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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Versorgung mindestens eines Busteilnehmers und eine Anordnung zur Versorgung mindestens eines Busteilnehmers.
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Stand der Technik
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In einer Anordnung, die einen Master, z. B. ein Steuergerät, und eine Anzahl Slaves, wie bspw. Verbraucher, aufweist, die mit dem Master verbunden sind, werden zwischen dem Master und den Slaves Informationen ausgetauscht. Weiterhin kann der Master den Slaves auch Energie bereitstellen. Dabei werden Überlegungen angestellt, um eine Möglichkeit einer Übertragung von Energie und Informationen zwischen dem Master und den Slaves bereitzustellen.
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Bekannt sind elektrische Schnittstellen zum Anschluss mindestens eines Sensors an ein Steuergerät, wobei sowohl die Energieversorgung wie auch die Datenübertragung über lediglich zwei Leitungen erfolgt. Die Energie wird dabei über einen vergleichsweise konstanten Ruhestrom, z. B. über eine periphere Sensor-Schnittstelle (peripheral sensor interface, PSI5), übertragen. Alternativ kann eine zyklische Energieübertragung z. B. zwischen oder während der Übertragung einzelner Bits, etwa bei einem Safe-by-Wire-Betrieb, der von führenden Automobilherstellern und -zulieferern definiert wurde, oder nach einem ISO Standard vorgenommen. Die Energieübertragung kann auch zwischen einem oder mehreren Datenwörtern, wie bspw. über eine dynamische Schnittstelle (Distributed Sensor Interface, DSI), oder andere geeignete Schnittstellen, wie sie u. a. von den Firmen Freescale oder TRW angeboten werden, erfolgen. Charakteristisch bei den zyklischen Versorgungen ist, dass die Energie für die Phasen zwischen der Energieversorgung in den Sensoren zwischengespeichert wird. Häufig erfolgt die Energieübertragung in Phasen mit höheren Spannungen und/oder nach einem festen Zeitraster.
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Insgesamt können mit den bisherigen Verfahren nur geringe Leistungen im Bereich einzelner Watt bzw. Ströme mit maximal wenigen hundert mA übertragen werden.
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In der Druckschrift
US 6 459 363 B1 ist beschrieben, dass zur Übertragung von Daten und Energie zwei Drähte, über die eine Kontrolleinrichtung und ein Modul miteinander verbunden sind, verwendet werden.
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In der Druckschrift
US 6 097 761 A sind eine Vorgehensweise und ein System zur Übertragung von Energie und Daten über die gleiche Leitung, an die eine Anzahl Stationen angeschlossen sind, beschrieben. Hierzu wird vorgeschlagen, in die Leitung eine bipolare Wechselspannung einzuspeisen, bei der eine erste Polarität nur zur Energieversorgung dient und die Datenübertragung nur durch Amplitudenmodulation der Impulse einer zweiten Polarität erfolgt. Wenn die Impulse der erste Polarität sehr niederohmig eingespeist werden, kann eine große Menge Energie an die Stationen übertragen werden. Für die Modulation der Datenübertragung ist nur eine geringe Leistung erforderlich, wenn die Impulse der zweiten Polarität hochohmig eingespeist werden. Dadurch sind nur zwei Leiter notwendig, von denen im einfachsten Falle einer durch die Masse des Systems ersetzt werden kann. Bei Verwendung von drei Leitern kann auf sehr einfache Weise eine erhöhte Fehlersicherheit gegen Ausfall eines Leiters erreicht werden.
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Ein Kommunikationssystem mit einem Master und einer Anzahl Slaves, die über einen Bus miteinander verbunden sind, ist Gegenstand der Druckschrift
US 2007/0083686 A1 . Hierbei werden nach einem fest vorgegebenen Schema Ladezeiten, in denen an den Bus eine Spannung angelegt wird, und Entladezeiten, in denen die Spannung wieder abfällt, abgewechselt. Daten werden immer dann übertragen, wenn die Spannung während einer Entladezeit den Wert null erreicht hat.
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Ein ähnliches Kommunikationssystem ist aus der Druckschrift
US 2007/233920 A1 bekannt. Bei diesem wechseln sich Zeitintervalle zur Übermittlung von Energie und zur Übermittlung von Daten ab. Es ist vorgesehen, dass die Längen der Zeitintervalle fest vorgegeben sind, und dass eine Datenrate der übermittelten Daten variiert werden kann.
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Die Druckschrift
DE 10 2008 029 902 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Bussystems, das einen ersten und einen zweiten Netzknoten umfasst. Zur Energieversorgung des zweiten Netzknotens und zur Kommunikation sind eine erste Leitung und eine zweite Leitung vorgesehen. Die Kommunikation und die Energieversorgung des zweiten Netzknotens erfolgt zeitlich voneinander getrennt.
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Die Druckschrift
US 6 188 314 B1 beschreibt ein Verfahren und ein System zum Übertragen von Energie und zur Kommunikation zwischen einem Master und mehreren Slaves. Dabei liefert ein Leistungs-Spannungssender elektrische Energie mit einer Spannung auf den Bus, um die Slaves mit elektrischer Energie zu versorgen.
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Die Druckschrift
US 4 926 158 A beschreibt eine Kommunikationsverbindung zwischen einer zentralen Steuerung und einer entfernten Substation. Mit einer zentralen Steuerung wird ein elektrischer Strom über einen Leiter zu der entfernten Substation übertragen, der dort in einer Energiespeichervorrichtung gespeichert wird.
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Die Druckschrift
GB 1 598 553 A beschreibt ein Datenübertragungssystem mit einer elektrischen Versorgung und Datenempfangsmitteln. Diese Datenempfangsmittel sind über einen einzigen Kommunikationskanal mit einer Datenquelle verbunden. Weiterhin ist ein Kondensator als Energiespeicher vorgesehen, der durch die elektrische Versorgung geladen wird.
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Die Druckschrift
US 5 974 553 A beschreibt ein Verfahren zur Energieversorgung für Elemente, die in einem Zweidraht-Bus-Netzwerk verbunden sind. In sogenannten Informationsrahmen werden Daten übertragen Zwischen diesen Informationsrahmen werden Stromversorgungsimpulse zur Energieversorgung über den Zweidraht-Bus gesendet.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren und eine Anordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung.
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Es wird ein Bus bzw. ein Netzwerk, der bzw. das ein Paar Leitungen, typischerweise zwei Drähte, umfassen kann und über den eine Energieübertragung und eine Datenübertragung erfolgt, bereitgestellt. Dabei kann es sich um einen Bus für mindestens einen Busteilnehmer und/oder Verbraucher, bspw. einen Sensorbus, mit nur zwei elektrischen Leitungen handeln, der so ausgelegt ist, dass zur Bereitstellung elektrischer Energie zu dem Busteilnehmer auch große Ströme übertragen werden können und so der Anschluss von Verbrauchern mit höherem Strombedarf und/oder höherer Leistungsaufnahme, wie z. B. von Aktoren und/oder Sensoren, möglich ist.
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Somit können ansonsten erforderliche getrennte Kabel für Energie- und Datenübertragung entfallen, wodurch Gewicht und Material eingespart werden können. Weiterhin können am Steuergerät wie auch an den Sensoren Steckerpins entfallen, wodurch die Baugröße reduziert und somit weitere Kosten eingespart werden können. Die Datenrate während einer variabel einstellbaren Phase zur Datenübertragung sowie die Menge an Energie während einer variabel einstellbaren Phase zur Energieübertragung können flexibel an die Bedürfnisse der jeweils angeschlossenen Busteilnehmer angepasst werden. Bei Bedarf kann die Anpassung auch während der Laufzeit üblicherweise dynamisch erfolgen. Dabei wird dem mindestens einen Busteilnehmer von dem Steuergerät, die miteinander verbunden sind, während mindestens einer Phase, die zur Energieübertragung vorgesehen ist, und mindestens einer Phase, die zur Datenübertragung vorgesehen ist, die sich miteinander abwechseln und jeweils aufeinanderfolgen, Energie und Daten bereitgestellt. Dabei wird während Phasen zur Datenübertragung von dem Steuergerät ebenfalls Energie in typischerweise geringerer Menge und/oder mit geringerer Leistung als während der Phasen zur Energieübertragung bereitgestellt. Auf die Verwendung kostenintensiver Energiespeicher, wie z. B. Kondensatoren, bspw. in Sensoren, und/oder Aktoren als mögliche Busteilnehmer, die als elektrische Baugruppen ausgebildet sein können, kann daher verzichtet werden.
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Ein Steuergerät kann eine dynamische Schnittstelle, z. B. ein DSI (Distributed Sensor Interface), aufweisen, über die die zwei Leitungen des Buses an dem Busteilnehmer angeschlossen sind. Mit dieser dynamischen Schnittstelle kann in Ausgestaltung zwischen den Phasen zur Energieübertragung und den Phasen zur Datenübertragung hin- und her- bzw. umgeschaltet werden. Durch diese Maßnahme kann eine flexible und/oder intelligente Entkopplung aufeinanderfolgender Phasen zur Energieübertragung und Datenübertragung erfolgen. Je nach Ausgestaltung können die genannten Phasen unmittelbar aufeinander folgen. Es ist jedoch auch möglich, dass zwischen den Phasen eine Pause, bspw. eine Umschaltpause, vorgesehen ist.
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Außerdem kann eine Länge bzw. Dauer der sich abwechselnden Phasen zur Energie- und/oder Datenübertragung bedarfsgerecht und/oder in Abhängigkeit von Betriebsparametern des mindestens einen Busteilnehmers angepasst werden. Es ist zudem möglich, die Übertragungsrate der Daten während einer Phase zur Datenübertragung und/oder aufeinanderfolgender Phasen zur Durchführung zu variieren.
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Ein möglicher Einsatz der Erfindung ist für Sensoren mit erhöhtem Energiebedarf und Sensor/Aktor-Kombinationen, z. B. einer Lamda-Sonde, einem Luftmassenmesser, einem C02- oder NOx-Sensor, einem Steller und/oder Geber einer Drosselklappe, als Busteilnehmer und somit Verbraucher, typischerweise in einem Kraftfahrzeug, vorgesehen.
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Die erfindungsgemäße Anordnung ist dazu ausgebildet, sämtliche Schritte des vorgestellten Verfahrens durchzuführen. Dabei können einzelne Schritte dieses Verfahrens auch von einzelnen Komponenten der Anordnung durchgeführt werden. Weiterhin können Funktionen der Anordnung oder Funktionen von einzelnen Komponenten der Anordnung als Schritte des Verfahrens umgesetzt werden. Außerdem ist es möglich, dass Schritte des Verfahrens als Funktionen wenigstens einer Komponente der Anordnung oder der gesamten Anordnung realisiert werden.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung.
- 2 zeigt in schematischer Darstellung eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung,
- 3 zeigt ein Diagramm zu einem Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Komponenten.
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Die in 1 schematisch dargestellte erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung 1 zur Durchführung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst ein Steuergerät 3 mit einer Versorgungseinheit 5, die in einem Modul 7 des Steuergeräts 3 angeordnet ist, und mit einem Messelement 9. Das genannte Modul 7 ist zum Schalten und/oder zur Datenverarbeitung ausgebildet. Über zwei Leitungen 11, 13 sind als mindestens ein Busteilnehmer 15 ein oder mehrere Sensoren oder andere elektrische Baugruppen als Verbraucher an das Steuergerät 3 angeschlossen.
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Zur Datenübertragung kann über eine Steuereinheit 17 im Busteilnehmer 15 ein Strom aufmoduliert werden, z. B. über eine Stromsenke. Diese Modulation wird mit Schaltern 19, 21, die innerhalb des Bauteilnehmers 15 angeordnet sind, durchgeführt. Die Änderung des Stroms wird mit dem Messelement 9 im Steuergerät 3 registriert.
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Üblicherweise erfolgt die Energieversorgung von Sensoren entweder über eine Ruhestromaufnahme der Sensoren oder zyklisch während Phasen unterschiedlicher, meist höherer Spannungen über die Aufladung von Energiespeichern wie bspw. Kondensatoren, die in dem Sensor angeordnet sind. Bei der zyklischen Übertragung ist charakteristisch, dass die Energiephasen im Verhältnis zu den Datenphasen vergleichsweise kurz sind.
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Mit der in 1 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung 1 wird eine Versorgung mindestens eines Busteilnehmers 15 durch das Steuergerät 3 ermöglicht. Der mindestens eine Busteilnehmer 15 und das Steuergerät 3 sind über ein Netzwerk miteinander verbunden. Zu dem mindestens einen Busteilnehmer 15 werden während mindestens einer Phase zur Datenübertragung Daten übertragen. Während mindestens einer Phase zur Energieübertragung wird zu dem mindestens einen Busteilnehmer 15 Energie übertragen. Ausgehend von dem Steuergerät 15 sind Phasen zur Datenübertragung und Phasen zur Energieübertragung abwechselnd und aufeinanderfolgend vorgesehen. Dabei werden Längen der Phasen, üblicherweise betriebsbegleitend, variabel eingestellt.
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Die in 2 schematisch dargestellte zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung 23 mit einem Steuergerät 25 ist ebenfalls zur Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet. Hierbei ist vorgesehen, dass in mindestens einem Busteilnehmer 27 neben Schaltern 19, 21 zur Strommodulation und Datenübertragung weitere Verbraucher 29 mit dazugehörigen Schaltelementen 31 angeordnet sind. Diese werden in den Phasen typischerweise höherer Energieübertragung direkt aus der Versorgungseinheit 5 als Energiequelle mit höheren Strömen, von z. B. mehreren hundert Milliampere bis mehreren Ampere, versorgt.
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Das in 3 gezeigte Diagramm zu einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst eine Zeitachse 35. Entlang der Zeitachse 35 ist eine Abfolge von Phasen 37, 39 zur Datenübertragung „K“, die auch als Kommunikationsphasen bezeichnet werden können, und Phasen 41, 43 zur Energieübertragung „E“ gezeigt. Bei der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Phasen 41, 43 zur Übertragung üblicherweise größerer Mengen Energie „E“, z. B. zur Versorgung von Leistungsteilen, und Phasen 37, 39 zur Datenübertragung „K“, zeitlich getrennt. Darüber hinaus können die Längen der Phasen 37, 39 zur Datenübertragung und/oder Längen der Phasen 41, 43 zur Energieübertragung flexibel an eine Menge der zu übertragenden Daten und/oder einen Energiebedarf des mindestens einen angeschlossenen Busteilnehmers 15, 27 angepasst werden. Ergänzend ist es möglich, bei Phasen 37, 39 zur Datenübertragung, bspw. zur Ansteuerung eines Sensors und/oder einer Steuerelektronik, zusätzlich geringe Mengen an Energie zu übertragen. In der Regel wird dem mindestens einen Busteilnehmer 15, 27 Energie von dem Steuergerät 3, 25 ( 1 und 2) übermittelt. Während einer Phase 37, 39 zur Datenübertragung „K“ können zwischen dem Steuergerät 3, 25 (1 und 2) und dem mindestens einen Busteilnehmer 15, 27 (1 und 2) Daten und/oder Signale auch wechselseitig ausgetauscht werden.
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Weiterhin können Phasen 41, 43 zur Energieübertragung „E“ auch wesentlich länger als Phasen 37, 39 zur Datenübertragung „K“ sein. Das Steuergerät 3, 25 (1 und 2) ist dafür so ausgelegt, dass die Versorgungseinheit 5 (1 und 2) dem mindestens einen Busteilnehmer 15, 27 (1 und 2) größere Mengen an Energie, bspw. Ströme, zur Verfügung stellen kann. Optional kann die zu übertragende Energie über eine weitere Stromversorgungseinheit 33 als Komponente des Steuergeräts 3, 25 dem mindestens einen Busteilnehmer 15, 27 übermittelt werden. In Ausgestaltung kann die zusätzliche Stromversorgungseinheit 33 den erforderlichen Strom, dem mindestens einen angeschlossenen Busteilnehmer 15, 27 bzw. Verbraucher direkt, d. h. unter Umgehung des Messelements 9 zur Verfügung stellen.
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Das Zuschalten des mindestens einen Busteilnehmers 27 erfolgt während der Phasen 41, 43 zur Energieübertragung „E“ über die Steuereinheit 17, die eine Steuerelektronik aufweist. Hierbei ist es möglich, dass die Steuereinheit 17 während einer Phase 41, 43 zur Energieübertragung „E“ ein an den Leitungen 11, 13 anliegendes Signal, bspw. über eine höhere Spannung und/oder ein Trägersignal, z. B. eine Frequenz, und/oder über eine feste oder variable Zeitinformation registriert. Derartige Signale können während einer Phase 37, 39 zur Datenübertragung „K“ von dem Steuergerät 3, 25 an den mindestens einen Busteilnehmer 15, 27 übertragen werden. Hierbei kann ein derartiges Signal ein Synchronisationssignal und/oder eine Zeitangabe in Form eines Zahlenwerts aufweisen.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine zeitlich variable Gestaltung der Längen der Phasen 41, 43 zur Energieübertragung „E“ und/oder der Phasen 37, 39 zur Datenübertragung „K“ und somit zur typischerweise wechselseitigen Kommunikation zwischen dem mindestens einen angeschlossenen Busteilnehmer 15, 27 und dem Steuergerät 3, 25. Die Längen der Phasen 37, 39 zur Datenübertragung und/oder der Phasen 41, 43 zur Energieübertragung können an eine Menge der zu übermittelnden Daten und/oder an einen Bedarf an Energie des mindestens einen Busteilnehmers 15, 27 flexibel und/oder dynamisch angepasst werden.
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So können z. B. in Sensor/Aktor-Kombinationen mit mehreren Busteilnehmern 15, 27 die Längen der Phasen 41, 43 zur Energieübertragung flexibel ausgelegt werden, so dass der mindestens eine Busteilnehmer 15, 27 eine Aktion ausführen und abschließen kann. Es ist auch möglich, dass bspw. ein Stellglied, das als ein Elektromotor ausgebildet sein kann und mit mindestens einem Busteilnehmer 15, 27 wechselwirkt, zum Ausführen der Aktion eine vorgesehene Position in der vorgesehen Zeit anfahren kann. Bei der Aktion kann es sich um einen elektrischen und/oder mechanischen Betriebsschritt des mindestens einen Busteilnehmers 15, 27 handeln. Anschließend kann während einer Kommunikationsphase und somit in einer Phase 37, 39 zur Datenübertragung „K“, eine Rückmeldung über einen als Sensor ausgebildeten Busteilnehmer 15, 27 erfolgen.
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Das Steuergerät 3, 25 kann in weiterer Ausgestaltung eine dynamische Schnittstelle, z. B. Distributed Sensor Interface (DSI) aufweisen, über die das Steuergerät 3, 25 zwischen den Phasen 41, 43 zur Energieübertragung „E“ und den Phasen 37, 39 zur Datenübertragung „K“ flexibel hin- und herschalten kann.
