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Die Erfindung betrifft ein Steuergerät, welches dazu eingerichtet ist, mindestens eine Stellgröße in Abhängigkeit mindestens einer Messgröße zu steuern und/oder zu regeln, wobei durch das Steuergerät mindestens ein Datenbus bereitgestellt wird, welcher mit mindestens einem Sensor zur Erfassung der Messgröße verbindbar ist.
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Steuergeräte der eingangs genannten Art werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen zur Motorsteuerung verwendet. Weiterhin können Steuergeräte der eingangs genannten Art eingesetzt werden, um Sicherheitsfunktionen wie Gurtstraffer oder Airbags zu steuern und zu überwachen.
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Das Dokument
DE 10 2005 060 607 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung und Verarbeitung von Messwerten.
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Aus der
DE 198 59 178 C1 ist ein Verfahren zum Übertragen von Daten in einem Kraftfahrzeug bekannt, bei welchem eine Satellitenstation, beispielsweise ein Aufprallsensor, mittels einer unidirektionalen Stromschnittstelle an ein zentrales Steuergerät angeschlossen ist. Die Datenübertragungsleitung ist dabei eine drahtgebundene Schnittstelle. Diese dient einerseits der Versorgung der Satellitenstation mit elektrischer Energie. Weiterhin werden die von der Satellitenstation an die Zentralstation zu übertragenden Daten dem vorhandenen Ruhestrom der Satellitenstation in Form von Stromimpulsen überlagert.
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Nachteilig an diesem Stand der Technik ist jedoch, dass Daten nur unidirektional von der Satellitenstation zum Steuergerät übertragen werden können. Weiterhin erfordert jede Satellitenstation eine eigene drahtgebundene Schnittstelle.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, mehrere Sensoren bzw. Satellitenstation mittels einer einzelnen Leitungsverbindung an einem Steuergerät zu betreiben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Steuergerät, welches dazu eingerichtet ist, mindestens eine Stellgröße in Abhängigkeit mindestens einer Messgröße zu steuern und/oder zu regeln, wobei durch das Steuergerät mindestens ein Datenbus bereitgestellt wird, welcher mit mindestens einem Sensor zur Erfassung der Messgröße verbindbar ist. Erfindungsgemäß umfasst das Steuergerät weiterhin eine Einrichtung, mit welcher ein Abfragesignal mit vorgebbarer Signalform auf dem Datenbus erzeugbar ist, wobei durch eine Regeleinrichtung Abweichungen der erzeugten Signalform von der vorgegebenen Signalform korrigierbar sind.
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Weiterhin besteht die Lösung der Aufgabe in einem Verfahren zum Steuern und/oder Regeln mindestens einer Stellgröße in Abhängigkeit mindestens einer Messgröße, wobei mindestens ein Datenbus bereitgestellt wird, welcher mit mindestens einem Sensor zur Erfassung der Messgröße verbunden ist. Dabei wird ein Abfragesignal mit vorgegebener Signalform auf dem Datenbus erzeugt und durch eine Regeleinrichtung werden Abweichungen der erzeugten Signalform von der vorgegebenen Signalform korrigiert.
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Das erfindungsgemäße Steuergerät kann beispielsweise ein Motorsteuergerät einer Brennkraftmaschine sein. Weiterhin kann das Steuergerät Sicherheitsfunktionen wie beispielsweise die Auslösung einer Airbageinrichtung oder eines pyrotechnischen Gurtstraffers übernehmen. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das Steuergerät Komfortfunktionen übernehmen wie beispielsweise die Ansteuerung elektrischer Fensterheber oder Schiebedächer.
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Zur Erfassung einer Messgröße ist ein Sensor vorgesehen, beispielsweise ein Temperatursensor, ein Drucksensor, ein Beschleunigungssensor, ein Drehratensensor oder ähnliches. Der Sensor ist mit einer elektronischen Schaltung versehen, welche dazu eingerichtet ist, die Sensordaten aufzubereiten und in eine Form zu konvertieren, welche zur Datenübermittlung über den Datenbus geeignet ist. Dazu kann die Schaltung beispielsweise A/D-Wandler, Komparatoren, Speicher, Mikrokontroller, Mikroprozessoren oder ähnliches aufweisen. Die Steuerschaltung kann zusammen mit einem Sensorelement monolithisch auf einem Halbleitersubstrat integriert werden. Alternativ kann die Ansteuerschaltung auch getrennt vom Sensor ausgeführt werden. In diesem Fall werden die Ansteuerschaltung und der Sensor auf einen Schaltungsträger miteinander verbunden, beispielsweise einer Leiterplatte oder mittels Bonddrähten. Daneben kann die Schaltung weitere Funktionen ausführen, beispielsweise die Plausibilitätsprüfung der Daten oder den Selbsttest des Sensors.
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Das vorgeschlagene Steuergerät stellt einen Datenbus zur Verfügung, welcher zumindest zwei elektrische Leiter aufweist. Dabei kann ein elektrischer Leiter auch ein Karosserieblech sein. Die elektrischen Leiter dienen einerseits zur Versorgung des Sensors und der zugehörigen Elektronik mit elektrischer Energie. Daher fließt auf dem Datenbus nach Einschalten des Steuergerätes ein Ruhestrom. Dieser hängt von der Anzahl und der Art der verwendeten Sensoren ab. Die Datenübermittlung wird mittels eines Abfragesignals gestartet, welches vom Steuergerät auf den Datenbus ausgegeben wird. Das Abfragesignal kann eine Codierung aufweisen, mittels welcher eine Untergruppe von Sensoren aus allen am Bus befindlichen Sensoren ausgewählt wird.
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Beispielsweise kann das Abfragesignal ein Rechteckimpuls sein. Der Rechteckimpuls wird von den Sensoren empfangen. Jedem Sensor kann dabei ein Zeitfenster nach Empfang des Abfrageimpulses zugeordnet sein, innerhalb dessen der Sensor die von ihm generierten Daten zum Steuergerät sendet. Aufgrund der sich mit der Anzahl der Sensoren ändernden Kapazität des Datenbusses und des sich mit der Anzahl der Sensoren ändernden Ruhestromes des Datenbusses ändert sich die Signalform bzw. die Flankensteilheit des Abfragesignals bei gegebener Stromstärke dieses Abfragesignals in Abhängigkeit der Kapazität bzw. der Anzahl der Sensoren. Erfindungsgemäß ist daher eine Einrichtung vorgesehen, welche durch Regelung der Stromstärke des Abfragesignals Abweichungen zwischen der tatsächlichen Signalform und einer vorgebbaren Signalform korrigieren kann. Die Regeleinrichtung kann dabei auch eine Vorsteuerung der Stromstärke umfassen.
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Die Vorsteuereinrichtung kann dabei insbesondere einen Basiswert der Stromstärke festlegen, welcher anhand der Buskapazität und/oder der Anzahl der Sensoren am Bus festgelegt wird. Der Vorsteuerwert kann dabei vom Steuergerät automatisiert bestimmt werden, beispielsweise nach Einschalten der Stromversorgung. Alternativ kann auch eine Speichereinrichtung zur Aufnahme eines Vorsteuerwertes vorgesehen werden. Die Speichereinrichtung kann dabei beispielsweise ein EEPROM umfassen, in welches der Vorsteuerwert bei der Konfigurierung des Steuergerätes abgelegt wird. Eine Speichereinrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung können auch mehrere Schaltelemente darstellen, welche jeweils ein Bit eines Vorsteuerwertes kodieren.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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1 zeigt dabei zwei Sensoren 5A und 5B, welche an einem Bus 6 angeschlossen sind. Die übrigen in 1 dargestellten Bauteile können Bestandteil eines Steuergeräts sein. Innerhalb des Steuergeräts können einzelne Baugruppen sowohl in Hardware als auch in Software realisiert werden. Sofern einzelne Baugruppen in Hardware realisiert werden, können diese in Form eines integrierten Schaltkreises auf einem einzelnen Halbleitersubstrat angeordnet werden. Alternativ können auch mehrere diskrete oder integrierte Bauelemente auf einem Schaltungsträger miteinander verbunden werden.
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Jeder der Sensoren 5A und 5B umfasst ein Sensorelement zur Aufnahme einer Messgröße, beispielsweise einer Temperatur, einer Beschleunigung, einer Drehrate, einem Drehwinkel, einer Geschwindigkeit oder ähnliches. Zusätzlich umfasst jedes Sensorelement 5A, 5B eine Auswerteschaltung. Diese kann beispielsweise einen A/D-Wandler umfassen. Weiterhin können Baugruppen zum Selbsttest des Sensors, zur Plausibilitätsprüfung der Daten, zur Kalibrierung, zur Diskriminierung von Datenbereichen oder weitere Funktionen im Sensorelement 5 integriert sein.
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Erfindungsgemäß wird mindestens ein Sensorelement 5A verwendet. Fallweise können jedoch auch mehrere Sensorelemente, beispielsweise zwei bis zehn Sensorelemente 5A, 5B, ... am Bus 6 angeschlossen sein. Die Anzahl der Sensorelemente kann sich dabei bei verschiedenen Fahrzeugen verschiedener Hersteller oder unterschiedlichen Ausstattungsvarianten desselben Fahrzeugs unterscheiden.
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Der Datenbus 6 verbindet sämtliche Sensoren 5A, 5B,... und die Bauelemente des Steuergerätes untereinander. Der Datenbus 6 besteht dabei bevorzugt aus elektrischen Leitungen. Dabei kann eine elektrische Leitung, meist eine Masseverbindung, durch das Karosserieblech eines Fahrzeuges gebildet werden.
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Der Datenbus 6 dient zur Versorgung der Sensoren 5A, 5B,... mit elektrischer Energie. Hierzu steht eine Versorgungsspannungsquelle U zur Verfügung. Die Versorgungsspannungsquelle U kann dabei eine Fahrzeugbatterie umfassen. Weiterhin kann die Versorgungsspannungsquelle U weitere Bauelemente umfassen, beispielsweise zur Spannungsregelung, zur Stromregelung oder zur Strombegrenzung. In Abhängigkeit des Typs und der Anzahl und dem Zustand der Sensoren 5 fließt ein unterschiedlich großer Ruhestrom über den Bus 6.
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Die Sensoren 5 sind dazu eingerichtet, ein Abfragesignal vom Steuergerät zu empfangen. Nach dem Empfang des Abfragesignals liefern die Sensoren Daten über den Datenbus 6 an das Steuergerät. Die Daten können dabei beispielsweise ein Initialisierungssignal, ein Fehlersignal oder Messwerte umfassen. Die Daten werden dem vorhandenen Ruhestrom in Form von Stromimpulsen überlagert. Um die Überlagerung verschiedener Daten verschiedener Sensoren zu verhindern, kann vorgesehen sein, dass jeder Sensor ein festgelegtes Zeitfenster erhält, innerhalb dessen er nach Empfang des Abfragesignals seine Daten sendet.
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Innerhalb des Steuergeräts liegt im Datenbus 6 ein elektrischer Widerstand 1. An diesem elektrischen Widerstand fällt eine elektrische Spannung ab, welche proportional zum Ruhestrom auf dem Bus 6 ist. Weiterhin fällt am Widerstand 1 eine elektrische Spannung ab, welche in Abhängigkeit der von den Sensoren 5 abgegebenen Stromimpulse moduliert ist. Die am Widerstand 1 abfallende Spannung wird von einem Komparator 2 gemessen. Der Komparator 2 dient dabei der Messung des modulierten Signalanteils, d.h. des Anteils der Spannung an Widerstand 1, welche den vom Ruhestrom herrührenden Anteil der Spannung über- bzw. unterschreitet. Dieser Anteil der Signalspannung wird vom Komparator 2 als Datensignal Data_out an nachfolgende Schaltungsteile weitergereicht. Die nachfolgenden Schaltungsteile können beispielsweise einen Mikroprozessor, einen Mikrokontroller, einen Speicher oder einen Aktor umfassen, um in Abhängigkeit der Messsignale der Sensoren 5A, 5B,... eine Funktion im Fahrzeug oder an dessen Brennkraftmaschine auszuführen.
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Damit der Komparator 2 den den Ruhestrom über- bzw. unterschreitenden Anteil zuverlässig ermitteln kann, wird der Anteil des Ruhestroms von einer Einrichtung zur Ruhestrommessung 3 ermittelt. Dieser Ruhestromanteil wird über Leitung 10 als Triggerschwelle an den Komparator 2 übergeben. Daneben können dem Komparator 2 weiteren Werte in analoger oder digitaler Form zugeführt werden, um die Triggerschwelle zu beeinflussen.
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Weiterhin kann die Einrichtung 3 zur Erfassung des Ruhestromes optional eine Leitung 7 aufweisen, mit welcher der Ruhestrom der Spannungsquelle U auf einen vorgebbaren Wert geregelt werden kann.
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Zur Erzeugung eines Abfragesignals auf dem Datenbus 6 dienen zwei Stromquellen Ipush und Ipull. Es sei darauf hingewiesen, dass eine solche Ausführungsform mit zwei Stromquellen lediglich beispielhaften Charakter aufweist. Der Fachmann kann alternativ auch andere Formen der Realisierung vorsehen.
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Nachfolgend wird beispielhaft die Erzeugung eines Rechteckimpulses als Abfragesignal erläutert. Selbstverständlich ist dem Fachmann geläufig, dass auch andere Signalformen als Abfragesignal geeignet sind, beispielsweise Sägezahnsignale, Sinussignale, Dreieckssignale oder beliebige andere Signale.
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Zur Erzeugung eines positiven Rechtecksignales auf der Versorgungsspannung der Versorgungsspannungsquelle U verbindet die erste Stromquelle Ipush die Busleitung 6 mit einem höheren Potential als dem Potential der Spannungsquelle U. Dadurch fließt ein elektrischer Strom von der Stromquelle Ipush in die Busleitung 6 hinein und hebt diese auf das höhere Potential der Stromquelle Ipush. In dieser Weise entsteht eine steigende Flanke eines Rechteckimpulses.
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Nach einer vorgebbaren Zeitdauer, welche der Länge des Rechteckimpulses entspricht, wird von der Stromquelle Ipush das höhere Potential von der Busleitung 6 getrennt. Die Busleitung wird nun über Leckströme und den Ruhestrom der Sensoren 5A, 5B,... entladen, bis diese wiederum das Potential der Spannungsversorgung U aufweist. Eine solchermaßen erzeugte fallende Flanke weist jedoch keine konstante Flankensteilheit auf. Vielmehr variiert die Flankensteilheit mit der Kapazität der Busleitung 6 und dem Strombedarf der Sensoren 5A, 5B,.... Um eine Abweichung der Form der fallenden Flanke von einer vorgebbaren Flankensteilheit zu kompensieren ist eine weitere Stromquelle Ipull vorgesehen. Die Stromquelle Ipull verbindet die Busleitung 6 mit einem tieferen Potential, im Ausführungsbeispiel einem Massepotential. Der über die Stromquelle Ipull abfließende Strom wird dabei so gewählt, dass die Busleitung von einem höheren Potential auf das Potential der Spannungsquelle U in einer vorgebbaren Zeit, d.h. mit vorgebbarer Flankensteilheit, entladen wird. Nachdem das Potential der Busleitung 6 dem von der Spannungsquelle U vorgegebenen Potential entspricht, wird die Stromquelle Ipull von der Busleitung 6 getrennt.
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Da die Flankensteilheit des Rechteckimpulses, d.h. die Signalform des Abfragesignals, von der Stromstärke abhängt, welche die Stromquellen Ipush und Ipull bereitstellen, werden diese Stromstärken von der Vorsteuereinrichtung 4 und der Ruhestrommesseinrichtung 3 kontrolliert. Die Vorsteuereinrichtung 4 umfasst dabei beispielsweise eine Speichereinrichtung, welche einen Stromwert aufnimmt und diesen über Leitung 9A und 9B an die Stromquellen Ipush und Ipull übermittelt. Dabei kann vorgesehen sein, für beide Stromquellen denselben Vorsteuerwert vorzusehen. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung können unterschiedliche Vorsteuerwerte für jede Stromquelle bereitgestellt werden.
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Die Speichervorrichtung in der Vorsteuereinrichtung 4 kann beispielsweise ein Halbleiterspeicher sein. Insbesondere kann die Speichervorrichtung ein EPROM, ein EEPROM oder einen Flash-EPROM-Speicher aufweisen. In einem solchen nichtflüchtigen Speicher kann ein Vorsteuerwert vom Benutzer einprogrammiert werden. Der Vorsteuerwert hängt dabei insbesondere von der Kapazität des Datenbusses 6 und dem Ruhestrombedarf der Sensoren 5A, 5B,... ab.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Speichervorrichtung der Vorsteuereinrichtung 4 eine Mehrzahl von Schaltelementen aufweisen, beispielsweise einen DIP-Switch. Mittels eines solchen DIP-Switch kann ein Stromwert als digitaler Wert codiert werden, beispielsweise mit 4, 6 oder 8 Bit.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann im Steuergerät eine Einrichtung zur Erfassung der Buskapazität und/oder der Anzahl und/oder des Typs der Sensoren 5A, 5B,... vorgesehen sein. In diesem Fall kann das Steuergerät einmalig oder bei jedem Einschalten der Spannungsversorgung einen Vorsteuerwert in Abhängigkeit der Buskapazität und/oder der Anzahl und/oder des Typs der Sensoren 5A, 5B,... bestimmen und in einem Speicher der Vorsteuereinrichtung 4 ablegen.
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Zur Erfassung einer Abweichung der tatsächlich erzeugten Form eines Abfragesignals von einer gewünschten Form eines Abfragesignals kann die Einrichtung 3 beispielsweise einen Komparator aufweisen, dessen Triggerschwelle in etwa der halben Signalamplitude des Abfragesignals entspricht. Sofern die von den Stromquellen Ipush und Ipull beeinflusste Flankensteilheit des Abfragesignals von einem Sollwert abweicht, kann mittels des Komparators eine Veränderung der Signalbreite bestimmt werden. Eine solche Veränderung der Signalbreite kann zu einem Nachregeln des von den Stromquellen Ipush und Ipull gelieferten Stromes führen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Einrichtung 3 zur Überwachung der Signalform eines Rechtecksignals jeweils zwei Komparatoren für die steigende und zwei Komparatoren für die fallende Flanke auf. Die Triggerschwelle eines jeden dieser Komparatoren kann dabei so gewählt werden, dass diese einen unteren und einen oberen Schwellenwert und die bis zum Über- bzw. Unterschreiten der jeweiligen Schwellenwerte verstreichende Zeit überwachen. Insbesondere kann der untere Schwellenwert etwa 10 % und der obere Schwellenwert etwa 90 % der Signalhöhe umfassen. Auf diese Weise ist es möglich, unterschiedliche Korrekturwerte auf Leitung 8A für die steigende Flanke und auf Leitung 8B für die fallende Flanke auszugeben.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Einrichtung 3 einen Komparator auf, welcher die Signalspannung an Widerstand 1 mit einem Basisspannungsreferenzwert vergleicht. Der Ausgang des Komparators kann einen digitalen Zähler als asymmetrischen Filter ansteuern. Der Ausgang des digitalen Zählers wird dabei mit jeder steigenden Flanke des Komparatorausgangs erhöht und mit jeder fallenden Flanke des Komparatorausgangs erniedrigt. Dieser Ausgangswert stellt dann einen digitalen Korrekturwert dar, welcher mittels eines D/A-Wandlers in einen analogen Korrekturwert gewandelt werden kann. Entweder der digitale oder der analoge Korrekturwert oder ausgewählte Bits des digitalen Korrekturwertes können über Leitung 8A und/oder 8B an die Stromquellen Ipush und/oder Ipull ausgegeben werden.
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Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Regelung der Signalform des Abfragesignals kann somit eine Flankensteilheit eines Rechtecksignals vorgegeben und überwacht werden, welche einerseits nicht zu gering ist und keine großen Schwankungen aufweist, so dass die Sensoren 5A, 5B,... einen höheren Datendurchsatz erreichen, da nur mehr geringe Toleranzen vorgehalten werden müssen. Andererseits kann die Flankensteilheit des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Steuergerätes soweit verringert werden, dass die Störaussendung des Datenbusses 6 und damit die elektromagnetische Verträglichkeit erhöht wird.
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Die über Datenleitung 8A und 9A zur Stromquelle Ipush und über Datenleitung 8B und 9B zur Stromquelle Ipull geleiteten Ansteuersignale können von den Stromquellen in unterschiedlicher Weise weiterverarbeitet werden. Der Fachmann wird hier aus einer Vielzahl bekannter Verfahren auswählen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird in der Stromquelle Ipush der von der Vorsteuereinrichtung 4 über Leitung 9A zugeteilte Vorsteuerwert und der von Einrichtung 3 über Leitung 8A zugeleitete Korrekturwert addiert. Im Gegensatz dazu wird in der Stromquelle Ipull der von Einrichtung 3 über Leitung 8B gelieferte Korrekturwert vom Vorsteuerwert auf Leitung 9B subtrahiert. Durch eine solche Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird berücksichtigt, dass die Stormquelle Ipush sowohl die Buskapazität laden als auch den Ruhestrom der Sensoren 5A, 5B,... aufbringen muss und daher einen erhöhten Strom auf die Busleitung 6 zu liefern hat. Im Gegensatz dazu wird die Kapazität der Busleitung 6 von den Sensoren 5A, 5B,... ohnehin entladen, sodass in der Stromquelle Ipull eine niedrigere Stromstärke ausreicht, um diese Entladung bis auf einen vorgebbaren Sollwert zu beschleunigen.
