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STAND DER TECHNIK
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Transceiverschaltung und ein
Steuergerät,
insbesondere zur Steuerung elektronischer Komponenten in Fahrzeugsystemen.
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In
modernen Kraftfahrzeugen finden sich eine Vielzahl von elektronischen
Komponenten, welche von einer oder mehreren zentralen Steuereinrichtungen
ansteuerbar sind. Beispiele dafür
sind die elektronischen Komponenten im Türmodul, welches elektrische
Fensterheber, Zentralverriegelung und elektrisch verstellbare Spiegel
umfasst, aber auch andere Komfortelemente, wie zum Beispiel Klimaanlage,
elektrisch verstellbare Sitze, Deckenbeleuchtung, elektrisches Schiebedach,
usw.
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Ursprünglich waren
diese Komponenten einzeln verdrahtet. Allerdings führte die
zunehmende Anzahl von elektrischen Komponenten zu einem kaum noch
beherrschbaren Kabelbaum, so dass standardisierte Bus-Systeme eingeführt wurden. Eins
der erfolgreichsten Bus-Systeme ist der CAN-Bus, ein asynchrones,
serielles Bus-System, der mit CSMA/CA arbeitet und Kollisionen beim
Buszugriff durch Bit-Arbitrierung vermeidet. Nachteilig beim CAN-Bus
ist die relativ große
Wortbreite und seine relativ hohen Kosten pro Knoten.
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Als
kostengünstigere
Alternative zum CAN-Bus ist daher der LIN-Bus-Standard entwickelt worden.
Ein LIN-Bus wird häufig
in Kraftfahrzeugen verwendet, wenn die hohe Bandbreite und Vielseitigkeit
von CAN nicht benötigt
wird. In einem LIN-Netzwerk sind ein LIN-Master und ein oder mehrere LIN-Slaves
vorhanden. 1 zeigt das Ersatzschaltbild
des Transceivers in einem LIN-Knoten (Master oder Slave).
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Wie
in 1 dargestellt, wird über die Datenleitung, an die
der Anschluss LIN angeschlossen wird, eine bidirektionale Kommunikation
durchgeführt;
es handelt sich bei LIN also um einen Eindrahtbus. Die am Anschluss
LIN empfangenen Signale werden über
einen Verstärker 1 an
einen Empfangskontakt R × D
weitergegeben. Von einem Sendekontakt T × D werden über einen Widerstand 2 Steuersignale
an die Basis eines Transistors 3 gegeben, dessen Emitter
mit Masse und dessen Kollektor mit dem Anschluss LIN verbunden ist.
Weiterhin ist der Anschluss LIN über
einen Widerstand 4 und eine Diode 5 mit einer
Batterieleitung verbunden, welche das Betriebspotential Ubat führt. Somit
kann das Potential am Anschluss LIN zwischen den zwei Betriebspotentialen
Ubat und GND geschaltet werden.
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Weiterhin
kommt bei der Datenübertragung in
Kraftfahrzeugsystemen auch Pulsweitenmodulation (PWM) zur Anwendung. 2 zeigt
einen Transceiver für
PWM-Kommunikation. Ähnlich
wie beim LIN-Bus erfolgt das Senden von Signalen indem das Potential
am Sendeanschluss PWMout durch Ansteuern eines Transistors 3' zwischen einem High-Pegel
und einem Low-Pegel geschaltet wird. Dabei sendet der Master über die
Sendeleitung ein Signal bei konstanter Frequenz mit festgelegtem
Duty-Cycle-Verhältnis.
High-Pegel und Low-Pegel stehen also in einem bestimmten Verhältnis. Zum
Empfang von Nachrichten vom Slave wird jedoch eine zweite Leitung
verwendet, die an den Anschluss PWMin angeschlossen werden kann.
Empfangene Signale werden über
den Verstärker 1' dem Empfangskontakt
R × D
zu geführt.
Im Gegensatz zu LIN werden also für das Senden und Empfangen
von Signalen zwei Leitungen benötigt.
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Diese
unterschiedliche Ausgestaltung von LIN und PWM bedeutete, dass die
unterschiedlichen Anforderungen an die Kommunikation bisher nur
mit unterschiedlichen Bauelementen zu realisieren waren.
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VORTEILE DER ERFINDUNG
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Demgemäß vorgesehen
ist eine Transceiverschaltung mit:
- – einem
ersten Anschluss, welcher mit einer bidirektionalen Kommunikationsleitung
verbindbar ist und dessen Potential mit einem Sendetreiber auf einen
Low-Pegel und einen High-Pegel setzbar ist;
- – einem
zweiten Anschluss, welcher mit einer unidirektionalen Kommunikationsleitung
verbindbar ist;
- – einem
Empfangsverstärker,
welcher einen Eingang aufweist; und
- – einer
Schalteinrichtung, welche zwei Schalterstellungen aufweist, wobei
in einer Schalterstellung der Eingang des Empfangsverstärkers mit
dem ersten Anschluss verbunden ist und in der anderen Schalterstellung
der Eingang des Empfangsverstärkers
mit dem zweiten Anschluss verbunden ist.
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Die
der erfindungsgemäßen Transceiverschaltung
zugrundeliegende Idee ist es, eine Schalteinrichtung bereitzustellen,
mit welcher die Verbindung eines mit einer bidirektionalen Kommunikationsleitung
verbindbaren Anschlusses zu dem Eingangsverstärker wahlweise durchgeschaltet
oder unterbrochen werden kann. Abhängig von der Schalterstellung
kann die Schaltung somit als Transceiver für einen bidirektionalen Datenbus
oder auch als Transceiver für
zwei unidirektionale Kommunikationsleitungen betrieben werden. Daraus
ergibt sich der wesentliche Vorteil, dass beide Kommunikationsmöglichkeiten
mit lediglich einem Treiber realisiert werden können. Das bedeutet, dass beide
Funktionalitäten
mit lediglich einem Bauelement realisiert werden können, so
dass sich eine Verringerung der auf Lager zu haltenden Bauelemente
sowie der bereitzustellenden Dokumentation ergibt.
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Es
ist vorteilhaft, wenn die Schalteinrichtung als Transistor ausgebildet
ist. Dies macht es möglich, die
Transceiverschaltung in einem einzigen Baustein integriert bereitzustellen.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn der Transistor ein MOSFET ist, da er dann
im Wesentlichen leistungslos geschaltet werden kann.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Sendetreiber einen bipolaren
Transistor auf, dessen Kollektor mit dem ersten Anschluss und dessen
Emitter mit Masse verbunden ist. Dies ermöglicht eine Nutzung der Transceiverschaltung
gemäß dem LIN-Standard.
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Ein
erfindungsgemäßes Steuergerät zum Steuern
eines Sensors oder Aktors über
einen Datenbus, weist folgendes auf:
- – die oben
beschriebene Transceiverschaltung, und
- – einen
Mikrokontroller mit einem Eingang, der an einen Ausgang des Empfangs
verstärkers angeschlossen
ist, und mit einem Ausgang, der an den Sendetreiber angeschlossen
ist.
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Mit
einem solchen Steuergerät
lässt sich eine
erfindungsgemäße Transceiverschaltung
vorteilhaft mit einem Mikrokontroller integrieren, und es kann somit
ein Steuergerät
bereitgestellt werden, welches die oben genannten Funktionalitäten aufweist,
also beispielsweise sowohl LIN- als auch PWM-Kommunikation in einem
Gerät integriert.
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Dabei
kann das Steuergerät
ferner einen Ausgang aufweisen, über
den das Steuergerät
ein Steuersignal bereitstellt, wobei die Schalterstellung der Schalteinrichtung
abhängig
vom Steuersignal ist. Somit lässt
sich ein Softwareschalter zum Schalten der Schalteinrichtung bereitstellen.
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ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren
der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigt
dabei:
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1 ein
Diagramm einer Transceiverschaltung in einem LIN-Modul;
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2 ein
Diagramm eines Transceivers für PWM-Kommunikation;
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3 eine
erfindungsgemäße Transceiverschaltung,
welche die Funktionalität
eines LIN-Treibers mit der eines PWM-Treibers kombiniert;
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4 ein
erfindungsgemäßes Steuergerät, welches
die Transceiverschaltung in 3 umfasst;
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5 eine
weitere Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Transceiverschaltung.
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In
allen Figuren der Zeichnungen sind gleiche bzw. funktionsgleiche
Elemente – sofern
nichts Anderes angegeben ist – mit
gleichen Bezugszeichen versehen worden.
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3 zeigt
eine erfindungsgemäße Transceiverschaltung 10,
welche die Funktionalität
eines LIN-Treibers mit der eines PWM-Treibers kombiniert und beispielsweise
Teil einer Steuerschaltung sein kann. Dabei kann mittels einer Schalteinrichtung 16 die
gewünschte
Funktio nalität
ausgewählt
werden.
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Im
geschlossenen Zustand stellt die Schalteinrichtung 16 eine
Verbindung zwischen einem ersten Anschluss LIN/PWMout und dem Eingang
eines Empfangsverstärkers 11,
er beispielsweise als Operationsverstärker ausgebildet sein kann,
her und im offenen Zustand unterbricht die Schalteinrichtung diese
Verbindung. Ebenfalls mit dem Empfangsverstärker 11 verbunden
ist ein zweiter Anschluss PWMin. Der Ausgang des Empfangsverstärkers 11 ist mit
einem Empfangskontakt R × D
verbunden. Der Anschluss LIN/PWMout ist über einen Widerstand 14 und
eine Diode 15 mit einer Batterieleitung verbunden, welche
das Batteriepotential Ubat führt.
Weiterhin ist der Anschluss LIN/PWMout mit dem Kollektor eines Transistors 13 verbunden,
dessen Emitter mit Masse GND verbunden ist. Die Basis des Transistors 13 ist über einen
Widerstand 12 mit einem Sendekontakt T × D verbunden. Der Transistor 13 und
der Widerstand 12 bilden zusammen einen Sendetreiber.
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In
der Schalterstellung (a) in 3 wird die Schaltung 10 als
Treiber für
bidirektionale Datenkommunikation über eine an den Anschluss LIN/PWMout angeschlossene
Leitung betrieben. Die am Anschluss LIN/PWMout empfangenen Signale
werden über
den Verstärker 11 an
den Empfangskontakt R × D
weitergegeben und von dort weiterverarbeitet. Von dem Sendekontakt
T × D
werden über
den Widerstand 12 Steuersignale an die Basis des Transistors 13 gegeben.
Somit kann das Potential am Anschluss LIN/PWMout zwischen einem
High-Pegel und einem Low-Pegel geschaltet werden. Die Diode 15 verhindert
dabei, dass bei einem lokalen Ausfall der Batteriespannung Ubat
die Steuerschaltung über
die an den Anschluss LIN/PWMout angeschlossene Signalleitung mit
Strom versorgt wird. In der Schalterstellung (a) entspricht die
Transceiverschaltung 10 also funktional der in 1 dargestellten
Schaltung.
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In
der Schalterstellung (b) in 3 dient
die Transceiverschaltung 10 als PWM-Treiber. Das Senden
von Signalen erfolgt dabei, indem das Potential am Sendeanschluss
PWMout durch Ansteuern des Transistors 13 zwischen einem
High-Pegel und einem Low-Pegel geschaltet wird. Dabei wird über die an
den Anschluss LIN/PWMout (erster Anschluss) angeschlossene Sendeleitung
ein Signal bei konstanter Frequenz mit festgelegtem Duty-Cycle-Verhältnis gesendet,
wobei High-Pegel und Low-Pegel in einem bestimmten Verhältnis zueinander
stehen. Ein solcher PWM-Treiber ist beispielsweise zur Ansteuerung
von so genannten GPAs (General Purpose Actuators) verbreitet, die
die zu ihrem Betrieb benötigte
elektrische Energie aus der Fahrzeugbatterie beziehen und dazu dienen,
ein System innerhalb eines vorgegebenen Arbeitsbereichs zu bewegen
bzw. zu positionieren. Typische Beispiele hierfür sind Klappensysteme, wie
z. B. der Motor an der Drosselklappe. Ein anderer Anwendungsbereich
für PWM
ist E-Gas, wobei das Fahrpedal den vom Fahrer gewünschten
Wert als elektrisches Signal an die Steuereinheit überträgt.
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Zum
Empfang von Signalen im PWM-Betrieb ist der zweite Anschluss PWMin
vorgesehen, welcher direkt an den Eingang eines Empfangsverstärkers 11 angeschlossen
ist. Empfangene Signale werden über
den Verstärker 11 dem
Empfangskontakt R × D
zugeführt.
In der Schalterstellung (a) entspricht die Transceiverschaltung 10 also
funktional der in 2 dargestellten Schaltung.
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Ein
wesentlicher Vorteil der in 3 gezeigten
Transceiverschaltung ist der, dass mit einem einzigen Bauteil die
Funktionalität
sowohl eines LIN-Treibers als auch eines PWM-Treibers realisiert werden
kann. Dabei wird der Anschluss LIN/PWMout sowohl als Ausgang für PWM-Signale
als auch für LIN-Signale
verwendet, so dass die Anzahl von Anschlüssen verringert werden kann
im Vergleich zu einer Lösung,
in welcher der LIN-Treiber und der PWM-Treiber parallel auf einem
Chip untergebracht werden.
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Die
in 3 gezeigte Schaltung kann sowohl für Master
als auch für
Slaves in einem LIN-Netzwerk verwendet werden. Ein Unterschied besteht
dabei lediglich in der Dimensionierung des Widerstands 14, welcher
beim Slave 30 kΩ und
beim Master lediglich ca. 1 kΩ beträgt.
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In
ihrer einfachsten Ausführung
kann die Schalteinrichtung 16 als mechanischer Ein/Aus-Schalter
ausgebildet sein. Er kann jedoch auch als Halbleiterschalter, insbesondere
als MOSFET ausgestaltet sein. Eine solche Ausgestaltung ist in der
in 4 dargestellten Ausführungsform gegeben.
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4 zeigt
ein Steuergerät 20,
welches die Transceiverschaltung 10 in 3 umfasst.
In 4 sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente
wie in 3 mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden
nicht näher
erläutert.
Die Erläuterungen
dieser Elemente in Bezug auf 3 gelten
also analog auch für
die in 4 gezeigten Elemente.
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In
der Transceiverschaltung 10 in 4 ist die
Schalteinrichtung 16 als MOSFET 17 ausgeführt. Dies
hat den Vorteil, dass Transceiverschaltung 10 monolithisch
ausgeführt
werden kann. Source und Drain des MOSFETs 17 sind jeweils
mit dem Anschluss LIN/PWMout bzw. mit dem Eingang des Empfangsverstärkers 11 verbunden.
Dem Gate des MOSFETs 17 wird von einem Mikrocontroller 18 ein Steuersignal
LIN/PWM zugeführt,
welches bestimmt, ob der MOSFET 17 leitend oder nicht-leitend
geschaltet ist. Dies kann in Abhängigkeit
von einem auf dem Mikrocontroller 18 laufenden Programm
geschehen, so dass der MOSFET 17 mittels eines Softwareschalters
gesperrt bzw. durchgeschaltet werden kann.
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Die
Kontakte R × D
und T × D
des Transceivers 10 sind mit dem Mikrokontroller 18 verbunden, wo
sie einem UART-Baustein 19 zugeführt werden. Der UART-Baustein
erzeugt die über
den Anschluss LIN/PWMout auszugebenden Datenbits und den dazu notwendigen
Datenrahmen. Er wandelt zu sendende parallele Daten in einen seriellen
Datenstrom um und erzeugt aus dem empfangenen seriellen Datenstrom
parallele Daten. Die über
den Kontakt R × D dem
UART-Baustein 19 zugeführten
Daten werden einem Sensor-Aktor-Interface 21 zugeführt, welches beispielsweise
mit einem zu steuernden Sensor oder Aktor (hier nicht näher dargestellt)
verbunden ist.
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5 zeigt
eine weitere Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Transceiverschaltung 30.
In 5 sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente wie
in 3 mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden
nicht näher
erläutert.
Die Erläuterungen dieser
Elemente in Bezug auf 3 gelten also analog auch für die in 5 gezeigten
Elemente.
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In
der in 5 gezeigten Ausführungsform ist die Schalteinrichtung
als Wechselschalter 22 ausgeführt. Wie in der in 3 gezeigten
Anordnung wird die Schaltung 10 in der Schalterstellung
(a) als Treiber für
bidirektionale Datenkommunikation über eine an den Anschluss LIN/PWMout
angeschlossene Leitung betrieben, und in der Schalterstellung (b)
wird die Transceiverschaltung 10 als PWM-Treiber betrieben.
Die in 5 gezeigte Anordnung hat den Vorteil, dass im
LIN-Betrieb (Schalterstellung (a)) der Anschluss PWMin vom Eingangsverstärker 11 getrennt ist
und somit keine störenden
Signale von eventuell an den Anschluss PWMin angeschlossenen Bauteilen
einwirken können.
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Obwohl
die obigen Ausführungsformen
vorstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben
wurde, sind sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art
und Weise modifizierbar.
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Beispielsweise
wurden die obigen Ausführungsformen
für eine
Kombination von LIN- und PWM-Funktionalität beschrieben. Die gleichen
Vorteile lassen sich jedoch ebenso für andere Bus-Systeme und Datenübertragungsformate
erzielen. Beispielsweise ist es auch möglich über den Anschluss LIN/PWMout
anstelle von PWM-Signalen ein frequenzmoduliertes Signal auszugeben
und somit beispielsweise einen Aktor (z. B. der Drosselklappe) in seinem
Arbeitsbereich einzustellen. Eine weitere Möglichkeit ist es, über den
Anschluss LIN/PWMout ein durch Frequency-Keying oder Frequency-Shift-Keying
moduliertes Signal auszugeben. Dabei kann beispielsweise eine Frequenz
von 6 MHz für High
und eine Frequenz von 4 MHz für
Low stehen. Dies hat den Vorteil, dass Signale zwischen Master und
Slave auch über
eine induktive Kopplung, beispielsweise durch einen Transformator, übertragen werden
können.
Eine mögliche
Anwendung im Automobilbereich ist dafür beispielsweise die Kommunikation
zwischen Lenkrad und Lenksäule.