DE102008002946B4

DE102008002946B4 - Verfahren zum Detektieren eines Fehlers auf einer Datenleitung

Info

Publication number: DE102008002946B4
Application number: DE102008002946A
Authority: DE
Inventors: Matthias Queck
Original assignee: Lear Corp GmbH
Current assignee: Lear Corp GmbH
Priority date: 2008-07-16
Filing date: 2008-07-16
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2028-07-17
Also published as: US20100017661A1; CN101631058A; US8049510B2; DE102008002946A1

Abstract

Verfahren zum Detektieren eines Fehlers auf einer Datenleitung in einem Bussystem in einem Zweileiterdatennetzwerk mit mindestens zwei Steuergeräten, wobei das Datensignal von einer Sende-/Empfängereinheit an die beiden Datenleitungen als differenzielles Spannungssignal unter Einschluss eines definierten Ruhestromes abgegeben wird, welche Datenleitungen über eine Widerstandsbrücke zur Ermittlung der Mittenspannung miteinander verbunden sind, wobei von einem Mikro-Controller nach einer Tiefpassfilterung die Mittenspannung direkt oder nach einer Analog-Digital-Umsetzung als Digitalwert detektiert wird und in Abhängigkeit davon eine optische oder akustische Anzeige mindestens der Fehlerdiagnose erfolgt und/oder ein generiertes Fehlersignal abgespeichert wird oder Steuersignale generiert werden, wobei der Mikro-Controller (2) feststellt, ob eine der beiden Datenleitungen (8, 9) einen Masseschluss, einen Schluss untereinander oder einen Kurzschluss mit einer Stromversorgungsquelle aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren eines Fehlers auf einer Datenleitung in einem Bussystem in einem Zweileiterdatennetzwerk mit mindestens zwei Steuergeräten, wobei das Datensignal von einer Sende-/Empfängereinheit an die beiden Datenleitungen als differenzielles Spannungssignal unter Einschluss eines definierten Ruhestromes abgegeben wird, welche Datenleitungen über eine Widerstandsbrücke zur Ermittlung der Mittenspannung miteinander verbunden sind, sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Bei derartigen Zweidrahtdatenbussen, wie beispielsweise dem sogenannten CAN-Bus (abgeleitet von Control Area Network), dessen Eigenschaften in der ISO 11898 festgelegt sind, werden die einzelnen Datenbits differentiell auf den beiden Leitungen des Busses übertragen. Im Ruhezustand haben die beiden Leitungen des Busses etwa gleiches Potential, da die beiden Leitungen über einen Abschlusswiderstand miteinander verkoppelt sind. Ein dominantes Bit wird von einem Sender auf den Bus aktiv durch Einschalten eines Treiberstromes übertragen. Diese Übertragung geschieht differentiell, das heißt, das Potential der einen Leitung des Busses wird angehoben und das Potential der anderen Leitung des Busses abgesenkt. Ein rezessives Bit wird von einem Sender durch Abschalten des Treiberstromes übertragen. In der Folge nehmen die beiden Busleitungen wieder annäherungsweise gleiche Potentiale an.
Bei Datenbussen dieser Art können Fehler verschiedener Art auftreten. Es können Kurzschlüsse der einzelnen Leitungen gegen ein Bezugspotential, aber auch gegeneinander auftreten. In der DE 100 59 769 A1 ist ausgeführt, dass bekannte Schaltungsanordnungen die Potentiale der Leitungen auswerten und versuchen, auf derartige Kurzschlüsse rückzuschließen.
Bei einer aus der US 5,488,306 A bekannten Schaltungsanordnung wird darüber hinaus die Differenz der Potentiale der beiden Busleitungen ausgewertet. Konkret ist in dieser Schrift eine Schaltung angegeben, die eine sichere Fehlererkennung gestattet, ohne auf Masseversätze der Busleitungen zu reagieren, welche Fehlererkennung durch Differenzstrommessung und nicht Spannungsmessung erfolgt.
Aus der DE 102 25 556 A1 ist ein Verfahren zur Erfassung des Masseversatzes von Teilen eines vernetzten Systems, insbesondere zum Prüfen der Massenkontaktierung zwischen vernetzten Steuergeräten bekannt, wobei über mindestens ein Bussystem Daten gesendet und empfangen werden. Dabei wird im Ruhezustand von mindestens einer zum Empfangen der Daten vorgesehenen Busleitung oder mindestens einer Empfängerleitung nach Ablauf einer vorgebbaren ersten Zeitspanne die Spannung abgetastet und mit mindestens einem vorgebbaren Grenz- oder Referenzpotentialwert verglichen. Wird der Grenzwert überschritten, so erzeugt dies ein Massefehlersignal, daraus wird der Ruhezustand der mindestens einen Busleitung ausgewertet. Die Schaltung ist relativ komplex und kompliziert und damit teuer.
Eine wichtige Anforderung für Highspeed-CAN-Systeme in Kraftfahrzeugen ist die Diagnose der Leitungen, was sich auch aus den vorher genannten Schriften ergibt. Die gängigen Lösungen bestehen darin, dass in integrierten Schaltungen, nämlich in zentralen Schnittstellenmodulen, eine Diagnose durchgeführt wird. Solche Schnittstellenmodule sind relativ teuer. Beispielhaft seien die Highspeed-CAN-Transceiver TJA1041A und TJA1040 von der Firma Philips angegeben. Aus den Datenblättern zu diesen integrierten Schaltkreisen ist auch ersichtlich, dass zwischen den Datenleitungen zwei Widerstände zwischengeschaltet sind (je 60 Ω), deren Verbindungspunkt gegen Masse über einen Kondensator geschaltet ist und mit einem Eingang des Transreceivers verbunden ist. Hierüber soll eine Stabilisierung erreicht werden.
Aus US 6,781,456 B2 ist ein fehlersicherer differentieller Verstärker offenbart, welcher das Ausbleiben eines Signals erkennt. Außerdem wird erkannt, wenn der Signalpegel unter einem vorgegebenen Schwellwert oder die Frequenz des Signals unter einem vorgegebenen Wert liegen.
Aus US 7,137,061 B2 sind ein Verfahren und eine Anordnung bekannt, welche es ermöglichen, Übertragungsfehler bei differentieller Datenübertragung zu erkennen.
Aus US 5,973,780 A ist ein Verfahren zur Überwachung der seriellen Übertragung von digitalen Datensignalen bekannt. Die Datensignale werden parallel über zwei Leitungen übertragen, wobei die Übertragung der Daten jeweils mit inversem Signalpegel erfolgt.
Aus DE 10 2006 048 073 A1 ist eine Vorrichtung zum Sensieren eines Fehlerstroms in einem Feldbussystem bekannt. Es sind erste Mittel zum Bestimmen eines ersten Stromes einer ersten Busleitung, zweite Mittel zum Bestimmen eines zweiten Stromes einer zweiten Busleitung und Mittel zum Detektieren eines Fehlers, basierend auf dem ersten Strom und dem zweiten Strom, vorhanden.
Aus EP 1 820 303 B1 ist eine Schaltungsanordnung bekannt, welche wenigstens ein Zweidraht-CAN-Bus enthält und wenigstens eine Sende-/Empfangseinheit, die einen CAN-Sendeempfänger umfasst und mit dem wenigstens einen Zweidraht-CAN-Bus verbunden ist. Weiterhin ist wenigstens eine Vorrichtung offenbart, die eine Schnittstelle umfasst, die mit dem wenigstens einen Zweidraht-CAN-Bus verbunden ist, wobei die Vorrichtung ferner wenigstens einen Aktuator oder einen Sensor umfasst. Die Schaltungsanordnung ist so konfiguriert, dass sie Daten auf einer Bit-Übertragungsschicht gemäß einem LIN-Protokoll über den Zweidraht-CAN-BUS übermittelt.
Ausgehend vom bekannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein besonders einfach gestaltetes Verfahren und eine besonders einfache und preiswerte Schaltungsanordnung anzugeben, um eine Fehlerdiagnose der Leitungen durchführen zu können, ohne auf integrierte Lösungen zurückgreifen zu müssen. Des Weiteren ist angestrebt, dass eine besonders einfache Auswertung an jedem Bus bzw. Busstrang eines Zweidraht-Datenbusses möglich ist.
Die Aufgabe löst die Erfindung unter Anwendung eines Verfahrens, wie es im Anspruch 1 angegeben ist, sowie durch eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens, wie diese im Anspruch 4 angegeben ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 und 3, vorteilhafte Weiterbildungen der Schaltungsanordnung in den Ansprüchen 5 bis 8 angegeben.
Gemäß der Verfahrenslehre nach Anspruch 1 ist vorgesehen, dass die von einer Widerstandsbrücke zwischen den beiden Leitern abgegriffene Mittenspannung zunächst einer Tiefpassfilterung unterzogen wird und dass die Ausgangsspannung direkt oder nach einer Analog-Digital-Umsetzung als Digitalwert von einem Mikro-Controller detektiert wird. In Abhängigkeit von der Detektion wird eine optische oder akustische Anzeige mindestens der Fehlerdiagnose durchgeführt und/oder ein Fehlersignal generiert, das abgespeichert wird, so das dieses z. B. über ein Ferndiagnose system abgefragt werden kann. Ebenso kann aber auch ein Steuersignal generiert werden, um beispielsweise Steuerfunktionen im Falle eines Ausfalls eines Busses vom Mikro-Controller ausgeben lassen zu können, z. B. das Abschalten anderer Funktionsgruppen. Der Mikro-Controller stellt ferner fest, ob eine der beiden Datenleitungen einen Masseschluss, Erdschluss, ein Schluss untereinander oder ein Schluss mit einer Stromversorgungsquelle gegeben ist. Dies erfolgt nun völlig unabhängig von der Arbeit der Sende-/Empfängerschaltung bzw. des Transceivers und kann an jeder beliebigen Stelle in dem Bus vorgenommen werden.
Bei einem CAN-Bus sind bekanntlich mehrere Teilnehmerstationen, z. B. Maschinensteuergeräte, gleichberechtigte Steuereinheiten. Die Daten können dabei über einen sternförmigen Bus an die einzelnen Stationen übertragen werden. Die Adressierung der Daten ist botschaftsbezogen und nicht stationsbezogen. Alle Stationen empfangen also die Daten. Die Daten können auch über einen reihenartigen Bus übertragen werden. Die Messmethode kann in beiden Fällen angewendet werden. Wenn die Daten übertragen werden und keine Störung vorliegt, also kein Schluss gegeben ist, so liegen an beiden Leitungen hohe Spannungen nahezu gleicher Größe an, so dass beispielsweise bezogen auf einen CAN-Bus an dem Mittenabgriff der Widerstandsbrücke 2,5 V anstehen und ausgewertet werden können. Wenn ein Fehler an einer der beiden Leitungen auftritt, beispielsweise ein Kurzschluss an irgendeinem Anschluss, ein Masseschluss oder ein Verbindungsschluss der beiden Leitungen oder ein Schluss mit der Batterie, so steigt die Mittenspannung entweder an oder nimmt ab, also weicht sie vom Idealwert (Mittenwert) ab. Nach der Filterung der abgegriffenen Spannung durch einen Tiefpassfilter wird diese Spannung von dem Mikro-Controller ausgewertet. Dies kann durch direkte Zuleitung der Analogspannung erfolgen aber auch nach der digitalen Umsetzung durch in einen entspre chenden Digitalwert. Die nominelle Spannung an dem Mittelabgriff der Widerstandsbrücke, die darüber hinaus über einen Kondensator gegen Masse geschaltet ist, beträgt z. B. 2,5 V. Wenn ein Fehler in einer der beiden Datenleitungen auftritt, wird die Spannung zu einem höheren oder niedrigeren Wert steigen oder fallen. Diese Abweichung wird unmittelbar ausgewertet. Beispielsweise sind folgende Auswertungen möglich:
CAN_L Schluss nach Masse: U_mean < 2,5 V
CAN_L Schluss zwischen den Leitern: U_mean > 2,5 V
CAN_L Schluss zur Stromversorgung: U_mean > 2,5 V
CAN_H Schluss nach Masse: U_mean < 2,5 V
CAN_H Schluss zwischen den Leitern: U_mean > 2,5 V
CAN_H Schluss zur Stromversorgung: U_mean > 2,5 V
Der Mikro-Controller kann nach der Auswertung den Fehlerzustand anzeigen oder auch in einem Speicher abspeichern, beispielsweise um Ausfälle und Störungen durch Ferndiagnose ermitteln zu können. Der Mikro-Controller steuert zugleich auch den Sendeempfänger, der die Datensignale auf die CAN_H Leitung und die CAN_L Leitung abgibt.
In dem Mikro-Controller sind Spannungstabellen abgespeichert, die anhand der vorhergehenden Darstellung den jeweiligen Störfällen zugeordnet werden. Grundsätzlich lässt sich dieses Verfahren auf alle Bussysteme übertragen, die mit differentiellen Datenübertragungen arbeiten. Zur Durchführung des Verfahrens ist eine Schaltungsanordnung angegeben, die sich dadurch auszeichnet, dass beide Datenleitungen über eine Widerstandsbrücke miteinander verbunden sind, dass mit dem Mittenabgriff ein Kondensator verbunden und gegen Masse geschaltet ist und dass mit dem Mittenabgriff ein Tiefpassfilter verbunden ist, dessen Ausgangsspannung direkt oder nach Analog-Digital-Wandlung als Digitalwert an dem Messeingang eines Mikro-Controllers anliegt, der mit einem eingeschriebenen Programm oder über eine angesteuerte Auswerteschaltung die Eingangsgröße bewertet und im Falle eines Kurzschlusses, eines Masseschlusses oder einer unzulässigen Verbindung zu einer stromführenden Leitung den Fehler optisch und/oder akustisch signalisiert und/oder diesen in einem Speicher auslesbar abspeichert.
Zweckmäßigerweise, um auch die Messschaltungsleitung nicht zu lange halten zu müssen, empfiehlt es sich ferner, eine Messschaltung zwischen den CAN_H- und CAN_L-Anschlüssen vor der Sende-/Empfängereinheit des CAN-Bussystems anzuordnen. Im Falle der Verwendung eines sternförmigen Systems können auch mehrere solche Widerstandsbrücken eingeschaltet und mit dem Mikro-Controller verbunden sein oder mit einzelnen Mikro-Controllern, die miteinander korrespondieren. Auch kann ein Mikro-Controller in einem Steuergerät integriert sein, das auch eine Sende-/Empfängereinheit aufweisen kann. Die Einfachheit der Schaltungsanordnung und der Auswertung bietet auch in dieser Kombination Vorteile. Die Widerstände der Widerstandsbrücken können symmetrisch angeordnet sein und Werte zwischen 50 Ω und 4 kΩ beispielsweise aufweisen, dies hängt jeweils von der gewünschten und benötigten Messspannung ab, die ausgewertet werden soll, und vom System.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der einzigen Zeichnung dargestellten Schaltungsanordnung ergänzend erläutert.
Die Schaltungsanordnung zeigt einen Aufbau eines CAN-Bussystems, aufweisend einen Zweidraht-Datenbus, bestehend aus den Datenleitungen 8, 9. Über die Datenleitung 8 wird das CAN_H-Signal übertragen, über die Datenleitung 9 das CAN_L-Signal, das von der Sende-/Empfangseinheit 1, dem Transceiver, nach Steuerung über den angeschlossenen Mikro-Controller 2 generiert wird. Der botschaftsbezogene CAN-Bus überträgt auf der Basis des CAN-Protokolls die Daten und besitzt zur Busvergabe zwei Bitzustände. Der Bitzustand ist entweder rezessiv, das heißt zurückweichend, oder dominant, das heißt beherrschend. Wird ein dominantes Bit gesendet, dann werden rezessive Bits, die andere Stationen senden, überschrieben. Ist der Identifyer der Botschaft in der Identifyer-Liste der Station vermerkt, so wird diese Nachricht aufgenommen. Der Datenframe besteht aus sieben CAN-Feldern.
Der Start markiert den Beginn einer Botschaft und synchronisiert alle Stationen. Das Arbitration-Feld, das die Buszuteilung bewirkt, besteht aus einem Identifyer der Botschaft. Während der Übertragung dieses Feldes prüft der Sender bei jedem Bit, ob er noch sendeberechtigt ist oder ob eine Botschaft mit höherer Priorität von einem anderen Sender gesendet wird. Die Übertragung und die Daten selbst sind für die Erfindung jedoch nicht relevant und sollen deshalb nicht mehr weiter erläutert werden. Beim Anliegen der Daten, die differenziell übertragen werden, wie eingangs schon ausgeführt, erhöht sich die Spannung bzw. verringert sie sich auf der anderen Datenleitung. Die Mittenspannung bleibt jedoch als Ruhespannung relativ konstant, so dass vom Mittenabgriff 10 der Widerstandsbrücke aus den Widerständen 3, 4 im normalen Betriebszustand eine Spannung U_mean abgegriffen wird, die zuvor einen Tiefpassfilter durchlaufen hat, die zu keiner Auswertung durch den Mikro-Controller 2 führt. Zur Glättung ist ferner ein Kondensator 5 zwischen den Mittenabgriff 10 der Widerstandsbrücke und der Masse geschaltet.
Wenn jedoch ein Störfall oder Fehler auf einer der beiden Leitungen auftritt, z. B. ein Kurzschluss, ein Schluss zwischen den beiden Leitungen 8 und 9, ein Masseanschluss oder ein Schluss zur Stromversorgungsquelle hin, so ver schiebt sich das Potential wesentlich. Dieses Potential wertet dann der Mikro-Controller aus, z. B. unter Heranziehen einer Tabelle oder durch Vergleichen mit einer Referenzspannung.
Wenn also Fehler auftreten, wie sie nachfolgend wiedergegeben sind:
CAN_L Schluss nach Masse: U_mean < 2,5 V
CAN_L Schluss zwischen den Leitern: U_mean > 2,5 V
CAN_L Schluss zur Stromversorgung: U_mean > 2,5 V
CAN_H Schluss nach Masse: U_mean < 2,5 V
CAN_H Schluss zwischen den Leitern: U_mean > 2,5 V
CAN_H Schluss zur Stromversorgung: U_mean > 2,5 V
liegen die aus der Tabelle ersichtlichen Spannungswerte vor, die vom Mikro-Controller 2 ausgewertet, abgespeichert und/oder einer Anzeigeeinheit 7 zugeführt werden, die signalisiert, ob ein Fehler gegeben ist oder nicht.

Claims

Verfahren zum Detektieren eines Fehlers auf einer Datenleitung in einem Bussystem in einem Zweileiterdatennetzwerk mit mindestens zwei Steuergeräten, wobei das Datensignal von einer Sende-/Empfängereinheit an die beiden Datenleitungen als differenzielles Spannungssignal unter Einschluss eines definierten Ruhestromes abgegeben wird, welche Datenleitungen über eine Widerstandsbrücke zur Ermittlung der Mittenspannung miteinander verbunden sind, wobei von einem Mikro-Controller nach einer Tiefpassfilterung die Mittenspannung direkt oder nach einer Analog-Digital-Umsetzung als Digitalwert detektiert wird und in Abhängigkeit davon eine optische oder akustische Anzeige mindestens der Fehlerdiagnose erfolgt und/oder ein generiertes Fehlersignal abgespeichert wird oder Steuersignale generiert werden, wobei der Mikro-Controller (2) feststellt, ob eine der beiden Datenleitungen (8, 9) einen Masseschluss, einen Schluss untereinander oder einen Kurzschluss mit einer Stromversorgungsquelle aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikro-Controller (2) anhand einer Spannungstabelle den zugeordneten Zustandswert anzeigt und/oder dieser auslesbar in einem Speicher gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es zum Einsatz kommt bei einem CAN-Bus, einem Flexray-Bus oder einem anderen Bussystem mit differentieller Datenübertragung.
Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass beide Datenleitungen (8, 9) über eine Widerstandsbrücke (3, 4) miteinander verbunden sind, – dass mit dem Mittenabgriff (10) ein Kondensator (5) verbunden und gegen Masse (11) geschaltet ist, und – dass mit dem Mittenabgriff (10) ein Tiefpassfilter (6) verbunden ist, dessen Ausgangsspannung direkt oder nach Analog-Digital-Wandlung als Digitalwert an dem Messeingang (12) eines Mikro-Controllers (2) anliegt, der mit einem eingeschriebenen Programm oder über eine angesteuerte Auswerteschaltung die Eingangsgröße bewertet und im Falle eines Kurzschlusses, eines Masseschlusses oder einer unzulässigen Verbindung zu einer stromführenden Leitung den Fehler optisch und/oder akustisch signalisiert und/oder diesen in einem Speicher auslesbar abspeichert.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsbrücke (3, 4) zwischen den CAN_H- und CAN_L-Anschluss vor der Sende-/Empfängereinheit eines CAN-Bussystems angeordnet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Steuergerät den Mikro-Controller (2) für die Auswertung enthält und an diesem mindestens ein Messeingang (12) vorgesehen ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsbrücke (3, 4) zwei symmetrische Widerstände (3, 4) mit einem Widerstandswert zwischen 50 Ω und 4 kΩ aufweist.
Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass eine Vielzahl von Datenleitungen (8, 9) als Zweileiterdatennetzwerk sternförmig angeordnet sind, – dass in jedem Zweig der sternförmigen Anordnung jeweils beide Datenleitungen (8, 9) über eine Widerstandsbrücke (3, 4) miteinander verbunden sind, – dass in jedem Zweig der sternförmigen Anordnung jeweils mit dem Mittenabgriff (10) ein Kondensator (5) verbunden und gegen Masse (11) geschaltet ist, – dass in jedem Zweig der sternförmigen Anordnung jeweils mit dem Mittenabgriff (10) ein Tiefpassfilter (6) verbunden ist, – dessen Ausgangsspannung direkt oder nach Analog-Digital-Wandlung als Digitalwert an dem Messeingang (12) eines Mikro-Controllers (2) anliegt, der mit einem eingeschriebenen Programm oder über eine angesteuerte Auswerteschaltung die Eingangsgröße bewertet und im Falle eines Kurzschlusses, eines Masseschlusses oder einer unzulässigen Verbindung zu einer stromführenden Leitung den Fehler optisch und/oder akustisch signalisiert und/oder diesen in einem Speicher auslesbar abspeichert.