DE10133378A1

DE10133378A1 - Verfahren und System zur Signalübertragung in Kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE10133378A1
Application number: DE2001133378
Authority: DE
Inventors: Joachim Froeschl; Josef Krammer; Michael Kaindl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2001-07-10
Filing date: 2001-07-10
Publication date: 2003-01-23

Abstract

Die Erfindung betrifft die Übertragung von digitalen Signalen in einem Kraftfahrzeug über eine einadrige Schnittstelle, wobei die digitalen Signale als Spannungspuls-Signale übertragen werden und die in den Signalen enthaltene Information daraus erkannt wird, daß der jeweilige Spannungspuls eine Pulshöhe in einem vorgegebenen Pulshöhenbereich hat. Das Kraftfahrzeug weist ein Bordnetz zur elektrischen Versorgung auf, das zumindest zwei Teilbereiche mit verschiedenen Nennspannungen hat. Die von dem Bordnetz aufgebrachte Nutzspannung, die zur Erzeugung eines über die einadrige Schnittstelle zu übertragenden Spannungspulses in dem Pulshöhenbereich mit der größten Pulshöhe genutzt wird, wird auf einen maximalen Spannungswert begrenzt, der in dem Betriebsintervall des Bordnetz-Teilbereichs mit der niedrigsten Nennspannung oder darunter liegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Übertragung von digitalen Signalen in einem Kraftfahrzeug. Die digitalen Signale weisen zumindest einen Spannungspuls auf. Die Information, die in den Signalen enthalten ist, wird daraus erkannt, daß die Pulshöhe des zumindest einen Spannungspulses in einem vorgegebenen Pulshöhenbereich liegt.

Diese Art der Signalübertragung ist im Vergleich zu einer Signalübertragung über mehradrige, sogenannte parallele Schnittstellen mit geringem Aufwand realisierbar.

Die Signalübertragung über einadrige Schnittstellen erfolgt in einem Kraftfahrzeug zum Beispiel über einen Datenbus, an den funktionale Einheiten angeschlossen sind, wie Steuereinheiten zur Steuerung von Motorfunktionen, Sensoren, Fensterheber und Bedienteile zur Bedienung von Fahrzeugfunktionen.

Üblicherweise werden über einen solchen Datenbus verhältnismäßig einfache Signale übertragen. Die Signalübertragung kann jedoch mit hoher Geschwindigkeit erfolgen. Zum Beispiel beträgt die Pulsdauer etwa 50 Mikrosekunden.

Es ist bekannt, über eine einadrige Schnittstelle binäre Signale zu übertragen. Insbesondere wird ein Spannungspuls mit einer Pulshöhe in einem ersten Pulshöhenbereich als "1" interpretiert. Ein zweiter Pulshöhenbereich, der den ersten Pulshöhenbereich nicht überlappt, definiert den Bereich, in dem ein Spannungspuls als "0" interpretiert wird.

Übliche Bordnetze zur elektrischen Versorgung von elektrischen und/oder elektronischen Einheiten in Kraftfahrzeugen haben eine Nennspannung von 12 Volt. Beispielsweise abhängig von dem Ladezustand einer Fahrzeugbatterie kann die tatsächliche von dem Bordnetz bereitgestellte Versorgungsspannung schwanken. Diese Versorgungsspannung kann von Treibereinheiten dazu genutzt werden, Spannungspulse in dem Pulshöhenbereich mit der größten Pulshöhe zu erzeugen, die zum Beispiel als "1" interpretiert werden. Dabei hat die Pulshöhe ungefähr den momentanen Wert der an der Treibereinheit anliegenden Versorgungsspannung. Um unabhängig von den üblichen Spannungsschwankungen zu sein, wird ein entsprechend weiter Pulshöhenbereich vorgegeben.

Zukünftige Bordnetze von Kraftfahrzeugen werden eine höhere Nennspannung haben, beispielsweise 24 oder 36 Volt. Wird die entsprechende Versorgungsspannung in der beschriebenen Weise zur Erzeugung von Pulssignalen genutzt, ergeben sich bei gleicher Pulsdauer wegen der größeren Pulshöhen steilere Spannungsflanken. Damit verbunden sind jedoch größere elektromagnetische Störfelder.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein System zur Übertragung von digitalen Signalen in Kraftfahrzeugen anzugeben, die bei geringem Realisierungsaufwand und bei guter elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) für andere Fahrzeugkomponenten eine hohe Übertragungsgeschwindigkeit ermöglichen.

Zumindest während der Phase der Umstellung der Bordnetze auf eine höhere Nennspannung werden die Bordnetze zweckmäßigerweise einen Teilbereich mit einer zweiten, niedrigeren Nennspannung haben. An diesen Teilbereich können elektrische und/oder elektronischen Einheiten angeschlossen werden, die für den Betrieb an heutigen Bordnetzen ausgelegt sind.

Ein wesentlicher Gedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die von dem Bordnetz aufgebrachte Nutzspannung, die zur Erzeugung eines über die einadrige Schnittstelle zu übertragenden Spannungspulses in dem Pulshöhenbereich mit der größten Pulshöhe genutzt wird, auf einen maximalen Spannungswert begrenzt wird, der in dem Betriebsintervall des Bordnetz- Teilbereichs mit der niedrigeren Nennspannung oder darunter liegt. Existieren mehr als zwei Nennspannungen in dem Bordnetz, dann übersteigt der maximale Spannungswert bevorzugtermaßen nicht die üblichen Werte des Bordnetz-Teilbereichs mit der niedrigsten Nennspannung.

Es kann somit an dem Konzept der oben beschriebenen einadrigen Signalübertragung festgehalten werden, wobei die gleiche Übertragungsgeschwindigkeit wie bisher erreicht werden kann und keine stärkeren elektromagnetischen Felder erzeugt werden.

Insbesondere können Treibereinheiten zur Erzeugung der Spannungspulse standardmäßig mit einer Begrenzungsschaltung zur Begrenzung der Nutzspannung auf den maximalen Spannungswert kombiniert werden, unabhängig davon, ob sie tatsächlich an einen Bordnetz-Teilbereich mit einer höheren Versorgungsspannung angeschlossen werden.

Die Bordnetz-Teilbereiche mit unterschiedlichen Nennspannungen können über einen Spannungswandler miteinander verbunden sein. Zumindest ein Teilbereich kann aber auch elektrisch von dem anderen Teilbereich oder den anderen Teilbereichen getrennt sein, wobei die Teilbereiche dennoch ein gemeinsames Referenzpotential haben können.

Es wird vorgeschlagen, die Begrenzungsschaltung möglichst einfach und kostengünstig auszugestalten. Bevorzugtermaßen ist die Begrenzungsschaltung deaktivierbar, um sie deaktivieren zu können, falls sie nicht erforderlich ist. Beispielsweise kann so ein Verluststrom durch die aktivierte Begrenzungsschaltung verhindert werden. Die Aktivierung und/oder Deaktivierung kann beispielsweise unter Berücksichtigung der momentanen Versorgungsspannung und/oder Nutzspannung und/oder unter Berücksichtigung des Bordnetz-Teilbereichs, vom dem die Begrenzungsschaltung versorgt wird, von einer elektronischen Steuereinheit vorgenommen werden. Insbesondere ist die Begrenzungsschaltung nach dem Einschalten der Treibereinheit zunächst immer aktiviert.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Sie ist jedoch nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt. Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Treibereinheit mit einer Spannungsbegrenzung und
Fig. 2 ein Bild zur Erläuterung von Betriebsarten einer Signalübertragung.
Fig. 1 zeigt Elemente einer Schaltung zur Erzeugung von Pulssignalen. Kollektor und Emitter eines Transistors 1 sind zwischen Massepotential M und einen Anschluß 7 geschaltet, über den die Pulssignale in Richtung einer einadrigen (nicht dargestellten) Schnittstelle ausgegeben werden können. Die Schnittstelle ist beispielsweise an einen Datenbus zur Übertragung der Pulssignale an andere elektrische und/oder elektronischen Einheiten angeschlossen. Die Basis des Transistor 1 ist über einen Anschluß 9 ansteuerbar, um die Pulssignale zu erzeugen.
Mit dem Anschluß 7 ist auch eine Diode 3 verbunden. Die Diode 3 ist so gepolt, daß sie im Sperrzustand ist, wenn ihre dem Anschluß 7 gegenüberliegende Seite auf niedrigerem Potential liegt. Sie ist über einen zweiten Widerstand R₂ und einen dazu in Serie geschalteten ersten Widerstand R₁ mit einem Anschluß 5 verbunden. Der Anschluß 5 dient dem Anschließen an das elektrische Bordnetz eines Kraftfahrzeugs.
Die Widerstände R₁ und R₂ bilden einen Spannungsteiler. Mit der Verbindung zwischen den Widerständen ist ein Schalter 13 verbunden, der wiederum mit einer Zenerdiode 11 verbunden ist. Die Zenerdiode 11 ist zwischen Massepotential M und den Schalter 13 geschaltet.
Der Schalter 13 kann von Hand ein- bzw. ausschaltbar sein. In diesem Fall wird der Schaltzustand, vorzugsweise einmalig, abhängig davon festgelegt, an welchen Bereich des Bordnetzes die Schaltung angeschlossen ist bzw. wird. Wird die Schaltung an einen Bereich mit niedriger Nennspannung angeschlossen, kann die im folgenden noch näher beschriebene Spannungsbegrenzung deaktiviert werden. Alternativ oder zusätzlich ist der Schalter elektronisch ansteuerbar (nicht dargestellt). Insbesondere werden der Transistor 1, die Zenerdiode 11 und der Schalter 13 als eine gemeinsame Baugruppe 15 ausgeführt.
Im folgenden wird davon ausgegangen, daß der Schalter 13 eingeschaltet ist. Ist an den Anschluß 5 das Bordnetz angeschlossen, dann befindet sich der Anschluß 7, abhängig von dem Schaltzustand des Transistors 1, entweder auf Massepotential oder auf einem höheren Potential. Der Höchstwert der Potentialdifferenz zu Massepotential im nichtleitenden Zustand des Transistors 9 hängt von dem Wert der Durchbruchspannung der Zenerdiode 11 ab. Durch die Zenerdiode 11 wird nämlich die Verbindung zwischen den beiden Widerständen R₁ und R₂ auf eine Potentialdifferenz zu Masse begrenzt, die im wesentlichen nicht größer als die Durchbruchspannung ist. Dadurch wird die Potentialdifferenz an dem Anschluß 7 auf einen Höchstwert begrenzt. Dieser Höchstwert entspricht dem Spannungshöchstwert der zwischen dem Anschluß 5 und Masse anliegenden Versorgungsspannung, der gerade eben zum Stromdurchbruch durch die Zenerdiode 11 ausreicht. Die zwischen dem Anschluß 7 und Masse anliegende Spannung ist die für die Erzeugung eines Pulssignals nutzbare Nutzspannung. Somit wird die Nutzspannung auf einen maximalen Wert begrenzt.
Bei einer alternativen Ausgestaltung sind eine Mehrzahl von Zenerdioden mit unterschiedlichen Durchbruchspannungen vorgesehen, wobei jeweils nur eine der Zenerdioden aktiv ist. Somit können unterschiedliche maximale Nutzspannungswerte eingestellt werden.
Fig. 2 zeigt eine vertikale Achse, an der Werte der Pulshöhe V von Pulssignalen aufgetragen sind, die über eine einadrige Schnittstelle übertragen werden können. Der unteren horizontalen Linie in Fig. 2 entspricht die Pulshöhe null. V_max ist der maximale Wert der Pulshöhe von Spannungspulsen aufgrund einer Begrenzung der Nutzspannung auf einen maximalen Spannungswert.
Die mit E₁ und E₃ bezeichneten Balken entsprechen Pulshöhenbereichen, in denen die Pulshöhe eines von einer elektrischen und/oder elektronischen Einheit empfangenen Spannungspulses als ein erster digitaler Wert (beispielsweise "0") interpretiert wird. Die mit E₂ und E₄ bezeichneten Balken entsprechen Pulshöhenbereichen, in denen die Pulshöhe eines von der Einheit empfangenen Spannungspulses als ein zweiter digitaler Wert (beispielsweise "1") interpretiert wird. Zwischen den Balken E₁ und E₂ bzw. E₃ und E₄ befindet sich jeweils ein Bereich nicht interpretierbarer Spannungspulse. Fällt die Pulshöhe eines Spannungspulses in diesen Bereich, dann kann die Pulshöhe nicht als digitaler Wert interpretiert werden.
Die Balken E₁ und E₂ entsprechen einem ersten Ausführungsbeispiel für die Definition von Pulshöhenbereichen und ihre Positionierung relativ zu dem Pulshöhenwert V_max. Das obere Ende des durch den Balken E₂ definierten Pulshöhenbereichs liegt bei V_max. Die Spannungsbegrenzung gewährleistet, daß die Pulshöhe nicht über V_max liegt.
Ein zweites Ausführungsbeispiel ist durch die Balken E₃ und E₄ dargestellt. Die Höhe des Balkens E₃ und damit des entsprechenden Pulshöhenbereichs ist größer als bei dem Balken E₁. Der Balken E₄ ist gegenüber dem Balken E₂ erweitert und in Richtung größerer Pulshöhe verschoben. Der Balken E₄ schließt den Wert V_max ungefähr am oberen Ende seines unteren Drittels ein.
Für das zweite Ausführungsbeispiel bedeutet dies, daß ein Toleranzbereich T₃ zwischen V_max und dem oberen Ende des Balkens E₄ besteht. Dieser Toleranzbereich erlaubt eine zuverlässige Pulshöhenerkennung trotz Schwankungen der Versorgungsspannung, wenn die Begrenzung der Nutzspannung deaktiviert ist.
Im rechten Bereich von Fig. 2 sind Balken I₁ und I₂ dargestellt, die den Pulshöhenbereichen entsprechen, in denen die erzeugten Pulshöhen während des ungestörten Betriebes liegen würden, wenn die Begrenzung der Nutzspannung deaktiviert ist. Die Bereiche der Balken I₁ und I₂ sind im Verhältnis zu den Bereichen der Balken E₁ und E₂ bzw. E₃ und E₄ klein gewählt, um eine Toleranz gegenüber Betriebsstörungen zu erhalten wie noch näher erläutert wird.
Der Balken I₂ liegt vollständig über dem Wert V_max, so daß bei eingeschalteter Begrenzung der Nutzspannung und im ungestörten Betriebeszustand immer eine Reduktion der entsprechenden Pulshöhe auf den Wert V_max stattfindet.
Bei einer Störung, d. h. bei einem unerwünschten Versatz der elektrischen Potentiale, aus der sich die Nutzspannung ergibt, können die Pulshöhen innerhalb bestimmter Toleranzbereiche immer noch richtig interpretiert werden. Der Toleranzbereich T₁ ist auf den Erkennungsbereich des Balkens E₁ bezogen und entspricht einem Versatz des Massepotentials in Richtung kleinerer Werte. Durch einen Versatz, der der Ausdehnung des Toleranzbereichs T₁ entspricht, wird eine Pulshöhe selbst dann noch richtig erkannt, wenn sie ohne den Versatz am oberen Ende des durch den Balken I₁ dargestellten Bereichs läge.
Der Toleranzbereich T₂ ist auf den Erkennungsbereich des Balkens E₄ bezogen und entspricht einem Versatz des oberen Versorgungsspannungs-Potentials, auf den eine Spannungsbegrenzung der Nützspannung unter Umständen nicht schnell genug reagieren kann. Durch einen Versatz, der der Ausdehnung des Toleranzbereichs T₂ entspricht, wird eine Pulshöhe selbst dann noch richtig erkannt, wenn sie ohne den Versatz am unteren Ende des durch den Balken I₂ dargestellten Bereichs läge.

Claims

1. Verfahren zur Übertragung von digitalen Signalen in einem Kraftfahrzeug über eine einadrige Schnittstelle, wobei
die digitalen Signale als Spannungspuls-Signale übertragen werden,
die in den Signalen enthaltene Information daraus erkannt wird, daß der jeweilige Spannungspuls eine Pulshöhe in einem vorgegebenen Pulshöhenbereich hat,
das Kraftfahrzeug ein Bordnetz zur elektrischen Versorgung hat, welches eine erste Nennspannung aufweist, und
das Bordnetz einen Teilbereich mit einer zweiten, niedrigeren Nennspannung aufweist
dadurch gekennzeichnet,
daß die von dem Bordnetz aufgebrachte Nutzspannung, die zur Erzeugung eines über die einadrige Schnittstelle zu übertragenden Spannungspulses in dem Pulshöhenbereich mit der größten Pulshöhe genutzt wird, auf einen maximalen Spannungswert begrenzt wird, der in dem Betriebsintervall des Bordnetz-Teilbereichs mit der niedrigeren Nennspannung oder darunter liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Nutzspannung aus dem Bordnetz-Teilbereich mit der niedrigeren Nennspannung erzeugt wird und wobei der maximale Spannungswert so gewählt wird, daß die Nennspannung der genutzten Versorgungsspannung größer als der maximale Spannungswert ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zu der Signalübertragung ein Datenbus verwendet wird, an den eine Mehrzahl von Treibereinheiten (1) angeschlossen ist, die über jeweils eine einadrige Schnittstelle Signale auf den Datenbus geben, wobei ein erster Teil der Treibereinheiten (1) von dem Bordnetz-Teilbereich mit der ersten Nennspannung versorgt wird, wobei ein zweiter Teil der Treibereinheiten (1) von dem Bordnetz- Teilbereich mit der zweiten, niedrigeren Nennspannung versorgt wird und wobei zumindest für den ersten Teil der Treibereinheiten (1) die Nutzspannung auf den maximalen Spannungswert begrenzt wird.

4. System zur Übertragung von digitalen Signalen in einem Kraftfahrzeug über eine einadrige Schnittstelle, wobei die digitalen Signale als Spannungspuls-Signale übertragen werden und wobei die in den Signalen enthaltene Information daraus erkannt wird, daß der jeweilige Spannungspuls eine Pulshöhe in einem vorgegebenen Pulshöhenbereich hat, mit:
einem Bordnetz zur elektrischen Versorgung von elektrischen und/oder elektronischen Einheiten in dem Kraftfahrzeug, wobei das Bordnetz eine erste Nennspannung hat und wobei das Bordnetz einen Teilbereich mit einer zweiten, niedrigeren Nennspannung aufweist, und
einer Treibereinheit (1), die an das Bordnetz angeschlossen ist und die zur Übertragung der digitalen Signale an die einadrige Schnittstelle angeschlossen ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Treibereinheit (1) mit einer Begrenzungsschaltung (11) zur Begrenzung der an der Treibereinheit anliegenden Versorgungsspannung kombiniert ist, wobei die Begrenzungsschaltung (11) so ausgestaltet ist, daß bei aktiver Begrenzungsschaltung (11) die zur Erzeugung eines über die einadrige Schnittstelle zu übertragenden Spannungspulses in dem Pulshöhenbereich mit der größten Pulshöhe genutzte Nutzspannung auf einen maximalen Spannungswert begrenzt wird, der in dem Betriebsintervall des Bordnetz-Teilbereichs mit der niedrigeren Nennspannung oder darunter liegt.

5. System nach Anspruch 4, wobei die Begrenzungsschaltung (11, 13) deaktivierbar ist, insbesondere ausschaltbar ist.

6. System nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Treibereinheit (1) an den Bordnetz-Teilbereich mit der niedrigeren Nennspannung angeschlossen ist und diesen Bordnetz-Teilbereich zur Erzeugung eines Spannungspulses in dem Pulshöhenbereich mit der größten Pulshöhe nutzt und wobei die Begrenzungsschaltung (11) so eingestellt und/oder ausgestaltet ist, daß die niedrigere Nennspannung größer als der maximale Spannungswert der Nutzspannung ist.

7. System nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das System einen Datenbus zur Übertragung der digitalen Signale aufweist, wobei an den Datenbus eine Mehrzahl von Treibereinheiten (1) über jeweils eine einadrige Schnittstelle an den Datenbus angeschlossen ist, wobei ein erster Teil der Treibereinheiten (1) von dem Bordnetz- Teilbereich mit der ersten Nennspannung versorgt wird, wobei ein zweiter Teil der Treibereinheiten (1) von dem Bordnetz-Teilbereich mit der zweiten, niedrigeren Nennspannung versorgt wird und wobei zumindest die Treibereinheiten (1) des ersten Teils in der in Anspruch 4 beschriebenen Weise mit einer Begrenzungsschaltung (11) kombiniert sind.