DE19948765A1 - Verfahren zur Signalübertragung in einem Bussystem zwischen einer Zentraleinheit und einer Anzahl von Modulen durch Veränderung der Stromaufnahme eines Moduls aufgelagert auf eine Versorgungsgleichspannung - Google Patents

Abstract

Es soll ein solches Verfahren zur Signalübertragung vorgestellt werden, bei der die Anzahl der Module wählbar ist und die unanfällig gegen Störungen oder Veränderungen ist. DOLLAR A Die Zentraleinheit erfaßt dazu erfindungsgemäß zyklisch oder permanent die aktuelle Stromentnahme als Summe der aktuellen Stromaufnahmen der Module und paßt daraus einen zum Vergleich dienenden Referenzwert jeweils aktuell an. Der Referenzwert kann dabei aus einem Mittelwert der Stromentnahme bei gleichanteilsfreiem Stromsignal oder aus der Stromentnahme in einem vereinbarten Betriebszustand abgeleitet werden, bei dem keines der Module sendet. DOLLAR A Es ist eine bevorzugte Verwendung für Bussysteme in Kraftfahrzeugen, insbesondere für einen Sensordatenbus vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Signalübertragung in einem Bus­ system zwischen einer Zentraleinheit und einer Anzahl von Modulen durch Veränderung der Stromaufnahme eines Module aufgelagert auf eine von der Zentraleinheit auf wenigstens eine Verbindungsleitung bereitgestellte Versorgungsgleichspannung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Ein solches Verfahren ist beispielsweise der DE 196 22 685 A1 zu entnehmen, bei der zwischen einer als Zentraleinheit dienenden Auswerteeinheit und einer Zündeinrichtung als Modul Signale ausgetauscht werden. Zur Über­ tragung dieser Signale von der Auswerteeinheit zur Zündeinrichtung wird ein Wechselspannungssignal erzeugt, welches auf eine zur Spannungsver­ sorgung dienende Gleichspannung aufgelagert wird. Für Rückantworten von der Zündeinrichtung wird deren Stromaufnahme gezielt verändert (vgl. Spalte 6, ab Zeile 25 und Ansprüche 6 bis 9 der DE 196 22 685 A1). Nachteil dieser Anordnung ist, daß nur genau ein Modul mit der Zentraleinheit Signale austauschen kann. Ein entsprechendes Verfahren der bi­ direktionalen Datenübertragung ist darüber hinaus bereits der DE 39 03 377 A1 zu entnehmen. Auch dort kann nur genau ein als Zählwerk ausgebildetes Modul an die als Lese-Schreibgerät ausgebildete Zentraleinheit gekoppelt werden. Der Ruhestrom des Moduls muß innerhalb einer eng begrenzten vorgegebenen Größenordnung liegen, um die strommodulierten Rück­ signale empfangen zu können.

In der DE 44 11 184 ist darüber hinaus ein Fahrzeugsicherheitssystem mit einem zeitlichen Wechsel von Energie- und Datenübertragung auf einer Verbindungsleitung beschrieben.

Ein Verfahren zur Signalübertragung zwischen einer Mehrzahl von Modulen durch Auflagerung eines Wechselsignals auf eine Gleichspannung ist bei­ spielsweise auch der US 4,463,341 zu entnehmen, bei der in einem Bussystem eine Vielzahl von Sendern und Empfängern angeordnet ist, die die Gleichspannung auf dem Bussystem zur Spannungsversorgung nutzen und auf diese frequenzmoduliert Wechselspannungssignale auflagern, wobei jeweils ein Sender und ein Empfänger auf eine gemeinsame Übertragungsfrequenz geeicht sind. Ein derartiges Bussystem wäre zwar ohne weiteres auf die Signalübertragung mit einer Zentraleinheit und mehreren Modulen übertragbar, indem die Zentraleinheit Wechselspannungssignale mit der jeweiligen Übertragungsfrequenz verwendet, weist jedoch ebenso wie das US-Patent den Nachteil auf, daß eine äußerst hohe Genauigkeit der Frequenzen für die Demodulation erforderlich ist. Der Aufwand für eine solches Bussystem ist erheblich.

Aus der US 4,736,367 ist ein Bussystem zu entnehmen, bei der von einem Mikrocomputer aus über eine Verbindungsleitung ebenfalls eine Vielzahl von Modulen mit Spannung versorgt sowie durch aufgelagerte Spannungs­ signale Daten zu den Modulen übertragen werden und außerdem die Module durch Veränderung ihrer Stromaufnahme Daten an den Mikro­ computer zurücksenden. Dazu ist in den Modulen jeweils eine steuerbare Stromsenke mit einer Konstantstromquelle vorgesehen, so daß jedes Modul eine durch die Konstantstromquelle bestimmte Stromaufnahme erzeugen kann. Die Unterscheidung der Daten der einzelnen Module erfolgt dabei durch eine serielle Übertragung in vorgegebenen Zeitfenstern, denen die Module durch Adressen zugeordnet sind. Am Mikrocomputer entsteht aufgrund der sich verändernden Stromaufnahme ein Spannungssignal, welches mittels eines Schwellwertes ausgewertet wird. Als problematisch erweist sich hierbei, daß zur Erkennung der strommodulierten Signale von den Modulen einerseits die Versorgungsgleichspannung und andererseits die Stromaufnahme durch die Module bekannt und konstant ist. Würden beispielsweise Module mit einer anderen Stromaufnahme verwendet, ist ein Vergleich mit dem Schwellwert ebenso unmöglich wie durch Hinzufügen mehrerer neuer Module, die aufgrund ihrer Stromaufnahme ebenfalls zu einer Verschiebung der Gesamtstromaufnahme durch die Module führen. Berücksichtigt man des weiteren die Schwankungen der Versorgungs­ spannung in meist batterieversorgten Bussystemen in Kraftfahrzeugen sowie die Temperatureinflüsse auf die elektrischen Bauelemente, so wird deutlich, daß eine große Zahl von Störgrößen die Signalübertragung stören und eine Rückerkennung des Signals unmöglich machen können.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Signalübertragung zwischen einer Zentraleinheit und einer Anzahl von Modulen durch ver­ änderung der Stromaufnahme durch die Module aufgelagert auf eine Versorgungsgleichspannung anzugeben, bei der die Anzahl der Module wählbar ist und die unanfällig gegen Störungen oder Veränderungen ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patent­ anspruchs 1 gelöst, indem die Zentraleinheit zyklisch oder permanent die aktuelle Stromentnahme als Summe der aktuellen Stromaufnahmen der Module erfaßt und daraus einen zum Vergleich dienenden Referenzwert aktuell anpaßt.

Diese Erfassung der Stromentnahme durch die Module erfolgt besonders einfach, wenn das durch Strommodulation aufgelagerte Signal gleichstrom­ frei, also gleichanteilsfrei, ist, so daß sich der Mittelwert der Strom­ entnahme als Summe der Ruhestromaufnahmen der einzelnen Module ergibt. Die Mittelwertbestimmung erfolgt dabei selbstverständlich über eine Zeitdauer von zumindest einer Periode des aufgelagerten Signals, vorzugsweise noch länger. Aus diesem Mittelwert der Stromentnahme wird der aktuelle Referenzwert bestimmt. Dieser kann unmittelbar dem Mittelwert gleichgesetzt werden, denn die Stromentnahme schwankt ja gerade entsprechend dem aufgelagerten Signal um diesen Mittelwert, so daß er zur Unterscheidung beider Signalamplitudenbereiche geeignet ist, kann aber beispielsweise auch aus einem Regelkreis mit entsprechender nichtlinearer Regelfunktion in Abhängigkeit von dem Mittelwert der Stromentnahme abgeleitet werden. Die Anzahl der Module und deren eventuell unterschiedlicher Ruhestrom ist somit zumindest in den technisch bedingten Grenzen, bspw. der Betriebsspannung und der Innenwiderstände, frei wählbar bzw. die Signalübertragung entsprechend anpaßbar, da ein jeweils aktuell angepaßter Referenzwert vorliegt.

Besonders bevorzugt ist es, in einem ersten Betriebszustand, in dem keines der Module sendet und so seine Stromaufnahme ändert, die Zentraleinheit aus der aktuellen Stromentnahme einen Ruhestrom-Referenzwert ableitet. Auch hier kann der Referenzwert entweder der Stromentnahme direkt gleichgesetzt oder aber über einen funktionalen Zusammenhang ermittelt werden, was beispielsweise bei einem nicht gleichanteilsfreien aufge­ lagerten Signal sinnvoll ist, um den Referenzwert mittig zwischen den beiden Amplituden der signalbedingt schwankenden Stromentnahme zu legen. Wenn nun in einem zweiten Betriebszustand jeweils immer nur genau ein Modul durch aufgelagerte Stromsignale Daten an die Zentral­ einheit überträgt, kann dies relativ zu diesem aktuellen Ruhestrom- Referenzwert erkannt werden. Der Wechsel zwischen den Betriebs­ zuständen wird durch die Zentraleinheit angezeigt oder in einem fest­ gelegten Protokoll vereinbart.

Eine solche Signalübertragung ist von besonderer Bedeutung für den Einsatz in Fahrzeugen, da gerade dort eine hohe Anzahl an individuell wählbaren Modulen mit einer Zentraleinheit zu verbinden ist, bspw. Insassenschutzsysteme oder Sensoren eines dort vorgesehenen Sensor­ datenbusses, da gerade bei letzteren die Stromaufnahme durch die einzelnen Module nicht gleich groß ist und zudem stark veränderlich ist, bspw. aufgrund von Temperatureinflüssen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Figuren

Fig. 1 Bussystem mit einer Zentraleinheit und einer Anzahl von Modulen zur Durchführung des Verfahrens,

Fig. 2 Anpassung des Referenzwertes an die aktuelle Strom­ entnahme bei sich verschiebendem Ruhestrom der Module,

Fig. 3 Veranschaulichung der Abnahme der an den einzelnen Modulen wirksame Leitungsspannung über die Anzahl der Module,

Fig. 4 Skizzierung einer Signalübertragung zwischen der Zentralein­ heit und den Modulen durch Spannungsveränderung einer­ seits sowie zwischen einem Modul und der Zentraleinheit durch aufgelagerte Stromaufnahmeveränderung andererseits jeweils pulsweitenmoduliert.

Fig. 1 skizziert ein Bussystem mit einer Zentraleinheit 1 und einer Anzahl von n Modulen 2.1-2.n sowie die Durchführung des Verfahrens, wobei neben der Zentraleinheit 1 exemplarisch für alle Module 2 das x-te Modul 2.x detaillierter ausgeführt wurde, währenddessen die dazu vergleichbaren anderen Module nur angedeutet sind. Die Zentraleinheit kann darüber hinaus mit weiteren Einheiten 12 verbunden sein, beispielsweise mit einem Insassenschutzsystem, welches in Abhängigkeit von den Daten von Sensoren ausgelöst werden. Die Sensoren sind in der Fig. 1 nicht näher dargestellt und als Lasteinheiten an den einzelnen Modulen 2 angeschlossen.

Das Modul 2.x weist wie jedes andere eine Steuer- und Lasteinheit 3.x auf, die schematisch als Lastelement dargestellt ist. Durch dieses fließt der zur Aufrechterhaltung der Betriebsbereitschaft erforderliche Ruhestrom Io(x,t), wobei der Index x für das jeweilige x-te Modul 2.x und t für das nicht konstante Zeitverhalten dieser Größe steht. Der Wert des Ruhestroms Io(x,t) kann sowohl bspw. aufgrund von Bauteiletoleranzen oder anderen Lasteinheiten 3 von Modul zu Modul verschieden sein als auch über längere Zeitabschnitte hinweg schwanken, beispielsweise aufgrund einer sich ver­ ändernden Temperatur oder einer leider ebenfalls nicht immer konstanten am Modul 2.x wirksamen Leitungsspannung U(x,t). Die am Modul 2.x wirk­ same Leitungsspannung U(x,t) ist einerseits von der Versorgungsspannung Uo der Zentraleinheit 1 abhängig, die beispielsweise aus einer Batterie bereitgestellt wird, wie bei Kraftfahrzeugen üblich, und daher nicht konstant ist, andererseits nimmt die am Modul 2.x wirksame Leitungs­ spannung U(x,t) auch über die Anzahl n der Module, wie in Fig. 3 noch näher veranschaulicht wird. Grund dafür sind die Innenwiderstände Rx und in der Steuer- und Lasteinheit 3.x.

In besonderer Weise ändert sich aber die Stromaufnahme I(x,t) des Moduls 2.x, wenn dieses Modul 2.x mittels der von der Steuer- und Lasteinheit 3.x steuerbaren Stromquelle 4.x ein Stromsignal Isignal(x,t) aufgelagert auf die Leitungsspannung U(t) an die Zentraleinheit 1 aussendet.

Dieses Stromsignal Isignal(x,t) wird nun in der Zentraleinheit 1 empfangen, indem in der Strommeßeinheit 5 zunächst die Stromentnahme I(t) erfaßt wird, die der Summe der Stromaufnahmen I(x,t) der einzelnen Module 2 entspricht. Neben dem Stromsignal Isignal(x,t) enthält die Stromentnahme ΣI(t) der Zentraleinheit 1 die Ruheströme Io(x,t) aller Module 2.x:2.1. . .2.n, welche im Referenzwert Iref(t) entsprechend berücksichtigt werden, der von der Referenzwertbestimmung 8 bereitgestellt wird.

Dies kann äußerst einfach durch eine Mittelwertbildung über eine oder mehrere Perioden der Stromentnahme erfolgen, sofern das Stromsignal Isignal(x,t) gleichstromfrei ist, also alternierend um die Nullage schwankt, so daß dieses Signal bei der Mittelwertbildung eliminiert wird.

Anstelle dessen kann auch die Summe der Ruheströme Io(x,t) aller Module 2.x:2.1. . .2.n jeweils aktuell bestimmt werden, indem ein erster Betriebs­ zustand vereinbart wird, indem keines der Module 2 sendet und deren Stromaufnahme I(x,t) verändert. Da die Veränderungen des Ruhestroms Io(x,t) der einzelnen Module 2 relativ langsam im Vergleich zur Signal­ frequenz erfolgt, kann diese für eine gewisse Zeitspanne, zumindest eine Datentakte eines zweiten Betriebszustandes als konstant angenommen werden, in dem dann die Module senden können und die Zentraleinheit die Stromsignale im Vergleich zum Ruhestrom-Referenzwert erkennt. Ein solcher Vergleich wird im Komparator 9 durchgeführt, der die Differenz zwischen aktueller Stromentnahme ΣI(t) und Ruhestrom-Referenzwert Iref(t) bestimmt, deren Verlauf zumindest annähernd dem Stromsignal Isignal(x,t) entspricht. Dieses Signal wird am Ausgang Out der Sende- und Empfangs­ einheit 11 der Zentraleinheit 1 zur weiteren Bearbeitung in der Logik 10 der Zentraleinheit 1 bereitgestellt.

Die Zentraleinheit 1 kann ihrerseits auch Signale an einzelne oder alle Module 2 senden, indem die zugeführte Leitungsspannung U(t) verändert wird. Dies wird in Fig. 1 anhand eines steuerbaren Schalters 6 symbolisiert, über den die Versorgungsspannung direkt an die Module geschaltet werden kann. Parallel geschaltet dazu befindet sich der Widerstand 7, der mit den Innenwiderständen der Module einen Spannungsteiler bildet und über dem den Modulen 2 als Leitungsspannung U(t) eine um den Signalhub geringere Spannung zur Verfügung gestellt wird. Der Schalter 6 wird dabei von der Logikeinheit 10 der Zentraleinheit 1 über den Eingang IN gesteuert.

Fig. 2 zeigt nun die Anpassung des Referenzwertes Iref(t) an die zuvor jeweils aktuell ermittelte Stromentnahme ΣI(t-1) bei sich verschiebendem Ruhestrom Io(t) der Module 2. Der Referenzwert Iref(t) folgt dabei dem Mittelwert der Stromentnahme der vorherigen Impulse, wie in der Detail­ ansicht in Fig. 2a noch deutlicher wird. Für die Signalübertragung ist dabei wesentlich, daß die Zeitdauer zwischen den Anpassungen des Referenz­ wertes (in Fig. 2 mit jedem Takt) des in diesem Beispiel manchester­ codierten Signals zumindest dem Verhältnis zwischen dem Amplituden­ unterschied zwischen den logischen Pegeln, also dem Signalhub, zu den gerade noch zulässigen Änderungen der Ruheströme innerhalb dieser Zeit entspricht.

Fig. 3 veranschaulicht die Abnahme der an den einzelnen Modulen wirk­ samen Leitungsspannung U(x,t) über die Module 2.x x:1. . .n. Die Schritte, mit denen die Leitungsspannung zwischen den einzelnen Modulen abnimmt, muß dabei nicht konstant sein. Vielmehr kann jedes Modul 2 mit einfachen schaltungstechnischen Mitteln die aktuell zur Verfügung stehende Leitungs­ spannung U(x,t) erfassen und die aufgelagerten Spannungssignale erkennen. So kann auch in den einzelnen Modulen eine Anpassung eines dort zur Signalerkennung vorgesehenen Spannungsrefrenzwertes entsprechend einer Versorgungsruhespannung oder eines Mittelwerts der aktuellen Leitungsspannung erfolgen. Zusätzlich ist eine permanente Offsetspannung Grnd für die Rückleitung vorgesehen.

Die Anzahl der Module ist dabei in Grenzen frei wählbar, wobei diese selbst­ verständlich die Höhe der zur Verfügung stehenden Versorgungsspannung Uo, der Innenwiderstand der einzelnen Module 2 und damit der jeweilige Spannungsabfall und die für das letzte Modul noch erforderliche Versor­ gungsspannung und Signalhub bedingt sind. Entsprechend können die Sollwerte und Toleranzbereiche dieser Parameter an die Bedürfnisse des Einzelfalls angepaßt werden.

In Fig. 4 ist die Signalübertragung zwischen der Zentraleinheit 1 und den Modulen 2 durch Spannungsveränderung einerseits sowie zwischen einem Modul 2.x und der Zentraleinheit 1 durch aufgelagerte Stromaufnahme­ veränderung andererseits skizziert. Die Signalcodierung erfolgt pulsweiten­ moduliert, so daß eine Synchronisierung anhand des festen Flanken­ wechsels in t0 bzw. t4 möglich ist. Während zwischen t1 und t2 die Leitungs­ spannung durch die Signale der Zentraleinheit 1 bestimmt ist, wird zwischen t5 und t6 die Stromentnahme ΣI(t) durch das das Stromsignal Isignal(x,t) sendende Modul 2.x geprägt, wobei in Abhängigkeit von den Widerstandsverhältnissen im Stromkreis die Leitungsspannung mehr oder weniger dieser Veränderung der Stromaufnahme I(x,t) des x-ten Moduls 2.x folgt.

Claims (6)

1. Verfahren zur Signalübertragung in einem Bussystem zwischen einer Zentraleinheit (1) und einer Anzahl (n) von Modulen (2 = 2.1. . .2.x. . .2.n) durch Veränderung der Stromaufnahme (I(x;t)) eines Moduls t2.x) aufgelagert auf eine von der Zentraleinheit (1) auf wenigstens einer Verbindungsleitung bereitgestellte Versorgungsgleichspannung U(t) durch ein Stromsignal (Isignaltx;t)), wobei die Zentraleinheit (1) zum Empfang des Signals (Isignal(x;t)) die Stromentnahme (ΣI(t)) mit einem Referenzwert (Iref) vergleicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentraleinheit (1) zyklisch oder permanent die aktuelle Stromentnahme (ΣI(t)) als Summe der aktuellen Stromaufnahmen (ΣI(x,t)) der Module (2) erfaßt und daraus den Referenzwert (Iref(t)) aktuell anpaßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das durch Veränderung der Stromaufnahme eines Moduls (2.x) aufgelagerte Signal (Isignal(x;t)) gleichstromfrei ist und die Zentraleinheit (1) jeweils einen aktuellen Mittelwert der Stromentnahme als aktuellen Referenzwert (Iref(t)) bestimmt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) in einem ersten Betriebszustand, in dem keines der Module seine Strom­ aufnahme verändert, die Zentraleinheit (1) die aktuelle Stromentnahme (I(t)) als Summe der aktuellen Stromaufnahmen (I(x;t)) der Module (2) erfaßt und daraus einen Ruhestrom-Referenzwert (Iref(t)) ableitet, und
• b) in einem zweiten Betriebszustand jeweils eines der Module (2.x) das Stromsignal (Isignal(x;t)) überträgt und die Zentraleinheit (1) die sich entsprechend dem Signal verändernde Stromentnahme (I(t)) durch Vergleich mit dem Ruhestrom-Referenz (Iref(t)) erkennt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einem dritten Betriebszustand die Zentraleinheit (1) durch Veränderung der Amplitude der Leitungsspannung (U(t)) Signale an einzelne und/oder alle Module (2) sendet, insbesondere den Wechsel zwischen den Betriebs­ zuständen anzeigt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Betriebszustand zur Erfassung der jeweils aktuellen Stromentnahme (I(t)) zyklisch wiederholt wird.

6. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche für ein Sensorbussystem eines Insassenschutzsystems, insbesondere für Kraftfahrzeuge, bei dem von der Zentraleinheit über die Module insassenschutzrelevante Sensoren ausgelesen werden und eine Auslöse­ entscheidung für ebenfalls mit der Zentraleinheit verbundene Insassenschutzeinrichtungen abgeleitet wird.