Brevet FR2752126A1 — publié le 19980206

SYSTEME DE TÉLEALIMENTATION D' ÉELMENTS CONNECTES À UN RÉSEAU La présente invention concerne un réseau local de type industriel ou domestique, destiné à la commande et/ou au contrôle de divers appareils grâce à un ou plusieurs ordinateurs distribués. L'invention concerne plus particulièrement un système permettant l'alimentation en puissance des appareils connectés au réseau par l'intermédiaire du réseau lui-même (téléalimentation). Il est généralement nécessaire d'alimenter chacun des éléments connectés à un réseau, ne serait-ce que pour alimenter les circuits d'interface de ces éléments avec le réseau. Le plus souvent, les éléments du réseau ne se trouvent pas dans un même boîtier, d'o il résulte que chaque élément doit être alimenté en puissance individuellement, ce qui augmente le coût de l'installation. Les réseaux téléphoniques, par exemple, évitent ce problème par une téléalimentation des postes téléphoniques. Toutefois, un réseau téléphonique ne peut fournir qu'une puissance limitée du fait de l'impédance relativement élevée des lignes et de la présence d'impédances de terminaison. Il existe également des réseaux dits "à courant porteur" qui permettent de véhiculer des informations sur la tension du secteur qui alimente les éléments du réseau. Toutefois, il est nécessaire de prévoir des transformateurs d'abaissement pour alimenter les éléments, ce qui augmente le coût et l'encombrement. Un autre inconvénient des réseaux téléphoniques ou à courant porteur est que le débit d'échange d'informations est particulièrement faible. Dans des réseaux à débit élevé, on pourrait envisager de transporter l'énergie sur des fils séparés de ceux qui véhiculent les informations. Une telle solution nécessite toutefois l'emploi de câbles et connecteurs spécifiques et donc notablement plus coûteux que ceux utilisés traditionnellement dans les réseaux. Par ailleurs, le fait de prévoir des fils supplémentaires augmente les risques d'erreur de câblage lors de l'installation ou le dépannage du réseau, à tel point que les utilisateurs préfèrent alimenter les éléments du réseau individuellement. Un objet de la présente invention est de prévoir un système de téléalimentation peu coûteux et peu encombrant sur un réseau de débit élevé. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un tel système qui puisse fournir une puissance importante et utiliser des câbles d'interconnexion de type normalisé sans risque d'erreur de connexion. Ces objets sont atteints grâce à un procédé d'alimentation en puissance d'éléments connectés en un réseau du type bus bifilaire dans lequel des trames d'information de longueur prédéterminée sont émises à des instants prédéterminés. Le procédé comprend l'étape consistant à envoyer régulièrement sur le bus bifilaire une impulsion d'alimentation entre la fin d'une trame d'information et le début de la trame suivante. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les débuts de trame sont déterminés par un élément maitre du réseau qui envoie également les impulsions d'alimentation. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le niveau des impulsions d'alimentation correspond à un niveau d'absence de donnée sur le bus bifilaire. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le bus comporte des impédances terminales qui sont déconnectées au début des fronts initiaux des impulsions d'alimentation. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les fils du bus sont court-circuités au début des fronts finaux des impulsions d'alimentation. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les impédances terminales sont connectées de nouveau au bus à la fin des fronts finaux des impulsions d'alimentation. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les impulsions d'alimentation sont fournies par la fermeture d'un interrupteur qui est rouvert un intervalle de temps prédéterminé avant le début de la trame suivante, de manière que le niveau sur le bus atteigne son niveau de repos avant le début de la trame suivante. Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1 représente schématiquement un réseau sur lequel sont connectés des éléments prévus pour permettre une téléalimentation selon l'invention, et la figure 2 représente un exemple d'évolution de signal véhiculé sur le réseau de la figure 1 selon l'invention. La présente invention utilise un réseau de type bus bifilaire classique, c'est-à-dire dans lequel tous les éléments sont connectés à une même paire de conducteurs pour échanger des informations. Pour téléalimenter les divers éléments connectés au bus bifilaire, la présente invention propose d'émettre sur les fils du bus des impulsions de tension d'alimentation parmi les trames d'information. Les divers éléments connectés au bus sont alors prévus pour exploiter ces impulsions d'alimentation. Du fait que seulement deux fils véhiculent à la fois les trames d'information et l'alimentation en puissance, on peut utiliser des câbles et connecteurs normalisés de faible coût. De préférence, on utilisera un câble coaxial avec lequel aucune erreur d'inversion de polarité n'est possible. Les câbles coaxiaux les plus courants permettent de véhiculer des puissances relativement importantes pouvant atteindre plusieurs centaines de watts sans échauffement. L'envoi d'impulsions de tension d'alimentation ne peut s'effectuer dans un réseau de protocole quelconque sans risquer de provoquer des erreurs du fait que les impulsions d'alimentation puissent être interprétées comme des données ou qu'elles masquent des trames de données émises en même temps. Par le terme "trame" on désigne toute succession ininterrompue d'informations circulant sur le réseau. Le procédé de téléalimentation selon l'invention ne peut être mis en oeuvre qu'avec un protocole synchrone selon lequel les trames de données sont de longueur prédéterminée et émises à des instants également prédéterminés. Les longueurs de trame et les instants d'émission doivent être connus à l'avance d'un élément qui génère les impulsions d'alimentation. Un exemple de protocole synchrone, selon lequel les trames sont de longueur constante et émises périodiquement, est décrit dans la demande de brevet PCT WO-96/07259. La figure 1 représente schématiquement un réseau de type bus o les divers éléments sont prévus pour mettre en oeuvre un protocole de communication synchrone, du type décrit dans la demande de brevet citée ci-dessus. Par ailleurs, chacun des éléments de ce réseau est prévu pour mettre en oeuvre le procédé de téléalimentation selon l'invention. Ce réseau comprend un élément maître M, plusieurs éléments esclave Nl à N3, et des éléments de terminaison 10, tous reliés à une même liaison L de type bus bifilaire. L'un des fils du bus, le neutre, est relié à la masse dans chacun des éléments du réseau, et l'autre fil constitue le point chaud. Selon l'invention, chacun des éléments qui doit être alimenté comporte une capacité C dont une borne est directement connectée à la masse, c'est-à-dire au neutre de la liaison L, et dont l'autre borne est reliée au point chaud de la liaison L par l'intermédiaire d'une diode D. La tension d'alimentation Vp d'un élément est prélevée aux bornes de la capacité C et éventuellement régulée par un régulateur de tension 12 pour fournir une tension régulée Vcc aux circuits qui l'exigent. L'élément maître M est prévu pour gérer les échanges d'information sur le réseau de manière synchrone, par exemple de la manière décrite dans la demande de brevet W0-96/07259 susmentionnée. Par ailleurs, cet élément maître M est chargé de la téléalimentation. Pour cela, l'élément maître M comprend un interrupteur SP reliant une tension Vp fournie par une source d'alimentation 14 au point chaud de la liaison L. Le neutre de la liaison L est relié à la masse de l'élément maître M et de la source d'alimentation 14. Chaque élément maître ou esclave comprend en outre, de manière classique, un amplificateur de réception Rx dont l'entrée est reliée au point chaud de la liaison L, et un amplificateur d'émission Tx, dont la sortie est reliée au point chaud de la liaison L. Dans les éléments esclave N, les amplificateurs Rx et Tx sont par ailleurs reliés à un circuit d'interface 16 destiné à communiquer avec un circuit d'application 18. Le circuit d'application 18 est prévu pour être alimenté à partir de la tension Vp prélevée sur les bornes de la capacité C de l'élément esclave N correspondant. Selon une variante, on prévoit un interrupteur SA qui est commandé, selon une programmation de l'interface 16, pour interrompre l'alimentation du circuit 18 à partir de la tension Vp. L'interrupteur SA est ouvert, par exemple, si le circuit d'application 18 comporte déjà une alimentation individuelle, ou bien si l'on détecte une anomalie ou une surconsommation de courant de ce circuit. Dans l'élément maître M, les amplificateurs Rx et Tx sont par ailleurs reliés à un circuit de gestion de protocole 20. Le circuit 20 est prévu, dans l'exemple de la demande de brevet W096/07259 susmentionnée, pour provoquer périodiquement l'envoi sur la liaison L d'une trame de longueur constante. Il n'est pas utile pour comprendre la présente invention de connaître le contenu de ces trames et la façon dont elles sont exploitées. Bien entendu, la longueur des trames est inférieure ou égale à la période des trames. En fait, le protocole décrit dans la demande de brevet W0-96/07259 est également destiné à fonctionner avec un réseau de type point à point. Dans un réseau de type point à point, une trame arrivant sur un élément peut avoir traversé plusieurs autres éléments et avoir subi un retard correspondant. Le fait de fixer à la fois la période et la longueur des trames permet de créer un temps de latence entre la fin d'une trame et le début de la trame suivante permettant de compenser les retards dans le réseau. Selon l'invention, ce temps de latence, pendant lequel aucune trame n'est susceptible d'être présente sur la liaison L, est utilisé pour envoyer une impulsion de téléalimentation. Le cas échéant, ce temps de latence est augmenté pour accroître la puissance transmissible. Pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention, l'élément maître M comprend, par exemple, un compteur 22 prévu pour décompter la durée Dt d'une trame. Ce compteur 22 est validé par un signal GO fourni par le circuit de gestion de protocole 20 à chaque début de trame. Lorsque la durée de trame a été décomptée par le compteur 22, ce dernier démarre un compteur 23 destiné à décompter la durée Pt d'une impulsion d'alimentation. Pendant ce décomptage, le compteur 23 commande l'interrupteur SP à la fermeture par un signal P. Bien entendu, la somme des durées Dt et Pt est inférieure à la période d'envoi des trames. Le fonctionnement de la téléalimentation sera mieux comprise en relation avec la description de la figure 2. Dans un réseau de type bus, la liaison L se termine classiquement, à chaque extrémité, par une impédance terminale Z de valeur relativement faible (de l'ordre de 50 à 120 Q), destinée à éviter les phénomènes de réflexion. Une telle impédance est susceptible de dissiper inutilement une partie de la puissance fournie par les impulsions d'alimentation. Pour éviter ceci, les impédances terminales sont remplacées par des éléments terminaux 10 selon l'invention. Chaque élément terminal 10 comprend une impédance terminale Z reliée entre le point chaud et le neutre de la liaison L par l'intermédiaire d'un interrupteur SI. Un détecteur de seuil 25 reçoit le niveau de tension sur la liaison L et ouvre l'interrupteur SI lorsque le niveau de tension dépasse un seuil fixe Vzoff. Le seuil Vzoff est choisi au- dessus du niveau maximal V1 atteint sur la liaison L lors de la transmission d'une trame. De cette manière, la consommation de courant inutile dans l'impédance Z est annulée aussitôt que possible. Par ailleurs, l'élément terminal 10 comprend un interrupteur S2 relié entre les bornes de l'impédance Z. Un circuit de commande 27 est associé au détecteur de seuil 25 pour fermer les deux interrupteurs SI et S2, donc court-circuiter les deux lignes de la liaison L, lorsque le niveau de tension sur la liaison L atteint, en décroissant, une valeur seuil Vd inférieure au niveau maximal Vp des impulsions d'alimentation. Ce circuit de commande 27 ouvre l'interrupteur S2, donc connecte normalement l'impédance terminale Z à la liaison L, lorsque le niveau de tension sur la liaison atteint, en décroissant, une valeur seuil VZon supérieure au niveau maximal Vl des trames. Bien entendu, un élément terminal 10 est alimenté comme les éléments esclave N à partir d'une capacité C qui est chargée par l'intermédiaire d'une diode D lors des impulsions d'alimentation. La figure 2 illustre un exemple d'évolution du niveau de tension VL sur la liaison L dans le réseau de la figure 1. A un instant t0, le signal GO est activé par le circuit de commande 20 pour indiquer le début de la transmission d'une trame sur la liaison L. Aussitôt, le compteur 22 se met à décompter la durée Dt de la trame tandis que la trame est transmise. La tension VL sur la liaison varie entre un niveau bas V0 et un niveau haut V1 en fonction des données transmises dans la trame. La trame se termine à un instant t1 et le compteur 23 est validé pour décompter la durée Pt de l'impulsion d'alimentation. Le signal P est activé, ce qui ferme l'interrupteur SP et connecte le point chaud de la liaison L à la tension Vp fournie par la source de puissance 14. La tension VL se met à croître pendant que les capacités C sont chargées par l'intermédiaire des diodes D. Lorsque la tension VL atteint le seuil Vzoff, comme cela a été décrit précédemment, les impédances terminales Z sont déconnectées de la liaison L par l'ouverture de l'interrupteur Sl dans chaque élément terminal 10. A un instant t2, la valeur maximale Vp de l'impulsion d'alimentation est atteinte. Les capacités C sont alors chargées pratiquement à la tension Vp. A un instant t3, le compteur 23 a décompté la durée Pt de l'impulsion d'alimentation. L'interrupteur SP est rouvert et la tension VL décroît, ce qui correspond à la décharge des capacités des lignes de la liaison L. Les condensateurs C ne se déchargent pas par l'intermédiaire de la liaison L, du fait que les diodes D sont alors polarisées en sens inverse. A un instant t4, la tension VL atteint la valeur seuil Vd provoquant la fermeture des deux interrupteurs S1 et S2 dans chaque élément terminal 10. Les lignes de la liaison L sont alors court-circuitées et se déchargent très rapidement. A un instant t5, la tension VL atteint le seuil VZon provoquant l'ouverture de l'interrupteur S2 de chaque élément terminal 10, et donc la connexion des impédances terminales Z aux lignes de la liaison L. Les lignes finissent par se décharger relativement rapidement à travers les impédances Z pour atteindre un niveau en principe nul. De préférence, le niveau final de décharge correspond à une absence de donnée sur la liaison L afin de ne pas être pris erronément pour une donnée par un élément esclave N. Pour cela, l'élément maître M pourra être prévu pour forcer les lignes au repos à un niveau d'absence de donnée, tel que le niveau haut V1 dans l'exemple de la figure 2. Si le niveau bas V0, correspondant à une présence de donnée, est choisi négatif, on pourra laisser les lignes atteindre le niveau nul sans risquer une interprétation erronée des éléments esclave N. A un instant t6 débute la trame suivante par l'activation du signal GO. Bien entendu, l'interrupteur SP doit avoir été ouvert suffisamment tôt pour que le niveau de tension de la liaison L ait bien atteint sa valeur de repos avant l'instant t6. On choisit pour cela convenablement la durée Pt de fermeture de l'interrupteur SP en fonction de la capacité de la liaison L. On notera que la figure 2 n'est pas tracée à l'échelle pour des raisons de clarté. Le seuil Vd est en pratique choisi aussi proche que possible de la valeur maximale Vp de l'impulsion d'alimentation et le seuil Vzon est choisi aussi proche que possible de la valeur Vl. Un certain écart doit être respecté pour éviter que les seuils Vd et VZon ne soient franchis par des ondulations parasites de la tension VL. La valeur seuil Vzoff est choisie pour obtenir un compromis entre la limitation de la puissance consommée dans les impédances terminales Z et l'efficacité de la suppression des réflexions parasites. La puissance transmise aux éléments du réseau peut être réglée en ajustant l'amplitude des impulsions de tension ainsi que leur durée Pt. Bien entendu, les amplificateurs Rx et Tx des éléments du réseau, qui restent connectés au point chaud de la liaison L, doivent être conçus pour supporter le niveau maximal des impulsions d'alimentation. Le protocole décrit dans la demande de brevet WO- 96/07259 susmentionnée permet de réaliser les éléments esclave N de manière particulièrement simple. Notamment, chaque élément esclave N se contente, sans interaction aucune avec l'élément maître M, de recevoir chaque trame pour y reconnaître des données qui lui sont destinées ou bien une autorisation d'émettre des données dans la trame. Dans ce cas, les impulsions de tension sont de préférence d'un niveau correspondant au niveau inactif des trames (le niveau haut à la figure 2), de manière que les éléments esclave n'interprètent pas les impulsions d'alimentation comme des données. Si le niveau des impulsions d'alimentation ne peut pas être choisi selon ce critère, chaque élément esclave doit être muni d'un circuit destiné à déconnecter au moins l'amplificateur de réception Rx de la liaison L lors de la survenue des impulsions d'alimentation, ce qui augmente la complexité. De nombreuses variantes et modifications de la présente invention apparaîtront à l'homme du métier. Notamment, les durées des trames et les périodes d'émission de celles-ci peuvent varier, pourvu que leurs valeurs soient connues à l'avance par l'élément qui génère les impulsions d'alimentation, ici l'élément maître. Si les durées et les périodes varient, il suffit de reprogrammer les compteurs 22 et 23 afin que les impulsions d'alimentation soient contenues entre la fin de chaque trame et le début de la trame suivante. R-EVEDICATIONS 1. Procédé d'alimentation en puissance d'éléments (N) connectés en un réseau du type bus bifilaire (L) dans lequel des trames d'information de longueur prédéterminée (Dt) sont émises à des instants prédéterminés, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape consistant à envoyer régulièrement sur le bus bifilaire une impulsion d'alimentation (Vp) entre la fin (t1) d'une trame d'information et le début (t6) de la trame suivante. 2. Procédé d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les débuts de trame sont déterminés (GO) par un élément (M) maître du réseau qui envoie également les impulsions d'alimentation. 3. Procédé d'alimentation selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le niveau des impulsions d'alimentation correspond à un niveau d'absence de donnée sur le bus bifilaire. 4. Procédé d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bus comporte des impédances terminales (Z) qui sont déconnectées au début (VZoff) des fronts initiaux des impulsions d'alimentation. 5. Procédé d'alimentation selon la revendication 4, caractérisé en ce que les fils du bus (L) sont court-circuités au début (Vd) des fronts finaux des impulsions d'alimentation. 6. Procédé d'alimentation selon la revendication 4 ou , caractérisé en ce que les impédances terminales sont connectées de nouveau au bus à la fin (Vzon) des fronts finaux des impulsions d'alimentation. 7. Procédé d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'impulsion d'alimentation est fournie par la fermeture d'un interrupteur (SP) qui est rouvert un intervalle de temps prédéterminé avant le début de la trame suivante, de manière que le niveau sur le bus atteigne son niveau de repos avant le début de la trame suivante.