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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Übertragung
von Informationen mit Sendern, die Informationen über die
Nahfeldtechnologie übertragen.
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Gebiet der Erfindung
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Kapazitive
Näherungssensoren können als Einklemm- und/oder
Diebstahlschutz in Türen, Fenstern und Kraftfahrzeugen
sowie auch als Bestandteile von Schaltungseinrichtungen Anwendung
finden. Üblicherweise sind hierbei Schwingkreise vorgesehen.
Diese Schwingkreise umfassen Hochspannungsabschnitte, die konstruktiv
derart ausgeführt sind, dass über diese Änderungen
der dielektrischen Eigenschaften der näheren Umgebung erfasst
werden können. Diese Hochspannungsabschnitte können
im Bereich von Bedienflächen vorgesehen sein, so dass anhand
ermittelter Änderungen der genannten dielektrischen Eigenschaften
der Umgebung der Bedienflächen Schaltsignale generiert
werden können.
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Aus
der
WO 2007/020058
A1 , deren vollständige Offenbarung Teil dieser
Anmeldung ist, ist ein Erfassungssystem zur Erfassung eines Präsenzereignisses
innerhalb eines Observationsbereiches mit einer Feldbereitungseinrichtung
zur Generierung und Ausstrahlung eines modulierten Wechselfeldes in
eine Feldemissionszone bekannt. Ferner umfasst diese Erfindung eine
auf den Observationsbereich ausgerichteten Signalabgriffseinrichtung
zur Erfassung feldelektrischer Einwirkungen, wobei das Erfassungssystem
derart konfiguriert ist, dass über die Signalabgriffseinrichtung
Signalereignisse abgreifbar sind, die im Bereich der Feldemissionszone
in ein zu observierendes Objekt, insbesondere einen Anwender, eingekoppelt
und über das Objekt, insbesondere den Anwender, in den
Observationsbereich eingespeist werden.
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Die
Erfassungseinrichtung aus dem Stand der Technik ist derart ausgebildet,
dass diese mehrere Abgriffsschnittstellen zum Abgriff der Signalereignisse
aufweist, wobei anhand von Eigenschaften der an den jeweiligen Abgriffsstellen
abgegriffenen Signale zueinander ein Auswertungsergebnis gewonnen wird.
Hierdurch wird es möglich, die Position eines Objektes,
insbesondere einer Person, bzw. deren Gliedmaßen in Relation
zu den Erfassungseinrichtungen festzustellen.
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So
ist es beispielsweise möglich, die Präsenz eines
Fahrers vor einem Fahrzeuglenkrad, und dessen Abstand vom Lenkrad
zu erfassen. Anhand dieser Informationen kann bestimmt werden, ob
beispielsweise ein Zünden eines Airbags noch zulässig ist,
oder ob keine Zündung oder ggf. nur eine Teilzündung
vorgenommen werden kann. Ferner kann erkannt werden, ob der Fahrer
oder Beifahrer einen Bedienknopf bedient.
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Dabei
wird z. B. ein elektrisches Wechselfeld einem sich einem Detektionsbereich
annähernden Menschen aufgeprägt. Dieses Feld wirkt
wie eine synthetische Aura auf dem ganzen Körper des Menschen.
Hält dieser nun Gliedmaßen wie Arme, Beine, Hände
etc. in die Nähe eines Sensorelements, kann dieses die
Stärke des aufgeprägten Wechselfeldes messen und
so die Präsenz eines sich annähernden Körperteils
sicher nachweisen. Frequenzgenerator, Mensch und Gefahrenstelle
bilden so einen Wechselspannungskreis, dessen Impedanzen kapazitiv
durch die sich annähernde Person verändert werden.
Je näher diese dem Generator und/oder der Gefahrenstelle
kommt, umso höher wird der zu messende Pegel sein. Die
Einspeisung auf die Haut eines Menschen (oder eines Tieres) kann
ebenfalls kapazitiv erfolgen, so dass kein direkter Kontakt zu einem
Frequenzgenerator hergestellt werden muss. Auch ist es möglich,
das eingespeiste Wechselspannungssignal mit Daten zu beaufschlagen,
die Hinweise auf den Eintrittsort und/oder die derzeitige Position der
handelnden Person geben. Dabei weist das pegelmessende Sensorelement
mindest einen Messpunkt auf. In vorteilhafter Weise können
mehrere Messpunkte in einem Detektions- oder Gefahren- oder Erfassungsbereich
angebracht sein. Davon können eine oder mehrere Messstellen
als Referenzsteller bezeichnet werden, sodass die Annäherung
in einem Gefahrenbereich mit den Referenzpunkten verglichen und
sicher ausgewertet werden kann (Triangulation). Eine zusätzliche
Dekodierschaltung kann die beaufschlagten Daten aus den Signalen
einer Auswerteeinheit zuführen. Damit ist es beispielsweise
möglich, mehrere Personen, die sich an unterschiedlichen Stellen
befinden (z. B. Fahrer und Beifahrer eines Kfz), zu unterscheiden,
wenn diese sich einer Gefahrenstelle (z. B. schließendes
Fenster, Schiebedach, Kofferraumdeckel, Cabrioverdeck, Schiebetüren, etc.)
während eines gefährlichen Vorganges (öffnen, schließen)
annähern. Die Messstellen können jeweils als separate
Schaltung ausgeführt sein. Sinnvoller ist es jedoch, die
Messstellen nacheinander einzeln abzufragen und den an ihnen gemessenen
Pegel einer gemeinsamen Auswerteinheit zuzuführen, was
den Schaltungsaufwand erheblich vereinfacht.
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Ein
Oszillator (jede Wellenform möglich) erzeugt eine Frequenz
von beispielsweise 200 kHz mit einem Spannungspegel von beispielsweise
10 Volt. Am Ausgang des Oszillators ist eine Abgabefläche aus
leitendem Material (z. B. Kupferfolie, graphitierte Kunststoffe,
Gummi etc.) angebracht, die das von dem Generator erzeugte Signal
als wechselndes Ladungsfeld abbildet. Der andere Pol des Generators sei
gegen Masse geschaltet. Kommt ein Mensch in die Nähe dieses
Feldes, so bildet sein Körper die andere Fläche
eines Kondensators und die Wechselspannung wird auf seinen Körper übertragen.
Die dabei entstehenden Verluste sind erfindungsgemäß vernachlässigbar.
Nähert sich dieser Mensch nun einem Sensorelement, das
in der Lage ist den Pegel der Wechselspannung zu messen, so wird
dieses bei weiterführender Annäherung einen immer
höheren Pegel anzeigen. Sinnvoller Weise wandelt die Erfindung den
Pegel in eine Gleichspannung, sodass diese gemessen und ausgewertet
werden kann. Damit lässt sich zum einen die Empfindlichkeit
des Sensorsystems einstellen, zum anderen genügt der Nachweis
der Frequenz an dem Sensorelement auch als Nachqweis der Präsenz
eines handelnden Menschen in einem Gefahrenbereich. Das Sensorsignal kann
gefiltert und verstärkt einem Wandler zugeführt werden,
der die Pegel entweder des Effektivwertes (EMS) oder des Spitzenwertes
in eine Gleichspannung umwandeln kann. Solche Bauteile sind preiswert
erhältlich. Ein nachgeschalteter Bufferverstärker erlaubt
das belastungsfreie Abtasten der dem Pegel entsprechenden Gleichspannung.
Ein Mikrocontroller mit ADC und/oder Komparator kann die Spannung messen
und/oder den Komparator bei einer einstellbaren Schwelle einschalten.
Das Sensorelement, z. B. eine Kugel, eine Fläche, ein Draht
etc., ist über einen Kondensator mit dem Eingang der Sensorschaltung
verbunden. Entsprechende Schaltungsbeispiele sind aus der
WO 2007/020058 bekannt.
Weitere Schaltungsformen sind aus der
DE 10 2006 034 778 A1 und
der
WO 2006/094606
A1 bekannt, deren Offenbarung ebenfalls Teil dieser Anmeldung
ist.
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Wie
bereits oben erwähnt wurde, werden oftmals mehrere Sender
eingesetzt, um unterschiedliche Bereiche und Aufgaben abzudecken.
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Bei
der Benutzererkennung mit Nahfeldtechnologie werden z. B. mehrere
Sender eingesetzt, die sich auf Grund der räumlichen Gegebenheiten
stark gegenseitig stören können und die Zuverlässigkeit und
Latenzzeit bei der Benutzererkennung stark beeinflussen.
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Das
Problem wurde in bekannten Systemen mit zwei Grundkonzepten gelöst:
- 1. durch den Einsatz von zwei oder mehr unterschiedlichen
Frequenzen,
- 2. mit einer Frequenz durch zusätzliche Kodierung der
Daten und mehrfaches, zeitlich versetztes Senden der Signale.
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Beide
Konzepte haben empfindliche Nachteile.
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Der
Einsatz von unterschiedlichen Frequenzen für alle Sender
im Fahrzeug bedeutet, dass im System mit vier Sitzen und einer Fernbedienung,
fünf Unterschiedliche Frequenzen genutzt werden müssen.
Das ist zwar technisch kein Problem, lässt aber den technischen
Aufwand und damit die Kosten empfindlich steigen. Anstatt einfacher
Sender mit Festfrequenzen (Gleichteile) müssen unterschiedlich
abgestimmte Sender eingesetzt werden. Vor allem aber steigt der
Aufwand bei den Empfängern, die Frequenzumschaltung oder
Mehrkanalfunktion unterstützen müssen.
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Beim
asynchronen Senden von codierten Signalen auf einer gemeinsamen
Frequenz kommt es häufig zu Kollision und Datenverlust.
Damit sich dieses im erträglichen Rahmen hält,
müssen die Daten erfahrungsgemäß min.
3- bis 5-mal zeitlich versetzt gesendet werden. Dabei müssen
die Sendepausen groß genug sein, damit andere Sender (hier
bis zu 5 im Fahrzeug) auch mit niedriger Kollisionswahrscheinlichkeit
senden können. Das führt aber zwangsweise zu sehr
hohen und nicht akzeptablen Latenzzeiten bei der Benutzererkennung.
Dieses Konzept wird bei der Siemens "Kappa Link" Übertragung
für Gebäudetechnik eingesetzt, wo die Anzahl der
Sender hoch, aber die Sendehäufigkeit extrem niedrig ist.
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Überblick über die Erfindung:
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Die
oben genannten Probleme werden durch eine Erfindung mit den Merkmalen
der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Insbesondere
wird zur Lösung des Problems eine Synchronisierung der
Sender eingeführt. Diese kann zentral, durch Vergabe der
Senderechte oder dezentral durch eine Zeitsynchronisierung realisiert werden.
Damit steht jedem Sender ein bestimmter Zeitraum zu (Time-Slot),
in dem dieser berechtigt ist, zu senden. Die Sender, die z. B. in
den Sitzen oder Bediengeräten angeordnet sind, können über
einen Bus miteinander verbunden sein, über den nicht nur der
Datenaustausch erfolgt, sondern auch die Synchronisierung realisiert
wird. Im Sendeprotokoll sind auch Sendepausen vorgesehen, damit
eine Fernbedienung oder ein zusätzlicher Teilnehmer, der
nicht über Bus mit dem System verbunden ist, sich darauf synchronisieren
und in den Pausen kollisionsfrei senden kann. Da alle Systemkomponenten
wegen des notwendigen Datenaustausches über ein Datenbus miteinander
kommunizieren, ist die Synchronisation nicht mit einem zusätzlichen
Mehraufwand (Kosten) in der Hardware verbunden.
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Die
Erfindung stellt eine Ergänzung der Funktion eines Systems
zur Benutzerunterscheidung dar, so dass die Performance und Zuverlässigkeit
erhöht und Kosten eingespart werden können.
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Sollten
Sender keinen Anschluss zu einem Bussystem haben, über
den die Synchronisierung abläuft, so lauschen diese Teilnehmer
dem Nachrichtenaustausch. Die Verteilung der Timeslots kann über
eine zentrale Einheit erfolgen, oder dezentral, indem die Busteilnehmer
sich dezentral über den Bus (z. B. CAN-BUS (Controller
Area Network (CAN)) austauschen, um die Zeitslots/Time-Slots festzulegen.
Hierbei können z. B. Broadcast-Nachrichten in den CAN-Bus
gesendet werden, in denen angefragt wird, ob ein bestimmter Zeitslot
noch frei ist. Sollte eine Nachricht empfangen werden, die besagt,
dass der Zeitslot besetzt ist, so wird das Verfahren mit dem nächst
höheren Zeitslot wiederholt. Ferner wird das Zeitband so
groß gewählt, dass ausreichend Time-Slots für
die Verteilung von freiem Time-Slot für weitere, nicht
busgebundene, Sender vorhanden sind.
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Ein
oder mehrere Sender, die nicht über den Bus synchronisiert
werden können, hören die zyklische Übertragung
mit und senden nur im erlaubten freien Bereich. Durch das "Mithören"
ist dem Sender auch bekannt, welches Zeitfenster (Time Slot) gerade
frei wird. Damit können sich bei z. B. 4 freien Zeitfenstern
pro Sendeperiode auch 4 nicht busgebundene Nahfeldsender (z. B.
Fernbedienung) kollisionsfrei im System einbinden. In einer möglichen
Ausführungsform kann die Auswahl des Zeitslots durch ein Alive-Signal
erfolgen. Damit die nicht busgebundenen Nahfeldsender vermeiden,
einen Time-Slot auszuwählen, der besetzt ist, sendet jeder
Sender in einem bestimmten zeitlichen Abstand ein Lebenssignal (Alive-Signal).
Folglich hat die Suche nach einem freien Slot mindestens diesen
zeitlichen Abstand zu umfassen. So ist es z. B. denkbar, dass jeder
Sender alle 3 Zeitintervalle bzw. in jedem dritten ihm zugewiesenen
Timeslot eine Nachricht sendet. Sollte er keine Nachricht zu senden
haben, so sendet er zumindest eine Alive-Nachricht. Die Empfänger
sind in der Lage, solche Dummy-Nachrichten zu verwerfen. Auch ist
es denkbar, dass eine bidirektionale Kommunikation erfolgt. Hierfür
sind die Zeitslots so lang ausgebildet, das innerhalb des Zeitfensters
mindestens noch eine Antwortnachricht empfangen werden kann.
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Der
Einsatz der Synchronisierung und die gezielte Verteilung des Senderechtes
bringt eine Reihe von Vorteilen. So können alle Sender
mit der gleichen festen Frequenz arbeiten (Gleichteileprinzip). Hieraus
ergibt sich, dass eine einfache Ausführung der Sender und
Empfänger für Festfrequenzen erfolgen kann, was
ein Kostenvorteil ist.
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Eine
kollisionsbehaftete Übertragung kann vermieden werden.
Der Sender muss seine Kennung nicht mehrfach senden. Die Übertragungsbandbreite kann
optimal genutzt werden. So erfolgt in der Regel eine starke Verkürzung
der Sendezeit im Ver gleich zur kollisionsbehafteten Übertragung.
Auch muss der Sender seine Kennung nicht mehrfach übertragen, da
eine Kollisionsfreiheit gegeben ist. Hieraus ergibt sich wiederum
eine kurze Latenzzeit bei der Benutzererkennung.
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Wie
bereits oben erwähnt wurde, sind die Kosten deutlich günstiger
im Vergleich zur Mehrfrequenzübertragung und es wird eine
sichere Übertragung erreicht. Durch das Freilassen von
bestimmten Time-Slots können sich hierin Fernbedienungen
oder anderer Sender, die sich mit den Time-Slots synchronisieren
können, einklinken.
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Auch
ist eine einfache Erweiterung des Systems um busgebundene oder drahtlose
Komponenten wie z. B. Fernsteuerung (auch bidirektional) head sets,
etc. möglich.
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Figurenbeschreibung:
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Im
Folgenden werden kurz die Figuren beschrieben, auf die sich die
detaillierte folgende Beschreibung bezieht. Die Figuren und ihre
Beschreibung beabsichtigen nicht, die Erfindung einzuschränken.
Sie dienen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung.
Es zeigt
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1 die
Vernetzung von zwei Sendern, die über einen Bus miteinander
verbunden sind;
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2 den
Aufbau eines Senders und eines Empfängers, wobei der Sender über
einen BUS-Anschluss verfügt;
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3 den
Zeitablauf beim Senden von Nachrichten.
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Ausführungsbeispiele:
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1 zeigt
ein Beispiel für einen Insassenschutz in einem Kraftfahrzeug.
Hierbei stellen P1–P5 Sensor Punkte dar. R1 ist Referenzpunkt.
Das Bussystem 10 verbindet Geber A 11 mit Geber
B 12. Person A und Person B werden mit Signalen beaufschlagt 13.
Die ganze Vorrichtung befindet sich vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug 14.
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Unter
dem Fahrer- und Beifahrersitz befinden sich die Einspeisefolien
der Oszillatoren 1 und 2, die datenbeaufschlagte Signale, z. B.
"F" für Fahrer, "B" für Beifahrer, auf den jeweiligen
Sitz und auf die auf ihm sitzende Person aufprägen. Beim
Schließen eines motorisch betriebenen Schiebedaches stellt ein
in dessen Nähe angebrachtes Sensorelement fest, ob ein
datenbeaufschlagtes Signal dort nachgewiesen werden kann. Somit
kann sicher festgestellt werden, ob der Fahrer oder der Beifahrer
während des Vorgangs des Schließens seine Hand
in die Nähe von Schließkanten hält, wo
eine erhebliche Verletzungsgefahr bestehen kann. Ist das Fahrzeug im
Stillstand, besteht die Möglichkeit, dass von außen
Personen in ein sich schließendes Schiebedach eingreifen
können. Hierzu wird ein Oszillatorsignal auf die Griffe
oder die ganze Fahrzeugtür/Karosserie aufgeprägt.
Eine sich annähernde Person nimmt dieses Signal kapazitiv
auf und leitet es bei Eingriff in das Schiebedach an die Sensorstelle
weiter, wo dieses festgestellt wird und das Schiebedach anhält
und gleichzeitig einen Alarm auslöst (Diebstahlschutz). Da
nicht sichergestellt werden kann, ob der Fahrer bei einem Öffnungs-
oder Schließvorgang sein Verdeck beobachten kann, muss
der Sensor darauf achten, dass sich von außen oder innen
dem sich scherenden Verdeckgestänge annähernde
Personen nicht gefährdet werden können. Deshalb
wird in zuvor beschriebener Weise einer sich annähernden Person
ein Wechselfeld aufgeprägt, welches am Gestänge
des Cabrioverdecks detektiert werden kann, wenn eine Annäherung
an dieses erfolgt, was zum Anhalten des Stellvorgangs führt
(und zur Auslösung eines Alarms). Ist das Verdeck geöffnet,
arbeitet die gleiche Schaltung als Diebstahlschutz. Hier könnten z.
B. die Dichtungselemente mit einem Oszillatorsignal beaufschlagt
werden. Ein Eingreifen in das Fahrzeug über die Dichtung
lässt das Wechselspannungssignal auf die Person aufprägen.
Kommt es nun einem Sensorpunkt, z. B. auf der Mittelkonsole, nahe,
wird dies festgestellt und der Alarm wird ausgelöst (Diebstahlschutz
bei offenem Cabrio). Entsprechend können durch die Erfindung
auch elektrisch betriebene Fenster, Türen oder Klappen
abgesichert werden. Es ist natürlich denkbar, dass ebenfalls
Bedienelemente (wie Klimaanlagenschalter oder Radioknöpfe)
als Sensoren ausgebildet sind, die erkennen, welche Person (Fahrer
oder Beifahrer) auf das Bedienelement zugreift. Sollte z. B. der
Beifahrer den Lautstärkeregler drehen, so kann Lautstärke
nur in seinem Bereich verändert werden. Das Gleiche gilt für
die Klimaanlage. So können die unterschiedlichen Klimazonen
durch einen Regler angesprochen werden. Gemäß der 1 sind
die Sender hierbei über einen Bus, vorzugsweise den häufig
im Fahrzeug eingesetzten CAN-Bus verbunden.
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Gemäß der
Schaltung nach 2 ist ein (hier passiver) Filter
(Parallelschwingkreis) vorgesehen, der als solcher eine scharfe
Selektion des Sensorsignals und unterdrückte Störfrequenzen
ermöglicht. Im Einzelnen wird ein U Schwellwert in einen Komparator 18 eingespeist,
der dann dekodierte Daten 19 erzeugt. Aus einem Puffer/Buffer 21 fließt
ein analoger Pegel 20 zu einem Controller mit AD-Wandlung 22.
Vor den Buffer und den CMP ist ein GMS/DC Converter geschaltet 23.
Dieser wird von einem RMS/DC Converter 23 getrieben, vor
dem wiederum ein OP-Amp/Verstärker 24 geschaltet
ist, der ein über einen Filter 25 erlangtes Signal
verstärkt. Der Filter 25 weist einen L-Filter 26 und
einen C-Filter 27 auf.
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Eine
Koppelfläche 25 erhält ein Signal von einem
Mischer 28, der ein Signal von einem Oszillator 29 mit
einem Daten-ID-Geber 30 mischt. Zusätzlich wird
der Daten-ID-Geber 30 durch einen Zeitgeber 31 getrieben.
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Alternativ
hierzu ist auch ein aktiver Filter möglich. Der Verstärker
dient dazu, das ggf. stark abgeschwächte Signal hinreichend
zu verstärken.
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Der
Sender, der aus einem Oszillator und einem Mischer besteht, der
Daten einmischt, weist eine Schnittstelle zu einem Bussystem auf.
Es ist natürlich zu beachten, dass der Datengeber über
einen Zeitbaustein verfügt, der nach der Synchronisation über das
Bussystem das zeitliche Übertragen steuert. Die Synchronisation über
den Bus erfolgt in regelmäßigen Abständen,
so dass Ungenauigkeiten des Zeitgebers abgefangen werden können.
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3 zeigt
den zeitlichen Verlauf der einzelnen Sender, die sowohl Bus-gebunden
sein können als auch nicht Busgebunden. Im Einzelnen stellt
das Bezugszeichen 33 feste Zeitfenster auf der Zeitachse dar.
Auf der Senderachse wird zwischen unterschiedlichen Teilnehmern
unterschieden. So steht 34 für die Synchronisation über
den BUS, 35 steht für andere Sender, 36 steht
für Bus-gebundene synchronisierte Sender. Hieraus erhält
man ein Diagramm 37 Senderechte/Slot. Die Bezugszeichen 38 a–d,
stehen für Sender 1, Sender 2, Sender 3, Sender 4, die
im jeweiligen Slot senden 40. Die anderen Sender 35 müssen
warten bis ein Slot (freier Slot 41) nicht verwendet wird.
Dies wird durch das Bezugszeichen 39 dargestellt. Der Zeitblock 42 steht
für „Empfangen von Daten". Das Bezugszeichen 43 zeigt
an, dass dieser Bereich durch andere Sender belegt ist.
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Auf
der y-Achse sind die Senderechte mit den Bus-gebundenen Sendern
und den anderen Sendern dargestellt, wobei diese jeweils in einem festen
Zeitfenster senden. Auf der x-Achse sind die Zeitintervalle dargestellt,
wobei sich alle drei Zeitfenster die Zuordnung der Zeitfenster wiederholt.
An dieser Figur ist deutlich zu erkennen, dass der andere Sender
(nicht-Bus-synchronisiert) die einzelnen Zeitfenster beobachtet,
um dann im 3. Zeitfenster zu senden. In einer bevorzugten Ausführungsform
wird eine Reihe von Zeitfenstern am Ende des Zeitzyklus für
die nicht Bus-synchronisierten Sender frei gehalten, so dass diese
sich dort ein Zeitfenster auswählen können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2007/020058
A1 [0003]
- - WO 2007/020058 [0007]
- - DE 102006034778 A1 [0007]
- - WO 2006/094606 A1 [0007]