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Steuergeräte,
die beispielsweise Mikrocontroller umfassen, können über
Busse miteinander verbunden sein, um kommunizieren zu können.
Ein solcher Bus kann beispielsweise eine einzelne bidirektionale
Leitung sein.
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Solche
bidirektionalen Leitungen sind beispielsweise nach ISO 9141 und ISO
14230 als K-Leitungen aus der Automobiltechnik bekannt.
K-Leitungen sind danach bidirektionale Ein-Draht-Busse für die
Datenübertragung zwischen mindestens zwei Steuergeräten.
Zu jedem Zeitpunkt kann eine Übertragung immer nur in einer
von zwei Richtungen erfolgen. Binäre logische Zustände
auf der K-Leitung werden anhand von Pegeln unterschieden, die relativ zu
einer Batterie-Spannung (beispielsweise 12 V bzw. 24 V) eines Fahrzeugs
definiert sind. Beispielsweise kann eine logische Null durch einen
Pegel in einem Bereich von 0 bis 30% der Batterie-Spannung (auch
Low-Pegel genannt) und eine logische 1 durch einen Pegel im Bereich
von 70% bis 100% der Batterie-Spannung (auch High-Pegel genannt)
repräsentiert werden. Steuergeräte sind gewöhnlich
für eine Betriebsspannung von 5 V ausgelegt. Das bedeutet auch,
dass sie sowohl Eingangs-High-Pegel im entsprechenden Bereich erwarten
als auch Ausgangs-High-Pegel in diesem Bereich zur Verfügung stellen.
Die unterschiedlichen Pegel des Steuergeräts und der K-Leitung
müssen dabei mittels einer Schnittstelle aneinander angepasst
werden.
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Eine
bekannte Lösung ist, die K-Leitung mittels eines Eingangspegelumsetzers,
der im einfachsten Fall als Spannungsteiler ausgebildet sein kann, mit
einem Eingang des Steuergeräts und mittels eines Ausgangspegelumsetzers,
für den zumindest ein aktives Bauelement erforderlich ist,
mit einem Ausgang des Steuergeräts zu verbinden. Nachteilig
ist dabei, dass zwei Anschlüsse des Steuergeräts
benötigt werden.
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Es
ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren
und eine verbesserte Schnittstelle zur Kommunikation eines Steuergeräts über
eine bidirektionale Leitung anzugeben.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Schnittstelle
mit den Merkmalen des Anspruchs 6.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Kommunikation
eines Steuergeräts über eine bidirektionale Leitung
mittels einer Schnittstelle wird ein auf der Leitung vorliegender
High-Pegel oder Low-Pegel in der Schnittstelle in einen Eingangs-High-Pegel umgesetzt
und einem Bidirektionalanschluss des Steuergeräts zugeführt.
Ein auf dem Bidirektionalanschluss durch das Steuergerät
mit einer Mindestspannung angelegter Ausgangs-High-Pegel wird von der
Schnittstelle in einen High-Pegel oder Low-Pegel umgesetzt und auf
der Leitung angelegt. Ein erster unterer Schwellwert eines von der
Schnittstelle unterstützten Spannungsbereichs für
den Ausgangs-High-Pegel ist kleiner als die Mindestspannung und
größer als ein zweiter unterer Schwellwert eines
vom Steuergerät unterstützten Spannungsbereichs
für den Eingangs-High-Pegel. Die Schnittstelle stellt den
Eingangs-High-Pegel auf dem Bidirektionalanschluss so ein, dass
er zwischen dem ersten Schwellwert und dem zweiten Schwellwert liegt.
Eine vom Steuergerät auf dem Bidirektionalanschluss angelegte
Spannung wird durch die Schnittstelle nur dann als Ausgangs-High-Pegel
interpretiert, umgesetzt und an die Leitung weitergeleitet, wenn
die Spannung den ersten unteren Schwellwert zumindest erreicht.
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Auf
diese Weise kann ein einzelner Bidirektionalanschluss des Steuergeräts
mit der bidirektionalen Leitung verbunden werden, ohne dass eine Selbsthaltung
der Schnittstelle erfolgt, bei der infolge einer Umsetzung von der
bidirektionalen Leitung zum Steuergerät ein Eingangshochpegel
am Bidirektionalanschluss des Steuergeräts anliegt und
von dort wieder zurück über die Schnittstelle
zur bidirektionalen Leitung umgesetzt wird. Stattdessen wird sichergestellt,
dass nur ein vom Steuergerät zumindest in Höhe
der Mindestspannung auf dem Bidirektionalanschluss anliegender Ausgangs-High-Pegel
in Richtung der bidirektionalen Leitung weitergeleitet wird, nicht
jedoch ein höchstens in der Höhe des zweiten Schwellwerts
anliegender Eingangs-High-Pegel, der infolge Weiterleitung und Umsetzung
von der bidirektionalen Leitung her auf dem Bidirektionalanschluss anliegt.
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Die
Schnittstelle kann hierzu in die funktionalen Untereinheiten Eingangspegelumsetzer,
Pegelbegrenzer, Trigger und Ausgangspegelumsetzer unterteilt sein.
Durch das Benutzen nur eines Bidirektionalanschlusses des Steuergeräts,
das einen Mikroprozessor oder einen Mikrocontroller umfassen kann, wird
die Verwendung eines kleineren und gegebenenfalls preisgünstigeren
Mikroprozessors oder Mikrocontrollers mit geringerem Platzbedarf
ermöglicht.
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Die
bidirektionale Leitung ist insbesondere als eine K-Leitung ausgebildet.
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Die
Umsetzung in der Schnittstelle kann invertierend oder nichtinvertierend
erfolgen.
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Im
Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand
von Zeichnungen näher erläutert.
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Darin
zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung einer bidirektionalen Leitung und eines Steuergeräts,
die über eine Schnittstelle miteinander verbunden sind,
und
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2 ein
Schaltbild der Schnittstelle.
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In 1 ist
eine Prinzipdarstellung einer bidirektionalen Leitung 1 und
eines Steuergeräts 2 gezeigt, die über
eine Schnittstelle 3 miteinander verbunden sind. Die bidirektionale
Leitung 1 ist beispielsweise als eine K-Leitung ausgebildet.
Das Steuergerät 2 kann als ein Mikrocontroller
oder Mikroprozessor ausgebildet sein oder einen solchen umfassen.
Am Steuergerät ist ein Bidirektionalanschluss 4 dargestellt, über
den Signale sowohl empfangen als auch ausgesendet werden können.
Das Steuergerät wird beispielsweise mit einer Betriebsspannung
von 5 V betrieben.
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Über
den Bidirektionalanschluss 4 ausgegebene Signale weisen
bei einem Ausgangs-High-Pegel eine Spannung oberhalb einer Mindestspannung UOUT_HIGH_MIN auf, beispielsweise 4,5 V. Nach
oben ist die Spannung des Ausgangs-High-Pegels durch die Betriebsspannung
des Steuergeräts 2 begrenzt, liegt also im Beispiel
bei höchstens 5 V.
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Wird
der Bidirektionalanschluss 4 als Eingang genutzt, so wird
ein dort anliegendes Signal dann als Eingangs-High-Pegel interpretiert,
wenn es eine Spannung aufweist die größer ist
als ein zweiter unterer Schwellwert USW2,
der niedriger ist als die Mindestspannung UOUT_HIGH_MIN,
beispielsweise 3,25 V. Die bidirektionale Leitung 1 wird
hingegen beispielsweise mit Pegeln betrieben, die sich an einer Betriebsspannung
UBATT eines Bordnetzes eines Fahrzeugs orientieren,
die beispielsweise 12 V betragen kann.
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Im
Falle einer K-Leitung liegt ein Low-Pegel im Bereich von 0 bis 30%
der Betriebsspannung, im Falle eines 12-Volt-Netzes also zwischen
0 und 3,6 V. Ein High-Pegel liegt hingegen im Bereich von 70% bis
100% der Betriebsspannung, das heißt zwischen 8,4 V und
12 V.
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Die
Schnittstelle 3 hat die Aufgabe, die Pegel der bidirektionalen
Leitung 1 und des Steuergeräts 2 aneinander
anzupassen. Die Schnittstelle 3 weist hierzu die Untereinheiten
Eingangspegelumsetzer 5, Pegelbegrenzer 6, Trigger 7 und
Ausgangspegelumsetzer 8 auf.
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Der
Eingangspegelumsetzer 5 passt zunächst den Pegel
von der bidirektionalen Leitung 1 auf das Steuergerät 2 an,
also von 12 V auf 5 V. In der Gegenrichtung passt der Ausgangspegelumsetzer 8 den
Pegel vom Steuergerät 2 auf die bidirektionale Leitung 1 an,
das heißt von 5 V auf 12 V. Beide Anpassungen können
invertierend oder nichtinvertierend erfolgen.
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Um
zu vermeiden, dass eine Selbsthaltung der Schnittstelle 3 erfolgt,
bei der infolge einer Umsetzung über den Eingangspegelumsetzer 5 ein
Eingangshochpegel am Bidirektionalanschluss 4 des Steuergeräts 2 anliegt
und von dort wieder zurück über den Ausgangspegelumsetzer 8 auf
die bidirektionale Leitung 1 umgesetzt wird, werden der
Pegelbegrenzer 6 und der Trigger 7 benötigt,
die folgende Eigenschaften aufweisen müssen:
Der Pegelbegrenzer 6 reduziert
den Eingangs-High-Pegel so, dass er zwischen einem ersten unteren
Schwellwert USW1 und dem zweiten unteren Schwellwert
USW2 liegt, beispielsweise bei 3,8 V. Ein solcher
Eingangs-High-Pegel wird sicher durch das Steuergerät 2 erkannt.
Der Trigger 7 ist so dimensioniert, dass zur Weiterleitung
eines Ausgangshochpegels an den Ausgangspegelumsetzer 8 eine
Spannung erforderlich ist, die größer als der
erste untere Schwellwert USW1 ist. Der erste
untere Schwellwert USW1 ist dabei größer
als der zweite untere Schwellwert USW2 und
kleiner als die Mindestspannung UOUT_HIGH_MIN.
Beispielsweise kann der erste untere Schwellwert USW1 4
V betragen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass nur ein vom
Steuergerät 2 zumindest in Höhe der Mindestspannung
UOUT_HIGH_MIN auf dem Bidirektionalanschluss 4 anliegender
Ausgangs-High-Pegel in Richtung der bidirektionalen Leitung 1 weitergeleitet
wird, nicht jedoch ein höchstens in der Höhe des
zweiten Schwellwerts USW2 anliegender Eingangs-High-Pegel,
der infolge Weiterleitung und Umsetzung von der bidirektionalen
Leitung 1 her auf dem Bidirektionalanschluss 4 anliegt.
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2 zeigt
ein Schaltbild einer möglichen Ausführungsform
der Schnittstelle 3. Ein Ein-/Ausgang EA1 ist mit der bidirektionalen
Leitung 1 verbunden, ein Ein-/Ausgang EA2 mit dem Bidirektionalanschluss 4 des
Steuergeräts 2. Wird am Ein/Ausgang EA1 ein Low-Pegel
angelegt, im gezeigten Beispiel also eine Spannung von weniger als
3,6 V, so fließt ein Strom über Emitter und Basis
eines Transistors T4, einen Widerstand R3 und eine Diode D1 zum Ein/Ausgang
EA1. Der Transistor T4 wird dabei durchgesteuert, so dass am Kollektor
in etwa 5 V anliegen, das Signal wird also invertiert. Der Transistor T4,
die Diode D1 und die Widerstände R3 und R4 dienen also
als Eingangspegelumsetzer 5.
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Der
Pegelbegrenzer 6 wird durch die Widerstände R9
und R10 gebildet, die als Spannungsteiler geschaltet sind. Sie sind
so dimensioniert, dass die am Kollektor des Transistors T4 anliegenden
5 V auf etwa 3,8 V am Ein/Ausgang EA2 verringert werden. Diese Spannung
ist hoch genug, um vom Steuergerät 2 als Eingangs-High-Pegel
identifiziert zu werden. Ein aus Widerständen R6 und R7
gebildeter Spannungsteiler im Trigger 7 ist so dimensioniert,
dass am Emitter eines Transistors T3 ebenfalls ein Potential von
3,8 V anliegt. Eine Basis-Emitter-Spannung am Transistor T3 ist
daher bei einem durch den Transistor T4 verursachten Eingangs-High-Pegel
zu gering zum Durchsteuern des Transistors T3.
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Gibt
hingegen das Steuergerät 2 einen Ausgangs-High-Pegel
auf dem Bidirektionalanschluss 4 und somit auf den Ein/Ausgang
EA2 aus, so erfolgt dies mit einer Spannung von mindestens 4,5 V.
Der Transistor T3 steuert infolgedessen durch und verursacht damit
auch ein Durchsteuern des Transistors T2, der mit seiner Basis über
den Widerstand R11 am Kollektor des Transistors T3 liegt, so dass
der Kollektor des Transistors T2 in etwa ein Potential von 5 V aufweist.
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Wenn
der Transistor T2 gesperrt ist, wird sein Kollektor durch den Widerstand
R2 auf ein Potential von etwa 0 gezogen. Der durchgesteuerte Transistor
T2 steuert auch einen im Ausgangspegelumsetzer 8 vorgesehenen
Transistor T1, der das Signal invertiert und den Ein/Ausgang EA1
auf ein Potential von etwa 0 zieht. Ist der Transistor T1 nicht durchgesteuert,
wird der Ein/Ausgang EA1 durch einen Widerstand R5 auf den High-Pegel
gezogen, also etwa 12 V.
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Liegt
am Ein/Ausgang EA1 ein High-Pegel an, wird der Transistor T4 nicht
durchgesteuert. Dementsprechend wird der Ein/Ausgang EA2 durch den Widerstand
R9 auf ein Potential von etwa 0 gezogen.
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Die
Schnittstelle 3 kann auf andere Weise realisiert sein.
Insbesondere können weitere Bauelemente vorgesehen sein.
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Die
Schnittstelle 3 kann nichtinvertierend ausgebildet sein.
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Das
Bordnetz des Fahrzeugs kann eine andere Betriebsspannung aufweisen,
beispielsweise 24 V. Die Pegel der bidirektionalen Leitung 1 ändern
sich entsprechend bezüglich dieser Betriebsspannung. Zur
Anpassung an das Steuergerät 2 ist gegebenenfalls
eine veränderte Dimensionierung der Bauelemente der Schnittstelle 3 erforderlich.
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- 1
- bidirektionale
Leitung
- 2
- Steuergerät
- 3
- Schnittstelle
- 4
- Bidirektionalanschluss
- 5
- Eingangspegelumsetzer
- 6
- Pegelbegrenzer
- 7
- Trigger
- 8
- Ausgangspegelumsetzer
- D1
- Diode
- EA1,
EA2
- Ein/Ausgang
- R1
bis R11
- Widerstand
- T1
bis T4
- Transistor
- UBATT
- Betriebsspannung
eines Bordnetzes
- UOUT_HIGH_MIN
- Mindestspannung
- USW1
- erster
unterer Schwellwert
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - ISO 9141 [0002]
- - ISO 14230 [0002]