DE3912497A1

DE3912497A1 - Gleichzeitige energie- und datenrueckuebertragung ueber lose transformatorische kupplung

Info

Publication number: DE3912497A1
Application number: DE3912497A
Authority: DE
Inventors: Burkhard Dipl Ing Voigt; Walter Dipl Ing Ulke; Erwin Dipl Ing Kessler
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 1989-04-15
Filing date: 1989-04-15
Publication date: 1990-10-18
Also published as: DE3912497C2; IT1239776B; IT9047844A0; JPH0372752A; GB2232851A; IT9047844A1; FR2646035A1; JPH06103894B2; GB9007552D0; GB2232851B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Daten zur Anwendung insbesondere in Kraftfahrzeugen.

In der angewandten Meßtechnik besteht oft die Aufgabe, von schlecht zugänglichen Objekten Meßdaten zu gewinnen. Als Beispiel seien Meßobjekte in sich drehenden Teilen oder auch im menschlichen Körper zu nennen.

In vielen Fällen erfolgt die Energiezufuhr für derartige Systeme über eine mehr oder weniger lose transformatorische Kopplung im NF-Bereich (bis beispielsweise 200 kHz), je nachdem, welcher Abstand von Sende- und Empfangsspule durch geometrische Randbedingungen und durch den Energieverbrauch der Sensorelektronik gegeben ist.

Schwierig und umständlich gestaltet sich nach dem derzeitigen technischen Stand die Rückübertragung der durch die Sensoren gewonnenen Meßdaten. Eine Möglichkeit ist die Benutzung des Hochfrequenzbereichs, die Datenübertragung erfolgt also durch Abstrahlung elektromagnetischer Wellen.

Die andere Möglichkeit ist die Benutzung des gleichen Frequenzbereichs wie zur Energieübertragung, also Datenübertragung durch ein magnetisches Wechselfeld. Allerdings ist die aus der Sensorelektronik zurückgesandte Leistung einer irgendwie mit den Daten modulierten Datenträgerfrequenz meist derart gering, daß eine Herausfilterung der geringen Datensignalamplitude aus der Energiesignalamplitude sehr schwierig ist.

Oft wird daher für die Zeit der Datenübertragung die störende transformatorische Energieübertragung abgeschaltet und die Meßelektronik aus einem Kurzzeitenenergiespeicher, beispielsweise einem Kondensator, gespeist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Datenübertragungsverfahren anzugeben, das bestehende Übertragungsprobleme beseitigt.

Die Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind Bestandteile von Unteransprüchen.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur gleichzeitigen Übertragung von elektrischer Energie in Richtung der zu betreibenden Meßelektronik und Daten in der anderen Richtung. Die Vorteile liegen einerseits in der Störsicherheit der Datenübertragung und andererseits darin, daß für die Datenrückübertragung praktisch keine zusätzliche Energie benötigt wird.

Die Erfindung wird anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die synchrone Datenrückübertragung durch Zuschalten der Elektroniklast mit halber Energiefrequenz,

Fig. 2 den Spannungsverlauf,

Fig. 3 die Datenrückübertragung durch Zuschalten der Elektroniklast mit einem synchronen pseudostatistischen Rauschen.

Die Sendespule L₁ wird aus der Wechselspannungsquelle U₁ mit der Frequenz f₁ gespeist. Der die beiden Spulen L₁ und L₂ durchsetzende Koppelfluß Φ _k induziert an L₂ die Spannung U₂, die je Notwendigkeit noch durch den Resonanzkondensator C _Res erhöht werden kann.

Ist der elektronische Schalter S geschlossen, wird der Siebkondensator C _s im Takte der Frequenz f₁ über die Diode D auf die Gleichspannung U _S aufgeladen. Aus dieser Gleichspannung wird die nachfolgende Elektronik mit dem Strom I _E versorgt.

In dieser Elektronik ist nun ein Flipflop vorhanden, welches die Frequenz f₁ der Spannung U₂ in ein rechteckförmiges Signal U _{f 2} mit der Frequenz f₂=f₁/2 umwandelt.

f₂ wird einem Anschluß des als Modulator dienenden Antivalenz (-oder Äquivalenz)-Gatters zugeführt. An den anderen Eingang des Modulators wird das von der Meßelektronik erzeugte und zu übertragende digitale, serielle Datensignal Data gelegt. Die Baudrate von Data ist deutlich kleiner als die Frequenz f₂=f₁/2.

Der Modulator hat die Funktion eines von Data gesteuerten Konverters/Inverters. Das logische Ausgangssignal U _MOD des Modulators ist entweder gleich U _{f 2} oder gleich , je nachdem ob Data=low oder Data=high gilt. U _MOD ist also rechteckförmig mit der Frequenz f₂=f₁/2, wobei aber in diesem Signal Pegelwechsel von Data ein Phasensprung von +180° oder -180° auftritt.

Mit _MOD wird nun der Schalter S gesteuert. Der Siebkondensator C _s wird also nicht im Takte der vor dem Schalter anstehenden Frequenz f₁, sondern nur noch im Takte der Frequenz f₂=f₁/2 nachgeladen. Bei Pegelwechsel von Data erfährt dieser periodische Nachladevorgang einen Phasenwechsel.

Der Spule L₂ bzw. dem Schwingkreis L₂, C _Res wird somit nur im Takte von f₂=f₁/2 und außerdem wegen der Diode D nur bei den positiven Halbwellen von U₂, Strom bzw. Energie entnommen.

Diese Stromentnahme hat zur Folge, daß jede zweite positive Halbwelle von U₂ einen Einbruch aufweist.

Je nach Größe der transformatorischen Kopplung, überträgt sich dieser Signalverlauf auf die Primärspule L₁, das heißt in U _{L 1} sind die Amplitudeneinbrüche ebenfalls zu erkennen, wenn auch in abgeschwächter Form. Es ergibt sich der Signalverlauf nach Fig. 2.

Die Fourierzerlegung von U _{L 1} ergibt neben der Grundwelle mit der Frequenz f₁ die Datensendefrequenz f₁/2 und deren Oberwellen.

Für die Rückgewinnung der Daten ist nur die Grundwelle der Datensendefrequenz

U _x = Û _x cos 2 π f₁/2 t

und deren Phasenlage in bezug auf die speisende Spannung

U₁ = Û₁ cos 2 π f₁t

von Interesse.

Wenn zu den Zeitpunkten t₁ und t₂ das zu übertragende Signal Data seinen Pegel ändert, so ändert sich ebenso sprunghaft die Phasenbeziehung zwischen U _x und U₁, was wiederum gleichbedeutend ist mit einem Vorzeichenwechsel von Û _x.

Es gelte nun

Data = low Û _x < 0

Data = high Û _x < 0.

Zur Demodulation der Daten gewinnt man zunächst aus U₁ wieder durch einfache Frequenzteilung die Hilfsspannung

U _H = Û _H cos 2 π f₁/2 t

mit einer von Û₁ unabhängigen und konstanten Amplitude Û _H. (Prinzipiell ist auch eine Rechteckspannung der gleichen Frequenz möglich.) U _H ist grundsätzlich phasenstarr zu U₁ und hat ebenso grundsätzlich die gleiche Frequenz wie das zu detektierende U _x, nämlich exakt f₁/2.

Die Demodulation wird nun dadurch erreicht, daß man U _{L 1} einschließlich des darin enthaltenen U _x mit der Hilfsspannung U _H elektronisch multipliziert und anschließend eine Mittelwertbildung über der Zeit durchführt (z. B. mit einem Tiefpaß). Man erhält das demodulierte Signal

Wie man erkennt, trägt zum Mittelwert nur der Anteil in U _{L 1} etwas bei, welcher die gleiche Frequenz hat wie U _H, nämlich lediglich U _x.

Ist das Vorzeigen von Û _H konstant, wenn also z. B. gilt

Û _H < 0

so folgt letztendlich

Û _x < 0 =< U _DEM < 0 =< Data = low

Û _x < 0 =< U _DEM < 0 =< Data = high.

Hinter einem nachfolgenden Komparator steht Data dann sofort zur Verfügung.

Je geringer die Baudrate im Verhältnis zur Frequenz f₂=f₁/2 ist, desto langsamer kann die Mittelwertbildung gemacht werden und desto schmalbandiger und störsicherer ist die Datenübertragung.

Ein weiterer entscheidender Vorteil des Verfahrens liegt darin, daß für die Datenübertragung keine zusätzliche Sendeenergie benötigt wird, sondern es ergibt sich durch die spezielle Art der Lastmodulation, daß nur die zu betreibende Elektronik selbst Energie verbraucht.

Eine verfeinerte Variante der Datenübertragung entsteht, wenn auf der Sensorelektronikseite das Öffnen und Schließen des Schalters S nicht mit f₁/2, sondern mit einem pseudo statistischen Signal im Raster von f₁/2 gesteuert wird (Fig. 3). Das pseudostatistische Signal ist in der Sensorelektronik in einem Festwertdatenspeicher (ROM) abgelegt.

Als Beispiel sei das 8 bit lange Wort

W _Stat = 10011010

angenommen. Die Aufeinanderfolge der Nullen und Einsen ist willkürlich gewählt.

Ist Data=high, so wird der Schalter im Rhythmus des nichtinvertierten W _Stat angesteuert, ist Data=low so wird der Schalter im Rhythmus des invertierten Signals

betätigt.

Die Amplitudeneinbrüche in U _{L 1} sind nun dementsprechend.

Zur Demodulation muß der Multiplizierer nicht mehr mit f₁/2 angesteuert werden, sondern mit dem gleichen pseudostatistischen Signal W _Stat, mit dem auch in der Sensorelektronik moduliert wird.

Ein gewisser Aufwand besteht darin, für U _H=W _Stat die richtige Phasenlage zu finden, so daß U _Dem auch konvergiert. Dieser Suchalgorithmus ist mit einer intelligenten Steuerung jedoch einfach zu realisieren.

Der herausragende Vorteil, der sich durch die Verwendung eines pseudostatistischen Signals als Modulationsträger ergibt, ist die Unempfindlichkeit auch gegenüber diskreten Störfrequenzen.

Anwendungsmöglichkeiten für erfindungsgemäßes Verfahren ergeben sich beispielsweise in Kraftfahrzeugen bei der Kontrolle des Reifendruckes, der Möglichkeit eines Schließsystems mit Identifizierungskarte oder der Übertragung für von Signalen aus dem Lenkrad. Aber auch die Datenübertragung sonstige an beweglichen oder rotierenden Teilen vorgesehene Sensoren ist denkbar.

Claims

1. Verfahren zur synchronen Datenübertragung, insbesondere aus festen oder beweglichen Teilen in Kraftfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß ein lose gekoppelter Transformator oder Drehübertrager, über welchen die Energieversorgung einer zu betreibenden Meßelektronik erfolgt, von der Meßelektronik im Rhythmus eines Teilerfaktors der Energiefrequenz belastet wird, und diese periodische Belastung bei Pegeländerung des zu übertragenden binären Datensignals einen Phasenwechsel in bezug auf das Energiesignal erfährt, die Belastung sich auf die speisende Spannung auf der Primärseite des Transformators überträgt und zur Rückgewinnung der Daten wieder mit einem periodischen Signal des gleichen Teilerfaktors der Energiefrequenz multipliziert wird, wonach das Ergebnis der Multiplikation nach einer Mittelwertbildung einem Komparator zugeführt wird, an dessen Ausgang das Datensignal wieder zur Verfügung steht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastung mit beliebigem Teilerfaktor, beispielsweise mit 1/2, 1/4 oder 1/8 der Energiefrequenz, vorzugsweise mit der halben Energiefrequenz, erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastung im Rhythmus eines zum Energiesignal oder dessen Teilerfaktoren synchronen pseudostatistischen Rauschens erfolgt, dessen binäre Folge als Festwert sowohl auf der Primär- als auch auf der Sekundärseite in einem Speicherbauelement abgelegt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzteilung durch Flip-Flops vorgenommen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastung nicht durch die Meßelektronik, sondern durch einen zusätzlichen Lastwiderstand erfolgt.