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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Adressierung
von Aktuatoren gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie
auf eine Anordnung mit Aktuatoren gemäss Oberbegriff des Anspruchs
12.
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Um
die Kommunikation zwischen einer Steuereinheit und Aktuatoren über
einen Bus zu ermöglichen, ist diesen vorgängig
eine Adresse zuzuordnen. Diese sollen so festgelegt werden, dass
die Steuereinheit den jeweiligen Aktuator eindeutig identifizieren
und dadurch gezielt ansteuern kann.
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Dies
ist mit dem in der
US 5,630,324 beschriebenen
Verfahren zur Adressierung von Einheiten einer bereits installierten
Klimaanlage nur bedingt möglich. Die Klimaanlage umfasst
mehrere Gruppen von Aussen- und Inneneinheiten, die über
Rohre miteinander verbunden sind. Durch Betätigen des Kompressors
einer Ausseneinheit und Messen der Temperaturänderung bei
jeder Inneneinheit wird festgestellt, welche Inneneinheiten zur
selben Gruppe wie die Ausseneinheit gehören. Weist ein
und dieselbe Gruppe mehrere Inneneinheiten auf, so kann die Ausseneinheit
nicht zwischen diesen unterscheiden. Ohne Vorsehen von weiteren
Massnahmen ist dann die Zuordnung von Adressen zum gezielten Ansteuern
nicht möglich. Im Weiteren bedingt das Adressierungsverfahren,
dass bei allen Einheiten Sensoren integriert sind. Nach Abschluss
der Adressierung verbleiben diese in den Einheiten.
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Aus
der
EP 1 226 989 A1 ist
ein Verfahren zur Adressierung von Aktuatoren bekannt, welche an Klappen
in einer Klimaanlage gekoppelt sind und welche durch den Winkelbereich
identifizierbar, um welchen die jeweilige Klappe schwenkbar ist.
Bei der Adressvergabe werden die Aktuatoren bis zum Anschlag verschwenkt
und Informationen über des sich daraus ergebenden Winkelbereichs
an die Steuereinheit geliefert. Diese vergleicht die Informationen mit
bereits gespeicherten Daten über die Art der am Bus angeschlossenen
Aktuatoren und teilt dann eine eindeutige Adresse zu, welche ein
gezieltes Ansteuern des jeweiligen Aktuators erlaubt. Nachteil dieser Art
von Adressvergabe ist, dass alle Aktuatoren einen unterschiedlichen
Winkelbereich aufweisen müssen, damit sie eindeutig identifizierbar
sind. Anordnungen, bei welchen mehrere Klappen um den gleichen Winkel
schwenkbar sind, können mit diesem Verfahren nicht adressiert
werden.
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Aus
der
WO 02/069149
A1 ist ein Verfahren zur Adressierung bekannt, bei welchem
die Aktuatoren durch einen zusätzlichen Leiter verbunden
sind und Mittel zum Einspeisen einer elektrischen Signatur in den
Leiter aufweisen. Nachteil an diesem Verfahren ist, dass ein zusätzlicher
Leiter erforderlich ist und die Aktuatoren mit zusätzlichen
Komponenten zu versehen sind, die lediglich bei der Adressierung
benötigt werden. Das Verfahren und der Aufbau werden dadurch
relativ kompliziert und teuer.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein vereinfachtes Verfahren zur Adressierung von Aktuatoren
anzugeben, um diese gezielt ansteuern zu können, sowie
eine Anordnung, mit welchem dieses Verfahren durchführbar
ist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch das im Anspruch 1 angegebene
Verfahren und die im Anspruch 12 angegebene Anordnung. Die weiteren
Ansprüche geben bevorzugte Ausführungen an.
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Gemäss
Anspruch 1 ist beim Verfahren zur Adressierung von Aktuatoren eine
Sensorvorrichtung vorgesehen, welche die Bewegung eines Stellelements
eines jeweiligen Aktuators erfasst. Dies erlaubt es auf einfache
Weise, jedem Aktuator eine eindeutige Adresse zuzuordnen, welche
ein gezieltes Ansteuern ermöglicht.
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Gemäss
Anspruch 12 ist die Sensorvorrichtung so ausserhalb der Aktuatoren
angeordnet, dass sie nach der Zuordnung der definitiven Adressen
entfernt werden kann. Ein und dieselbe Sensorvorrichtung ist daher
für mehrere Adressierungsvorgänge einsetzbar,
und die Aktuatoren brauchen nicht mit zusätzlichen Komponenten
versehen zu werden, die lediglich bei der Adressierung benötigt
werden.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf Figuren erläutert. Es zeigen
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1 schematisch
eine erfindungsgemässe Anordnung;
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2 den
zeitlichen Verlauf der Signale, welche bei der Adressierung von
der Steuereinheit und des antwortenden Teilnehmers auf dem Bus erzeugt
werden;
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3 eine
Detailansicht aus 2;
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4 ein
Flussdiagramm, welches schematisch die Zuordnung der provisorischen
Adressen anzeigt; und
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5 weitere
Teilschritte aus der Zuordnung gemäss 4.
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1 zeigt
eine Anordnung mit einer Steuereinheit 31 (auch ”Master” genannt)
und mit Teilnehmern 1, 2, ..., N (auch ”Slaves” genannt).
Die Anzahl N der Teilnehmer 1, 2, ..., N ist an
den Anwendungszweck der Anordnung angepasst und kann eine beliebige
Zahl sein.
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Die
Steuereinheit 31 und die Teilnehmer 1 bis N sind
an einen Bus 40, vorzugsweise einen seriellen Bus, z. B.
einen LIN-Bus (”Local Interconnect Network”) angeschlossen,
der durch einen Einzeldraht gebildet ist und zum Austausch von Signalen dient,
sowie an Versorgungsleitungen 41a und 41b, die
zur Energieversorgung dienen und dazu mit einer Stromversorgungseinheit,
beispielsweise einer Batterie verbunden sind. Im vorliegenden Beispiel
erfolgt die Stromversorgung via die Steuereinheit 31, indem diese
zwischen der Stromversorgungseinheit und den Versorgungsleitungen 41a und 41b geschaltet ist.
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Die
Steuereinheit 31 umfasst eine Steuerschaltung 32,
welche über eine Busschnittstelle 33 Signale auf
den Bus 40 abgibt und von diesem empfängt und
welche eine zentrale Rechnereinheit (z. B. Mikroprozessor) und einen
Speicher aufweist, in welchem insbesondere die zur Adressierung
nötigen Daten und/oder Programme gespeichert sind.
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Der
jeweilige Teilnehmer 1, 2, ..., N ist als Aktuator
ausgebildet, der eine Steuerschaltung 11, einen Treiber 12 und
einen Elektromotor 13 mit Spulen 13a und einem
bewegbaren Stellelement 13b aufweist. Dieses ist z. B.
als Linear- oder Drehachse ausgebildet und an eine zu bewegende
Komponente ankoppelbar. Beispielsweise ist die Anordnung gemäss 1 Teil
einer Klima-, Heizungs- und/oder Lüftungsanlage, um einzelne
Klappen gesteuert zu bewegen, oder Teil eines Fahrzeugscheinwerfers, um
einen Reflektor oder eine andere strahlenbeeinflussende Komponente
gesteuert zu bewegen.
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Die
Steuerschaltung 11 ist beispielsweise als ASIC (”Application
Specific Integrated Circuit”) ausgebildet und weist u.
a. einen Oszillator als Taktgeber 11a sowie einen Speicher 11b auf,
der nicht-flüchtig und z. B. in Form eines EEPROM ausgebildet
ist.
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Der
jeweilige Elektromotor 13 ist beispielsweise als bürstenloser
Motor bekannter Art, wie Schrittmotor oder bürstenloser
Gleichstrommotor, oder anderer Motor zum gesteuerten Bewegen des Stellelements 13b ausgebildet.
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Der
jeweilige Treiber 12 dient zum Bestromen des Elektromotors 13,
wobei die Bestromung in Abhängigkeit von Steuersignalen
erfolgt, welche die Steuerschaltung 11 erzeugt. Diese ist
wiederum von der Steuerschaltung 32 der Steuereinheit 31 via
die Busschnittstelle 33 und den Bus 40 ansteuerbar,
um das Stellelement 13b des Elektromotors 13 gesteuert zu
bewegen.
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Zur
Kommunikation zwischen der Steuereinheit 31 und den Aktuatoren 1 bis
N wird diesen bei der Inbetriebnahme eine Adresse zugeordnet. Dabei erhält
jeder Teilnehmer 1, 2, ..., N in einer ersten Schrittfolge
eine provisorische Adresse, wie dies nachfolgend im Abschnitt A
erläutert ist, und in einer zweiten Schrittfolge eine definitive
Adresse, wie dies nachfolgend im Abschnitt B erläutert
ist.
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A. Zuordnung der provisorischen Adressen
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Die
Adressierung ist so ausgestaltet, dass sie über eine einzige
Busleitung 40 möglich ist und die Teilnehmer 1 bis
N frei von Mitteln sind, die ausschliesslich zur Adressierung benötigt
werden.
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Ein
Beispiel der Adressierung wird nachfolgend anhand der 2 und 3 erläutert,
in welchen die horizontale Achse der Zeitachse entspricht und die
vertikale Achse den Verlauf des von der Steuereinheit 31 sowie
des antwortenden Teilnehmers erzeugten Signals auf dem Bus 40.
Im Beispiel gemäss 2 und 3 antwortet
der Teilnehmer 3. Der Signalverlauf ist analog für
die jeweiligen anderen Teilnehmer, wenn diese antworten.
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Vor
der Inbetriebnahme der Anordnung sind die einzelnen Teilnehmer 1, 2,
..., N noch unadressiert, d. h. sie sind so konfiguriert, dass ein
von der Steuereinheit 31 gesendeter Befehl von allen Teilnehmern 1 bis
N empfangen wird. Beim Starten sendet die Steuereinheit 31 einen
Adressierungsbefehl, welcher in 2 durch
den Signalverlauf beim ”Master 31” vor dem Zeitpunkt
T0 angedeutet ist. Der Adressierungsbefehl wird von allen Teilnehmern 1 bis N
zum Zeitpunkt T0 empfangen. T0 kann für jeden Teilnehmern 1, 2,
..., N differieren, da die jeweiligen Taktgeber 11a nicht
miteinander synchronisiert sind.
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Die
Teilnehmer 1 bis N verarbeiten den Adressierungsbefehl
so, dass nur ein Teilnehmer 1, 2, ..., N antwortet.
Zu diesem Zweck wartet jeder Teilnehmer 1, 2,
..., N eine Zeitspanne T1, bevor er den Zustand des Busses 40 prüft.
Die Zeitspanne T1 ist dabei so gewählt, dass sie für
jeden Teilnehmer 1, 2, ..., N verschieden ist.
Dazu kann z. B. der Umstand ausgenutzt werden, dass die Taktgeber 11a der
Teilnehmer 1 bis N nicht miteinander synchronisiert sind und
eine bestimmte Ungenauigkeit in der Frequenz aufweisen. Selbst wenn
diese Ungenauigkeit klein ist, macht sie sich bemerkbar, wenn beispielsweise ein
Zähler von einem Anfangswert bis zu einem genügend
grossen Endwert läuft. Eine unterschiedliche Zeitspanne
T1 lässt sich somit z. B. dadurch bestimmen, indem jeder
Teilnehmer 1, 2, ..., N einen Zähler vom
Anfangswert bis zum Endwert laufen lässt.
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Alternativ
wäre es z. B. auch denkbar, einen Zufallsgenerator zu verwenden,
um unterschiedliche T1 festzulegen.
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Nach
der Zeitspanne T1 prüft der jeweilige Teilnehmer 1, 2,
..., N, ob sich der Bus 40 im Zustand ”0” (dominanter
Zustand) oder im Zustand ”1” (rezessiver Zustand)
befindet. Ist der Bus 40 im Zustand ”0”,
antwortet bereits einer der Teilnehmer 1 bis N, d. h. der
Bus 40 ist belegt. Die anderen Teilnehmer antworten dann
nicht und gehen in den Empfangsmodus.
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Ist
der Bus im Zustand ”1”, so wartet der Teilnehmer 1, 2,
..., N eine weitere Zeitspanne T2, die bei allen Teilnehmern 1 bis
N gleich gewählt ist und z. B. so festgelegt ist, dass
T2 mindestens der Zeitdauer entspricht, die ein Teilnehmer 1, 2,
..., N braucht, um die Antwort an die Steuereinheit 31 zu übermitteln. Nach
der Zeitspanne T2 prüft der jeweilige Teilnehmer 1, 2,
..., N wieder den Zustand des Busses. Ist er im Zustand ”1”,
sendet der Teilnehmer 1, 2, ..., N eine Antwort,
andernfalls, d. h. beim Zustand ”0” sendet er keine
Antwort und geht in den Empfangsmodus.
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2 und
besonders die Detailansicht gemäss 3 zeigen
beispielhaft den Teilnehmer 3, welcher die kürzeste
Zeitspanne T1 hat und demnach als erster zweimal den Zustand ”1” erkennt
und zwar nach T1 und nach T1 + T2. Der Teilnehmer 3 wird
demnach als erster von den Teilnehmern 1 bis N antworten.
Die Antwort an die Steuereinheit 31 setzt sich dabei aus
einem ersten Byte, welches aus 8 Nullen besteht, und einer weiteren
Null als Startbit zusammen. Das Vorsehen von Nullen versetzt demnach
den Bus 40 in den Zustand ”0” und ermöglicht so
den anderen Teilnehmern zu erkennen, dass der Bus 40 besetzt
ist, weil ein Teilnehmer bereits antwortet.
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In
den 2 und 3 ist zur besseren Unterscheidung
der Signalniveaus bei den Teilnehmern 1, 2 und
N den vom Teilnehmer 3 erzeugten Signalverlauf in einer
punktierten Linie dargestellt. Wie aus 3 ersichtlich,
ist u. a. für den Teilnehmer N zum Zeitpunkt T1 + T2 der
Bus 40 belegt, da dann der Teilnehmer 3 bereits
antwortet und somit der Bus 40 im Zustand ”0” ist.
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Da
nur einer der Teilnehmer 1 bis N antwortet, kann die Steuereinheit 31 diesem
eine provisorische Adresse zuordnen. Die Steuereinheit 31 beginnt
anschliessend mit dem nächsten Adressierungsbefehl, wobei
dieser nur von diejenigen Teilnehmern verarbeitet wird, die noch
keine Adresse haben.
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Trotz
des Vorsehens von unterschiedlichen Zeitspannen T1 besteht eine
gewisse Wahrscheinlichkeit, dass zwei oder mehr der Teilnehmer 1 bis
N gleichzeitig antworten. Als weitere Massnahme zur Konfliktbehebung
kann die Antwort, welche ein Teilnehmer 1, 2,
..., N an die Steuereinheit 31 sendet, für jeden
Teilnehmer 1 bis N unterschiedlich ausgestaltet sein. Eine
unterschiedliche Antwort kann z. B. anhand von T1 gebildet werden.
Bei jedem Teilnehmer 1, 2, ..., N ist eine Bitfehlererkennung
(”Bit Error Detection”) vorgesehen, welche nach
jedem gesendeten Bit überprüft, ob der Zustand
der Busleitung 40 noch diesem Bit entspricht. Sendet z.
B. ein erster Teilnehmer eine ”0” und gleichzeitig
ein zweiter Teilnehmer eine ”1”, so wird die ”1” des
ersten Teilnehmers überschrieben, was dieser aufgrund der
Bitfehlererkennung erkennt. Der erste Teilnehmer beendet dann unmittelbar
den Sendevorgang und nur noch der zweite Teilnehmer fährt
fort, das nächste Bit zu senden.
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Ein
möglicher Algorithmus zur Zuordnung der provisorischen
Adressen ist im Flussdiagramm gemäss 4 und 5 dargestellt.
Er umfasst folgende Schritte 47–64:
Anfänglich
werden eine Anzahl N von Teilnehmern 1 bis N an den Bus 40 angeschlossen
und die entsprechende Zahl N in die Steuereinheit 31 eingegeben und
gespeichert. Anschliessend
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47:
startet die Steuereinheit das Programm zur Adressierung.
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48:
Die Steuereinheit wählt eine erste Adresse aus und
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49:
sendet einen Adressierungsbefehl an alle N Teilnehmer.
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50:
Die Teilnehmer verarbeiten den Adressierungsbefehl so, dass nur
einer der Teilnehmer die Adresse als provisorische Adresse übernimmt.
Die Verarbeitung, welche so erfolgt, wie oben im Zusammenhang mit
den 2 und 3 erläutert, ist in 4 detaillierter
dargestellt (vgl. auch nachstehende Erläuterung).
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61:
Die Steuereinheit prüft, ob ein Teilnehmer antwortet: Erfolgt
keine Antwort, geht das Programm zurück zum Schritt 48.
Erfolgt eine Antwort,
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62:
prüft die Steuereinheit, ob eine Anzahl N von Adressen
zugeordnet worden sind: Falls nein,
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63:
nimmt die Steuereinheit die nächste Adresse und das Programm
geht zurück zum Schritt 49. Falls ja,
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64:
endet das Programm.
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Der
in 4 erwähnte Verarbeitungsschritt 50 umfasst
folgende in 5 dargestellte Folge von Schritten 51–60:
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51:
Jeder Teilnehmer prüft, ob es sich bei dem von der Steuereinheit
gesendeten Befehl um einen Adressierungsbefehl handelt. Wenn nein,
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52:
stoppt der jeweilige Teilnehmer das Senden einer etwaigen Antwort
und geht in den Empfangsmodus. Wenn ja,
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53:
prüft jeder Teilnehmer, ob er noch im unadressierten Zustand
ist und somit noch keine provisorische Adresse erhalten hat. Wenn
nein, geht der Teilnehmer zum Schritt 52. Wenn ja,
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54:
wartet der Teilnehmer eine bestimmte Zeitdauer T1, die für
alle Teilnehmer unterschiedlich ist, und
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55:
prüft dann, ob sich die Busleitung im Zustand ”0” befindet.
Wenn dies der Fall ist, geht der Teilnehmer zum Schritt 52.
Andernfalls
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56:
wartet der Teilnehmer eine bestimmte Zeitdauer T2 und
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57:
prüft dann ein zweites Mal, ob sich die Busleitung im Zustand ”0” befindet.
Wenn dies der Fall ist, geht der Teilnehmer zum Schritt 52.
Andernfalls
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58:
sendet der Teilnehmer eine Antwort, die für alle Teilnehmer
unterschiedlich ist.
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59:
Beim Senden überprüft der Teilnehmer bei jedem
gesendeten Bit, ob es vom jeweiligen Zustand der Busleitung abweicht.
Wenn ein Bit abweicht, geht der Teilnehmer zum Schritt
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52.
Nur wenn kein Bit abweicht,
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60:
hat der Teilnehmer seine Antwort vollständig gesendet.
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B. Zuordnung der definitiven Adressen
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Nach
Beendigung des Programms gemäss 4 und 5 hat
jeder Aktuator 1 bis N eine provisorische Adresse erhalten.
Die Steuereinheit 31 weiss jedoch dann noch nicht, welche
Adresse zu welchem Aktuator in der Anordnung gehört. Beispielsweise
umfasst die Anordnung einen ersten Aktuator 1, der zum
Bewegen einer ersten Klappe in einer Klimaanlage dient, und einen
zweiten Aktuator 2 zum Bewegen einer zweiten Klappe. In
der Steuereinheit 31 sind zwar Informationen darüber
gespeichert, dass zwei verschiedene Klappen anzusteuern sind, jedoch
weiss sie aufgrund der provisorischen Adresse noch nicht, welcher
Aktuator 1, 2 welche Klappe bewegt.
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Um
die Informationen darüber zu ermitteln, welche provisorische
Adresse zu welchem Aktuatoren gehört, wird eine Sensorvorrichtung 45 verwendet,
wie sie schematisch in 1 dargestellt ist. Die Sensorvorrichtung 45,
welche dazu dient, eine Bewegung des jeweiligen Stellelements 13b zu
erfassen, steht in Wirkverbindung mit den Stellelementen 13b der
Aktuatoren 1 bis N und ist zur Signalübermittlung über
eine Leitung 46 mit der Steuereinheit 31 verbunden.
Bei geeigneter Ausgestaltung der Sensorvorrichtung 45,
z. B. durch Vorsehen einer Busschnittstelle ist es auch denkbar,
die Sensorvorrichtung 45 an den Bus 40 anzuschliessen
und die Leitung 46 wegzulassen. Die Sensorvorrichtung 45 wird
lediglich zur Adressierung verwendet und kann z. B. bei der Fertigung
der Anordnung mit den Aktuatoren 1 bis N vorgesehen sein.
Die Sensorvorrichtung 45 weist geeignete Mittel zum Erfassen
der Bewegung der Stellelemente 13b auf, beispielsweise
einen Laser, mittels welchem die Stellelemente 13b abgetastet
werden.
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Zur
Zuordnung der definitiven Adressen wählt die Steuereinheit 31 die
erste Adresse der provisorischen Adressen aus und sendet an diese
einen Bewegungsbefehl. Dieser bewirkt beim Aktuator 1, 2, ...,
N mit der entsprechenden provisorischen Adresse eine Bewegung des
Stellelements 13b, was von der Sensorvorrichtung 45 erfasst
wird. Diese liefert ein entsprechendes Messsignal an die Steuereinheit 1, die
somit nun weiss, welcher der Aktuatoren 1 bis N bewegt
worden ist. Im obigen Beispiel hat z. B. der Bewegungsbefehl an
die erste provisorischen Adresse zu einer Bewegung des zweiten Aktuators 2 geführt,
der zum Bewegen der zweiten Klappe dient.
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Durch
sukzessives Senden von Bewegungsbefehlen an die einzelnen provisorischen
Adressen kann die Steuereinheit 31 aufgrund der von der
Sensorvorrichtung 45 gelieferten Messsignalen die provisorischen
Adressen den Funktionen der einzelnen Aktuatoren 1 bis
N zuordnen. Aufgrund dieser Zuordnung teilt die Steuereinheit 31 schliesslich
jedem Aktuator 1, 2, ..., N eine definitive Adresse
zu, welche im jeweiligen Speicher 11b gespeichert wird.
Die Steuereinheit 31 kann nun über die definitive
Adresse jeden Aktuator 1, 2, ..., N gezielt ansteuern.
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Das
hier beschriebene Verfahren erlaubt eine einfache automatische Adressierung
der Aktuatoren. Insbesondere hat es den Vorteil, dass die Aktuatoren
nicht mit zusätzlichen Komponenten oder zusätzliche
Leitungen zu versehen sind, die lediglich bei der Adressierung benötigt
werden.
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Aus
der vorangehenden Beschreibung sind dem Fachmann zahlreiche Abwandlungen
zugänglich, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen,
der durch die Ansprüche definiert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5630324 [0003]
- - EP 1226989 A1 [0004]
- - WO 02/069149 A1 [0005]