AS-Interface hat sich in den letzten Jahren aufgrund seines breiten Anwendungsspektrums, seiner hohen Toleranz gegenüber Störungen und vor allem aufgrund seiner einfachen Handhabung im Bereich der Anlagenautomatisierung global etabliert. Eine installierte Basis von weltweit über 16 Mio. Knoten spricht für sich.

Gerade bei der Inbetriebnahme neuer Anlagen, aber auch während des Betriebes treten trotz aller Einfachheit des Systems gelegentlich Probleme auf, die schnell zu unerwünschten und oft teuren Anlagenstillständen führen können. Die Ursachen werden fälschlicherweise häufig in der Anwendungssoftware der Anlage vermutet. Die Erfahrung lehrt jedoch, dass die Mehrzahl der auftretenden Probleme auf Fehler in der Auslegung, auf einzelne gestörte Teilnehmer und/ oder unsachgemäße Installation zurückzuführen ist.

Die Richtlinie VDI/VDE 2184 beschreibt die Planung, die Montage, die Inbetriebnahme und den Betrieb von Feldbus- Systemen und zeigt auf, welche Konzepte, Methoden und Werkzeuge anwendbar sind, um zuverlässige Kommunikationssysteme für die industrielle Praxis zu realisieren. Zuverlässigkeit bedeutet aus dieser Sicht nicht nur die Fehlerfreiheit der übertragenen Daten, sondern auch die Störungsfreiheit des Gesamtsystems sowie seine Fähigkeit, die Daten innerhalb vorhersagbarer fester Zeitintervalle übertragen zu können.

Augen auf für gute Signalqualität

Gemäß dieser Richtlinie ist das Bestimmen der Signalintegrität aller Teilnehmer und aller Telegramme auf dem Physical-Layer die Grundlage für eine Prüfung der Zuverlässigkeit des Gesamtsystems. Nur so lassen sich gezielt Ursachen aufspüren sowie Fehler beseitigen beziehungsweise Verbesserungen vornehmen.

Durch eine Optimierung der Signalqualität arbeitet der Bus zuverlässiger und ist resistenter gegen EMV-Einflüsse. Umso erstaunlicher ist es, dass eine quantitative Bestimmung der Signalqualität bei AS-Interface bislang gar nicht möglich war.

Eine optimale Signalintegrität - das heißt die möglichst unverfälschte Übertragung der Digitalsignale auf einem Bus - überprüft der Messtechniker meist mit einem Oszilloskop, auf dem er die so genannten „Augendiagramme" qualitativ auswertet. Dabei handelt es sich um aus vielen Abtastungen gesammelte und visuell „übereinandergelegte" High-Low-Pegelwechsel, die das Bild eines „Auges" ergeben.

Die Analyse solcher Augendiagramme ergibt ein Gesamtbild bezüglich der Signalintegrität. Das Bild besteht aus zwei Komponenten: der Signalamplitude (die Auslenkung in Y-Richtung) und dem Jitter, also den Timing-Ungenauigkeiten bei den High-Low-Übergängen (die Auslenkung in X-Richtung).

Was lässt sich nun aus einem solchen Augendiagramm schließen? Je offener das Auge ist, desto besser ist die Signalqualität. Ist das Auge ganz geschlossen, ist keine Unterscheidung zwischen den 1-Signalen und 0-Signalen mehr möglich. Einzelne Linien, die durch die Augenöffnung laufen, deuten auf einzelne fehlerhafte Übertragungen hin.

Die vertikale Augenöffnung zeigt, wie empfindlich die Übertragung gegenüber Amplitudenstörungen ist. Die horizontale Augenöffnung gibt den zeitlichen Bereich an, in dem eine korrekte Abtastung möglich ist. Aus der Augenhöhe und Augenweite lassen sich im Detail folgenden Fehlerquellen identifizieren:

• Fehler des Senders,
• Verzerrungen der Übertragungsstrecke,
• Rauschen und elektromagnetische Störungen.

Zwei Probleme sind noch zu überwinden

Bevor nun das Werkzeug Augendiagramm in der Praxis bei Feldbussen einsetzbar ist, gilt es, zwei Probleme zu lösen:

1. Das Problem der Taktrückgewinnung

Bei Signalen serieller Bussysteme wie FlexRay, Profibus PA und auch AS-Interface, bei denen der Takt im Datensignal selbst enthalten ist, muss zur korrekten Darstellung dieser Augendiagramme der Takt aus dem Datensignal am Empfangsbeziehungsweise Mess-Ort exakt rekonstruiert werden. Nur so lassen sich die digitalisierten Kurven in Segmente zerlegen und zu einem Augendiagramm übereinander projizieren.

Will man ein daraus resultierendes, so genanntes „Echtzeit-Auge" genau ermitteln, ist die entscheidende Komponente der Programmteil in der Betriebssoftware des Diagnosegerätes, der den Takt wieder gewinnt. Üblicherweise arbeiten derartige Algorithmen so, dass sie die Taktrekonstruktions-Hardware eines realen Empfängers emulieren.

Beispiel für ein typisches Doppel-Augendiagramm eines AS-Interface-Slave (Screendump) mit Angabe der daraus errechneten Signalqualität.

© ICS, AS-International Association

2. Die Besonderheiten des Modulationsverfahrens

Das zweite Problem ist, dass auf die Besonderheiten des Modulationsverfahrens Rücksicht genommen werden muss, um alle verfügbaren Informationen aus dem Signal herauslesen zu können. Im Fall von AS-Interface kommt als Modulationsverfahren APM (Alternating Pulse Modulation) zum Einsatz. APM nutzt einen bipolaren Code und verwendet nicht rechteckige, sondern sin2-geformte Pulse. Ein positiver Puls bedeutet eine „1", ein negativer Puls eine „0". Für Zwecke des Augendiagramms ist wichtig, dass diese Information nur in der jeweils zweiten Bithälfte enthalten ist.

Um den Code gleichstromfrei zu halten, wird - bei einer Folge 0-0 oder 1-1 - ein Puls umgekehrter Polarität eingeschoben. Wenn eine Folge 0-1 oder 1-0 übertragen wird, entfällt dieser Puls. Wegen dieser Besonderheiten ist es notwendig, das Augendiagramm als „Doppelauge" mit der ersten Bithälfte auf der linken und der zweiten Bithälfte auf der rechten Seite darzustellen, wie im Bild zu sehen ist. Das linke Auge darf und wird auch in der Regel geschlossen sein. Ein eventuell dort vorhandener Puls enthält keine Nutzinformation. Das rechte Auge hingegen muss offen sein, weil sonst ein Verstoß gegen die Codier-Regeln von APM vorläge. Die rote Kurve kennzeichnet den Startpuls des Telegramms, der zur Normierung der Amplitude und zur zeitlichen Synchronisation verwendet wird.

Ein solches Augendiagramm kann nun für jeden im Netzwerk aktiven Sender aufgenommen werden. Die grauen Flächen dienen der Orientierung: Die Kurven eines guten Signals sollen nicht durch sie hindurch laufen.

Die Messung der Signalqualität

Die richtige Interpretation des AS-Interface- Augendiagramms erfordert eine gewisse Erfahrung, die nur bei wenigen Anwendern vorausgesetzt werden darf. Die Anwender sollen sich ja auf ihre Automatisierungsaufgabe konzentrieren und nicht zusätzlich noch Messtechnik- oder Feldbus-Spezialist sein müssen.

Es ist daher notwendig, aus dem Augendiagramm einfache, aber aussagefähige Maßzahlen zu gewinnen, die eine automatisierte Bewertung zulassen. Hierzu bietet es sich an, die Augenöffnung mit zwei Zahlen zu bewerten: der Pulshöhe (Y-Richtung) und dem Zeitraster (XRichtung).

Zusammenhang zwischen der Telegrammfehlerrate und der Signalqualität: Die Maßzahl für die Signalqualität ist gerade bei kleinen Fehlerraten ein guter Indikator für die im Netzwerk vorhandene „Betriebsreserve

© ICS, AS-International Association

Pulshöhe

Ein qualitativ ausreichend gutes AS-Interface- Signal, das von jedem Empfänger fehlerfrei zu empfangen sein muss, erfüllt folgende Voraussetzungen bezüglich seiner Signalamplitude:

• Es hat eine Signalamplitude von mehr als 3 Vss
• und die Pulse haben eine Amplituden- Differenz kleiner 30 %.

Die Maßzahl für die Pulshöhe bewertet die vertikale Augenöffnung beider Au gen. Mit 150 % wird ein Telegramm bewertet, das eine Signalamplitude von mindestens 4,5 Vss aufweist und bei dem die Amplituden aller Pulse gleich groß sind. Mit 0 % würde ein „Telegramm" bewertet, bei dem die Amplitude des 1. Pulses gleich Null ist. Die Differenz zwischen der maximalen Amplitude (Spitzenwerte) und der minimalen Amplitude führt zu einer Abwertung des Pulshöhen- Ergebnisses.

Zeitraster

Bezüglich seines Zeitverhaltens hat ein qualitativ ausreichend gutes AS-Interface Signal folgende Voraussetzungen zu erfüllen:  Die einzelnen Pulse stehen zueinander in einem Zeitraster, das - bezogen auf den ersten negativen Puls - eine maximal zulässige Toleranz von +1 μs/-0,5 μs aufweist.

Das Zeitraster bewertet die horizontale Augenöffnung beider Augen. Mit 150 % wird ein Telegramm bewertet, das optimal im Zeitraster liegt, bei dem also alle Kurven exakt zum Sollzeitpunkt die Triggerschwelle durchlaufen. Mit 0 % würde ein Telegramm bewertet, bei dem außer dem ersten Puls kein weiterer Puls die Triggerschwelle überschreitet.

Die Skala dazwischen ist linear. In der Regel ergeben sich in realen Netzwerken Werte kleiner 140 %. Die Umrechnung auf eine etwas willkürlich erscheinende Prozent-Skala hat den Zweck, die beiden Werte vergleichbar zu machen. Als Gesamt-Signalqualität wird der kleinere der beiden Werte verwendet.

Autor: Dr. Andreas Schiff, Geschäftsführer der Firma ICS in Tettnang