DE102004032513B4

DE102004032513B4 - Schaltungsanordnung zum kontaktlosen Abgreifen von elektrischen Signalen von mindestens einer Signalleitung

Info

Publication number: DE102004032513B4
Application number: DE200410032513
Authority: DE
Inventors: Uwe Creutzburg
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2004-07-06
Filing date: 2004-07-06
Publication date: 2013-04-04
Anticipated expiration: 2024-07-07
Also published as: DE102004032513A1

Abstract

Schaltungsanordnung zum kontaktlosen Abgreifen von elektrischen Signalen von mindestens einer Signalleitung (1), umfassend – ein erstes elektromagnetisches Koppelelement (2a) zur Anordnung im elektromagnetischen Feldbereich einer ersten Signalleitung (1a), um ein erstes logisches Signal auf der ersten Signalleitung (1a) elektromagnetisch auszukoppeln, – einen Differenzverstärker (3), der mit dem ersten Koppelelement (2a) so geschaltet ist, dass mindestens ein Differenzsignal (b1) zwischen dem ausgekoppelten ersten logischen Signal (a1) und einem zum ersten logischen Signal (a1) redundant invertiertem Signal (a2) gebildet wird, – einem Impedanzreduzierer (4) am Ausgang des Differenzverstärkers (3) zur Reduzierung der Quellimpendanz des mindestens einen Differenzsignals (b1, b2), gekennzeichnet durch, – eine bistabile Signalbusschnittstelle (5) mit Schwellwertschalter für das mindestens eine impedanzreduzierte Differenzsignal (c1, c2) und mit einem Mitkoppelglied zwischen dem mindestens einen Eingang und einem ersten Ausgang für ein zu dem ausgekoppelten ersten Signal (a1) korrespondierendes logisches erstes Bussignal (d1) sowie einem zweiten Ausgang für ein...

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum kontaktlosen Abgreifen von elektrischen Signalen von mindestens einer Signalleitung.
Die Übertragung von Mess- und Steuersignalen über die Signalleitung eines Signalbusses ist hinreichend bekannt. In der Norm ISO 11898 sind beispielsweise die physikalischen Gegebenheiten für eine Vielzahl von Busprotokollen, wie zum Beispiel dem CAN (Controler Area Network) Protokoll und dem Profibus definiert. Eine elektrische Störsicherheit der Signalübertragung wird unter anderem dadurch erreicht, dass ein logisches Bit auf zwei Leitungen gleichzeitig mit einer gegensinnigen Potentialänderung abgebildet wird. Auf einer zweiten Signalleitung wird somit eine redundant invertierte Übertragung des logischen Signals vorgenommen. Das invertierte Signal wird auch differenzielles Signal genannt.
In die Signalleitung eingestreute Störungen wirken auf beide Signalleitungen in der gleichen Richtung. Da die beiden differenziellen Signalleitungen jedoch immer gegensinnige Pegel haben, bleibt die Differenz der Pegel auch bei Störungen weitgehend erhalten. Damit wird eine Gleichtaktunterdrückung realisiert.
Aus der DE 103 07 082 A1 und der DE 197 28 083 A1 ist bekannt, an einen solchen CAN Bus ein Funkmodul anzuschließen, um Signale auf den Signalleitungen drahtlos an Signalempfänger zu übertragen. Hierfür kann beispielsweise eine standardisierte drahtlose Bluetooth-Übertragung realisiert werden.
Aus der DE 198 14 460 A1 ist ein System zur drahtlosen Signalübertragung zwischen einem Steuerungsgerät und einem relativ hierzu bewegbarem Schaltmodul beschrieben, bei dem die Sinalübertragung mit einem induktiv arbeitenden Transponder realisiert wird. Hierzu ist in dem Steuergerät eine Antenne integriert.
Auch bei dieser drahtlosen Signalübertragung ist nachteilig ein physischer Eingriff in das Signalleitungsnetz erforderlich, um die Funkübertragungsmodule mit dem Signalbus zu kontaktieren. Dies ist mit Montageaufwand verbunden und stößt zum Beispiel bei Kraftfahrzeugen an zulassungsrechtliche Grenzen.
Die EP 0 447 001 B1 beschreibt ein digitales Datenübertragungssystem mit einem Buskoppler, der einen Bus-Empfangskoppler zum induktiven Ankoppeln von Datensignalen aus einem Datenbus und einen Sendekoppler zum induktiven Ankoppeln von Datensignalen an einen Datenbus umfasst, womit eine Kommunikation mehrerer Benutzungsvorrichtungen an dem Datenbus realisiert wird. Ein induktives Koppelelement zur Anordnung im magnetischen Feldbereich von Signalleitungen ist in der US 5,272,381 A beschrieben.
Aus der DE 43 22 183 A1 geht ein Komparator hervor, welcher eine bistabile Schaltung enthält, wobei der Schaltzustand der bistabilen Schaltung von der Spannungsdifferenz an den Eingängen bestimmt ist. Dieser Komparator enthält Mittel, die die komplementären Ausgänge der bistabilen Schaltung in einer ersten Phase mit den Eingängen verbindet.
Die US 5,638,402 A beschreibt einen Bus-Transceiver in Signalverarbeitungsschaltkreisen, welche zur Kommunikation mittels elektromagnetischer Leitungskopplung mit Busleitungen gekoppelt sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Schaltungsanordnung zum kontaktlosen Abgreifen von elektrischen Signalen auf mindestens einer Signalleitung und insbesondere auf einem Signalbus mit zwei Signalleitungen zur redundant invertierten Übertragung digitaler logischer Signale zu schaffen.
Die Aufgabe wird mit der gattungsgemäßen Schaltungsanordnung erfindungsgemäß gelöst durch

– ein erstes elektromagnetisches Koppelfeld zur Anordnung im elektromagnetischen Feldbereich einer ersten Signalleitung, um ein erstes logisches Signal auf der ersten Signalleitung elektromagnetisch auszukoppeln,
– einen Differenzverstärker, der mit dem ersten Koppelelement so verbunden ist, dass mindestens ein Differenzsignal zwischen dem ausgekoppelten ersten logischen Signal und einem zum ersten logischen Signal redundant invertierten Signal gebildet wird,
– einem Impedanzreduzierer am Ausgang des Differenzverstärkers zur Reduzierung der Quellimpedanz des mindestens einem Differenzsignals,
– eine bistabile Signalbusschnittstelle mit Schwellwertschalter für das mindestens eine impedanzreduzierte Differenzsignal und mit einem Mitkoppelglied zwischen dem mindestens einen Eingang und einem ersten Ausgang für ein zu dem ausgekoppelten ersten Signal korrespondierendes logisches erstes Bussignal sowie einem zweiten Ausgang für ein zu dem zweiten Bussignal redundant invertiertes zweites Bussignal der Signalbusschnittstelle, wobei das erste elektromagnetische Koppelelement zur kapazitiven Kopplung als rohrförmiger Kondensator zur mindestens teilweisen Umhüllung der jeweiligen Signalleitung ausgebildet ist.

Mit einer solchen Schaltungsanordnung ist es nunmehr möglich rückwirkungsfrei Signale aus mindestens einer Signalleitung auszukoppeln, ohne das physikalisch eine Möglichkeit gegeben ist, die auf der Signalleitung befindlichen Signale zu beeinflussen. Die Signale im datentragenden ursprünglichen Signalbussystem können damit nicht gestört werden, zum Beispiel durch Pegelverstellungen oder Einbringen von Störungen oder Kurzschlüssen etc..
Dies wird durch eine kontaktfreie Kopplung mit Hilfe des elektromagnetischen Koppelelementes erreicht, das im elektromagnetischem Feldbereich einer ersten Signalleitung angeordnet ist. Dann dient der Differenzverstärker zur Gleichtaktunterdrückung. Nach der erforderlichen Impedanzreduzierung sorgt die bistabile Signalbusschnittstelle für eine weitere Störunterdrückung und gewährleistet, dass immer ein Differenzsignal erzeugt wird, auch wenn eines der logischen beziehungsweise hierzu invertierten Signale nicht vorhanden ist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein zweites elektromagnetisches Koppelelement zur Anordnung im elektromagnetischen Feldbereich einer zweiten Signalleitung vorgesehen ist, um ein zweites logisches Signal das zum ersten logischen Signal invertiert ist, auf der zweiten Signalleitung elektromagnetisch auszukoppeln. Damit werden mit dem ersten und zweiten elektromagnetischen Koppelelementen die beiden differenziellen Signale abgenommen. In dem Differenzverstärker wird dann mindestens ein Differenzsignal zwischen dem ausgekoppelten ersten logischen Signal und dem zum ersten logischen Signal redundant invertierten zweiten Signal gebildet.
Der Differenzverstärker ist vorzugsweise zur Bildung von zwei Differenzsignalen ausgebildet, wobei ein erstes Differenzsignal die Differenz zwischen dem ausgekoppelten ersten logischen Signal und dem hierzu redundant invertierten zweiten Signal ist. Das zweite Differenzsignal ist die Differenz zwischen dem redundant invertierten zweiten Signal zum ersten logischen Signal.
Dem Impedanzreduzierer ist vorzugsweise ein Pufferverstärker und besonders bevorzugt als Kaskadenverstärker ausgebildet. Er dient zur Erzeugung eines Zwischensignals mit niedriger Quellimpedanz zu dem ersten und gegebenenfalls zweiten Differenzsignal.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 – Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum kontaktlosen Abgreifen von elektrischen Signalen auf mindestens einer Signalleitung,
2 – Spannungssignalverlauf eines ersten logischen Signals und eines zweiten hierzu redundant invertierten Signals über die Zeit.
Die 1 lasst ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum kontaktlosen Abgreifen von elektrischen Signalen auf zwei Signalleitungen 1a, 1b eines CAN-Signalbusses erkennen. Der Signalbus ist beispielsweise als Twisted-Pair-Kabel ausgeführt. Die erste Signalleitung 1a trägt das erste logische digitale Signal und wird auch als CAN-High-Leitung bezeichnet. Die zweite Signalleitung 1b trägt das zum ersten Signal invertierte Signal und wird auch als CAN-Low-Leitung bezeichnet.
Der Zustand mit zwei unterschiedlichen Signalpegeln auf der ersten und zweiten Signalleitung 1a, 1b wird als dominanter Zustand bezeichnet. Die Pegeldifferenz beträgt hierbei mehr als 3,5 Volt. Der dominante Zustand entspricht per CAN-Definition einer logischen 0.
Der Zustand mit zwei annähernd gleichen Signalpegeln auf der ersten und zweiten Signalleitung 1a, 1b wird als rezessiv bezeichnet. Die Pegeldifferenz beträgt hierbei weniger als 1,5 Volt. Der rezessive Zustand entspricht einer logischen 1.
Die ersten und zweiten Signale auf der ersten und zweiten und zweiten Signalleitung 1a, 1b werden mit einem ersten und zweiten elektromagnetischen Koppelelement 2a, 2b ausgekoppelt.
Das ausgekoppelte erste Signal a₁ und das zum ersten Signal invertierte ausgekoppelte zweite Signal a₂ werden in einen Differenzverstärker 3 geleitet, der ein erstes Differenzsignal b₁ aus der Differenz des ausgekoppelten ersten Signals a₂ zum ausgekoppelten zweiten Signal a₂ bildet (b₁ = a₁ – a₂). Weiterhin bildet der Differenzverstärker ein zweites Differenzsignal b₂ aus der Differenz des ausgekoppelten zweiten Signals a₂ zum ausgekoppelten ersten Signal a₁ (b₂ = a₂ – a₁) die ausgekoppelten ersten und zweiten Signale a₁ und a₂ entsprechen in ihrem Wechselspannungsverlauf den Spannungen CAN-High und CAN-Low auf der ersten und zweiten Signalleitung 1a, 1b. Auf Grund der durch die Kopplungsart geringen Kopplungskapazität haben die ersten und zweiten Signale a₁ und a₂ eine sehr hohe Impedanz. Durch den Differenzverstärker 3 werden jedoch Gleichtaktstörungen weitgehend unterdrückt und die Differenzsignale b₁ und b₂ weitgehend entstört. Gleichzeitig erfolgt durch den Differenzverstärker 3 eine erste Stufe der Impedanzerniedrigung. Ein weiterer Impedanzreduzierer 4 ist am Ausgang des Differenzverstärkers 3 vorgesehen, um die Impedanz der Differenzsignale b₁ und b₂ weiter zu erniedrigen. Der Impedanzreduzierer kann als Pufferverstärker, beispielsweise in Form eines Kaskadenverstärkers, ausgeführt sein.
Die impedanzreduzierten Differenzsignale c₁ und c₂ werden in eine bistabile Signalbusschittstelle 5 geleitet. Diese hat Schwellwertschalter in Form einer bipolar ausgelegten Verstärkerstufe, um CAN-konforme erste und zweite Bussignale d₁ und d₂ zu erzeugen. Durch die Bistabilät der Signalbusstelle 5 wird erreicht, dass eine weitere deutliche Störunterdrückung erfolgt. Zudem ist eine Mitkopplung zwischen den beiden Eingängen jeweils auf die beiden Ausgänge, das heißt eine Mitkopplung zwischen den beiden Signalsträngen vorgesehen, die vorzugsweise konfigurierbar ist. So wirkt das impedanzreduzierte Differenzsignal c₁ sowohl auf das erste Bussignal d₁ als auch auf das zweite Bussignal d₂. Das zweite impedanzreduzierte Differenzsignal c₂ wirkt ebenfalls auf das erste Bussignal d₁ und das zweite Bussignal d₂. Damit wird von der Schaltung immer, d. h. auch im Fall, dass nur eines der Signale a₁, a₂ vorhanden ist, ein symmetrisches bzw. differentielles Ausgangs-Bussignal d₁ und d₂ erzeugt. Dies kann über „große” Entfernungen störsicherer übertragen und anschließend dekodiert werden, als ein einzelnes „Eindrahtsignal”. Insgesamt ist die Schaltung „eindrahtfähig”, d. h. der nachgeschaltete CAN-Receiver erkennt gültige Telegramme, obwohl nur eines der ersten und zweiten Signale a₁, a₂ vorhanden ist.
Durch die mit Hilfe der Schwellwertschalter erreichte Bistabilität muss die Einwirkung aus dem impedanzreduzierten ersten Differenzsignal c₁ und dem impedanzreduzierten zweiten Differenzsignal c₂ für jeden Pegelwechsel der ersten und zweiten Bussignale d₁ und d₂ eine bestimmte Größenordnung überschreiten. Ansonsten verbleiben das erste und zweite Bussignal d₁ und d₂ in dem aktuellen Zustand.
Durch die Kombination der Mitkopplung mit der Bistabilität wird eine sehr gute Störunterdrückung erreicht, so dass die ersten und zweiten Bussignale von einem CAN-Empfänger wesentlich fehlerfreier decodiert werden können, als einfache ausgekoppelte erste und zweite Signale a₁, a₂ oder entsprechende Differenzsignale b₁ und b₂.
Der Differenzverstärker 3 kann optional ein weiteres Ausgangssignal b₀ zur Anzeige der Signalgüte generieren, so dass eine Gleichtaktstörung an einen CAN-Empfänger gemeldet werden kann.

Claims

Schaltungsanordnung zum kontaktlosen Abgreifen von elektrischen Signalen von mindestens einer Signalleitung (1), umfassend – ein erstes elektromagnetisches Koppelelement (2a) zur Anordnung im elektromagnetischen Feldbereich einer ersten Signalleitung (1a), um ein erstes logisches Signal auf der ersten Signalleitung (1a) elektromagnetisch auszukoppeln, – einen Differenzverstärker (3), der mit dem ersten Koppelelement (2a) so geschaltet ist, dass mindestens ein Differenzsignal (b1) zwischen dem ausgekoppelten ersten logischen Signal (a1) und einem zum ersten logischen Signal (a1) redundant invertiertem Signal (a2) gebildet wird, – einem Impedanzreduzierer (4) am Ausgang des Differenzverstärkers (3) zur Reduzierung der Quellimpendanz des mindestens einen Differenzsignals (b1, b2), gekennzeichnet durch, – eine bistabile Signalbusschnittstelle (5) mit Schwellwertschalter für das mindestens eine impedanzreduzierte Differenzsignal (c1, c2) und mit einem Mitkoppelglied zwischen dem mindestens einen Eingang und einem ersten Ausgang für ein zu dem ausgekoppelten ersten Signal (a1) korrespondierendes logisches erstes Bussignal (d1) sowie einem zweiten Ausgang für ein zu dem ersten Bussignal (d1) redundant invertiertem zweiten Bussignal (d2) der Signalbusschnittstelle (5), wobei das erste elektromagnetische Koppelelement (2a) zur kapazitiven Kopplung als rohrförmiger Kondensator zur mindestens teilweisen Umhüllung der jeweiligen Signalleitung (1) ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein zweites elektromagnetisches Koppelelement (2b) zur Anordnung im elektromagnetischen Feldbereich einer zweiten Signalleitung (1b), um ein zweites logisches Signal (a2) auf der zweiten Signalleitung (1b) elektromagnetisch auszukoppeln, wobei der Differenzverstärker (3) mit dem ersten und zweiten Koppelelement (2a, 2b) so verbunden ist, dass mindestens ein Differenzsignal (b1, b2) zwischen dem ausgekoppelten ersten und zweiten logischen Signal (a1, a2) gebildet wird.
Schaltungsanordnung an Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzverstärker (3) zur Bildung einer ersten Differenz (b1) zwischen dem ausgekoppelten ersten logischen Signal (a1) und dem ausgekoppelten zweiten logischen Signal (a2) und zur Bildung einer weiteren Differenz (b2) zwischen dem ausgekoppelten zweiten logischen Signal (a2) und dem ausgekoppelten ersten logischen Signal (a1) vorgesehen ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Impedanzreduzierer (4) ein Pufferverstärker ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Impedanzreduzierer (4) ein Kaskadenverstärker ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mitkoppelglied der bistabilen Signalbusschnittstelle (5) konfigurierbar ist.