Genauigkeit, niedrigeren Leistungsverbrauch und die Möglichkeit des direkten Anschlusses der Busleitung an einen Standard – Mikrocontroller erlauben würde.

Ein weiterer kostentreibender Nachteil derjenigen Bussysteme, die ihre Peripherieeinheiten über den Bus mit Energie versorgen, kann der Bedarf für eine genaue Referenzspannungsquelle innerhalb jeder Peripherieeinheit sein. Die dafür benötigte Siliziumfläche mag billig zu haben sein, aber die für eine hohe Genauigkeit und niedrige Temperaturdrift über einen garantierten Temperaturbereich notwendigen Abgleich- und Testvorgänge sind relativ teuer. Wettroth et al [10] umgehen das Problem trivial, indem sie jeder Peripherieeinheit mindestens drei Anschlusspins geben, wie schon bei Ugon [1] gesehen.

Noch ein weiterer Nachteil der besagten bekannten Bussysteme liegt darin, daß dem Prozeß der Digitalisierung eines Signals innerhalb einer Peripherieeinheit zu eigen ist, daß die erzielbare Abtastrate verglichen mit den Fähigkeiten von on-chip ADCs moderner Mikrocontroller auf ein relativ niedriges Niveau limitiert wird. Abhängig vom verwendeten Busprotokoll kann es auch schwierig – wenn nicht sogar unmöglich – sein, die Lage der Abtastpunkte auf der Zeitachse. genau zu steuern, was für eine Echtzeit-Signalverarbeitung sehr wichtig ist.

Schließlich kann die Methode, den Bus auf einen vorgegebenen Spannungspegel zu blockieren um eine Übertragungsfolge zu beenden, falls sie in modernen CMOS-Technologien benutzt wird, die recht starke Ausgangstreiber haben, also zwei dieser starken Ausgangstreiber gegeneinander ankämpfen läßt, zu Zuverlässigkeitsproblemen, unerwünschten Versorgungsspannungsfluktuationen, und anderen schädlichen Nebeneffekten führen, die das Ziel der präzisen Messung schwacher Sensorsignale empfindlich stören.

AUFGABEN DER ERFINDUNG

Es ist eine erste Aufgabe der Erfindung, eine integrierte Schaltung (IC, Integrated Circuit) zur analogen Signalaufbereitung zu offenbaren, die bei möglichst geringer Anzahl von notwendigen Anschlußpins über eine neuartige bidirektionale Mischsignal-Eindrahtschnittstelle verfügt, wobei die Realisierung dieser Schnittstelle mit möglichst geringen Mitteln möglich sein soll. Auch bei einer Minimalrealisierung soll das erfindungsgemäße IC dazu in der Lage sein, digitale Steuerkommandos über die besagte Schnittstelle zu empfangen und aufbereitete analoge Signale über diese zu übertragen.

Es ist eine zweite Aufgabe der Erfindung, einen hierfür besonders vorteilhaften Typus von Kommandodetektionsmitteln anzugeben, die es erlauben, trotz des Vorhandenseins von analogen und digitalen Signalen auf der Mischsignal-Eindrahtleitung die Kommandos sicher und mit geringem Aufwand zu erkennen.

Es ist eine dritte Aufgabe der Erfindung, ein erstes Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemäßen integrierten Schaltung anzugeben, bei dem die Mischsignal-Eindrahtleitung mindestens zwei Betriebszustände hat, einer zum Empfang digitaler Kommandos, einer zur Übertragung der aufbereiteten analogen Signale, wobei die Signalisierung des Übertragungsendes zu der integrierten Schaltung jederzeit möglich ist, auch während diese noch im analogen Übertragungsmodus ist.

Es ist eine vierte Aufgabe der Erfindung, die für die obigen Aufgaben unbedingt benötigten Schaltungsmittel auch noch dafür auszunutzen, um eine einfache, absolut zuverlässige und zeitunkritische Kommandoübertragung zur der erfindungsgemäßen integrierten Schaltung zu ermöglichen.

Es ist eine fünfte Aufgabe der Erfindung, das erste Betriebsverfahren dahingehend zu erweitern, so daß dem befehlshabenden Busmaster oder Mikrocontroller eine zuverlässige Erkennung des Endes des analogen Übertragungsmodus und der Bereitschaft der erfindungsgemäßen integrierten Schaltung zum Kommandoempfang möglich ist.

Es ist eine sechste Aufgabe der Erfindung, das erste Betriebsverfahren dahingehend zu erweitern, so daß dem befehlshabenden Busmaster oder Mikrocontroller auch das Auslesen rein digitaler Daten aus der erfindungsgemäßen integrierten Schaltung möglich ist.

Es ist eine siebte Aufgabe der Erfindung, ein zweites Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemäßen integrierten Schaltung anzugeben, bei dem mehr als eine F der erfindungsgemäßen integrierten Schaltungen über dieselbe Mischsignal-Eindrahtleitung mit dem befehlshabenden Busmaster oder Mikrocontroller verbunden werden kann, so daß ein neuartiges Mischsignal-Eindrahtbussystem entsteht, bei dem ein Busprotokoll und ein Adressierverfahren gewährleistet, daß immer nur eine der erfindungsgemäßen integrierten Schaltungen den Bus belegt, ohne daß hierzu zusätzliche Steuerungsleitungen außer dem Mischsignal-Eindrahtbus selbst nötig wären.

Es ist eine achte Aufgabe der Erfindung, ein drittes Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemäßen integrierten Schaltung anzugeben, bei dem auch herkömmliche integrierte Schaltungen, die nicht über die neuartige bidirektionale Mischsignal-Eindrahtschnittstelle verfügen, an den Mischsignal-Eindrahtbus angeschlossen werden können, um über diesen in herkömmlicher Weise rein digitale Daten mit dem befehlshabenden Busmaster oder Mikrocontroller auszutauschen.

KURZBESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird eine integrierte Schaltung (IC) mit einer bidirektionalen Mischsignal-Eindrahtschnittstelle offenbart, die eine Kombination enthält aus:

– einem Halbleiterchip mit Schaltkreisen zur Bildung von Analogsignalaufbereitungsmitteln, Kommandodetektionsmitteln, und digitalen Steuerungsmitteln,
– einem ersten Anschluß, der mit den besagten Schaltkreisen elektrisch gekoppelt ist, wobei der besagte erste Anschluß der negativen Stromversorgung dient,
– einem zweiten Anschluß, der mit den Analogsignalaufbereitungsmitteln und den Kommandodetektionsmitteln elektrisch gekoppelt ist, wobei der besagte zweite Anschluß mindestens als kombinierter digitaler Kommandoeingang und als Analogsignalausgang wirkt,
– einem dritten Anschluß, der mit den besagten Schaltkreisen elektrisch gekoppelt ist, wobei der besagte dritte Anschluß der positiven Stromversorgung dient,
– wobei die Kommandodetektionsmittel eine dem zweiten Anschluß extern zugeführte Kommandoinformation an die digitalen Steuerungsmittel weitergeben, und
– die digitalen Steuerungsmittel die Analogsignalaufbereitungsmittel so steuern können,
– dass die bidirektionale Mischsignal-Eindrahtschnittstelle mindestens zwischem einem Kommandoempfangsmodus und einem Analogsignalausgabemodus umgeschaltet werden kann.

In der Anwendung wird der zweite Anschluß der erfindungsgemäßen integrierten Schaltung mit einem Mehrzweck-Eingangs/Ausgangsanschluß eines Wirts verbunden, wodurch sich eine bidirektionale Mischsignal-Eindrahtschnittstellenleitung zwischen den beiden besagten Anschlüssen ergibt. Als Wirt kann beispielsweise ein herkömmlicher Mikrocontroller dienen, der softwareprogrammierbare Eingangs/Ausgangsanschlüsse hat, wobei wenigstens einer davon wahlweise als digitale Push/Pull-Ausgangstreiberstufe oder als Eingang eines on-chip Analog-zu-Digitalwandlers oder Komparators programmierbar sein muß.

In der bevorzugten Verkörperung des erfindungsgemäßen ICs haben die Kommandodetektionsmittel die Fähigkeit, Überstromzustände am zweiten Anschluß festzustellen. Diese Überstromzustände werden durch die Push/Pull-Ausgangstreiberstufe des Wirts bewirkt, sobald ein Kommando an das erfindungsgemäße IC gegeben werden soll. Die Kommandodetektionsmittel können beide Zustände 'Push' oder 'Pull' unterscheiden, die davon abhängen, welcher Teil der Ausgangstreiberstufe des Wirts gerade aktiv ist, so daß sowohl 'logisch 0' als auch 'logisch 1' encodiert werden können. Das Ende beider Zustände kann dazu benutzt werden, um das empfangene Kommandobit in die digitalen Steuerungsmittel hineinzutakten, die eine Zustandsmaschine, ein Schieberegister oder auch nur ein Latch mit zwei Zuständen sein können.

Nach der Komplettierung eines Kommandos, das so wenig wie ein Bit bis zu einer beliebigen für nötig gehaltenen Zahl von Bits haben kann, und falls das Kommando es verlangt, schalten die digitalen Steuerungsmittel das erfindungsgemäße IC in einen Analogsignalaufbereitungsmodus, bei dem seine Analogsignalaufbereitungsmittel ein analoges Signal verstärken und/oder filtern, das entweder über dafür zugewiesene externe Anschlüsse zugeführt werden kann, oder von einem Sensor kommt, der sich auf dem Chip des erfindungsgemäßen IC selbst befindet.

Im Analogsignalaufbereitungsmodus treiben die Analogsignalaufbereitungsmittel das aufbereitete analoge Signal über den zweiten Anschluß auf die bidirektionale Mischsignal-Eindrahtschnittstellenleitung. Der Mehrzweck-Eingangs/Ausgangsanschluß des Wirts wird als Eingang seines Analog-zu-Digitalwandlers oder Komparators programmiert, so daß der Wirt das aufbereitete analoge Signal solange kontinuierlich und ohne Unterbrechung oder Signalverlust weiterverarbeiten kann, wie er will. Wenn der Wirt dem erfindungsgemäßen IC ein weiteres Kommando erteilen will, zum Beispiel um den Verstärkungsfaktor zu ändern, kann er den Analogsignalaufbereitungsmodus dadurch beenden, indem er seinen Mehrzweck-Eingangs/Ausgangsanschluß als digitale Push/Pull-Ausgangstreiberstufe programmiert und sie dazu benutzt, gegen das analoge Signal zu treiben, was durch die Kommandodetektionsmittel erkannt wird, und die digitalen Steuerungsmittel dazu veranlaßt, den Analogsignalaufbereitungsmodus zu beenden und wieder in den Kommandoempfangsmodus einzutreten. Zur Vermeidung schädlicher Nebeneffekte von hohen Überströmen, wie Elektromigration, thermischen Wellen und Stromversorgungsfluktuationen, wie sie von früheren Bussystemen [5] her bekannt sind, die ein Blockieren des Bus durch starke digitale CMOS – Ausgangstreiber als Abbruchkriterium verwenden, benutzt die vorliegende Erfindung eine relativ schwache analoge Ausgangstreiberstufe – so wie sie von Operationsverstärkerschaltungen her bekannt ist – in einer verblüffenden, neuartigen und vorteilhaften Weise für den Kommandoempfang. Hierbei können Strombegrenzungsschaltungen, wie sie in der Kunst des analogen Schaltungsentwurfs als Mittel zum Kurzschlußschutz von analogen Ausgangstreibern bekannt sind, in vorteilhafter Weise dazu ausgenutzt werden, als Teil der erfindungsgemäßen Kommandodetektionsmittel zu dienen.

Die soeben beschriebene Minimalausführung des erfindungsgemäßen IC mit nur zwei wesentlichen Betriebszuständen, dem Kommandoempfangsmodus, und dem Analogsignalaufbereitungsmodus, der durch Gegentreiben des Wirts beendet wird, kann durch weitere Betriebszustände sinnvoll ergänzt werden.

So kann ein zusätzlicher Quittierungsmodus vorgesehen sein, der dem Wirt erlaubt, in eindeutiger Weise die korrekte Beendigung des Analogsignalaufbereitungsmodus zu erkennen. Dies ist nicht trivial zu lösen, da ein aufbereitetes Analogsignal denkbar ist, das zufälligerweise dieselben Spannungspegel an der Mischsignalschnittstelle hervorruft wie es der Kommandoempfangsmodus tut.

Ein zusätzlicher digitaler Lesemodus kann dazu benutzt werden, innere Zustände oder Register des erfindungsgemäßen IC auszulesen. Dies kann vom Wirt dazu verwendet werden um nachzuprüfen, ob seine über Kommandos vorgenommenen Einstellungen im erfindungsgemäßen IC auch korrekt angekommen sind. Im digitalen Lesemodus wird in vorteilhafter Weise ebenfalls eine strombegrenzte Ausgangstreiberstufe dazu benutzt, um die digitalen Daten auf die Mischsignalschnittstelle auszugeben. Auch hier dienen die Kommandodetektionsmittel dazu, ein Gegentreiben durch den Wirt zu erkennen, was als Befehl aufgefaßt wird, daß das nächste Bit auszugeben ist.

Zusätzliche Leerlaufmodi kombiniert mit Adressierungbits im Kommando und bestimmten erweiterten Fähigkeiten der Kommandodetektionsmittel erlauben die Schaffung eines neuartigen bidirektionalen Mischsignal-Eindraht-Bussystems, das den Anschluß und Betrieb mehrerer der erfindungsgemäßen ICs an einer einzigen Busleitung erlaubt. Die erweiterten Fähigkeiten der Kommandodetektionsmittel bestehen hier darin, nicht nur Überstromzustände am zweiten Anschluß festzustellen zu können, sondern dort auch drei verschiedene Spannungsintervalle zu erkennen, die durch zwei Spannungsschwellenwerte definiert sind. Spannungen. unterhalb des unteren Schwellenwerts werden als 'logisch 0', Spannungen oberhalb des oberen Schwellenwerts werden als 'logisch 1' und die Spannungen zwischen den Schwellenwerten werden als 'logisch U' (U = unbestimmt) interpretiert, wobei alle drei Fälle in die Ablaufsteuerung eingreifen und somit eine dreiwertige Logik benutzt wird, um den Zustand des Mischsignal-Eindraht-Bus auszuwerten.

Diese erweiterten Fähigkeiten der Kommandodetektionsmittel können in einem Kompatibilitätsmodus dazu benutzt werden, daß auch herkömmliche integrierte Schaltungen an den neuartigen bidirektionalen Mischsignal-Eindraht-Bus angeschlossen werden können, auch wenn diese selbstverständlich von dem dort herrschenden neuartigen Mischsignal-Busprotokoll keine Kenntnis haben können. In diesem Kompatibilitätsmodus werden die ebenfalls an den Bus angeschlossenen erfindungsgemäßen ICs vielmehr in einen passiven Leerlaufmodus versetzt, der es dem Wirt ermöglicht, Datentransfers von und zu den herkömmlichen integrierten Schaltungen über denselben Bus abzuwickeln, ohne daß die erfindungsgemäßen ICs diesen Datentransfer stören oder dadurch selbst gestört werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild der erfindungsgemäßen integrierten Schaltung
2 zeigt eine beispielhafte Anwendung des IC aus 1
3 zeigt Beispiele von zeitlichen Verläufen von Spannungen und Strömen, wie sie auf dem Mischsignal-Eindraht-Bus auftreten.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die zahlreichen innovativen Lehren der vorliegenden Patentanmeldung werden unter besonderem Bezug auf die derzeit bevorzugte Verkörperung beschrieben werden. Jedoch soll verständlich sein, daß diese Klasse von Verkörperungen nur einige wenige Beispiele der vielen vorteilhaften Anwendungen der darin enthaltenen innovativen Lehren geben kann. Generell beschränken Aussagen, die in der Spezifikation der vorliegenden Patentanmeldung gemacht werden, nicht notwendigerweise irgendeine der mannigfaltigen beanspruchten Erfindungen. Zudem können manche Aussagen auf einige der innovativen charakteristischen Merkmale zutreffen, aber nicht auf andere.
Beispielhafter Aufbau eines erfindungsgemäßen ICs Bezugnehmend auf 1 ist die erfindungsgemäße integrierte Schaltung (IC) der gegenwärtigen Erfindung dargestellt und generell mit der Bezugszeichennummer 1 bezeichnet.
Das erfindungsgemäße IC (1) mit einer neuartigen bidirektionalen Mischsignal-Eindrahtschnittstelle besteht aus einem Halbleiterchip mit Schaltkreisen zur Bildung von Analogsignalaufbereitungsmitteln (2), Kommandodetektionsmitteln (3), und digitalen Steuerungsmitteln (4), einem ersten Anschluß (5), der mit den besagten Schaltkreisen elektrisch gekoppelt ist, wobei der besagte erste Anschluß der negativen Stromversorgung-dient, einem zweiten Anschluß (6), wobei der besagte zweite Anschluß der Schnittstellenanschluß ist, einem dritten Anschluß (7), der mit den besagten Schaltkreisen elektrisch gekoppelt ist, wobei der besagte dritte Anschluß der positiven Stromversorgung dient, und ist dadurch gekennzeichnet, dass der besagte zweite Anschluß mit den Analogsignalaufbereitungsmitteln und den Kommandadetektionsmitteln elektrisch so gekoppelt ist, dass er mindestens als Kommandoeingang und als Analogsignalausgang wirken kann, wobei die Kommandodetektionsmittel eine dem zweiten Anschluß extern zugeführte Kommandoinformation an die digitalen Steuerungsmittel weitergeben (8, 9), und die digitalen Steuerungsmittel die Analogsignalaufbereitungsmittel so steuern können, dass der zweite Anschluß mindestens zwischen einem Kommandoempfangsmodus und einem Analogsignalausgabemodus umgeschaltet werden kann.
Die negative Stromversorgung kann dabei als Bezugspotential (Masse) für Signale auf dem Bus aufgefasst werden. Ein 'Anschluß' im Sinne der Erfindung kann nicht nur als ein Metallstift oder 'Pin' eines sogenannten 'Leadframes' realisiert sein, sondern auch als jede andere bei integrierten Schaltungen bekannte Art von elektrischer Kontaktierung, insbesondere z.B. Metallisierungsflächen auf Keramikgehäusen, oder Lotkügelchen bei der sogenannten Flip-Chip Technik, oder als sogenannter Bonding-Pad. Alle bekannten und zukünftigen elektrischen Anschlußverfahren für integrierte Schaltungen können mit der Erfindung eingesetzt werden, so daß der Begriff 'Anschluß' im Kontext der Beschreibung und der Patentansprüche als Synonym für einen Anschlußkontakt eines integrierten Schaltkreises im weitesten Sinne zu verstehen ist.
In einer Minimalimplementierung der Erfindung reicht eine einzige digitale Steuerungsleitung (10) zwischen den digitalen Steuerungsmittel und dem Analogsignalaufbereitungsmittel aus, da zwei logische Zustände genügen, um die erfindungsgemäßen minimal zwei Betriebsmodi der Mischsignal-Eindrahtschnittstelle anzuwählen: Kommandoempfangsmodus und Analogsignalaufbereitungsmodus. Das Busprotokoll als solches kann als Zustandsmaschine innerhalb der digitalen Steuerungsmittel realisiert sein.
Kommandoempfangsmodus
In einem ersten Zustand, der vorzugsweise auch der Einschaltzustand ist, sind die Analogsignalaufbereitungsmittel in einen Betriebsmodus geschaltet, bei dem ihre Ausgangstreiber (11), die mit den zweiten Anschluß (6) verbunden sind, entweder inaktiv sind, oder schwächlich versuchen, den Anschluß auf einen vorgegebenen Spannungspegel zu treiben. In diesem Modus sind die Kommandodetektionsmittel (3) dazu bereit, eine dem zweiten Anschluß extern zugeführte Kommandoinformation zu erkennen und an die digitalen Steuerungsmittel weiterzugeben, wozu die Kommandobit-Signalleitungen (8) und (9) dienen.
Die Lage und elektrische Verbindung der Kommandodetektionsmittel innerhalb der Schaltkreise des erfindungsgemäßen IC können irgendwo und irgendwie sein, und hängen davon ab, welches bestimmte Betriebsverfahren zur Übertragung eines Kommandos in das IC gewählt wird.
Beispielsweise können Kommandodetektionsmittel direkt mit dem zweiten Anschluß (6) verbunden sein, und als rein digitaler Signalempfänger implementiert sein, etwa als ein Schmitt-Trigger, der in der Lage ist, entweder eine hohe oder eine niedrige Spannung am Anschluß zu erkennen und entweder als 'logisch 1' oder als 'logisch. 0' zu interpretieren. In solch einer Verkörperung kann das Kommando ein digitaler, asynchron ausgegebener serieller Bitstrom sein, so wie er dem Stand der Technik vom Standard RS232C her bekannt ist, und die digitalen Steuerungsmittel (4) könnten dann ein sogenanntes asynchrones Kommunikations-Interface-Adapter (ACIA) enthalten.
Eine weitere Möglichkeit zur Implementierung von Kommandodetektionsmitteln könnte die Tatsache ausnutzen, daß analoge Signale niemals nahe an die 'Stromersorgungsschienen getrieben werden können, ohne durch schwere Verzerrungen vermindert zu werden. Moderne Ausgangsstufen für Operationsverstärker der sogenannten 'Rail-to-Rail' – Spielart sind bekannt dafür, Signale ohne Minderung bis auf 100 mV an die Stromversorgungsschienen heran treiben zu können, aber nicht näher, denn dann würden sie ebenfalls Verzerrungen erleiden. Robuste Konstruktionspraktiken würden dann einen Sicherheitsabstand in der Größenordnung von 200 mV – oder mehr – zu jeder Schiene fordern. Wenn nun die Analogsignalaufbereitungsmittel bekannte Begrenzungsschaltungen enthalten, die ihren Ausgangshub auf gewählte Grenzwerte beschränken oder klemmen, dann kann ein jeder Spannungspegel am zweiten Anschluß (6), der diese gewählten Grenzwerte überschreitet, nicht durch eine Aktivität von Schaltkreisen innerhalb des erfindungsgemäßen IC (1) verursacht worden sein, sondern muß durch externes Anlegen einer größeren oder kleineren Spannung an diesen Anschluß verursacht worden sein. In einer solchen Verkörperung können die Kommandodetektionsmittel ein Pärchen von Komparatoren sein, deren erster Eingang mit dem zweiten Anschluß verbunden ist, und deren zweiter Eingang entweder mit einer niedrigen oder einer hohen Referenzspannung verbunden ist, die nahe der Spannungen auf der positiven oder der negativen Stromversorgungsschiene liegt. Am Ausgang der Komparatoren können drei Zustände unterschieden werden: 'logisch 1', wenn die Spannung am zweiten Anschluß (6) den oberen Schwellenwert zur positiven Stromversorgungsschiene überschreitet, 'logisch 0' wenn sie den unteren Schwellenwert zur negativen Stromversorgungsschiene unterschreitet, und einen dritten Zustand, der bedeutet, daß ein analoges Signal zwischen den beiden Schwellenwerten am zweiten Anschluß vorhanden ist.
Obwohl die obengenannten Kommandodetektionsmittel für die Erfindung durchaus brauchbar erscheinen, und die zuletzt genannte Variante mit den Komparatoren in einer später dargestellten weitergebildeten Ausführung der Erfindung auch zum Einsatz kommen wird, stellen sie keine optimale Lösung dar, um eine einfache, absolut zuverlässige und zeitunkritische Kommandoübertragung zur der erfindungsgemäßen integrierten Schaltung unter allen Betriebsbedingungen zu ermöglichen. Die erste Variante mit einem ACIA hat den Nachteil, daß hierfür eine stabile Zeitbasis nötig ist, die hinreichend genau ist, um die Taktrückgewinnung aus dem asynchronen seriellen Datenstrom zu bewerkstelligen. Eine derartige Zeitbasis ist relativ aufwendig zu realisieren und kann das Einsatzgebiet der Erfindung einschränken. Die zweite Variante erzwingt Kompromisse zwischen der zulässigen Analogsignalamplitude und der Störsicherheit für die Erkennung der beiden logischen Zustände, außerdem ist die Realisierung einer sicher funktionierenden Begrenzerschaltung, die Analogsignale in der Nähe des Einsetzens der Begrenzung ihrerseits nicht verzerren darf, gerade bei schnellen Signalen nur mit großem Aufwand zu bewerkstelligen.
Auf der Suche nach einer eleganteren und robusteren Lösung für den Kommandoempfang wurde eine verblüffende Lösung entdeckt, die eines der wesentlichen Merkmale der bevorzugten Verkörperung der Erfindung ist.
Überstromdetektoren als Kommandodetektionsmittel
Bei der bevorzugten Verkörperung der Erfindung, wie sie in der 1 gezeigt ist, sind die Kommandodetektionsmittel (3) als Stromdetektoren implementiert, welche die Ströme beobachten, die in und aus der mit dem zweiten Anschluß (6) verbundenen Ausgangstreiberstufe (11) der Analogsignalaufbereitungsmittel (2) fließen. In diesem Fall sind die Kommandodetektionsmittel nicht direkt mit dem zweiten Anschluß (6) elektrisch verbunden, aber sie sind immer noch mit dem zweiten Anschluß (6) elektrisch gekoppelt, wobei die elektrische Kopplung über die besagte Ausgangstreiberstufe (11) stattfindet, die wiederum mit dem zweiten Anschluß (6) elektrisch verbunden ist, so daß die als Stromdetektoren implementierten Kommandodetektionsmittel auf Gegentreib-Zustände reagieren können, die extern an den zweiten Anschluß (6) angelegt werden. Es ist nicht unbedingt notwendig, die Ausgangstreiberstufe (11) der Analogsignalaufbereitungsmittel (2) zum Kommandoempfang zu verwenden, auch wenn das Aufwand spart, sondern es kann für den Kommandoempfang auch eine zusätzliche Treiberstufe verwendet werden, die mit dem zweiten Anschluß verbunden ist.
Im einfachsten Fall können die Stromdetektoren mit je einem Pärchen von Widerständen und Komparatoren implementiert sein, wobei der erste Widerstand mit der positiven Stromversorgungsschiene am dritten Anschluß (7), und der positiven Stromversorgungszuleitung (12) der Treiberstufe (11) verbunden ist, und der zweite Widerstand mit der negativen Stromversorgungsschiene am ersten Anschluß (5), und der negativen Stromversorgungszuleitung (13) der Treibarstufe (11) verbunden ist. Die zwei Komparatoren sind mit den Widerständen und zwei Schwellenwertspannungsquellen so verbunden, daß ein Strom durch den Widerstand, der einen Schwellenwert überschreitet, der durch den Wert des Widerstandes und der Schwellenwertspannungsquellen bestimmt ist, am Ausgang des Komparators einen Überstromzustand signalisiert. Die beiden Komparatorausgangssignale können zur Unterscheidung von drei Zuständen verwendet werden: 'logisch 1', wenn der Treiberstufenstrom, der in die negative Stromversorgungsschiene fließt, den Schwellenwert überschreitet, 'logisch 0', wenn der Treiberstufenstrom, der aus der positiven Stromversorgungsschiene fließt, den Schwellenwert überschreitet, und ein dritter Zustand der bedeutet, daß kein Gegentreib-Zustand am zweiten Anschluß (6) vorliegt.
Eine etwas aufwendigere schaltungstechnische Lösung für die Stromdetektoren könnte den zusätzlichen Spannungsabfall über die Widerstände vermeiden, indem sogenannte Replikatechniken eingesetzt werden, jedoch sind einige 10 mV an Spannungsabfall für eine Stromdetektion mit brauchbarer Genauigkeit ausreichend, so daß die zusätzliche Komplikation der Replikatechnik außer bei Anwendungen mit sehr geringer Versorgungsspannung, bei denen sogar einige 10 mV an Hubverlust weh tun würden, fragwürdig ist. Sogar im Fall von Replikatechniken sind die Kommandodetektionsmittel auf jeden Fall immer noch an den zweiten Anschluß (6) elektrisch gekoppelt, weil die Ströme in den Replikaschaltkreisen die durch die mit dem zweiten Anschluß (6) verbundene Ausgangstreiberstufe (11) fließenden Ströme replizieren oder ihnen nachfolgen, deshalb wird jede Variation der Ströme durch den zweiten Anschluß '(6), die durch externes Anlegen von Kommandosignalen durch den Wirt verursacht ist, eine korrespondierende Variation des Stroms in den Replikapfaden verursachen, die wiederum detektiert und als Kommandoinformation interpretiert werden kann. Es soll nachdrücklich betont sein, daß die tatsächliche elektrische Kopplung der Kommandodetektionsmittel (3) an den besagten zweiten Anschluß (6), die eine kennzeichnende Eigenschaft der vorliegenden Erfindung ist, durch die Verwendung von Replikatechniken verborgen werden kann, aber die Existenz der elektrischen Kopplung kann dennoch durch die Tatsache enthüllt und bewiesen werden, daß die besagten Kommandodetektionsmittel, egal wie sie auch implementiert und innerhalb der Schaltung vergraben sein mögen, irgendwie in der Lage dazu sein müssen, zu beobachten, was sich an dem zweiten Anschluß (6) zuträgt, und aus dieser Beobachtung Kommandoinformationen abzuleiten, so daß wann auch immer ein bestimmtes verdächtiges IC Kommandoinformationen von einem Anschluß ableitet, es darin irgendeine Form von elektrischer Kopplung der Kommandodetektionsmittel zu dem Anschluß gemäß den Ansprüchen und dem geistigen Gesichtskreis der Erfindung geben muß. So ist der Beweis möglich, auch wenn die Schaltungen so kompliziert gemacht werden, daß es unsichtbar bleibt, wie die elektrische Kopplung tatsächlich erreicht worden ist.
In jedem Fall können bei der Verwendung von Stromdetektoren ihre Ausgangssignale oder innere Signale, die dem Strom entsprechen, dazu benutzt werden, den Strom der Ausgangstreiberstufe zu begrenzen, und somit die aktiven Schaltelemente vor Überhitzung und die Metallisierung vor Elektromigration zu bewahren. Alternativ kann eine Ausgangsstufentopologie benutzt werden, die den Strom inherent beschränkt. Adaptive Arbeitspunktregelung der Ausgangsstufe kann benutzt werden, um ihre Reaktion auf Eingangstransienten zu verbessern, während der Maximalstrom während der Kommandoausgabe auf einem niedrigeren Pegel bleibt.
Es ist dem Praktiker der Kunst der analogen Schaltungsentwurfstechnik bereits bekannt, wie Stromdetektoren, Replikastufen, Strombegrenzung und thermischer Schutz von Ausgangsstufen, und adaptive Arbeitspunktregelungen [8] auf Schaltungsebene implementiert werden, und deswegen werden keine detaillierten Schaltpläne angegeben. Für den Zweck dieser Erfindung wird es als ausreichend befunden, verschiedene bekannte Techniken aufgezählt zu haben, die dafür geeignet sind, um die Stromdetektoren zu implementieren, die in der bevorzugten Verkörperung der Erfindung als Kommandodetektionsmittel benutzt werden. In weiter ausgefeilten Ausführungen der Erfindung kann eine Kombination aus Stromdetektoren und Spannungspegelkomparatoren als Kommandodetektionsmittel benutzt werden.
Beispielhafte Anwendung
Bezugnehmend auf 2 wird beispielhaft eine mögliche Anwendung des erfindungsgemäßen IC gezeigt und es wird das Zusammenspiel mit einem Wirt erläutert.
Das erfindungsgemäße IC (1) ist mit einem Brückensensor (15) verbunden, der ein piezoresistiver Drucksensor oder ein Dehnungsmeßsensor sein kann. Die Brücke wird durch eine positive Stromversorgungsleitung (16) und eine negative Stromversorgungsleitung (17) erregt, die mit einer Batterie (18) oder einer anderen Elektrizitätsversorgung verbunden ist. Die gewöhnlich sehr schwächlichen Ausgangssignale der Brücke werden zwei Rohsignaleingangsanschlüsse (14) des erfindungsgemäßen IC zugeführt. In diesem besonderen Beispiel würden die Analogsignalaufbereitungsmittel im erfindungsgemäßen IC vorzugsweise eine Art von Instrumentationsverstärker mit digital programmierbarer Verstärkung enthalten, wobei die Einstellung der Verstärkung über einen Teil der Kommandobits erfolgt.
Der zweite Anschluß (6) des erfindungsgemäßen IC ist mit einer Mischsignal-Eindrahtleitung oder -Bus (19) verbunden, der wiederum verbunden ist mit einem Mehrzweck-Eingangs/Ausgangsanschluß (20) eines hypothetischen Mikrocontrollers (21), der dem Stand der Technik bekannt ist.
Es sei beachtet, daß der besondere in der Figur gezeigte Mikrocontroller eine Spielart mit geringer Pinanzahl ist. Er hat nur sechs Pins: den zuvor erwähnten Mehrzweck-Eingangs/Ausgangsanschluß (20), einen positiven Stromversorgungsanschluß (22), einen negativen Stromversorgungsanschluß (23), bleiben drei weitere Eingangs/Ausgangsanschlüsse (24) für andere Zwecke, etwa zum Ansteuern einer Anzeigeeinheit, oder für Kommunikation mit einer höheren Systemebene. Die Innenschaltung des Mikrocontrollers wird in einer vereinfachten Weise gezeigt, im Rahmen der Erfindung sind die wesentlichen Teile wie folgt: ein Mikrocontrollerkern (25), der die üblichen RAM, ROM, ALU und Steuerschaltungen hat, ein Analog-zu-Digital-Wandler (26) und eine digitale Ausgangstreiberstufe (27, 28), die beiden letzteren elektrisch mit dem Mehrzweck-Eingangs/Ausgangsanschluß (20) verbunden, der softwareprogrammierbar sein soll entweder als digitaler Push/Pull – Ausgangstreiber oder als Eingang des Analog-zu-Digital-Wandlers. In CMOS – Technologien kann das obere digitale Treiberstufenbauelement (27) ein P-Kanal-MOSFET sein, und das untere digitale Treiberstufenbauelement (28) ein N-Kanal-MOSFET. Der Kürze wegen wird im folgenden Text 'PFET' und 'NFET' als Namen der besagten digitalen Treiberstufenbauelemente benutzt, aber es versteht sich, daß jedes passende steuerbare Schaltmittel als solch ein Treiber benutzt werden kann.
Diese Eigenschaften des Mikrocontrollers sind für diese Anwendung des erfindungsgemäßen ICs wichtig, und sie sind in der Welt der modernen Mikrocontroller gewöhnlich. Jedoch ist der geistige Gesichtskreis der Erfindung nicht auf Mikrocontroller als Wirt beschränkt. Das erfindungsgemäße IC der gegenwärtigen Erfindung ist dazu in der Lage, mit jedem Gerät oder System zusammenzuarbeiten, das wenigstens einen Mehrzweck-Eingangs/Ausgangsanschlu´ß mit den besagten zwei Fähigkeiten hat, das heißt, eine Push/Pull – Ausgabefähigkeit, und eine Analogsignaleingabefähigkeit.
Es sei beachtet, daß in dieser vorbildlichen Anwendung die Erregungsspannung der Brücke (15) und die Versorgungsspannung sowohl des erfindungsgemäßen ICs (1) als auch des Mikrocontrollers (21) von denselben Schienen (16, 17) abgenommen werden, daher kann, wenn der ADC die Versorgungsspannung als Referenzspannung des Wandlungsprozesses benützt, was für solche Mikrocontroller gewöhnlich ist, ein ratiometrisches Meßsystem implementiert werden, das keinerlei genaue Spannungsquelle benötigt. Interferenzen auf den Stromversorgungsschienen, die vom Mikrocontroller selbst ausgehen, sind keine Angelegenheit, solange der Mikrocontroller den Wandlungsprozess in einem 'Schlaf'-Modus durchführen kann, in dem alle seine interne Verarbeitung bis auf den ADC gestoppt ist. Dieses 'Schlaf'-Merkmal ist heutzutage im Gebiet der Mikrocontroller gewöhnlich. Interferenzen, die von dritten Parteien über die Versorgungsleitungen kommen, können durch einfache passive RC-Filter in den Versorgungsleitungen ausgefiltert werden.
Es sei betont, daß die in 2 präsentierte Anwendung der billigstmögliche Weg zur Herstellung hochgenauer intelligenter Sensoren sein könnte. Zeitgenössische Mikrocontroller haben oft interne EEPROMs, die zur Speicherung von Kalibrationstabellen benutzt werden können, oder sie haben in der Schaltung programmierbare Flash-Speicher, so daß Kalibrationsdaten im Programmspeicher abgelegt und wenn nötig auf den neuesten Stand gebracht werden können. Da das erfindungsgemäße IC übereinstimmend mit den Aufgaben der Erfindung sehr billig herzustellen ist, und der Standard – Mikrocontroller trotz des Merkmals eines Hochleistungs-ADCs Kostenvorteile der Massenproduktion ernten kann, ist es sehr fraglich, ob ein auf Sensoren spezialisiertes ASIC mit eingebettetem Mikrocontroller des vorherigen Standes der Technik den Preis eines intelligenten Sensorsystems schlagen könnte, das entsprechend dieses Beispiels aufgebaut ist.
Unter Bezugnahme auf 2 wird nun ein Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemäßen integrierten Schaltung und ihrer bidirektionalen Mischsignal-Eindrahtschnittstelle offenbart, bei dem die Mischsignal-Eindrahtleitung mindestens zwei Betriebszustände hat, einer zum Empfang digitaler Kommandos, einer zur Übertragung der aufbereiteten analogen Signale, wobei die Signalisierung des Übertragungsendes zu der integrierten Schaltung jederzeit möglich ist, auch während diese noch im analogen Übertragungsmodus ist. Die beiden Betriebszustände können zwei bestimmte Zustände einer Zustandsmaschine innerhalb der digitalen Steuerungsmittel sein.
Kommandoempfangsmodus
Im Kommandoempfangsmodus befindet sich die Mischsignal-Eindrahtschnittstelle in einem digitalen Betriebsmodus und wird dazu benutzt, digitale Kommandobits vom Wirt (21) zu dem erfindungsgemäßen IC (1) zu transportieren. Kommandobits werden ausgegeben, indem die PMOS (27) oder NMOS (28) – Treiberelemente des digitalen Ausgangstreibers des Wirts aktiviert und deaktiviert werden. Kommandobits werden von den Kommandodetektionsmitteln (3) erkannt und von den digitalen Steuerungsmitteln (4) des erfindungsgemäßen ICs gesammelt und interpretiert. Wenigstens ein Kommando existiert, um zum Analogsignalaufbereitungsmodus zu schalten.
Analogsignalaufbereitungsmodus
Im Analogsignalaufbereitungsmodus befindet sich die Mischsignal-Eindrahtschnittstelle in einem analogen Betriebsmodus und wird dazu benutzt, aufbereitete Analogsignale von dem erfindungsgemäßen IC (1) zum Wirt (21) zu transportieren. Der Wirt verarbeitet die besagten Analogsignale weiter. Sobald das Ereignis auftritt, daß ein Beendigungskriterium logisch 'wahr' wird, endet der Analogsignalaufbereitungsmodus, und es wird in einen anderen Betriebsmodus eingetreten, der wieder der Kommandoempfangsmodus sein kann, oder ein dritter Betriebsmodus ist, der dem Wirt erlaubt, das Ende des Analogsignalaufbereitungsmodus zuverlässig zu erkennen.
Das Beendigungskriterium kann beispielsweise in trivialer Weise im Ablaufen eines Zeitgebers bestehen, der sich in dem erfindungsgemäßen IC befindet. Dies hätte jedoch den Nachteil, daß die Dauer des Analogsignalaufbereitungsmodus schon bei der Kommandoerteilung festgelegt werden muß.
Analogsignalaufbereitungsmodus – neuartige Methode mit Gegentreiben durch den Wirt als Beendigungskommando einer Analogsignalübertragung auf einem Mischsignal-Bus
In der bevorzugten Verkörperung der Erfindung ist das Beendigungskriterium zum Beenden des Analogsignalaufbereitungsmodus ein Überstromzustand in den analogen Ausgangstreiberstufen (11) des erfindungsgemäßen ICs (1), welche die Mischsignal-Eindrahtleitung (19) treiben, wobei der Überstromzustand dadurch hervorgerufen wird, daß der Wirt wenigstens eines seiner PMOS (27) oder NMOS (28) Treiberelemente aktiviert. Auf diese Weise gelingt es, daß die Länge des Analogsignalaufbereitungsmodus freibleibt und eine Entscheidung über seine Beendigung erst während der Signalverarbeitung getroffen werden muss.
Die für die Erkennung des zur Beendigung des Analogsignalaufbereitungsmodus benutzten Überstromzustandes notwendigen Mittel können in erfinderischer Weise dazu herangezogen werden, um für eine besonders störsichere und vielseitig anwendbare neuartige Methode zur Kommandoübermittlung im Kommandoempfangsmodus zu dienen.
Kommandoempfangsmodus – Überstromzustände als neuartige Methode zur selbsttaktenden Kommandoübermittlung auf einem Mischsignal-Bus
Die beschriebenen Stromdetektoren als Kommandodetektionsmittel erlauben die Verwendung eines neuartigen Verfahrens zur Kommandoübermittlung auf einem Mischsignal-Bus, der die Eigenschaft hat, daß auf dem Bus, bedingt durch seinen Mischsignal – Charakter, im Grunde beliebige Spannungspegel anzutreffen sind, insbesondere dann, wenn gerade aufbereitete analoge Signale über den Bus übertragen werden. Diese Eigenschaft verunmöglicht die Kommandoübertragung mit herkömmlichen digitalen Logikpegeln. Das neuartige Kommandoübermittlungsverfahren beruht darauf, daß es einem Wirt unabhängig von dem gerade auf dem Bus herrschenden Spannungspegel stets möglich ist, durch Aktivierung seines starken digitalen Ausgangstreibers, der mit dem Bus verbunden ist, einen für das Ansprechen der Stromdetektoren notwendigen Überstromzustand zu erzeugen. In der bevorzugten Verkörperung der Erfindung schalten die digitalen Steuerungsmittel das erfindungsgemäße IC beim Erkennen eines solchen Überstromzustands durch die Kommandodetektionsmittel in einen Kommandoempfangsmodus, bei dem die analogen Ausgangstreiber (11), die mit den zweiten Anschluß (6) verbunden sind, schwächlich versuchen, den Bus auf einen vorgegebenen Spannungspegel zu treiben. Dieser Spannungspegel kann in der Mitte zwischen den beiden Versorgungsspannungspegeln liegen. Sobald nun der Wirt seinen digitalen Ausgangstreiber (28) für 'logisch 0' aktiviert, wird ein Strom, der über dem Schwellenwert der Kommandodetektionsmittel liegt, aus dem zweiten Anschluß (6) herausgezogen, und das Signal für Kommandobit '0' (9) wird aktiv. In entsprechender Weise wird das Signal für Kommandobit '1' (8) aktiv, wenn der Wirt seinen digitalen Ausgangstreiber (27) für 'logisch 1' aktiviert, was einen Strom in den zweiten Anschluß (6) hinein bewirkt. Die Kommandobit – Signale (8, 9) bleiben solange aktiv, wie digitale Ausgangstreiber (27, 28) am Bus aktiviert sind, und werden erst inaktiv, wenn der Wirt seine digitalen Ausgangstreiber abschaltet. Dieses Ereignis kann als Takt benutzt werden, um das vorher erkannte Kommandobit in die digitalen Steuerungsmittel hineinzutakten. Dieses neuartige Verfahren zur Kommandoübermittlung auf einem Mischsignal-Bus ist daher selbsttaktend und benötigt keine stabile Zeitbasis, keine aufwendige Taktrückgewinnung und keine komplizierten zeitlichen Abläufe.
Neuartige Nutzung von Strombegrenzungsschaltungen von einen Mischsignal-Bus treibenden Analogsignal-Ausgangstreiberstufen als Teil von Kommandodetektionsmitteln
In der Kunst des analogen Schaltungsentwurfs sind verschiedene Mittel zum Kurzschlußschutz und thermisichen Schutz von analogen Ausgangstreibern bekannt. In der Regel wird hierzu der Strom in der Ausgangsstreiberstufe direkt beobachtet, beispielsweise über den Spannungsabfall auf Serienwiderständen, oder indirekt durch Replikastufen, welche die Vorgänge in der Ausgangsstufe nachbilden, in skalierter Form erhalten. Überschreitet der Strom einen Grenzwert, dann öffnet ein Schutztransistor und beginnt, das Ansteuerungssignal des Treibertransistors abzuschwächen um einen weiteren Anstieg des Stroms in der Ausgangstreiberstufe zu verhindern. Bei Bipolartechnologien ist es zudem üblich, den Stromgrenzwert mit zunehmender Chiptemperatur abzusenken. Unabhängig davon, ob es sich nun um eine CMOS- oder um eine Bipolartechnologie handelt, und unabhängig davon, wie die Strombegrenzungsschaltungen implementiert sind, so sind diese oftmals ohnehin vorhanden, um ein robustes und dem Stand der Technik entsprechendes kurzschlußfestes Produkt anbieten zu können. In diesem Fall können diese bekannten und vorhandenen Strombegrenzungsschaltungen in erfinderischer Weise als Teil der Kommandodetektionsmittel gemäß den Ansprüchen der Erfindung ausgenutzt werden, indem das Öffnungssignal für den Schutztransistor verstärkt und als digitales Kommandobit-Signal (8, 9) den digitalen Steuerungsmitteln zugeführt wird. In diesem Fall ist der Mehraufwand für die Realisierung der Kommandodetektionsmittel sehr gering.
Ouittierungsmodus – neuartige Nutzung strombegrenzter Ausgangstreiberstufen zur stromsparenden Erzeugung eines Ouittierungsimpulses bei der Freigabe eines Mischsignal-Bus
Sollen auch relativ ruhige Analogsignale verarbeitet werden, dann es ist wünschenswert, ein eindeutiges Quittierungssignal zu haben, das dem Wirt erlaubt, in eindeutiger Weise die korrekte Beendigung des Analogsignalaufbereitungsmodus zu erkennen. Dies ist nicht trivial zu lösen, da ein aufbereitetes Analogsignal denkbar ist, das relativ ruhig ist und zufälligerweise dieselben Spannungspegel an der Mischsignalschnittstelle hervorruft wie es der Kommandoempfangsmodus tut. In diesem allgemeinen Fall, der vor allem bei Sensoren häufig vorkommt, ist ein Quittierungssignal für das Ende des Analogsignalaufbereitungsmodus vorteilhaft, das sich von allen denkbaren Analogsignalen eindeutig unterscheidet.
Es wird hierzu ein dritter Betriebsmodus der Mischsignal-Eindrahtschnittstelle implementiert, der nach dem Ende des Analogsignalaufbereitungsmodus betreten wird, das wie oben dargestellt durch Aktivierung eines digitalen Ausgangstreibers des Wirts ausgelöst wurde. Dieser digitale Ausgangstreiber sei noch eingeschaltet. Im Quittierungsmodus wird nun eine Treiberstufe (11) des erfindungsgemäßen IC so angesteuert, daß sie in schwächlicher Weise versucht, am zweiten Anschluß (6) den inversen logischen Zustand dessen einzustellen, was der Wirt gerade anlegt. Offensichtlich gelingt ihr das nicht, da sie durch die Strombegrenzung viel schwächlicher ist als der der starke digitale Ausgangstreibertransistor des Wirts. Durch das Ansprechen der Strombegrenzung ist auch eines der beiden Kommandobit-Signale (8, 9) aktiv, und der Energieverbrauch bleibt in vernünftigen Grenzen. Sobald nun der Wirt nach einer kurzen Verzögerungszeit, die dem erfindungsgemäßen IC genügend Reaktionszeit gibt, seinen digitalen Ausgangstreiber deaktiviert, ist der Mischsignal-Bus freigegeben und der Treiberstufe (11) gelingt es endlich, den Bus auf den inversen logischen Zustand einzustellen, so daß sich auf dem Bus ein schneller Signalwechsel von der niedrigstmöglichen Spannung zur höchstmöglichen Spannung oder umgekehrt ergibt, je nachdem, welchen Zustand das Beendigungssignal hatte. Dieser schnelle Signalwechsel kann vom Wirt mit seinen Analogsignalverarbeitungsmitteln, also dem ADC (26) oder einem Komparator oder ähnlichem, erkannt werden, oder, falls anwendbar, indem sein Mehrzweck-Eingangs/Ausgangsanschluß (20) als digitaler Eingang konfiguriert wird.
Andernfalls, wenn die Beendigung des Analogsignalaufbereitungsmodus aus irgendeinem Grund versagt hat, etwa weil der Gegentreibe-Zustand zu schwach oder zu kurz war, dann wäre das erfindungsgemäße IC immer noch im Analogsignalaufbereitungsmodus, und würde immer noch analoge Signale ausgeben, die auf einfache Weise von statischen Logiksignalen nahe den Versorgungsspannungspegeln unterschieden werden können, solange der Wirt zu diesem Zweck seine Analogsignalverarbeitungsmittel einsetzen kann. Stellt der Wirt fest, daß der charakteristische schnelle Signalwechsel ausbleibt, also immer noch der Analogsignalaufbereitungsmodus vorliegt, dann kann er einen weiteren Versuch unternehmen, um diesen zu beenden.
Für den Fall, daß der Wirt für den Test einen digitalen Empfänger benutzt, etwa einen Schmitt-Trigger, und abhängig von dem Momentanzustand des Analogsignals, ist eine falsche Schlußfolgerung wahrscheinlich. Dies kann vermieden werden, wenn der Quittierungsmodus in einer Art Dialog zwischen dem erfindungsgemäßen IC und dem Wirt mehr als einen schnellen Wechsel des logischen Zustandes vorsieht. Zum Beispiel- wird, falls der erste Überstromzustand gegen Masse war, das erfindungsgemäße IC versuchen, den Bus schwächlich gegen die positive Versorgungsschiene zu treiben. Sobald der Wirt den Bus losläßt und dort tatsächlich eine logische. '1' beobachtet, treibt er den Bus aktiv zurück gegen Masse und dann auf die gegensätzliche Versorgungsschiene. Das erfindungsgemäße IC kann dies als weiteren Gegentreib-Stromimpuls erkennen, und wenn es im Quittungsmodus ist und einen weiteren Stromimpuls erkennt, die Richtung seines schwachen Treibens umdrehen: Wenn dann der Wirt den Bus erneut losläßt, wird dieser nun durch das erfindungsgemäße IC gegen Masse gezogen. Es ist nicht sehr wahrscheinlich, diese schnelle zweimalige Umkehrung in realen bandbreitebeschränkten Analogsignalen anzutreffen, und so ist die Aussage der richtigen Beendigung des Analogsignalaufbereitungsmodus unter Verwendung digitaler Empfangsmittel des Wirts sehr viel zuverlässiger als bei nur einer Umkehrung. Dieses Quittungsverfahren könnte auf mehr als zwei schnelle Umkehrungen erweitert werden, die durch eine Folge von Gegentreib-Stromimpulsen vom Wirt gesteuert werden.
Noch ausgefeiltere Entwürfe für die Signalisierung der Beendigung des Analogsignalaufbereitungsmodus sind möglich, wenn das erfindungsgemäße IC als Quittungssignal eine spezielle vorbestimmte digitale Impulsfolge oder einen Zug von sich sehr schnell ändernden Oszillationen benutzt, die in einem aufbereiteten Analogsignal nicht vorkommen können.
Gleichwohl ist die bevorzugte Lösung die Benutzung der Methode mit dem einen schnellen Signalwechsel unter Verwendung der Analogsignalverarbeitungsmittel des Wirts für die Auswertung des Quittungssignals. In diesem Fall empfiehlt sich die Vereinbarung, daß der Wirt nach dem Erkennen des Quittungssignals nochmals seinen Treiber aktiviert, und wieder losläßt, und daß das erfindungsgemäße IC diesen weiteren Gegentreib-Stromimpuls erkennt und als Steuersignal für den Übergang vom Quittungsmodus zum Kommandoempfangsmodus benutzt.
Digitaler Lesemodus – neuartige Nutzung von Gegentreiben durch einen Wirt als Kommando zur Weiterschaltung auf ein nächstes zu lesendes Bit
Es kann die Nützlichkeit der Erfindung erhöhen, wenn dem Wirt auch das Auslesen rein digitaler Daten aus der erfindungsgemäßen integrierten Schaltung möglich ist. Dies gelingt durch Einführung eines digitalen Lesemodus, bei dem aus den bisherigen Ausführungen vorhandene Mittel und Methoden in erfinderischer Weise abgewandelt und erweitert dazu ausgebeutet werden, den digitalen Lesemodus mit geringstmöglichem Aufwand und konsistent mit der Lehre der Erfindung zu realisieren.
Im digitalen Lesemodus befindet sich die Mischsignal-Eindrahtschnittstelle in einem digitalen Betriebsmodus, und wird dazu benutzt, digitale Datenbits, die in dem erfindungsgemäßen IC (1) gespeichert sind, von diesem zu einem Wirt (21) zu transferieren. Das erfindungsgemäße IC könnte hierzu eine zusätzliche rein digitale Ausgangstreiberstufe verwenden, die mit dem zweiten Anschluß (6) verbunden ist, um digitale Logikpegel auf die Mischsignal-Eindrahtleitung zu treiben, und es kann jede der bekannten Methoden für digitalen Datentransfer über eine einzelne Leitung benutzt werden, etwa wie bei der RS232C – Kommunikation, oder Pulsweitenmodulation, etc.
In der bevorzugten Verkörperung der Erfindung wird der digitale Lesemodus mit minimalen Kosten implementiert, indem die Mittel der Erfindung vorteilhaft in neuartiger Weise wiederbenutzt werden, besonders die Ausgangstreiberstufe (11) der Analogsignalaufbereitungsmittel (2) und die Kommandodetektionsmittel (3), die im Fall der bevorzugten Verkörperung in der Lage dazu sind, Überstromzustände zu erkennen, die durch Aktivierung der digitalen Ausgangstreiberstufe (27, 28) des Wirts verursacht werden. Das erfindungsgemäße IC treibt die digitalen Logikpegel eines Datenbits auf die Mischsignal-Eindrahtleitung, indem dazu die Ausgangstreiberstufe (11) der Analogsignalaufbereitungsmittel (2) benutzt wird. Nach Empfang des Datenbits durch den Wirt – der dafür entweder seine Analogsignalverarbeitungsmittel verwenden kann, oder, falls es der Mehrzweck-Eingangs/Ausgangsanschluß (20) hergibt, einen rein digitalen Empfänger wie etwa einen Schmitt-Trigger – benutzt der Wirt seine digitalen Ausgangstreiberstufen (27, 28) um die Mischsignal-Eindrahtleitung auf den umgekehrten logischen Zustand zu treiben. Dieses Gegentreiben verursacht einen Überstrom-Erkennungsimpuls in den Kommandodetektionsmitteln des erfindungsgemäßen IC, der in diesem Fall durch die digitalen Steuerungsmittel (4) als 'Handshake'- oder Taktimpuls interpretiert wird, um zu dem nächsten Bit voranzuschreiten, das zum Wirt übermittelt werden soll. Die Aktivierung der Ausgangstreiberstufe des Wirts kann sehr kurz sein, und sobald das Gegentreiben erkannt ist, kann der Ausgangsstrom der Treiberstufe (11) des erfindungsgemäßen IC reduziert werden, also muß diese Methode nicht viel Leistung verbrauchen. Da das folgende Loslassen des Bus durch den Wirt ebenso einfach erkannt werden kann, wäre es möglich, das folgende Bit unmittelbar nach dem Loslassen mit mehr Leistung (und Geschwindigkeit) auf den Bus zu treiben, indem die Strombegenzung der Treiberstufe (11) adaptiv gesteuert wird. Wenn alle Datenbits übertragen sind, wird der digitale Lesemodus beendet und ein anderer Betriebsmodus kann betreten werden, etwa der Kommandoempfangsmodus.
Neuartige Verfahren und Mittel zum Betrieb mehrerer Teilnehmer auf einem Mischsignal-Bus, bei dem nichtselektierte Teilnehmer Folgen aus drei verschiedenen Spannungszuständen auf dem Mischsignal-Bus passiv beobachten, um so das Ende des Daten- oder Analogsignaltransfers zwischen dem selektierten Teilnehmer und dem Wirt zu erkennen
Ein weiteres Verfahren zum Betrieb des erfindungsgemäßen IC (1) und seiner bidirektionalen Mischsignal-Eindrahtschnittstelle erlaubt den Anschluß von mehr als einem der erfindungsgemäßen ICs an dieselbe Mischsignal-Eindrahtleitung, so daß ein neuartiges Mischsignal-Eindraht-Bussystem erschaffen wird. Dies wird erreicht durch die Einführung von mindestens einem Leerlaufmodus in den Satz von 'Betriebsmodi, die das erfindungsgemäße IC kennt. Solch ein Leerlaufmodus könnte in trivialer Weise implementiert werden, indem das erfindungsgemäße IC einen Chipselect – Eingangspin erhält, der vom Wirt direkt angesteuert wird, oder über einen Dekoder, der wiederum von Wirt getrieben wird, oder irgendein anderes in der Kunst bekannte Chipselectschema. Nur das eine erfindungsgemäße IC, das selektiert wurde, reagiert auf Kommandos und benutzt den Bus. Jedoch würde diese naheliegende Lösung den Vorteil der Erfindung schwächen, nur einen Anschluß des Wirts zu belegen. Eine Lösung für dieses Dilemma ist, ein Adressierungsschema vorzusehen, in dem jedes an einen gemeinsamen Bus angeschlossene erfindungsgemäße IC eine eindeutige Adresse hat, die als Teil des Kommandoworts übertragen wird. Unter der Annahme, daß Mittel und Verfahren existieren, um diese eindeutige Adresse innerhalb eines jeden erfindungsgemäßen ICs vorzugeben, kann ein neuartiges Verfahren zum Betrieb mehrerer solcher ICs auf einem Mischsignal-Eindrahtbus wie folgt formuliert werden:
Im Kommandoempfangsmodus sendet der Wirt als Teil des Kommandoworts Adressbits, die unter den an den Mischsignal-Eindrahtbus angeschlossenen erfindungsgemäßen ICs ein bestimmtes Exemplar selektieren. Das selektierte IC reagiert in der gewöhnlichen Weise, aber alle anderen, nichtselektierten erfindungsgemäßen ICs betreten einen Leerlauf-Betriebsmodus, sobald der Kommandoempfang abgeschlossen ist. Die besondere Art des Leerlauf-Betriebsmodus kann von der Art des Kommandos abhängen, das von dem selektierten IC ausgeführt wird, um unter verschiedenen Kommandobeendigungskriterien auszuwählen. Die nichtselektierten erfindungsgemäßen ICs beobachten den bidirektionalen Mischsignal-Eindrahtbus passiv, bis das gewählte Kommandobeendigungskriterium auftritt, und verlassen dann den Leerlauf-Betriebsmodus, um für den Empfang eines weiteren Kommandos bereit zu sein. Der Wirt kann dann ein Kommando geben, dessen Adressbits dasselbe erfindungsgemäße IC selektieren, oder er kann ein anderes erfindungsgemäßes IC selektieren, das an denselben Mischsignal-Eindrahtbus angeschlossen ist.
Durch dieses Verfahren kann mehr als eines der erfindungsgemäßen ICs an denselben Mischsignal-Eindrahtbus angeschlossen werden, ohne daß weder am erfindungsgemäßen IC noch am Wirt irgendwelche zusätzlichen Anschlußpins dafür nötig wären. Eines der Unterscheidungsmerkmale des Betriebsverfahrens der vorliegenden Erfindung zum Betrieb von mehreren der erfindungsgemäßen ICs auf demselben Eindrahtbus gegenüber bekannten Eindrahtbussystemen ist die neuartige Fähigkeit' der erfindungsgemäßen ICs und des Verfahrens zu ihrem Betrieb, mit echten Mischsignalen auf dem Bus fertig zu werden, was heißt, daß in manchen Zeitintervallen digitale Signalspannungspegel auf dem Bus vorhanden sind, und in anderen Zeitintervallen analoge Signalspannungspegel auf dem Bus vorhanden sind, so daß es nicht offensichtlich ist, wie es den deselektierten erfindungsgemäßen ICs möglich sein soll, die Beendigung eines vorigen Kommandos und den Beginn eines neuen vom Wirt ausgegebenen Kommandos zuverlässig zu erkennen, obwohl es ihnen nicht erlaubt ist, irgendeinen Einfluß auf den Bus auszuüben, weil jede solche Aktivität, die nicht von dem selektierten erfindungsgemäßen IC ausgeht, die Analogsignale verändern würde und so das Verlangen nach hoher Genauigkeit und Signalintegrität stören würde. Dieser Sachverhalt wird weiter verkompliziert durch die Tatsache, daß die Zeitdauer der Ausführung eines bestimmten Kommandos nicht bekannt ist und daß keine genaue Zeitbasis vorhanden ist.
Nun wird bezugnehmend auf 3, die ein beispielhaftes Diagramm typischer Spannungs- und Strompegel über die Zeit zeigt, wie sie auf dem Mischsignal-Eindraht-Bus auftreten, wenn mindestens eines der erfindungsgemäßen ICs daran angeschlossen ist, offenbart. werden; wie ein weiteres erfindungsgemäßes IC, das an denselben Mischsignalbus angeschlossen ist, die Beendigung der Kommandoausführung des aktiven erfindungsgemäßen ICs detektieren kann.
In der 3 ist die Spannung am Bus mit 'V_BUS' bezeichnet. Die minimalen und maximalen Spannungspegel am Bus, die von der Versorgungsspannung abhängen, sind mit 'V₊' und 'V_–' bezeichnet. 'V_H' und 'V_L' bezeichen Schwellenspannungswerte für die Erkennung logischer Zustände. Es wird davon ausgegangen, daß das erfindungsgemäße IC in dieser weitergebildeten Verkörperung über Mittel verfügt, um den Spannungspegel am Bus mit diesen Schwellenspannungswerten zu vergleichen. Wie Eingangs bereits beschrieben wurde, sind hierfür geeignete Mittel Komparatoren, die mit dem zweiten Anschluß (6) verbunden sind. Die Schwellenspannungswerte V_H und V_L können mit einem Spannungsteiler aus der Versorgungsspannung gewonnen und den Komparatoren zugeführt werden. Sie entsprechen vorzugsweise je einem Drittel des Versorgungsspannungsbereichs. Da diese Mittel zur Erkennung der Beendigung eines laufenden Kommandos und dem Beginn eines neuen Kommandos dienen, handelt es sich ebenfalls um Kommandodetektionsmittel im Sinne der Erfindung. In der hier behandelten weitergebildeten Verkörperung der Erfindung haben die Kommandodetektionsmittel in ihrer Gesamtheit somit die Fähigkeit, nicht nur Überstromzustände in der Analogsignalausgangstreiberstufe festzustellen, sondern auch den Spannungspegel des Mischsignalbus in drei Klassen einzuteilen, 'logisch 0' (unter der Schwelle V_L), 'logisch 1' (über der Schwelle V_H) und 'logisch U' (zwischen den Schwellen V_L und V_H). Es sei angemerkt, daß der in der Figur gezeigte Spannungsverlauf idealisiert ist, um eine bessere Klarheit der Darstellung zu erreichen, insbesondere werden in der Praxis die Signalflanken keine Geraden sein, und wegen der Sättigungsspannungen der Treibertransistoren werden die Versorgungsspannungen auch nicht ganz erreicht werden. Allerdings ist der gezeigte Spannungverlauf am Mischsignalbus trotz der Idealisierung für die Erfindung typisch – insbesondere die Kommandoübermittlung – und das Auftreten ähnlicher Kurven in einem Oszillogramm ist stets ein Indiz für die Verwendung der Erfindung.
Der Strom durch die Analogsignalausgangstreiberstufe (11) ist mit 'I_D' bezeichnet. Es gilt die Konvention, daß ein in den zweiten Anschluß (6) von außen hineinfließender Strom ein positives Vorzeichen hat. Der positive Schwellenwert +I_TH und der negative Schwellenwert –I_TH zur Kommandoerkennung liegt jeweils symetrisch zur Nulllinie. Es wurde in der Figur angenommen, daß die Strombegrenzung der Analogsignalausgangstreiberstufe (11) so milde einsetzt, daß eine eindeutige und störsichere Überschreitung der Schwellenwerte erfolgt. Für bessere Klarheit der Darstellung wurde der Stromverlauf in der Figur ebenfalls idealisiert und zudem wurde davon ausgegangen, daß am Mischsignalbus eine symmetrische resistive Last vorhanden ist, man stelle sich vor, es seien zwei gleichgroße Widerstände vom Bus zu jeweils einer der Versorgungsspannungsschienen geschaltet. Diese Lastbedingung kann in der Praxis insbesondere im Zusammenhang mit resistiven Gegenkopplungsnetzwerken der Analogsignalaufbereitungsmittel auftreten, die sich auf einen virtuellen Nullpunkt in der Mitte der Versorgungsspannung beziehen.
Da die meisten Analog-zu-Digitalwandler von Mikrocontrollern eine relative große kapazitive Last darstellen, kämen noch kapazitive Laststromkomponenten hinzu, diese wurden jedoch in der Figur nicht berücksichtigt, da sie nur verwirren würden. Für das Verständnis der folgenden Erläuterungen ist lediglich entscheidend, ob der Strom die Schwellenwerte –I_TH und +I_TH überschreitet oder nicht.
Es kann durch die sachgemäße Auslegung der Signalverarbeitungsbandbreite und der Schwellenwerte stets sichergestellt werden, daß die Schwellenwerte nur überschritten werden, wenn der Wirt seine Ausgangstreiber aktiviert.
Zu Beginn, bei t = 0, wird angenommen, daß sich beide erfindungsgemäßen ICs im Kommandoempfangsmodus befinden, was der Einschaltzustand der internen digitalen Steuerungsmittel sein kann, oder der durch eines der Betriebsverfahren gemäß der Erfindung betreten wurde. Im Kommandoempfangsmodus sind alle erfindungsgemäßen ICs auf dem Bus aktiv und versuchen, ihn in schwächlicher Weise auf einen vorbestimmten Spannungspegel zwischen den Stromversorgungsschienen zu ziehen, der von den Spannungspegeln für 'logisch 0' und 'logisch 1' verschieden ist. Für optimale Störsicherheit liegt der vorbestimmte Spannungspegel bevorzugt in der Mitte der Versorgungsspannung. Das schwächliche Treiben kann auf eine Weise implementiert werden, daß die Ströme in der Analogsignalausgangstreiberstufe (11), die mit dem Bus verbunden ist, eine geringe Größe haben, wenn der Spannungspegel am Bus in der Nähe der Mitte der Versorgungsspannung liegt, und allmählich ansteigt, je mehr die Spannung auf dem Bus durch den Wirt extern in Richtung der Stromversorgungsschienen getrieben wird. Eine solche resistive Ausgangscharakteristik verhindert Kämpfe zwischen den Ausgangstreiberstufen der erfindungsgemäßen ICs. In der Kunst des analogen Schaltungsentwurfs ist es längst bekannt, wie jede beliebige Ausgangscharakteristik realisiert werden kann, und so werden keine detaillierten Schaltpläne angegeben. Die idealisierte Darstellung der Ströme in der Figur berücksichtigt diese resistive Ausgangscharakteristik offensichtlich nicht, sonst wären die Flanken der Ströme ebenfalls schräg dargestellt worden.
Nun, bei t = 1, zieht der Wirt den Bus auf V–. In der Figur sind diejenigen Teile des Spannungsverlaufs, in denen der Wirt seine Ausgangstreiber aktiviert, mit einer dickeren Linie gezeichnet. In den Ausgangstreiberstufen der erfindungsgemäßen ICs steigt der Strom an, bis der negative Schwellenwert -I_TH erreicht, der Strom begrenzt, und ein Kommandobit '0' detektiert ist.
In der idealisierten Darstellung der Ströme geschieht dies sofort, in der Praxis hätte die Ansteuerung der Treiberstufe jedoch eine endlich schnelle Rampe, und damit auch der Strom. Die Unterschiede zwischen der idealisierten Darstellung in der Figur und der Praxis sollten nun bekannt sein und sie werden im folgenden Text nicht mehr erwähnt werden.
Bei t = 2 läßt der Wirt den Bus los. Das Kommandobit '0' wird in die digitalen Steuerungsmittel hineingetaktet. Alle erfindungsgemäßen ICs zusammen ziehen den Bus wieder in die Mitte. Bei t = 3, treibt der Wirt den Bus auf V₊. In den Ausgangstreiberstufen der erfindungsgemäßen ICs steigt der Strom an, bis der positive Schwellenwert +I_TH erreicht, der Strom begrenzt, und ein Kommandobit '1' detektiert ist. Bei t = 4 läßt der Wirt den Bus los. Das Kommandobit '1' wird in die digitalen Steuerungsmittel hineingetaktet. Alle erfindungsgemäßen ICs zusammen ziehen den Bus wieder in die Mitte. Dieser Prozeß wird fortgesetzt, bis alle Kommandobits in alle der erfindungsgemäßen ICs hineingetaktet sind, was in diesem Beispiel nach vier Kommandobits bei t = 8 der Fall ist. Ein Teil der Kommandobits sind Adressen, so daß das selektierte IC das Kommando ausführt, während die nichtselektierten ICs in den Leerlauf-Betriebsmodus gehen. Angenommen, daß das Kommando der Start des Analogsignalaufbereitungsmodus war, dann beginnt das selektierte IC bei t = 9 analoge Signale auf den Bus zu treiben, während die nichtselektierten ICs in den Analogsignal-Leerlaufmodus eintreten.
Analogsignal-Leerlaufmodus
Während des Analogsignal-Leerlaufmodus beobachten die nichtselektierten ICs die Spannungspegel auf dem Bus passiv und teilen diesen, wie bereits beschrieben, in drei Intervalle ein, 'logisch 0', 'logisch 1' und 'logisch U'. Obwohl es sich im Analogsignalaufbereitungsmodus um ein rein analoges Signal handelt, und nicht um digitale Signale, ist diese Klassifizierung in die drei Intervalle jederzeit möglich, auch wenn das analoge Signal beliebig ist und daher in der Regel auch keinen sinnvollen digitalen Code darstellt.
Dennoch gelingt es den nichtselektierten ICs durch Auswertung dieser pseudodigitalen Folgen auf verblüffende Weise, das Ende des Analogsignalaufbereitungsmodus zu erkennen.
Dieses Ende wird vom Wirt bei t = 18 herbeigeführt, indem er den Bus auf V– zieht. In dem selektierten IC, das sich gerade im Analogsignalaufbereitungsmodus befindet, stellen die Kommandodetektionsmittel den resultierenden Stromimpuls fest, und es wird der Quittungsmodus betreten, so daß das selektierte IC aufhört, ein aufbereitetes Analogsignal auf den Bus zu treiben, sondern versucht, in schwächlicher Weise den invertierten Logikzustand zu treiben, der 'logisch 1' ist. Bei t = 19 läßt der Wirt den Bus los, um die Quittierung abzufragen. Den Erfolg erkennt er durch einen raschen Signalwechsel von 'logisch 0' zu 'logisch 1' auf dem Bus. Sobald der Wirt diesen Signalwechsel erkennt, und der endgültige saubere 'logisch 1' – Zustand erreicht ist, zieht der Wirt den Bus bei t = 20 erneut herunter, und läßt ihn bei t = 21 wider los, um das aktive erfindungsgemäße IC aus dem Quittungsmodus herauszubringen und in den Kommandoempfangsmodus eintreten zu lassen. In alternativen Verkörperungen, bei denen der Quittungsmodus mehr als einen raschen Signalwechsel auf dem Bus verlangt, wären hier entsprechend mehrere rasche Signalwechsel auf dem Bus zu sehen.
Während dieses Mischsignal – Busprotokoll zwischen dem Wirt und dem aktiven erfindungsgemäßen IC stattfindet, sollen die nichtselektierten, passiv beobachtenden erfindungsgemäßen ICs daraus erkennen, daß der Analogsignalaufbereitungsmodus beendet, der Quittungsmodus vorüber, und der Kommandoempfangsmodus eingeleitet ist.
Der Schlüssel zu der nicht offensichtlichen Methode beruht auf der Tatsache, daß analoge Signale gewöhnlich bandbreitenlimitiert sind, und die Analogsignalaufbereitungsmittel, gewöhnlich analoge Schaltungen wie Operationsverstärker oder ähnliches, sind sowohl Bandbreite- als auch Slewratebeschränkt. Deshalb kann im Analogsignalaufbereitungsmodus der Spannungspegel auf dem Mischsignalbus nicht in beliebig kurzer Zeit von unter der Schaltschwelle V_L für 'logisch 0' auf über die Schaltschwelle V_H für 'logisch 1' springen und umgekehrt. Während dem Analogsignalaufbereitungsmodus wird das auf den Bus getriebene analoge Signal auch dann, wenn es einen Hub hat, der groß genug ist, um diese Schaltschwellen in Richtung der Stromversorgungsschienen zu überschreiten, immer durch die 'logisch U' – Zone zwischen den Schaltschwellen hindurchgehen, oder in diese eintauchen, und in dieser für eine bestimmte Zeitdauer verweilen, die von der Natur des gerade verarbeiteten Analogsignals, und von den Parametern der Bandbreite- und Slewrate-Limitierungen der involvierten Analogschaltungen abhängt. Im Gegensatz dazu kann der Bus bei Aktivierung der leistungsstarken digitalen Ausgangstreiberstufe des Wirts einen vollen Logikhub in nur ein paar Nanosekunden durchlaufen, und die Zeitdauer, in der sich der Bus in der 'U' – Zone befindet, ist sehr kurz. In den offenbarten Betriebsverfahren für den Mischsignalbus tritt ein so schneller Übergang von entweder 'logisch 0' auf 'logisch 1' oder von 'logisch 1' auf 'logisch 0' während des Analogsignalaufbereitungsmo¢us niemals auf, jedoch immer während des Quittungsmodus, in der Figur bei t = 20.
Dieser Sachverhalt kann durch die passiven ICs wie folgt vorteilhaft ausgebeutet werden, um das Ende des Analogsignalaufbereitungsmodus des aktiven ICs zu erkennen.
Die im Analogsignal-Leerlaufmodus befindlichen ICs verwenden Logikpegelkomparatoren, die Teil ihrer Kommandodetektionsmittel sind, um den Spannungspegel auf dem Mischsignalbus ständig zu beobachten. Solange dort 'logisch 0' oder 'logisch 1' mit 'logisch U' dazwischen auftritt, bleiben sie im Analogsignal-Leerlaufmodus. Sobald ein Übergang von 'logisch 0' zu 'logisch 1' oder von 'logisch 1' zu 'logisch 0' mit keinem oder nur einem sehr kurzen 'logisch U' dazwischen auftritt, wird, sobald darauf ein längeres 'logisch U' auftritt, in der Figur bei t = 21 bis t = 22, der Analogsignal-Leerlaufmodus beendet und der Kommandoempfangsmodus betreten. Das hierfür nötige Zeitdauerkriterium für die Dauer 'sehr kurzer' und 'längerer' 'logisch U' – Zustände kann durch sehr grobe Verzögerungselemente, etwa RC-Verzögerungen, oder ihre MOSFET-Äquivalente implementiert werden, und es wird keine genaue Zeitbasis benötigt, da in diesem System der Unterschied zwischen 'sehr kurz' und 'länger' etwa eine Größenordnung oder mehr beträgt, ferner kann die Verzögerung so ausgelegt werden, daß sie denselben Prozeßparametern folgt, welche auch die Bandbreite- und Slewrate-Eigenschaften der Analogschaltungen des Chips bestimmen. Jeder Fachmann der Kunst des analogen Schaltungsentwurfs kann auf einfache Weise eine Schaltungslösung angeben, die dieses Verfahren und seine Mittel im Sinne der Erfindung implementiert.
Nun wird bezugnehmend auf 3 erläutert werden, wie ein den Bus passiv beobachtendes erfindungsgemäßes IC das Ende der Kommandoausführung im Falle des digitalen Lesemodus erkennen kann.
Angenommen, daß der Wirt von t = 22 bis t = 29 ein digitales Lesekommando ausgibt, in diesem Beispiel wäre das dann das Bitmuster '0100', von dem wieder ein Teil eine Adresse ist, um eines der an den Mischsignalbus angeschlossenen erfindungsgemäßen ICs auszuwählen, dann betritt das selektierte IC bei t = 30 den digitalen Datenlesemodus und beginnt damit, das erste Datenbit, hier eine 'logische 1', auf den Bus zu treiben. In der bevorzugten Verkörperung der Erfindung nutzt das aktive IC zu diesem Zweck die analoge Ausgangstreiberstufe (11) seiner Analogsignalaufbereitungsmittel, da diese Schaltungen zur Strombegrenzung und Stromdetektion hat. Für Geschwindigkeit kann das erfindungsgemäße IC eine zusätzliche digitale Ausgangstreiberstufe haben, die mit dem zweiten Anschluß (6) verbunden ist, und die für ein kurzes Zeitintervall aktiviert wird, um schnelle Anstiegs- und Abfallzeiten herzugeben, und dann abgeschaltet wird, worauf nur noch die schwächere Analogsignalausgangstreiberstufe den Bus auf dem Logikpegel hält, der dem gerade gelesenen Datenbit entspricht. Bei t = 30.5 tastet der Wirt das Datenbit ab, und bei t = 31 treibt der Wirt den Bus auf den umgekehrten logischen Zustand. Wegen der Strombeschränkung schwingt der Bus tatsächlich gegen die negative Stromversorgungsschiene, während die Kommandodetektionsmittel im IC feststellen, daß der Strom in seiner analogen Ausgangstreiberstufe den Schwellenwert –I_TH übersteigt, ganz so wie im Kommandoempfangsmodus, aber während des digitalen Lesemodus wird dieses Ereignis durch die digitalen Steuerungsmittel als Kommando interpretiert, um mit dem nächsten Datenbit fortzufahren, das wirksam wird, wenn der Wirt den Bus bei t = 32 wieder losläßt und der Strom unter die Schwelle sinkt. Das IC treibt das nächste Datenbit bei t = 32 auf den Bus, der Wirt tastet es bei t = 32.5 ab, invertiert den Bus durch Aktivierung seiner Ausgangsteiberstufe bei t = 33, läßt den Bus bei t = 34 wieder los, wo nun vom IC ebenfalls eine 'logische 0' getrieben wird, so daß sich die Spannung auf dem Bus nicht stark bewegt, eine möglicherweise beobachtbare Spannungsexkursion nahe t = 34 wäre durch die Verzögerung bedingt, welche die interne Logik des ICs benötigt, um auf die Busfreigabe durch den Wirt zu reagieren. Weitere Datenbits folgen, bei t = 38.5 tastet der Wirt das letzte ab, dreht es bei t = 39 um, und läßt den Bus bei t = 40 wieder los. Das aktive erfindungsgemäße IC weiß nach der Detektion des letzten Stromimpulses von t = 39 bis t = 40, daß dies das letzte Bit war, und beendet deshalb den digitalen Datenlesemodus, und betritt den Kommandoempfangsmodus, bei dem es in schwächlicher Weise versucht, den Bus in die Mitte der Versorgungsschienen zu treiben, was von t = 40 bis t = 41 sichtbar ist. Bei t = 41 treibt der Wirt bereits das erste Kommandobit des nächsten Kommandos auf den Bus.
Basierend auf dem Vorangegangenen kann nun ein Verfahren offenbart werden, das einem nichtselektierten IC die Erkennung des Endes des digitalen Lesemodus und des Beginns des folgenden Kommandoempfangsmodus ermöglicht.
Datenlese-Leerlaufmodus
Wenn das Datenlesekommando vollständig empfangen wurde, dann betreten die nichtselektierten ICs, bei denen die Adresse nicht übereinstimmt, einen Datenlese-Leerlaufmodus. In diesem Modus beobachten sie passiv die Spannungspegel auf dem Mischsignalbus, genauso, wie es zuvor für den Analogsignal-Leerlaufmodus beschrieben wurde, und es können dieselben Komparatormittel benutzt werden, um die Spannungspegel den drei logischen Zuständen zuzuordnen, jedoch ist im Datenlese-Leerlaufmodus das Endekriterium verschieden. Im Datenlesemodus kann genau am Ende des Kommandoempfangsmodus ein kurzer Zeitraum von 'logisch U' von unspezifischer Länge vorliegen, abhängig davon, wie lange das aktive erfindungsgemäße IC benötigt, um das erste Datenbit auf den Bus auszugeben, in der Figur t = 29 bis t = 30. Von diesem ersten Datenbit an zeigt der Bus, der nun in einem rein digitalen Betriebsmodus verwendet wird, bei Anwendung der richtigen Treibereigenschaften, nur schnelle Übergänge durch die 'logisch U' – Zone. Eine optionale zusätzliche digitale Ausgangstreiberstufe im erfindungsgemäßen IC kann in Fällen nützlich sein, in denen seine analoge Ausgangstreiberstufe nicht schnell genug betrieben werden kann, was abhängig von der für die Implementierung des ICs benutzen Halbleitertechnologie der Fall sein kann oder auch nicht. Jedoch werden in jedem Fall die nichtselektierten ICs nach dem anfänglichen 'logischen U' auf dem Bus nur schnelle Übergänge von entweder 'logisch 0' auf 'logisch 1' oder von 'logisch 1' auf 'logisch 0' detektieren, da die 'logisch U' zu kurz sind um erkannt zu werden, oder sie werden durch Verzögerungselemente ausgefiltert. Hier trifft dieselbe Logik und Beweisführung zu, wie sie vorhergehend für den Analogsignal-Leerlaufmodus offenbart wurde. Im Falle des Datenlese-Leerlaufmodus ist jedoch das Endekriterium genau umgekehrt: der Datenlese-Leerlaufmodus wird verlassen, sobald nach dem anfänglichen 'logischen U', -gefolgt von + einer beliebigen Zahl von schnellen Übergängen von entweder 'logisch 0' auf 'logisch 1' oder von 'logisch 1' auf 'logisch 0', endlich wieder ein längeres 'logisches U' entdeckt wird. Dieses 'logische U', in der Figur bei t = 40 bis t = 41 gehört zu der ersten Phase des folgenden Kommandos, und läßt den digitalen Steuerungsmitteln der passiven ICs gerade genug Zeit, um diese aus dem Datenlese-Leerlaufmodus heraus und in den Kommandoempfangsmodus hinein zu bringen.
Es versteht sich, daß ein IC gemäß der Erfindung nicht notwendigerweise alle der obigen Mittel und Methoden implementieren muß, um mehr als eines der erfindungsgemäßen ICs auf demselben bidirektionalen Mischsignal-Eindrahtbus zu betreiben. Wenn nur eine Untermenge des schier unermeßlichen Gebiets der von der Erfindung in ihren vollausgestatteten Verkörperungen offerierten mächtigen Funktionalitäten und Möglichkeiten gewünscht ist, dann ist es nicht nötig, einige der hier offenbarten Mittel und Methoden zu implementieren und zu benutzen, ohne daß dadurch dem Geist der Erfindung und ihren Ansprüchen ausgewichen wäre.
Bereitstellung von Adressen
Für die Bereitstellung von Adressen innerhalb der individuellen erfindungsgemäßen ICs müssen einige Annahmen darüber getroffen werden, wie viele dieser ICs mit derselben Funktionalität man sinnvollerweise an den Mischsignal-Eindrahtbus anhängen will. Eine Studie typischer Applikationen hat ergeben, daß mehr als vier gleichartige Sensoren auf einer Busleitung eher selten vorkommen würden, deswegen würden zwei Adressbits ausreichen. Diese zwei Bits können einfach durch Metallmaskenoptionen bereitgestellt werden, und die Lagerung von vier geringfügigen Variationen eines jeden IC-Typs sind keine große Belastung. Adressiermaskenbits im Kommandowort können benutzt werden, um mehr als eine Variante in denjenigen Applikationen einsetzen zu können, die nur zwei oder nur eines dieser ICs auf demselben Bus benötigen. Alternativ kann ein einzelner Anschluß an einem jeden IC benutzt werden, der entweder offen bleibt, oder mit einer der beiden Versorgungsschienen verbunden wird, um die Adresse des ICs auf eine von drei Möglichkeiten zu setzen. Das Adressierungsschema könnte durch feste Bits erweitert werden, die für jede verschiedene Sorte von IC eindeutig ist, beispielsweise könnten ICs, die auf Temperaturfühler spezialisiert sind, einen anderen Bereich des Adressraums zugewiesen bekommen als solche, die für brückenartige Sensoren spezialisiert sind. Es könnte auch die Typennummer des ICs als Teil der Adresse dienen.
Neuartiges Verfahren zum Betrieb herkömmlicher integrierter Schaltungen zusammen mit den erfindungsgemäßen ICs auf einem Mischsignal-Bus, ohne daß die herkömmlichen integrierten Schaltungen über eine Mischsignal-Schnittstelle verfügen oder das Busprotokoll des Mischsignal-Bus kennen.
Zum Schluß wird ein Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemäßen ICs und ihrer bidirektionalen Mischsignal-Eindrahtschnittstelle offenbart, die dazu bestimmt ist, um es herkömmlichen ICs der Spielarten von digitaler Logik oder Speichern zu erlauben, den bidirektionalen Mischsignal-Eindrahtbus in einem digitalen Kompatibilitäts-Betriebsmodus zu benutzen, wodurch es ermöglicht wird, eines oder mehrere der erfindungsgemäßen ICs zusammen mit herkömmlichen ICs an denselben Mischsignal-Bus anzuschließen, um so die möglicherweise knappe Ressource von Anschlußpins des Wirts vollständig ausnutzen zu können. Es versteht sich, daß herkömmliche ICs das erfindungsgemäße Mischsignal-Busprotokoll und die oben dargestellten neuartigen Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemäßen ICs und ihrer bidirektionalen Mischsignal-Eindrahtschnittstelle nicht kennen oder implementieren, so daß die Möglichkeiten des besagten Kompatibilitäts-Betriebsmodus beschränkt sind, und insbesondere müssen diejenigen Anschlüsse herkömmlicher ICs, die mit dem Mischsignal-Bus verbunden sind, unter Steuerung eines Anschlusses des Wirts oder anderer Quellen eines Chipselekt-Signals sein, um einen eventuell vorhandenen Ausgangstreiber in einen hochohmigen Zustand zu schalten, wenn die erfindungsgemäßen ICs den Mischsignalbus benützen.
Kompatibilitätsmodus
Das erfindungsgemäße Kompatibilitäts-Betriebsverfahren beruht auf der Tatsache, daß herkömmliche ICs immer volle Logiksignalhübe benutzen, insbesondere wird bei ihnen ein Loslassen des Bus, das bei Richtungswechseln des Datenflusses kurzzeitig vorkommen kann, niemals als eigentliches Steuersignal ausgewertet, so wie es die vorliegende Erfindung tut, sondern es ist alleine dazu vorgesehen, kämpfende Treiber und Stromspitzen auf der Versorgungsspannung zu vermeiden.
Da die herkömmlichen ICs in der Regel über keinerlei Mittel verfügen, um ein Loslassen des Bus zu erkennen, und während dessen auch niemals Daten empfangen, da diese unbestimmt wären, ist es in jedem Fall unschädlich, wenn die erfindungsgemäßen ICs in diesen Phasen, in denen der Bus weder vom Wirt noch von einem herkömmlichen IC getrieben wird, ähnlich wie im Kommandoempfangsmodus versuchen, den Bus schwächlich auf einen vorbestimmten Spannungspegel zu treiben, der in der bevorzugten Verkörperung in der Mitte der Versorgungsspannung liegt. Hierdurch wird ein Datentransfer zwischen dem Wirt und herkömmlichen ICs in keinem Fall beeinträchtigt oder gestört, aber die erfindungsgemäßen ICs können ihre Kommandodetektionsmittel dazu verwenden, um zu verfolgen, was auf dem Mischsignalbus passiert. Auf diese Weise können sie unter bestimmten Voraussetzungen feststellen, wann der Datentransfer zwischen dem Wirt und den herkömmlichen ICs abgeschlossen ist.
Schlüssel zu dem neuartigen Kompatibilitäts-Betriebsverfahren ist ein in den erfindungsgemäßen ICs vorgesehenes spezielles Kommando, das bei seiner Ausführung die digitalen Steuerungsmittel in einen Kompatibilitätsmodus bringt, bei dem die erfindungsgemäßen ICs ähnlich wie im Kommandoempfangsmodus versuchen, den Bus schwächlich auf einen vorbestimmten Spannungspegel zu treiben, so wie sie es im Kommandoempfangsmodus tun, aber die Überstrombedingungen, die nun aufgrund der Kommunikation zwischen dem Wirt und den herkömmlichen ICs auftreten, werden nicht als Kommandobits interpretiert, sondern dienen bei ihrem Wegbleiben zur Erkennung des „Busfloat"-Ereignisses, daß sowohl der Wirt als auch die herkömmlichen ICs den Mischsignalbus losgelassen haben, also nicht mehr aktiv treiben. Dieses Ereignis kann je nach Ausführung der Erfindung schon für sich als Endekriterium für den Kompatibilitätsmodus dienen, oder es werden diese Ereignisse in einem Zähler, der dann Bestandteil der digitalen Steuerungsmittel der erfindungsgemäßen ICs ist, gezählt, wobei als Endekriterium für den Kompatibilitätsmodus das Erreichen eines festen oder durch das Kommandowort programmierten Zählerstandes ist. In beiden Fällen wird beim Eintreten des Endekriteriums für den Kompatibilitätsmodus dieser verlassen und dann der Kommandoempfangsmodus betreten.
Das bevorzugte Kompatibilitäts-Betriebsverfahren besteht darin, vor dem Datentransfer mit herkömmlichen ICs durch den Wirt an alle an den Mischsignalbus angeschlossenen erfindungsgemäßen ICs das Kommandowort auszugeben, das sie in den Kompatibilitätsmodus bringt, wobei auch übertragen wird, wie oft der Mischsignalbus während der Abwicklung des Datentransfers gemäß eines herkömmlichen Busprotokolls – beispielsweise SPI – von allen beteiligten Treibern losgelassen werden wird. Bei den meisten herkömmlichen Busprotokollen ist diese Zahl vor der Ausführung von Transaktionen auf dem Bus bekannt. Nach der Ausgabe des Kommandoworts an die erfindungsgemäßen ICs führt der Wirt in bekannter Weise das herkömmliche Busprotokoll für die herkömmlichen ICs durch, während die erfindungsgemäßen ICs mitzählen, wie oft der Bus dabei losgelassen wird, und dann nach dem letzten Ereignis dieser Art, nach dem Ende des herkömmlichen Datentransfers, wieder in den Kommandoempfangsmodus zu schalten.
Ein vereinfachtes Kompatibilitäts-Betriebsverfahren benötigt keinen Zähler, sondern der Wirt maskiert die Richtungswechsel, indem er seine eigenen Ausgangstreiber stets eingeschaltet läßt und nur dann abschaltet, wenn gemäß dem herkömmlichen Busprotokoll die herkömmlichen ICs in jedem Fall bereits ein gültiges Datenbit auf den Bus treiben, und er aktiviert seine eigenen Ausgangstreiber wieder, bevor die herkömmlichen ICs das Treiben des Datenbits einstellen. Um hierbei schädliche Stromspitzen durch kämpfende. Ausgangstreiber zu vermeiden, werden die herkömmlichen ICs beim vereinfachten Betriebsverfahren über einen Serienwiderstand an den Mischsignalbus angeschlossen, der die Ströme auf ungefährliche Werte begrenzt, ohne das digitale Signal zu sehr zu schwächen.
Schlafmodus
Die erfindungsgemäßen ICs können auch über ein Kommando verfügen, das ihre internen Schaltkreise in einen Schlafmodus bringt, in denen der Stromverbrauch minimal ist. Das Aufwecken kann über einen Signalwechsel am zweiten Anschluß (6) erfolgen, worauf der Kommandoempfangsmodus betreten wird.
Wie klar zu sehen ist, stellt die vorliegende Erfindung und ihre verschiedenen Verkörperungen und Variationen einen wesentlichen Fortschritt auf dem Gebiet des Entwurfs analoger integrierter Schaltungen und der Architektur von Eindrahtbussystemen für solche integrierten Schaltungen dar.
Zur Zeit der Anmeldung ist von keinem Halbleiterhersteller ein IC bekannt, das über die einzigartige Kombination von Unterscheidungsmerkmalen, Mitteln und Verfahren verfügt, die in diesem Dokument skizziert wurden, und der Erfinder glaubt, verschiedene Industrie-Neuheiten erreicht zu haben:

– das erste IC, das eine bidirektionale Mischsignal-Eindrahtschnittstelle für den Empfang digitaler Kommandos von einem Wirt und der Übergabe von aufbereiteten analogen Signalen zum Wirt aufweist, wobei hierfür nur einige wenige, einfach zu implementierende Schaltungsmittel notwendig sind, und im Wirt keine speziellen Schaltungsmittel benötigt werden, bis auf einen herkömmlichen Mehrzweck-Eingangs/Ausgangsanschluß, wie er von geeigneten Wirten wie etwa Mikrocontrollern her bekannt ist,
– die erste Implementierung einer bidirektionalen Mischsignal-Eindrahtarchitektur, die mit mehreren an denselben Mischsignal-Eindrahtbus angeschlossenen erfindungsgemäßen ICs benutzt werden kann; und bei der es möglich ist, denselben Bus zur Übertragung von digitalen Daten zwischen einem Wirt und herkömmlichen ICs zu benutzen, so daß eine volle Kompatibilität der neuartigen Mischsignal-Eindrahtbus-Architektur zu vielen der bekannten digitalen Eindraht- oder Zweidrahtbusarchitekturen gegeben ist.

Es wird geglaubt, daß die vorliegende Erfindung besonders effektiv ist, wenn sie wie hierin beschrieben konfiguriert und benutzt wird, jedoch werden diejenigen, die in der Kunst bewandert sind, bereits erkennen, daß eine Vielzahl von Variationen und Ersetzungen in der Erfindung und ihrer Anwendung und Konfiguration gemacht werden können, um im wesentlichen dieselben Resultate wie die Verkörperungen zu erreichen, insbesondere der hierin beschriebenen bevorzugten Verkörperung. Jede Variation ist absichtlich in diese Beschreibung eingeschlossen worden und bildet einen Teil der vorliegenden Erfindung. Die vorhergehende detaillierte Beschreibung versteht sich deswegen nur zur Erläuterung und als Beispiel, und der Geist und geistige Gesichtskreis der vorliegenden Erfindung soll nur durch die angefügten Ansprüche beschränkt sein.
LITERATUR

[1] U.S. Pat. 4556958, Ugon: "Device for single line bidirectional data transmission between an intelligent card's microprocessor and a second processor"
[2] U.S. Pat. 4736367, Wroblevski et al.: "Smart control and sensor devices single wire bus multiplex system"
[3] U.S. Pat. 4817040, Bodley-Scott: 'Viehicle condition monitoring system"
[4] U.S. Pat. 5398326, Lee: "Method for data communication"
[5] U.S. Pat. 5412644, Heberle: "Serial bus system with a single-wire line"
[6] U.S. Pat. 5809518, Lee: "Command/data transfer protocol for one-wire-bus architecture"
[7] U.S. Pat. 6239732, Cusey: "One-wire device with A-to-D converter"
[8] M. Degrauwe, J. Rijmenants, E. Vittoz, H. De Man, „Adaptive Biasing CMOS Amplifiers", IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol.17, No. 3, Juni 1982
[9] U.S. Pat. 5847450, Fink et al: „Microcontroller having an n-bit data bus width with less than n I/O pins"
[10] WO 00/62455 A1, Wettroth et al: „Single wire bus interface for multidrop applications"
[11] U.S. Pat. 5936520, Luitje et al: „Analog sensor status detection single wire bus multiplex system"

1: Integrierter Schaltkreis (IC)
2: Analogsignalaufbereitungsmittel
3: Kommandodetektionsmittel
4: digitale Steuerungsmittel
5: erster Anschluß
6: zweiter Anschluß
7: dritter Anschluß
8: Kommandosignalleitung für Kommandobit '1'
9: Kommandosignalleitung für Kommandobit '0'
10: digitale Steuerungsleitungen)
11: Analogsignalausgangstreiberstufe
12: positive Stromversorgungszuleitung von 11
13: negative Stromversorgungszuleitung von 11
14: Rohsignaleingangsanschluß
15: Brückensensor
16: zweite Stromversorgungsleitung (positiv)
17: erste Stromversorgungsleitung (negativ), Masse
18: Stromversorgung, Batterie
19: Mischsignal – Busleitung
20: Mehrzweck-Eingangs/Ausgangsanschluß von 21
21: Wirt/Mikrocontroller
22: positiver Stromversorgungsanschluß von 21
23: negativer Stromversorgungsanschluß von 21
24: weitere Eingangs/Ausgangsanschlüsse von 21
25: Mikrocontrollerkern
26: Analog-zu-Digital-Wandler/Komparator
27: positives Ausgangstreiberelement von 20
28: negatives Ausgangstreiberelement von 20
V+: Spannungspegel auf 16
V–: Spannungspegel auf 17
V_H: Schwellenspannung für logisch '1'
V_L: Schwellenspannung für logisch '0'

Claims

Integrierte Schaltung mit einer bidirektionalen Mischsignal-Eindrahtschnittstelle, bestehend aus – einem Halbleiterchip (1) mit Schaltkreisen zur Bildung von Analogsignalaufbereitungsmitteln (2), Kommandodetektionsmitteln (3), und digitalen Steuerungsmitteln (4), – einem ersten Anschluß (5), der mit den besagten Schaltkreisen elektrisch gekoppelt ist, – wobei der erste Anschluß der negativen Stromversorgung dient, – einem zweiten Anschluß (6), – wobei der zweite Anschluß der Schnittstellenanschluß ist, – einem dritten Anschluß (7), der mit den besagten Schaltkreisen elektrisch gekoppelt ist, – wobei der dritte Anschluß der positiven Stromversorgung dient, dadurch gekennzeichnet, – dass der zweite Anschluß (6) mit den Analogsignalaufbereitungsmitteln (2) und den Kommandodetektionsmitteln (3) elektrisch so gekoppelt ist, – dass er mindestens als Kommandoeingang und als Analogsignalausgang wirken kann, – wobei die Kommandodetektionsmittel (3) eine dem zweiten Anschluß extern zugeführte Kommandoinformation an die digitalen Steuerungsmittel (4) weitergeben, und – die digitalen Steuerungsmittel (4) die Analogsignalaufbereitungsmittel (2) so steuern können, – dass der zweite Anschluß (6) mindestens zwischem einem Kommandoempfangsmodus und einem Analogsignalausgabemodus umgeschaltet werden kann, – wobei der Analogsignalausgabemodus am zweiten Anschluss (6) einen Spannungspegel bewirkt, dessen Höhe dem auszugebenden Analogsignal entspricht.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass sie mindestens eine Treiberstufe (11) hat, die mit dem zweiten Anschluß (6) verbunden ist, und – dass die Kommandodetektionsmittel (3) Kommandoinformationen daraus ableiten, ob Ströme der Treiberstufe (11), die von oder zum zweiten Anschluß (6) fließen, einen Schwellenwert überschreiten oder nicht.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, – dass der Strom durch die Treiberstufe (11) durch aktive Strombegrenzungschaltungen begrenzt ist, – dass ein Signal innerhalb der Strombegrenzungsschaltungen, welches die Strombegrenzung steuert, zur Bildung der Kommandoinformation benutzt wird, so – dass die Strombegrenzungsschaltungen einen Teil der Kommandodetektionsmittel bilden.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, – dass die Kommandoinformation aus einzelnen Kommandobits besteht, – dass die Kommandobits seriell empfangen werden, – dass sich der logische Wert eines Kommandobits, 0 oder 1, aus der Richtung des Stromflusses durch den zweiten Anschluß (6) ergibt, während der Stromfluss den Schwellenwert überschreitet, – dass das Ende eines Kommandobits dadurch gegeben ist, dass der Stromfluss den Schwellenwert wieder unterschreitet.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, – dass sie einen Analogsignalaufbereitungsmodus hat, bei dem die Treiberstufe (11) den zweiten Anschluß (6) auf den Spannungspegel eines aus den Analogsignalaufbereitungsmitteln (2) kommenden Analogsignals treibt, und – dass der Analogsignalaufbereitungsmodus durch ein auf den zweiten Anschluß (6) wirkendes externes Treiben beendet werden kann, das einen Stromfluss durch den zweiten Anschluß (6) bewirkt, der den Schwellenwert überschreitet.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, – dass sie einen Kommandoempfangsmodus hat, bei dem die Treiberstufe (11) den zweiten Anschluß (6) auf einen Spannungspegel treibt, der so gewählt ist, – dass ein auf den zweiten Anschluß wirkendes externes Treiben in Richtung der Spannung am ersten Anschluß (5) einen Strom bewirkt, der den Schwellenwert überschreitet, und der aus dem zweiten Anschluß herausfließt, – dass ein auf den zweiten Anschluß wirkendes externes Treiben in Richtung der Spannung am dritten Anschluß (7) einen Strom bewirkt, der den Schwellenwert überschreitet, und der in den zweiten Anschluß hineinfließt.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet dass sowohl im Kommandoempfangsmodus als auch im Analogsignalaufbereitungsmodus dieselbe mit dem zweiten Anschluß (6) verbundene Treiberstufe (11) zum Treiben des zweiten Anschlusses benutzt wird.
Integrierte Schaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, – dass sie einen Quittungsmodus hat, bei dem eine strombegrenzte Treiberstufe (11) versucht, den zweiten Anschluß (6) in schwächlicher Weise auf einen logischen Spannungspegel zu treiben, der dem von einem externen Treiber an den zweiten Anschluß angelegten Spannungspegel entgegengesetzt ist, so – dass bei der Beendigung des externen Treibens ein Signalwechsel entsteht, der als Quittungsimpuls ausgewertet werden kann.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, – dass der Quittungsmodus durch einen auf den zweiten Anschluß (6) wirkenden externen Treibeimpuls, der einen über dem Schwellenwert liegenden Strom durch den zweiten Anschluß (6) bewirkt, gesteuert werden kann, wobei bei einem Treibeimpuls – bei Erreichen einer bestimmten Zahl von Treibeimpulsen der Quittungsmodus beendet wird, und – vor Erreichen der bestimmten Zahl von Treibeimpulsen der schwächlich getriebene logische Spannungspegel umgekehrt wird.
Integrierte Schaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, – dass sie einen digitalen Lesemodus hat, bei dem eine Treiberstufe (11) digitale Datenbits seriell auf den zweiten Anschluß (6) treibt, und – dass das Weiterschalten zum nächsten Datenbit durch ein auf den zweiten Anschluß (6) wirkendes externes Treiben gesteuert wird, das einen Strom durch den zweiten Anschluß bewirkt, der über dem Schwellenwert liegt.
Integrierte Schaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, – dass sie Kommandodetektionsmittel hat, die den Spannungspegel am zweiten Anschluß (6) drei logischen Zuständen zuordnen: – einem ersten logischen Zustand, wenn der Spannungspegel unterhalb einer unteren Schwellenspannung (V_L) liegt, – einem zweiten logischen Zustand, wenn der Spannungspegel oberhalb einer oberen Schwellenspannung (V_H) liegt, – einem dritten logischen Zustand, wenn der Spannungspegel zwischen den beiden Schwellenspannungen liegt.
Integrierte Schaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet – dass sie einen Kompatibilitätsmodus hat, bei dem eine Treiberstufe (11) den zweiten Anschluß (6) auf einen Spannungspegel treibt, der so gewählt ist, – dass ein auf den zweiten Anschluß wirkendes externes Treiben in Richtung der Spannung am ersten Anschluß (5) einen Strom bewirkt, der den Schwellenwert überschreitet, und der aus dem zweiten Anschluß herausfließt, – dass ein auf den zweiten Anschluß wirkendes externes Treiben in Richtung der Spannung am dritten Anschluß (7) einen Strom bewirkt, der den Schwellenwert überschreitet, und der in den zweiten Anschluß hineinfließt, – dass ein Ende des externen Treibens des zweiten Anschlusses bei Unterschreitung des Schwellenwerts erkannt und als „Busfloat"-Signal ausgewertet wird, – dass nach einer bestimmten Zahl solcher „Busfloat"-Signale, die fest vorgegeben oder durch die Kommandoinformation programmiert ist, der Kompatibilitätsmodus beendet wird.
Verfahren zum Betrieb einer Integrierten Schaltung (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet – dass der erste Anschluß (5) an eine erste Stromversorgungsleitung (17) angeschlossen ist, – dass der dritte Anschluß (7) an eine zweite Stromversorgungsleitung (16) angeschlossen ist, – dass an den zweiten Anschluß (6) der Mehrzweck-Eingangs/Ausgangsanschluß (20) eines Wirts (21) angeschlossen ist, wobei – der Mehrzweck-Eingangs/Ausgangsanschluß (20) Treiberelemente (27, 28) hat, die den zweiten Anschluß in Richtung der Spannungen sowohl der ersten Stromversorgungsleitung (17) als auch der zweiten Stromversorgungsleitung (16) treiben können, so – dass durch dieses externe Treiben des zweiten Anschlusses (6) der Wirt einen Strom durch den zweiten Anschluß (6) bewirken kann, der den Schwellenwert der Kommandodetektionsmittel (3) überschreitet, – dass der Wirt seine Treiberelemente (27, 28) dazu benutzt, um – im Kommandoempfangsmodus der Integrierten Schaltung (1) Kommandoinformationen zu dieser zu senden, – zur Beendigung des Analogsignalaufbereitungsmodus der Integrierten Schaltung (1) gegen das am zweiten Anschluß (6) anliegende Analogsignal zu treiben.
Verfahren zum Betrieb mehrerer Integrierter Schaltungen (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12 auf einem bidirektionalen Mischsignal-Eindrahtbus (19), dadurch gekennzeichnet, – dass die Integrierten Schaltungen (1) jeweils eine Adresse haben, – dass die Kommandoinformation eine Adressinformation enthält, die eine der an den Bus (19) angeschlossenen Integrierten Schaltungen (1) selektiert, – dass die selektierte Integrierte Schaltung das Kommando ausführt und dabei den Bus mit Signalen belegt, – dass die nichtselektierten Integrierten Schaltungen während der Ausführung des Kommandos durch die selektierte Integrierte Schaltung in einem Leerlaufmodus sind, – dass die im Leerlaufmodus befindlichen Integrierten Schaltungen den Spannungspegel am Bus drei logischen Zuständen zuordnen, – einem ersten logischen Zustand, wenn der Spannungspegel unterhalb einer unteren Schwellenspannung (V_L) liegt, – einem zweiten logischen Zustand, wenn der Spannungspegel oberhalb einer oberen Schwellenspannung (V_H) liegt, – einem dritten logischen Zustand, wenn der Spannungspegel zwischen den beiden Schwellenspannungen liegt, – dass die im Leerlaufmodus befindlichen Integrierten Schaltungen Folgen der besagten drei logischen Zustände auf dem Bus bewerten, um ein Endekriterum für den Leerlaufmodus festzustellen, – dass sie beim Auftreten einer Zustandsfolge, auf die das Endekriterium zutrifft, den Leerlaufmodus beenden.
Verfahren zum Betrieb Integrierter Schaltungen (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12 zusammen mit mindestens einem Wirt (21) und mindestens einer herkömmlichen integrierten Schaltung auf einem bidirektionalen Mischsignal-Eindrahtbus (19), dadurch gekennzeichnet – dass die Integrierten Schaltungen (1) vor der Aktivierung der herkömmlichen integrierten Schaltung vom Wirt (21) mit einem Kommando in einen Kompatibilitätsmodus geschaltet werden, in dem sie feststellen können, ob entweder der Wirt (21) oder die herkömmliche integrierte Schaltung den Bus aktiv treibt, – dass das gleichzeitige Ausbleiben eines Treibens des Bus durch den Wirt und die herkömmliche integrierte Schaltung als „Busfloat"-Signal ausgewertet wird, – dass von den Integrierten Schaltungen (1) nach einer bestimmten Zahl solcher „Busfloat"-Signale, die fest vorgegeben oder durch die Kommandoinformation programmiert ist, der Kompatibilitätsmodus beendet wird.