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Stand
der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer Vorrichtung gemäß der Gattung des Hauptanspruchs.
Es ist schon eine Vorrichtung zum seriellen Datenaustausch zwischen
zwei Stationen aus dem Bericht von H. E. Schurk, W. Weishaupt und
S. Bourauel "BMW-On-Board-Diagnose", VDI-Berichte Nr. 612, 1986,
Seiten 387 bis 401 bekannt. Bei dem dort vorgestellten Konzept findet
ein Datenaustausch zwischen einem in einem Kraftfahrzeug eingebauten Kraftfahrzeugsteuergerät und einem
extern anschließbaren
Servicetester statt. Für
die Datenübertragung
wird für
beide Übertragungsrichtungen
eine Datenübertragungsleitung
TXO verwendet. Die Datenübertragung
vom Servicetester zum Kraftfahrzeugsteuergerät und umgekehrt findet jedoch
zeitlich versetzt statt, eine zeitlich parallele Übertragung
in beiden Richtungen ist nicht möglich.
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Die
DE 35 19 709 A1 zeigt,
dass in einem System mit einer zentralen Einheit und einer oder mehreren
externen Einheiten, die über
eine Zweidrahtleitung miteinander verbunden sind, ein Dialog zwischen
den Einheiten ausgeführt
wird, indem in der einen Richtung Änderungen des Stromes und in
der anderen Richtung Änderungen
der Spannung auf der Zweidrahtleitung sensiert werden. Analogen
Strom- und Spannungsänderungen
können
hierbei zusätzlich
digitale Strom- und Spannungsänderungen überlagert
werden. Zur Ausübung
des Verfahrens weisen die sende- und empfangsseitigen Einheiten
eine entsprechende schaltungstechnische Ausgestaltung auf.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine sichere Datenübertragung über eine Datenübertragungsleitung
mit einfachen Mitteln ebenfalls gleichzeitig in beiden Richtungen
zu ermöglichen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich durch die Unteransprüche.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat den Vorteil,
dass die gleichzeitige Übertragung
von Daten in beiden Übertragungsrichtungen über eine
einzige Datenübertragungsleitung
(Vollduplex-Kommunikation)
möglich
ist ohne dass dabei ein größerer Schaltungsaufwand
erforderlich ist.
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Es
wird im Gegenteil gegenüber
einer Vollduplex-Kommunikation mit Hilfe von zwei getrennten Datenübertragungsleitungen
eine Datenübertragungsleitung
eingespart. Andererseits wird gegenüber dem Konzept gemäß dem genannten
Stand der Technik, bei dem eine Halbduplex-Kommunikation über eine
einzelne Datenübertragungsleitung
stattfindet, der Zeitaufwand für
den Datenaustausch um ca. die Hälfte
verringert. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, den Datenaustausch
auszuweiten um eine größere Informationsdichte
zu erzielen. Weiterhin vorteilhaft ist, daß der Laufzeitbedarf im Kraftfahrzeug-Steuergerät für den Datenaustausch
reduziert ist.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, daß das Kraftfahrzeugsteuergerät z.B. kein
Echosignal von seiner eigenen Absendung mehr empfängt. Bei
der Entwicklung des Kraftfahrzeugsteuergerätes braucht deshalb weder im
Programm noch in der Hardware Aufwand dafür vorgesehen werden, um zwischen dem
empfangenen Echosignal und dem vom extern anschließbaren Gerät gesendeten
Signal zu unterscheiden bzw. um das Echosignal auszublenden.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den
Hauptanspruch angegebenen Vorrichtungen möglich. Die Station ist so ausgebildet,
dass sie beim Empfang von Daten unterschiedliche Spannungspegel
auf der Datenübertragungsleitung
auswertet und bei der Absendung von Daten den Stromfluß über die
Datenübertragungsleitung
ein- und ausschaltet.
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Die
Ausführungsform
erlaubt ebenfalls eine gleichzeitige Übertragung von Daten in beiden Übertragungsrichtungen über eine
einzige Datenübertragungsleitung.
In diesem Fall wertet die zweite Station nicht den Stromfluß über die
Datenübertragungsleitung
aus, sondern erkennt die unterschiedlichen Bitzustände wie
die erste Station anhand unterschiedlicher Spannungspegel. Insgesamt
sind vier Spannungspegel auf der Datenübertragungsleitung möglich.
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Vorteilhafter
Weise ordnet die erste Station den beiden höheren Spannungspegeln z.B.
den Bitzustand "1" und den beiden unteren
Spannungspegeln den Bitzustand "0" zu. Die zweite Station
ordnet dem höchsten
Spannungspegel und dem zweitniedrigsten Spannungspegel den Bitzustand "1" und dem zweithöchsten Spannungspegel und dem
niedrigsten Spannungspegel den Bitzustand "0" zu.
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Weiterhin
sind dann noch vorteilhafte einfache Schaltmittel angegeben, die
zur Erzeugung der vier verschiedenen Spannungspegel auf der Datenübertragungsleitung
vorgesehen sind.
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Zeichnung
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Zwei
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen 1 ein grobes Schaltbild einer
Vorrichtung zur seriellen Datenübertragung
zwischen zwei Stationen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt
ist; 2 ein grobes Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum seriellen Datenaustausch zwischen zwei Stationen; 3 ein
grobes Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum
seriellen Datenaustausch zwischen zwei Stationen; 4a einen
Bitstrom, der von der zweiten Station gemäß des zweiten Ausführungsbeispiels
gesendet wird; 4b einen Bitstrom, der von der
ersten Station gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel gesendet
wird; 4c die Auswertung der Spannungspegel
seitens der ersten Station bei den gleichzeitig gesendeten Bitströmen gemäß den 4a und 4b und 4d die
Auswertung der Spannungspegel seitens der zweiten Station bei den
gleichzeitig gesendeten Bitströmen
gemäß den 4a und 4b.
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Beschreibung
der Erfindung
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In 1 bezeichnet
die Bezugszahl 10 ein Kraftfahrzeugsteuergerät. Es kann
sich beispielsweise um ein Motor-Steuergerät, ein Brems-Steuergerät, ein Getriebe-Steuergerät, etc.
handeln. Das Kraftfahrzeugsteuergerät 10 ist über eine
Datenübertragungsleitung 40 mit
einem externen Diagnosegerät 20 verbunden.
Die Verbindung zwischen Diagnosegerät 20 und Kraftfahrzeugsteuergerät 10 wird
z.B. bei einer Inspektion des Kraftfahrzeuges in einer Werkstatt hergestellt.
Dabei bleibt das Kraftfahrzeugsteuergerät 10 im Kraftfahrzeug
selbst eingebaut. Mit Hilfe des externen Diagnosegräte 20 kann
z.B. der Fehlerspeicher des Kraftfahrzeuggerätes 10 ausgelesen
werden, ein Software-Abgleich
des Steuergerätes 10 vorgenommen
werden oder z.B. auch eine Umprogrammierung des Speichers des Steuergerätes 10 vorgenommen
werden, falls dies aufgrund eines veränderten Fahrverhaltens, oder
eines nachträglichen
Einbaus bestimmter Teile erforderlich wird.
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Das
Kraftfahrzeugsteuergerät 10 enthält einen
Mikrorechner 11. An den Mikrorechner 11 ist ein Empfangskomparator 12 angeschlossen.
An den nichtinvertierenden Eingang des Empfangskomparators 12 ist
die Datenübertragungsleitung 40 angeschlossen.
An den invertierenden Eingang des Empfangskomparators 12 ist
eine Referenzspannungsquelle 13 angeschlossen. Über die
Referenzspannungsquelle 13 wird das Referenzpotential UV vorgegeben. An die Datenübertragungsleitung
ist intern im Kraftfahrzeugsteuergerät auch ein Schutzwiderstand 14 angeschlossen.
Dieser steht andererseits auch mit einem Pol eines elektronischen
Schalters 15 in Verbindung. Der elektronische Schalter 15 steht
seinerseits noch mit dem Massepotential in Verbindung. Der zweite
Schaltpol des elektronischen Schalters 15 ist mit einem
Ruhepotential beaufschlagt. Wenn der Schalter mit diesem Ruhepotential
verbunden ist, ist der Stromfluß über die Übertragungsleitung 40 zum Massepotential
unterbrochen. Der elektronische Schalter 15 ist vorzugsweise
als Halbleiter-Schalter, d.h.
als Transistor ausgelegt. Der Schalter wird über eine entsprechende Ansteuerleitung
vom Mikrorechner 11 betätigt.
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Der
Aufbau des externen Diagnosegerätes 20 ist ähnlich wie
der Aufbau des Kraftfahrzeugsteuergerätes 10. Das Diagnosegerät 20 weist
ebenfalls einen Mikrorechner 21 auf.
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An
diesen ist wiederum ein Empfangskomparator 22 angeschlossen.
Der nichtinvertierende Eingang des Empfangskomparators steht ebenfalls mit
der Datenübertragungsleitung 40 in
Verbindung. Der invertierende Eingang des Empfangskomparators 22 ist
ebenfalls mit einem festen Referenzpotential UV beaufschlagt.
Hierzu dient die Referenzspannungsquelle 23. An die Datenübertragungsleitung 40 ist
intern im externen Diagnosegerät 20 ebenfalls
ein Schutzwiderstand 24 angeschlossen. Dieser steht andererseits
auch mit einem elektronischen Schalter 25 in Verbindung.
Auch dieser elektronische Schalter 25 kann vom Mikrorechner 21 aus
angesteuert werden. Im Unterschied zum Kraftfahrzeugsteuergerät 10 ist
die Datenübertragungsleitung 40 intern
im externen Diagnosegerät 20 über einen
Widerstand 26 an die Versorgungsspannnung UBat des
externen Diagnosegerätes 20 angeschlossen.
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Bei
der Anordnung gemäß der 1 kann eine
Datenübertragung über die
Datenübertragungsleitung 40 zu
einem vorgegebenen Zeitpunkt jeweils nur in einer Richtung stattfinden.
Dies entspricht einer Halbduplex-Kommunikation über diese serielle Datenübertragungsleitung 40.
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Als
Beispiel wird der Fall betrachtet, daß das Kraftfahrzeugsteuergerät 10 Daten
zu dem externen Diagnosegerät 20 überträgt. Der
Schalter 15 wird über
den Mikrorechner 11 im Takt der zu sendenden Daten geöffnet bzw.
geschlossen. Zu diesem Zeitpunkt muß der Schalter 25 des
externen Diagnosegerätes 20 in
seine Ruheposition geschaltet sein. Auf der Datenübertragungsleitung 40 wechseln
sich damit Pegel von ca. 0 Volt und ca. UBat ab.
Der Empfangskomparator 22 vergleicht jeweils die anliegende Spannung
mit dem Referenzpotential UV. Das Referenzpotential
UV ist so gewählt, daß der Schaltzustand des Empfangskomparators 22 jeweils
umgeschaltet wird, wenn sich das Spannungspotential auf der Datenübertragungsleitung 40 von
UBat nach ca. 0 Volt ändert und umgekehrt. Der Mikrorechner 21 erfaßt die Schaltzustände am Ausgang
des Empfangkomparators 22 und empfängt damit das übertragene
Datenwort. Auch der Empfangskomparator im Kraftfahrzeugsteuergerät 10 wertet
die gleichen Spannungspegel auf der Datenübertragungsleitung 40 aus
und empfängt
daher ein (störendes)
Echo der eigenen gesendeten Daten. Erst nach Ende der Übertragung
der Daten vom Steuergerät 10 zum
externen Diagnosegerät 20 kann
das externe Diagnosegerät 20 auf
die gleiche Art und Weise seine Daten zu dem Steuergerät 10 übertragen.
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In 2 bezeichnen
die gleichen Bezugszahlen die gleichen Komponenten wie in 1 und brauchen
deshalb hier nicht nochmals erläutert
zu werden. Das Kraftfahrzeugsteuergerät 10 weist damit den
gleichen Aufbau auf, wie im Fall der 1. Der Aufbau
des externen Diagnosegerätes 20 ist
jedoch unterschiedlich gegenüber
der Anordnung in 1. Zur Absendung von Daten vom
externen Diagnosegerät 20 zum
Kraftfahrzeugsteuergerät 10 ist ein
elektronischer Schalter 27 vorhanden, der zwischen zwei
Spannungspotentialen UBat und UL hin- und
herschalten kann. Das Spannungspotential UL wird über die
Spannungsquelle 33 bereitgestellt. Damit wird bei der Absendung
von Daten vom externen Diagnosegerät 20 zum Steuergerät 10 ein
Pegelwechsel auf der Datenübertragungsleitung 40 sichergestellt,
der auch vom Empfangskomparator 12 erkannt wird und zu
einem Wechsel seines Schaltzustandes führt.
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Zur
Auswertung von Signalen, die von seiten des Steuergerätes 10 an
die Datenübertragungsleitung 40 angelegt
werden, weist das externe Diagnosegerät 20 Mittel auf, die
den Stromfluß auf
der Datenübertragungsleitung 40 messen.
Dazu ist ein Meßwiderstand 28 an
die Datenübertragungsleitung 40 angeschlossen.
Der Spannungsabfall über
diesen Meßwiderstand 28 wird
mit Hilfe eines entsprechenden Komparators 29 gemessen.
Wenn ein bestimmter Spannungsabfall vorliegt, weist der Ausgang
des Komparators 29 einen anderen Schaltzustand auf, als
in dem Fall, in dem kein Spannungsabfall über dem Meßwiderstand 28 festgestellt
werden kann. Der Ausgang des Komparators 29 ist mit dem
Mikrorechner 21 verbunden. In dem externen Diagnosegerät werden
also die Daten durch die Unterscheidung (Strom fließt über die Übertragungsleitung/Strom fließt nicht über die Übertragungsleitung)
ausgewertet. Demgegenüber
werden die Daten im Kraftfahrzeugsteuergerät 10 durch die Unterscheidung
(UK > UV/UK < UV)
ausgewertet. In dem Kraftfahrzeugsteuergerät 10 wird nicht der
Stromfluß über die
Datenübertragungsleitung
ausgewertet, sondern die Spannung UK, die
auf der Datenübertragungsleitung 40 auftritt.
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Die
Spannungswechsel werden im externen Diagnosegerät 20 dadurch erzeugt,
daß der
Mikrorechner 21 den Schalter 27 im Takt der zu
sendenden Daten zwischen den beiden Sparungspotentialen UL und UBat hin- und
herschaltet. Als Beispiel für
eine konkrete Realisierung wird für die Spannungspegel UBat ein wert von 12 Volt, für den Spannungspegel
UL ein Wert von ca. 3 Volt und für den Spannungspegel UV ein Wert von ca. 6 Volt vorgeschlagen.
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Die
Datenübertragung
von seiten des Steuergerätes 10 zu
dem externen Diagnosegerät 20 findet
wie schon zuvor erläutert
dadurch statt, daß der Mikrorechner 11 den
Schalter 15 im Takt der zu sendenden Daten mit der Datenübertragungsleitung 40 verbindet
oder eben die Verbindung unterbricht. Ein nennenswerter Stromfluß über die
Datenübertragungsleitung 40 ist
nur dann möglich,
wenn der Schalter 15 die Verbindung zwischen dem Massepotential
und der Datenübertragungsleitung 40 herstellt. Dieses
Hin- und Herschalten des Schalters 15 wird von dem Empfangskomparator 12 im
Steuergerät 10 jedoch
nicht erkannt. Selbst bei geschlossenem Schalter 15 kann
die Spannung am nichtinvertierenden Eingang des Empfangskomparators 12 nicht
unter das Referenzpotential UV absinken.
Dies wird dadurch sichergestellt, daß der Meßwiderstand 28 im externen
Diagnosegerät 20 wesentlich
kleiner ausgelegt ist als der Schutzwiderstand 14 im Kraftfahrzeugsteuergerät 10.
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Es
können
also über
die Datenübertragungsleitung 14 in
beide Übertragungsrichtungen
gleichzeitig Daten übertragen
werden. Fehlerhafte Datenübertragungen
durch Signalüberlagerung
sind verhindert.
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In 3 ist
eine zweite Ausführungsform
der Erfindung dargestellt. Das darin dargestellte Steuergerät 10 ist
gegenüber
der ersten Ausführungsform gemäß 2 unverändert, so
daß dessen
Aufbau nicht näher
erläutert
werden muß.
Der Aufbau des externen Diagnosegerätes 20 ist jedoch
unterschiedlich gegenüber
der Anordnung gemäß 2.
Die Komponenten, die noch mit dem externen Diagnosegerät 20 gemäß der 1 übereinstimmen,
weisen die gleichen Bezugszahlen auf und werden deshalb nicht nochmal
erläutert.
Im Unterschied zum Diagnosegerät 20 ist
der invertierende Eingang des Empfangskomparators 22 mit
zwei verschiedenen Referenzspannungsquellen UvT1 (30)
und UvT2 (31) verbindbar. Dazu
ist ein Schalter 32 vorgesehen, der zwischen beiden Referenzspannungsquellen
umschalten kann. Der Schalter 32 ist mit dem Schalter 25 gekoppelt.
Er wird mit dem gleichen Sendetaktsignal vom Mikrorechner 21 umgeschaltet.
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Mit
einer günstigen
Dimensionierung der Widerstände 14, 24 und 26 wird
erreicht, daß vier
klar unterscheidbare Spannungspegel auf der Datenübertragungsleitung 40 möglich sind.
Eine günstige Dimensionierung
kann wie folgt sein: Der Widerstand 24 muß etwa halb
so groß sein
wie der Widerstand 26. In diesem Fall stellt sich bei dem
geschlossenen Schalter 25 des Diagnosegerätes 20 und
bei gleichzeitig geöffneten
Schalter 15 des Steuergerätes 10 eine Spannung
von etwa 1/3 UBat ein. Bei der Wahl von
UBat = 12 V entspricht dies also einem Wert
von 4 V. Weiterhin ist es günstig
den Widerstand 14 etwa doppelt so groß zu wählen wie den Widerstand 26. Dadurch
wird erreicht, daß wenn
der Schalter 15 des Steuergerätes 10 geschlossen
ist und gleichzeitig der Schalter 25 des externen Diagnosegerätes 20 geöffnet ist,
sich etwa eine Spannung von 2/3 UBat (8 V)
einstellt. Bei dieser Dimensionierung der Widerstände ergibt
sich ein Spannungspegel von 2/7 UBat (3,4
V) wenn sowohl der Schalter 15 als auch der Schalter 25 geschlossen
sind.
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In 4 ist jetzt die gleichzeitige Übertragung
von Daten in beiden Richtungen über
die Datenübertragungsleitung 40 dargestellt. 4a gibt die
Phasen an, an denen der Schalter 25 geschlossen ist. Dabei
entsprechen die Low-Phasen
des dargestellten Signals den Schließphasen des Schalters 25.
Während
der High-Phasen ist der Schalter 25 geöffnet. In 4b geben
die Low-Phasen des dort dargestellten Signals die Schließphasen
des Schalters 15 an. Es ist der allgemeine Fall dargestellt,
bei dem die Übergänge zwischen
Low- und High-Phasen bei den Schaltern 15 und 25 nicht
zeitlich parallel stattfinden.
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4c zeigt
jetzt das Eingangssignal an dem nichtinvertierenden Eingang des
Empfangskomparators 12 des Steuergerätes 10. Das Signal schwankt
zwischen vier verschiedenen Spannungspegeln nämlich UBat,
2/3 UBat, 1/3 UBat und
2/7 UBat. Der Empfangskomparator 12 vergleicht
das anliegende Signal in jedem Zeitpunkt mit dem fest eingestellten
Referenzpotential UV. Dadurch ergibt sich
am Ausgang des Empfangskomparators 12, daß im unteren
Teil der 4c dargestellte Ausgangssignal 52.
Dieses Signal entspricht genau dem vom Mikrorechner 21 des
externen Diagnosegerätes 20 gesendeten
Signal, das in 4a dargestellt ist. Das Steuergerät 10 ordnet
also jeweils den beiden oberen Spannungspegeln UBat und
2/3 UBat den Bitzustand "1" zu.
Entsprechend ordnet S den beiden unteren Pegeln 1/3 UBat und
2/7 UBat den "0"-Bit-Zustand
zu.
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4d zeigt
das gleiche Signal auf der Datenübertragungsleitung 40 noch
einmal. Zusätzlich sind
aber die Spannungspotentiale UVT1 und UVT2 mit eingezeichnet. Wenn der Schalter 25 geöffnet ist, vergleicht
der Empfangskomparator 22 die Eingangsspannung am nichtvertierenden
Eingang mit dem Referenzspannungspotential UVT2.
Wenn der Schalter 25 geschlossen ist, wird entsprechend
der Schalter 32 geschlossen und der Empfangskomparator 22 vergleicht
die Eingangsspannung des nichtinvertierenden Eingangs mit der Referenzspannung UVT1. Im unteren Teil der 4d ist
das Ausgangssignal 53 des Empfangskomparators 22 dargestellt. Dieses
entspricht genau dem vom Mikrorechner 11 des Steuergerätes 10 gesendeten
Signals, das in 4b dargestellt ist.
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Somit
können
auch bei diesem Ausführungsbeispiel
Daten über
eine Datenübertragungsleitung 40 gleichzeitig
in beide Richtungen übertragen
werden. Die Schaltung gemäß 3 ist
aber wegen des kleinen Störabstandes
bei UVT1 und UVT2 (+/– 0,3 Volt) nicht
unbedingt für
Anwendungen geeignet, bei denen größere Masseversätze zwischen
den Stationen auftreten können
oder auch größere Leitungskapazitäten zu einem
Verschleifen der Spannungspegel führen können. In solchen Anwendungsfällen bietet die
Schaltung gemäß 2 größere Störsicherheit. Natürlich kann
durch andere Dimensionierung der Widerstände und andere Wahl der Referenzspannungspotentiale
ggf. ein größerer Störspannungsabstand
auch bei der Schaltung gemäß 3 erreicht werden.
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Die
Erfindung ist nicht auf das hier beschriebene Ausführungsbeispiel
beschränkt.
So kann es sich bei dem externen Gerät auch um ein externes Applikationsgerät handeln
mit dem die Programmabläufe
und Daten des Steuergerätes 10 optimiert
werden können.
Auch ein Einsatz der Erfindung außerhalb des Kraftfahrzeugbereiches
ist ohne weiteres denkbar. Sollten in einem Kraftfahrzeug mehrere elektronische
Steuergeräte
eingesetzt sein, die alle mit einem seriellen Bus miteinander verbunden
sind, so kann die Erfindung ohne weiteres auch in diesem Fall eingesetzt
werden. Das externe Diagnosegerät wird
dann an diese serielle Datenübertragungsleitung
angeschlossen und wählt
für die
Kommunikation jeweils eines der Steuergeräte aus. Die Kommunikation kann
wie beschrieben in beiden Richtungen gleichzeitig stattfinden.