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Steuergeräte, die beispielsweise Mikrocontroller umfassen, können über Busse miteinander verbunden sein, um kommunizieren zu können. Ein solcher Bus kann beispielsweise eine einzelne bidirektionale Leitung sein.
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Solche bidirektionalen Leitungen sind beispielsweise nach ISO 9141 und ISO 14230 als K-Leitungen aus der Automobiltechnik bekannt. K-Leitungen sind danach bidirektionale Ein-Draht-Busse für die Datenübertragung zwischen mindestens zwei Steuergeräten. Zu jedem Zeitpunkt kann eine Übertragung immer nur in einer von zwei Richtungen erfolgen. Binäre logische Zustände auf der K-Leitung werden anhand von Pegeln unterschieden, die relativ zu einer Batterie-Spannung (beispielsweise 12 V bzw. 24 V) eines Fahrzeugs definiert sind. Beispielsweise kann eine logische Null durch einen Pegel in einem Bereich von 0 bis 30 % der Batterie-Spannung (auch Low-Pegel genannt) und eine logische 1 durch einen Pegel im Bereich von 70 % bis 100 % der Batterie-Spannung (auch High-Pegel genannt) repräsentiert werden. Steuergeräte sind gewöhnlich für eine Betriebsspannung von 5 V ausgelegt. Das bedeutet auch, dass sie sowohl Eingangs-High-Pegel im entsprechenden Bereich erwarten als auch Ausgangs-High-Pegel in diesem Bereich zur Verfügung stellen. Die unterschiedlichen Pegel des Steuergeräts und der K-Leitung müssen dabei mittels einer Schnittstelle aneinander angepasst werden.
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Eine bekannte Lösung ist, die K-Leitung mittels eines Eingangspegelumsetzers, der im einfachsten Fall als Spannungsteiler ausgebildet sein kann, mit einem Eingang des Steuergeräts und mittels eines Ausgangspegelumsetzers, für den zumindest ein aktives Bauelement erforderlich ist, mit einem Ausgang des Steuergeräts zu verbinden. Nachteilig ist dabei, dass zwei Anschlüsse des Steuergeräts benötigt werden.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Schnittstelle zur Kommunikation eines Steuergeräts über eine bidirektionale Leitung anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Schnittstelle mit den Merkmalen des Anspruchs 6.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Kommunikation eines Steuergeräts über eine bidirektionale Leitung mittels einer Schnittstelle wird ein auf der Leitung vorliegender High-Pegel oder Low-Pegel in der Schnittstelle in einen Eingangs-High-Pegel umgesetzt und einem Bidirektionalanschluss des Steuergeräts zugeführt. Ein auf dem Bidirektionalanschluss durch das Steuergerät mit einer Mindestspannung angelegter Ausgangs-High-Pegel wird von der Schnittstelle in einen High-Pegel oder Low-Pegel umgesetzt und auf der Leitung angelegt. Ein erster unterer Schwellwert eines von der Schnittstelle unterstützten Spannungsbereichs für den Ausgangs-High-Pegel ist kleiner als die Mindestspannung und größer als ein zweiter unterer Schwellwert eines vom Steuergerät unterstützten Spannungsbereichs für den Eingangs-High-Pegel. Die Schnittstelle stellt den Eingangs-High-Pegel auf dem Bidirektionalanschluss so ein, dass er zwischen dem ersten Schwellwert und dem zweiten Schwellwert liegt. Eine vom Steuergerät auf dem Bidirektionalanschluss angelegte Spannung wird durch die Schnittstelle nur dann als Ausgangs-High-Pegel interpretiert, umgesetzt und an die Leitung weitergeleitet, wenn die Spannung den ersten unteren Schwellwert zumindest erreicht.
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Auf diese Weise kann ein einzelner Bidirektionalanschluss des Steuergeräts mit der bidirektionalen Leitung verbunden werden, ohne dass eine Selbsthaltung der Schnittstelle erfolgt, bei der infolge einer Umsetzung von der bidirektionalen Leitung zum Steuergerät ein Eingangshochpegel am Bidirektionalanschluss des Steuergeräts anliegt und von dort wieder zurück über die Schnittstelle zur bidirektionalen Leitung umgesetzt wird. Stattdessen wird sichergestellt, dass nur ein vom Steuergerät zumindest in Höhe der Mindestspannung auf dem Bidirektionalanschluss anliegender Ausgangs-High-Pegel in Richtung der bidirektionalen Leitung weitergeleitet wird, nicht jedoch ein höchstens in der Höhe des zweiten Schwellwerts anliegender Eingangs-High-Pegel, der infolge Weiterleitung und Umsetzung von der bidirektionalen Leitung her auf dem Bidirektionalanschluss anliegt.
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Die Schnittstelle kann hierzu in die funktionalen Untereinheiten Eingangspegelumsetzer, Pegelbegrenzer, Trigger und Ausgangspegelumsetzer unterteilt sein. Durch das Benutzen nur eines Bidirektionalanschlusses des Steuergeräts, das einen Mikroprozessor oder einen Mikrocontroller umfassen kann, wird die Verwendung eines kleineren und gegebenenfalls preisgünstigeren Mikroprozessors oder Mikrocontrollers mit geringerem Platzbedarf ermöglicht.
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Die bidirektionale Leitung ist insbesondere als eine K-Leitung ausgebildet.
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Die Umsetzung in der Schnittstelle kann invertierend oder nichtinvertierend erfolgen.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Darin zeigen:
- 1 eine Prinzipdarstellung einer bidirektionalen Leitung und eines Steuergeräts, die über eine Schnittstelle miteinander verbunden sind, und
- 2 ein Schaltbild der Schnittstelle.
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In 1 ist eine Prinzipdarstellung einer bidirektionalen Leitung 1 und eines Steuergeräts 2 gezeigt, die über eine Schnittstelle 3 miteinander verbunden sind. Die bidirektionale Leitung 1 ist beispielsweise als eine K-Leitung ausgebildet. Das Steuergerät 2 kann als ein Mikrocontroller oder Mikroprozessor ausgebildet sein oder einen solchen umfassen. Am Steuergerät ist ein Bidirektionalanschluss 4 dargestellt, über den Signale sowohl empfangen als auch ausgesendet werden können. Das Steuergerät wird beispielsweise mit einer Betriebsspannung von 5 V betrieben.
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Über den Bidirektionalanschluss 4 ausgegebene Signale weisen bei einem Ausgangs-High-Pegel eine Spannung oberhalb einer Mindestspannung UOUT_HIGH_MIN auf, beispielsweise 4,5 V. Nach oben ist die Spannung des Ausgangs-High-Pegels durch die Betriebsspannung des Steuergeräts 2 begrenzt, liegt also im Beispiel bei höchstens 5 V.
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Wird der Bidirektionalanschluss 4 als Eingang genutzt, so wird ein dort anliegendes Signal dann als Eingangs-High-Pegel interpretiert, wenn es eine Spannung aufweist die größer ist als ein zweiter unterer Schwellwert USW2, der niedriger ist als die Mindestspannung UOUT_HIGH_MIN, beispielsweise 3,25 V. Die bidirektionale Leitung 1 wird hingegen beispielsweise mit Pegeln betrieben, die sich an einer Betriebsspannung UBATT eines Bordnetzes eines Fahrzeugs orientieren, die beispielsweise 12 V betragen kann.
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Im Falle einer K-Leitung liegt ein Low-Pegel im Bereich von 0 bis 30 % der Betriebsspannung, im Falle eines 12-Volt-Netzes also zwischen 0 und 3,6 V. Ein High-Pegel liegt hingegen im Bereich von 70 % bis 100 % der Betriebsspannung, das heißt zwischen 8,4 V und 12 V.
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Die Schnittstelle 3 hat die Aufgabe, die Pegel der bidirektionalen Leitung 1 und des Steuergeräts 2 aneinander anzupassen. Die Schnittstelle 3 weist hierzu die Untereinheiten Eingangspegelumsetzer 5, Pegelbegrenzer 6, Trigger 7 und Ausgangspegelumsetzer 8 auf.
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Der Eingangspegelumsetzer 5 passt zunächst den Pegel von der bidirektionalen Leitung 1 auf das Steuergerät 2 an, also von 12 V auf 5 V. In der Gegenrichtung passt der Ausgangspegelumsetzer 8 den Pegel vom Steuergerät 2 auf die bidirektionale Leitung 1 an, das heißt von 5 V auf 12 V. Beide Anpassungen können invertierend oder nichtinvertierend erfolgen.
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Um zu vermeiden, dass eine Selbsthaltung der Schnittstelle 3 erfolgt, bei der infolge einer Umsetzung über den Eingangspegelumsetzer 5 ein Eingangshochpegel am Bidirektionalanschluss 4 des Steuergeräts 2 anliegt und von dort wieder zurück über den Ausgangspegelumsetzer 8 auf die bidirektionale Leitung 1 umgesetzt wird, werden der Pegelbegrenzer 6 und der Trigger 7 benötigt, die folgende Eigenschaften aufweisen müssen:
- Der Pegelbegrenzer 6 reduziert den Eingangs-High-Pegel so, dass er zwischen einem ersten unteren Schwellwert USW1 und dem zweiten unteren Schwellwert USW2 liegt, beispielsweise bei 3,8 V. Ein solcher Eingangs-High-Pegel wird sicher durch das Steuergerät 2 erkannt. Der Trigger 7 ist so dimensioniert,
- dass zur Weiterleitung eines Ausgangshochpegels an den Ausgangspegelumsetzer 8 eine Spannung erforderlich ist, die größer als der erste untere Schwellwert USW1 ist. Der erste untere Schwellwert USW1 ist dabei größer als der zweite untere Schwellwert USW2 und kleiner als die Mindestspannung UOUT_HIGH_MIN. Beispielsweise kann der erste untere Schwellwert USW1 4 V betragen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass nur ein vom Steuergerät 2 zumindest in Höhe der Mindestspannung UOUT_HIGH_MIN auf dem Bidirektionalanschluss 4 anliegender Ausgangs-High-Pegel in Richtung der bidirektionalen Leitung 1 weitergeleitet wird, nicht jedoch ein höchstens in der Höhe des zweiten Schwellwerts USW2 anliegender Eingangs-High-Pegel, der infolge Weiterleitung und Umsetzung von der bidirektionalen Leitung 1 her auf dem Bidirektionalanschluss 4 anliegt.
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2 zeigt ein Schaltbild einer möglichen Ausführungsform der Schnittstelle 3. Ein Ein-/Ausgang EA1 ist mit der bidirektionalen Leitung 1 verbunden, ein Ein-/Ausgang EA2 mit dem Bidirektionalanschluss 4 des Steuergeräts 2. Wird am Ein/Ausgang EA1 ein Low-Pegel angelegt, im gezeigten Beispiel also eine Spannung von weniger als 3,6 V, so fließt ein Strom über Emitter und Basis eines Transistors T4, einen Widerstand R3 und eine Diode D1 zum Ein/Ausgang EA1. Der Transistor T4 wird dabei durchgesteuert, so dass am Kollektor in etwa 5 V anliegen, das Signal wird also invertiert. Der Transistor T4, die Diode D1 und die Widerstände R3 und R4 dienen also als Eingangspegelumsetzer 5.
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Der Pegelbegrenzer 6 wird durch die Widerstände R9 und R10 gebildet, die als Spannungsteiler geschaltet sind. Sie sind so dimensioniert, dass die am Kollektor des Transistors T4 anliegenden 5 V auf etwa 3,8 V am Ein/Ausgang EA2 verringert werden. Diese Spannung ist hoch genug, um vom Steuergerät 2 als Eingangs-High-Pegel identifiziert zu werden. Ein aus Widerständen R6 und R7 gebildeter Spannungsteiler im Trigger 7 ist so dimensioniert, dass am Emitter eines Transistors T3 ebenfalls ein Potential von 3,8 V anliegt. Eine Basis-Emitter-Spannung am Transistor T3 ist daher bei einem durch den Transistor T4 verursachten Eingangs-High-Pegel zu gering zum Durchsteuern des Transistors T3.
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Gibt hingegen das Steuergerät 2 einen Ausgangs-High-Pegel auf dem Bidirektionalanschluss 4 und somit auf den Ein/Ausgang EA2 aus, so erfolgt dies mit einer Spannung von mindestens 4,5 V. Der Transistor T3 steuert infolgedessen durch und verursacht damit auch ein Durchsteuern des Transistors T2, der mit seiner Basis über den Widerstand R11 am Kollektor des Transistors T3 liegt, so dass der Kollektor des Transistors T2 in etwa ein Potential von 5 V aufweist.
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Wenn der Transistor T2 gesperrt ist, wird sein Kollektor durch den Widerstand R2 auf ein Potential von etwa 0 gezogen. Der durchgesteuerte Transistor T2 steuert auch einen im Ausgangspegelumsetzer 8 vorgesehenen Transistor T1, der das Signal invertiert und den Ein/Ausgang EA1 auf ein Potential von etwa 0 zieht. Ist der Transistor T1 nicht durchgesteuert, wird der Ein/Ausgang EA1 durch einen Widerstand R5 auf den High-Pegel gezogen, also etwa 12 V.
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Liegt am Ein/Ausgang EA1 ein High-Pegel an, wird der Transistor T4 nicht durchgesteuert. Dementsprechend wird der Ein/Ausgang EA2 durch den Widerstand R9 auf ein Potential von etwa 0 gezogen.
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Die Schnittstelle 3 kann auf andere Weise realisiert sein. Insbesondere können weitere Bauelemente vorgesehen sein.
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Die Schnittstelle 3 kann nichtinvertierend ausgebildet sein.
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Das Bordnetz des Fahrzeugs kann eine andere Betriebsspannung aufweisen, beispielsweise 24 V. Die Pegel der bidirektionalen Leitung 1 ändern sich entsprechend bezüglich dieser Betriebsspannung. Zur Anpassung an das Steuergerät 2 ist gegebenenfalls eine veränderte Dimensionierung der Bauelemente der Schnittstelle 3 erforderlich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- bidirektionale Leitung
- 2
- Steuergerät
- 3
- Schnittstelle
- 4
- Bidirektionalanschluss
- 5
- Eingangspegelumsetzer
- 6
- Pegelbegrenzer
- 7
- Trigger
- 8
- Ausgangspegelumsetzer
- D1
- Diode
- EA1, EA2
- Ein/Ausgang
- R1 bis R11
- Widerstand
- T1 bis T4
- Transistor
- UBATT
- Betriebsspannung eines Bordnetzes
- UOUT_HIGH_MIN
- Mindestspannung
- USW1
- erster unterer Schwellwert
