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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Bussystem zur Steuerung des Zustands
von mehreren Verbrauchern mittels Steuernachrichten.
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Außerdem betrifft
die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung des Zustands von mehreren
Verbrauchern mittels Steuernachrichten über ein Bussystem.
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Schließlich betrifft
die vorliegende Erfindung auch ein Steckerelement zum Anschluss
eines Verbrauchers an ein Bussystem.
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In
Kraftfahrzeugen sind heutzutage Leitungen zur Energie- und Informationsübertragung
zu Kabelbäumen
zusammen gefasst. Ein Kabelbaum eines Kraftfahrzeugs hat im Allgemeinen
eine sternförmige
Struktur. Über
die Leitungen des Kabelbaums werden an diesen angeschlossene Verbraucher,
beispielsweise Stellmotoren für
elektrische Fensterheber oder eine elektrische Sitzverstellung,
angesteuert, d.h. aktiviert oder deaktiviert. Zur Aktivierung der Verbraucher
werden üblicherweise
Schalter eingesetzt, durch die die Energiezufuhr zu den Verbrauchern
hergestellt, unterbrochen oder auf einen bestimmten Wert eingestellt.
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Auch
in Gebäuden,
insbesondere beim Gebäudemanagement,
ist die Vorgehensweise traditionell die Gleiche: Verbraucher werden
in der Regel geschaltet, indem ihnen zentral (von einem Schalter aus)
die Versorgungsspannung zu- oder abgeschaltet bzw. gedrosselt wird.
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Die
Energieversorgungsleitungen werden also gewissermaßen zur Übertragung
der Information zur Ansteuerung der Verbraucher benutzt. Die Folge
ist, dass jeder Verbraucher seine eigene Energieversorgungsleitung
vom Schalter bis zum Verbraucher benötigt, auch wenn er räumlich nahe
an anderen Verbrauchern liegt. Dies führt zu einer komplexen, weit
verzweigten und vom Gewicht her schweren Verkabelung von Verbrauchern
in Kraftfahrzeugen und Gebäuden.
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Aufgrund
der genannten Nachteile sind in der Vergangenheit verschiedentlich
bereits modernere Architekturen zur Energieversorgung und Ansteuerung
von Verbrauchern in Kraftfahrzeugen und Gebäuden eingesetzt worden, bei
denen Energie- und Informationsübertragung
bzw. die entsprechenden Kanäle
getrennt sind. Die Verbraucher hängen
dabei an einer gemeinsamen Energieversorgungsleitung. Die Information
für die
gewünschte
Ansteuerung der Verbraucher wird über einen separaten Kanal,
einen sogenannten Feldbus, übertragen.
Durch diese Maßnahme
sinkt der Verkabelungsaufwand gegenüber der traditionellen Sternstruktur
erheblich. Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch die einfache Erweiterbarkeit der
Feldbus-Architektur um zusätzliche
Verbraucher, ohne dass ein neuer Kabelbaum bzw. neue Leitungen für den Kabelbaum
verlegt werden müssten.
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Als
nachteilig bei den bekannten Feldbus-Architekturen hat sich jedoch
erwiesen, dass diese für bestimmte
Anwendungen zu komplex und insbesondere zu teuer sind. Dies gilt
insbesondere für
eine einfache Ansteuerung von Verbrauchern, wie sie bisher über einfache
Schalter oder Potentiometer gemacht wurde. Bei den heutzutage eingesetzten
Feldbus-Architekturen übersteigen
im Allgemeinen die Kosten der Feldbuselektronik (Material und Aufwand für Installation
und Wartung) die Kosten der eingesparten Verbraucherzuleitungen.
Die Feldbus-Architektur
ist also deutliche teurer als die klassische Kabelbaumstruktur.
Erst bei Berücksichtigung
der unter Umständen
geringeren Montagekosten und der Vorteile bezüglich der einfachen Erweiterbarkeit
der Feldbus-Architektur
und des vereinfachten Variantenhandlings, kann die Feldbus-Architektur
gegenüber
der traditionellen Kabelbaumstruktur überzeugen. In der Fertigungstechnik
haben sich Feldbussyteme unter anderem deshalb heute schon durchgesetzt.
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Dennoch
stellt der höhere
Einkaufspreis der Feldbus-Architektur
gegenüber
herkömmlichen
Kabelbaumstrukturen eine zum Beispiel im Kraftfahrzeug zur Zeit
kaum überwindbare
Hürde bei
der Markteinführung
dar.
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Deshalb
liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein vereinfachtes
und kostengünstiges
Bussystem zur Ansteuerung von Verbrauchern zur Verfügung zu
stellen.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird ausgehend von dem Bussystem der eingangs genannten
Art vorgeschlagen, dass das Bussystem einen uni-direktionalen Eindrahtbus
umfasst.
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Vorteile der
Erfindung
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung gegenüber den existierenden Feldbus-Architekturen
ist in der besonders einfachen, aber für den vorgesehenen Einsatzbereich
völlig
ausreichenden Funktionalität
und der damit verbundenen verringerten Komplexität des Bussystems zu sehen.
Durch die Vereinfachung ergibt sich für das erfindungsgemäße Bussystem
gegenüber
den bekannten Feldbussystemen, wie beispielsweise CAN oder LIN,
ein deutlich günstigerer
Preis mit nur geringfügigen
funktionalen Einbußen,
die – wie
gesagt – für den vorgesehenen
Einsatzbereich problemlos in Kauf genommen werden können. Der
vorgesehene Einsatzbereich betrifft insbesondere die Steuerung des
Zustands von Verbrauchern, insbesondere das Schalten der Verbraucher. Das
Schalten kann beispielsweise ein mehrstufiges Schalten der Verbraucher,
im einfachsten Fall ein Zweipunktschalten (Ein/Aus), und in einem
komplexeren Fall ein stufenloses bzw. quasi-stufenloses Schalten
(beispielsweise das Dimmen einer Leuchte oder das Erhöhen oder
Erniedrigen der Drehzahl eines Elektromotors) umfassen.
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Die
Kommunikation zwischen einer Ansteuereinheit und den Verbrauchern über das
Bussystem erfolgt ausschließlich
in eine Richtung, nämlich
in Richtung von der Ansteuereinheit zu den Verbrauchern hin, so
dass eine Ansteuerung der Verbraucher möglich ist. Eine Rückmeldung über den
aktuellen Zustand oder eventuell aufgetretene Fehler von den Verbrauchern
zu der Ansteuereinheit über
das Bussystem ist bewusst nicht vorgesehen.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das Bussystem mit den Merkmalen des Anspruchs 4 oder des Anspruchs
5 hat den Vorteil, dass das Bussystem redundant ausgebildet ist
und Übertragungsfehler
erkannt und korrigiert werden können.
Die Ausgestaltung des Bussystems gemäß Anspruch 4 oder Anspruch
5 ist bei dem erfindungsgemäßen Bussystem
deshalb von besonderer Bedeutung, da bei dem Bussystem eine Rückmeldung
von den Verbrauchern zu der Ansteuereinheit nicht vorgesehen ist,
so dass die Ansteuereinheit keine Informationen darüber erhält, ob die Übertragung
der Steuernachrichten zu dem Verbraucher erfolgreich war und ob
der Verbraucher richtig, d.h. gemäß dem Ansteuerbefehl der Steuernachricht,
reagiert hat. Mit der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bussystems
gemäß den Merkmalen
des Anspruchs 6 ist es möglich,
ein Fehlverhalten oder einen Fehler eines Verbrauchers zu detektieren
bzw. bei dem Bussystem gemäß Anspruch
7 im Fehlerfall den defekten Verbraucher zu deaktivieren, um Schaden
zu vermeiden.
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Als
eine weitere Lösung
der Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ausgehend von dem Verfahren
zur Steuerung mehrerer Verbraucher der eingangs genannten Art vorgeschlagen,
dass das Bussystem einen Eindrahtbus umfasst, über den die Steuernachrichten
unidirektional übertragen
werden.
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Als
noch eine weitere Lösung
der Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ausgehend von dem Steckerelement
der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass das Steckerelement
eine dem Verbraucher zugeordnete Logik aufweist, wobei die Logik
bei jedem Empfang einer Steuernachricht über das Bussystem den Verbraucher
in den entsprechenden Zustand schaltet. Über dieses "intelligente" Steckerelement können also auf besonders einfache Weise
herkömmliche
Verbraucher an das erfindungsgemäße Bussystem
angeschlossen werden.
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Zeichnungen
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
erfindungsgemäßes Bussystem gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform;
und
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2 beispielhafte
Steuernachrichten zur Ansteuerung eines Verbrauchers.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
ein erfindungsgemäßes Bussystem
zur Ansteuerung von Verbrauchern gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
dargestellt. Das Bussystem ist in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet.
Es umfasst eine Energieversorgungsleitung 2 sowie eine
Informationsübertragungsleitung 3.
An die gemeinsame Energieübertragungsleitung 2 sind
mehrere Verbraucher 4 angeschlossen, von denen in 1 beispielhaft
lediglich drei dargestellt sind. Die Verbraucher 4 können je
nach dem, wo das Bussystem 1 eingesetzt wird, nahezu beliebig
ausgebildet sein. Bei einem Einsatz des Bussystems 1 in
einem Kraftfahrzeug können
die Verbraucher 4 beispielsweise als eine Innen- oder Außenleuchte,
ein Scheinwerfer, eine elektrische Sitzverstellung, eine elektrische
Fensterheberbetätigung oder
eine elektrische Schiebedachbetätigung
ausgebildet sein. Beim Einsatz des Bussystems 1 in einem Gebäude können die
Verbraucher 4 beispielsweise als Innen- oder Außenleuchten,
als automatisch betätigbare
Rolläden,
automatisch betätigbare
Fenster oder Türen,
oder als Klimasteuerung oder -regelung ausgebildet sein.
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Jedem
der Verbraucher 4 ist ein als Slave 5 ausgebildetes
Rechengerät,
beispielsweise ein Computer, zugeordnet, dessen Arbeitsweise durch
ein anderes, als Master bezeichnetes Gerät kontrolliert wird. Der Master
ist mit dem Bezugszeichen 6 bezeichnet und ebenfalls an
die Informationsübertragungsleitung 3 des
Bussystems 1 angeschlossen. Slaves 5 und Masters 6 sind
beispielsweise als ein Computer, als ein beliebiges Rechengerät, als ein
Mikroprozessor oder als ein Mikrocontroller ausgebildet. Sowohl
der Master 6 als auch die Slaves 5 umfassen vorzugsweise
mindestens einen an sich bekannten Mikroprozessor (nicht dargestellt)
auf dem ein Computerprogramm zur Realisierung der Kommunikation
zwischen Master 6 und Slaves 5 ablaufen kann.
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Jedem
der Slaves 5 ist ein Aktor 6 zugeordnet, der über den
Slave 5 angesteuert wird, um den Zustand des entsprechenden
Verbrauchers 4 zu steuern, insbesondere zu verändern. Der
Aktor 6 ist beispielsweise als ein Elektromagnet, als ein
Schaltrelais, als ein Elektromotor o.ä. ausgebildet.
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Dem
Master 6 sind Schaltelemente 7 zugeordnet, durch
die beispielsweise durch einen Benutzer (nicht dargestellt) ein
gewünschter
Zustand der Verbraucher 4 eingestellt werden kann. In dem
Ausführungsbeispiel
aus 1 ist jedem der Verbraucher 4 ein eigenes
Schaltelement 7 zugeordnet. Das muss aber nicht so sein.
Es ist auch denkbar, dass ein Schaltelement 7 zur Ansteuerung
von mehreren Verbrauchern 4 dient oder ein Verbraucher 4 über eine
Kombination mehrerer Schaltelemente 7 angesteuert wird.
Die Schaltelemente 7 können
hardwaremäßig oder
aber auch softwaremäßig realisiert
sein. Für
eine softwaremäßige Realisierung
sind beispielsweise Symbole der Schaltelemente 7 auf einem
Ausgabegerät
(nicht dargestellt) abgebildet und werden beispielsweise durch Berühren (bei
einem Touchscreen) oder durch Anklicken mit einem Zeigegerät (Mouse)
betätigt
bzw. geschaltet. Infolge der Betätigung
der Schaltelemente 7 ergibt sich ein Schaltsignal, welches
dem Master 6 zugeführt
wird. Dieser erzeugt dann eine entsprechende Steuernachricht, um den
gewünschten
Verbraucher 4 in der gewünschten Weise anzusteuern.
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In 2 sind
zwei Steuernachrichten zur Ansteuerung eines Verbrauchers 4 beispielhaft
dargestellt. Die Länge
der Steuernachricht ist mit tNachricht bezeichnet.
Die obere Steuernachricht in 2 schaltet
beispielsweise den Verbraucher #2 ein, und die untere Steuernachricht
schaltet den Verbraucher #2 aus. Jede Steuernachricht umfasst einen
Adressbereich, der beispielsweise 4 Bit umfasst und in dem beispielsweise
die Kennung (Identifikation, ID) des dem anzusteuernden Verbraucher 4 zugeordneten Slaves 5 codiert
ist. Des Weiteren umfasst eine Steuernachricht einen Nachrichtenbereich,
der beispielsweise 4 bis 6 Bit umfasst, und in dem der gewünschte Schaltbefehl
codiert ist.
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Als
Verbraucher 4 werden nicht nur Geräte bezeichnet, die Energie
verbrauchen, sondern auch solche, die Energie erzeugen und/oder
Energie speichern. Die Verbraucher 4 sind über einen "intelligenten" Stecker an die gemeinsame
Energieversorgungsleitung 2 bzw. einen gemeinsamen Energieversorgungskanal
und die Informationsübertragungsleitung 3 bzw.
einen gemeinsamen Informationsübertragungskanal
angeschlossen. Als Informationsübertragungskanal
wird erfindungsgemäß statt
eines relativ kostspieligen Feldbussystems, wie beispielsweise CAN
oder LIN, ein einfacher Eindrahtbus benutzt, bei dem der Master 6 über relativ
langsame, einfach auszuwertende digitale Pulsmuster (vergleiche 2) den "intelligenten" Steckern mitteilt,
in welchem Zustand er die einzelnen Verbraucher 4 wünscht (ein, aus,
gedimmt, etc.).
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Eine
Informationsübertragung
findet nicht nur bei einem gewünschten
Zustandswechsel eines Verbrauchers 4, sondern vorzugsweise
zyklisch statt. Durch die zyklische Übertragung des Zustandswunsches
für die
Verbraucher 4 ist eine Rückmeldung durch die Verbraucher 4 über ihren
tatsächlichen
Zustand nicht erforderlich. Die Verbraucher 4 sind nur passive
Teilnehmer am Bus. Das Bussystem 1 bzw. die Informationsübertragungsleitung 3 ist
also als ein unidirektionaler Bus ausgebildet, über den nur eine Einwege-Kommunikation möglich ist.
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Als
Auswerte-Elektronik ist kein aufwendiger Bus-Controller notwendig.
Es genügt,
wenn in den "intelligenten" Steckern eine einfache
Auswerteschaltung in Form einer einfachen Digitalschaltung vorgesehen
ist. Auch der digitale Eingang eines Mikro-Controllers kann als
Auswerte-Elektronik genutzt werden. Der "intelligente" Stecker beinhaltet zum Schutz der Verbraucher 4 als
Sicherung eine Überstromerkennung.
Bei einem Kurzschluss oder ähnlichem
im Verbraucher 4 trennt er diesen automatisch von der Energieversorgungsleitung 2.
So lange der zyklisch wiederholte Zustandswunsch des Masters 6 für diesen
defekten Verbraucher 4 noch "Ein" ist,
testet der "intelligente" Stecker regelmäßig durch
Schließen
eines Energieversorgungsschalters zwischen dem Verbraucher 4 und
der Energieversorgungsleitung 2, ob der Kurzschluss im
Verbraucher 4 bzw. der resultierende Überstrom noch vorhanden ist.
Auf eine aufwendige Diagnosemöglichkeit
der Verbraucher 4 durch das Bussystem 1, wie sie
beispielsweise bei der Verwendung eines bi-direktionalen Busses möglich wäre, kann
somit bei dem erfindungsgemäßen Bussystem 1 unter
anderem aus Kostengründen verzichtet
werden.
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Um
die Reaktionszeit zwischen Betätigen
eines Schaltelementes 7 und Überführen des gewünschten
Verbrauchers 4 in den gewünschten Zustand möglichst
kurz zu halten, können
vom Master 6 gewünschte
Schaltereignisse, d.h. gewünschte
Zustandsänderungen
eines Verbrauchers 4, sofort über die Informationsübertragungsleitung 3 übermittelt werden,
statt erst den nachfolgenden Zyklus abzuwarten.
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Um Übertragungsfehler
bei der Übertragung der
Steuernachrichten und infolge dessen eine falsche Zustandsänderung
eines Verbrauchers 4 möglichst
ausschließen
zu können,
werden die Nachrichten mehrfach redundant übertragen. Die Verbraucher 4 schalten
erst, wenn sie mindestens zweimal vorzugsweise in unmittelbar aufeinander
folgenden Zyklen dieselbe Steuernachricht empfangen. Dieselben Steuernachrichten
sind an den gleichen Verbraucher 4 adressiert und beinhalten
den gleichen Steuerbefehl.