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Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug-Bordnetz sowie ein Verfahren zur Übertragung von Datensignalen in einem solchen Kraftfahrzeug-Bordnetz.
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In einem Kraftfahrzeug-Bordnetz werden eine Vielzahl von Verbrauchern über Versorgungsleitungen des Bordnetzes mit einer Strom- und Spannungsquelle, üblicherweise die Kraftfahrzeug-Batterie, zur Strom- und/oder Spannungsversorgung verbunden. Neben Leistungsverbrauchern wie beispielsweise Stellmotoren etc. finden sich in einem Bordnetz auch eine Vielzahl von Kleinverbrauchern, beispielsweise Sensoren oder Aktoren, die in zunehmenden Maße in Kraftfahrzeugen zur Erhöhung der Sicherheit, des Komforts oder auch im Hinblick auf Fahrer-Assistenz-Systeme eingesetzt werden. Derartige Sensoren sind beispielsweise Temperatursensoren, Abstandssensoren usw. Die Daten solcher Signalgeber werden über Datenleitungen an Empfänger, üblicherweise Steuergeräte, übermittelt und dort ausgewertet.
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Für die Datenübertragung sind in Kraftfahrzeug-Bordnetzen bereits Datenbusse bekannt, wie beispielsweise die Bussysteme CAN (Controller Area Network) oder auch der LIN-Bus (Local Interconnect Network). Die einzelnen Aktoren/Sensoren sind dabei über eine Datenleitung an diese Feldbusse angeschlossen.
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Mit der Zunahme der Signalgeber wie Sensoren oder Aktoren steigt der Verdrahtungsaufwand zunehmend an. Neben der Versorgungsleitung ist jeweils immer auch eine Datenleitung erforderlich.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Kraftfahrzeug-Bordnetz zu ermöglichen, bei dem der Verdrahtungsaufwand gering gehalten ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Kraftfahrzeug-Bordnetz mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Die im Hinblick auf das Bordnetz angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Verfahren zu übertragen.
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Das Kraftfahrzeug-Bordnetz umfasst eine Anzahl von Verbrauchern, die jeweils an einer elektrischen Versorgungsleitung zur Strom- und/oder Spannungsversorgung angeschlossen sind. Zumindest mehreren Verbrauchern, vorzugsweise Sensoren oder Aktoren, ist jeweils eine Kommunikationseinheit zugeordnet, mit der der jeweilige Verbraucher zur Datenübermittlung verbunden ist. Die Kommunikationseinheiten sind weiterhin derart ausgebildet, dass sie unter Ausnutzung der Versorgungsleitungen ein vermaschtes Datennetz (Mesh-Netz) aufbauen und Daten, die von den ihnen zugeordneten Verbrauchern bereitgestellt werden, über die Versorgungsleitungen übermitteln.
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Dieses Konzept beruht dabei grundsätzlich auf der Kombination einer an sich bekannten Datenübermittlung über Versorgungsleitungen, wie sie beispielsweise unter dem Begriff „Power LAN” oder „Powerline communication (PLC)” bekannt ist. Diese ist jedoch nur für eine Punkt-zu-Punkt Kommunikation zwischen zwei direkt verbundenen Geräten geeignet und daher als solche nicht auf ein Bordnetz zu übertragen. Diese bekannte PLC-Technik wird daher erweitert und kombiniert mit einem speziellen Datenübertragungsnetz, in dem nämlich ein so genanntes vermaschtes Netz über diese Versorgungsleitungen aufgebaut wird. Der entscheidende Vorteil hierbei ist darin zu sehen, dass durch den Aufbau eines vermaschten Netzes auch Übermittlungen von Daten zwischen einem Verbraucher und einem Ziel- oder Endgerät, wie beispielsweise einer Steuereinheit, auch dann möglich ist, wenn keine direkte Punkt-zu-Punkt Leitungsverbindung zwischen dem Verbraucher und dem Zielgerät besteht. Erst durch die Kombination dieser beiden Techniken ist in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz eine zuverlässige Datenübertragung beispielsweise von Sensoren oder Aktoren zu Steuergeräten unter Verzicht auf separate Datenleitungen ermöglicht. Dies führt insgesamt zu einer Reduzierung des Verkabelungs- und Verdrahtungsaufwands und insgesamt dadurch zu einer Gewichtsreduktion durch den damit einhergehenden Wegfall von einzelnen Kabeln.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist darin zu sehen, dass ein einheitlicher Kabelbaum für unterschiedliche Ausstattungsvarianten eines Kraftfahrzeugs herangezogen werden kann. Bisher ist für jede Ausstattungsvariante eines Kraftfahrzeugs ein eigener spezieller Kabelbaum erforderlich, da bisher beispielsweise für einen zusätzlichen Sensor ein zusätzliches Datenkabel erforderlich ist. Es ergeben sich daher insbesondere auch Kosteneinsparungen. Es lassen sich dadurch auch einfacher Änderungen beispielsweise noch während der Produktion des Fahrzeuges oder während eines Produktzyklusses vornehmen, ohne dass zwingend aufwändige Änderungen am Kabelsatz erforderlich sind.
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Zur Datenübertragung über die Versorgungsleitungen sind die Kommunikationseinheiten grundsätzlich zur Aufmodulation des zu übertragenden Datensignals auf die bestehende Bordnetzspannung ausgebildet, wie dies aus der PLC-Technik bekannt ist.
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Als Datensignale werden hierbei Hochfrequenzsignale mit einer Frequenz vorzugsweise im Bereich von 100 kHz bis hin zu 100 MHz und insbesondere im Bereich von mehreren zehn MHz, beispielsweise 25 MHz eingesetzt.
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Die Einkopplung der Datensignale erfolgt in bekannter Weise und kann auf unterschiedlichen Wegen vorgenommen werden, beispielsweise mit Richtkopplern, sogenannten Baluns, Antennen oder auch mittels galvanischer, induktiver oder kapazitiver Kopplung.
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In vorteilhafter Ausgestaltung ist eine Kommunikation mittels des Datennetzes zwischen zwei Kommunikationseinheiten ermöglicht, die in voneinander getrennten Teilnetzen des Bordnetzes angeordnet sind. Bei einem Bordnetz bestehen üblicherweise mehrere voneinander getrennte Teilnetze, die keine direkte Leitungsverbindung untereinander aufweisen. Die Teilnetze sind lediglich an der gemeinsamen Batterie angeschlossen. Über diese ist jedoch keine Datenübertragung möglich. Durch den Aufbau des Datennetzes ist daher auch eine Kommunikation zwischen den Verbrauchern unterschiedlicher Teilnetze ermöglicht, ohne dass zwischen diesen eine direkte Punkt-zu-Punkt Leitungsverbindung besteht, wie dies bei der PLC-Technik erforderlich ist. Hierzu wird allgemein das Datensignal von einem Teilnetz in das andere Teilnetz eingekoppelt.
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Zweckdienlicherweise erfolgt hierbei eine automatische Einkopplung und Übertragung eines Datensignals von einer Versorgungsleitung in eine andere Versorgungsleitung, ohne dass ein spezielles Koppelelement eingesetzt ist. Hierbei wird insbesondere der in der Datenübertragung üblicherweise unerwünschte Effekt des Nebensprechens ausgenutzt, bei dem ein Signal von einer Leitung in eine benachbarte weitere Leitung automatisch einkoppelt. Um dies zu gewährleisten sind daher vorzugsweise die Versorgungsleitungen als ungeschirmte Leitungen ausgebildet. Die Datenkommunikation innerhalb des Datennetzes, insbesondere über die Grenzen der Teilnetze hinweg, beruht daher wesentlich auf diesen Effekt des Nebensprechens unter Berücksichtigung der üblichen Ausgestaltung eines Bordnetzes. Mehrere Versorgungsleitungen auch unterschiedlicher Teilnetze sind zumindest bereichsweise eng beieinander beispielsweise in einem gemeinsamen Kabelsatzbereich oder auch innerhalb eines gemeinsamen Kabelmantels geführt.
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Weiterhin bilden in vorteilhafter Ausgestaltung zur Umsetzung des grundlegenden Konzepts die einzelnen Kommunikationseinheiten jeweils einen Knoten des vermaschten Datennetzes. Bei der Datenübertragung von einer Kommunikationseinheit zu einem Zielgerät, welches ebenfalls einen Knoten des Netzes bildet, wird das zu übertragende Datensignal daher entweder direkt an das Zielgerät übermittelt oder auch über verschiedene, durch die weiteren Kommunikationseinheiten gebildete Zwischenknoten, sofern keine direkte Verbindung zur Verfügung steht.
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Die Kommunikationseinheiten sind dabei zweckdienlicherweise unmittelbar in die Verbraucher integriert. Eine separate Verbindung zwischen den jeweiligen Verbrauchern und den Kommunikationseinheiten ist daher nicht erforderlich. Die Kommunikationseinheiten sind vorzugsweise unmittelbar als Kommunikationsmodule in eine elektronische Schaltung oder auch einen Chip der jeweiligen Verbraucher integriert, über die auch die Datenerfassungen, gegebenenfalls auch eine erste Datenverarbeitung, erfolgt.
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Zur Datenübertragung wird dabei zweckdienlicherweise ein Kommunikationsprotokoll nach dem OSI-Modell mit einem Protokollstapel eingesetzt. Das Kommunikationsprotokoll ist daher nach Art eines Stapels aufgebaut mit mehreren Schichten, die sich nach dem bekannten OSI-Modell bestimmen.
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Dieses OSI-Modell bildet die Grundlage für unterschiedliche Kommunikationsprotokolle für vermaschte Netzwerke.
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Ein spezielles Kommunikationsprotokoll für eine drahtlose Funkübertragung mit geringen Datenraten ist beispielsweise das unter dem Namen ZigBee bekannte Protokoll. Das eingesetzte Kommunikationsprotokoll ist vorzugsweise in Anlehnung an dieses ZigBee-Protokoll aufgebaut. Der wesentliche Unterschied zum ZigBee-Protokoll ist darin zu sehen, dass dieses für eine Funkübertragung ausgelegt ist, während vorliegend das Kommunikationsprotokoll zur drahtgebundenen Übertragung durch Aufmodulation auf die Bordnetzspannung ausgebildet ist.
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Ein anderes an sich bekanntes Kommunikationsprotokoll ist das unter dem Namen „Z-Wave” bekannte Protokoll, welches speziell für ein vermaschtes Netz ausgebildet ist.
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Wesentlich ist, dass die einzelnen Kommunikationseinheiten (Teilnehmer) nicht nur zum Senden und Empfangen sondern auch zur Durch- und Weiterleitung der Datensignale ausgebildet sind, wodurch eine Vermaschung des Netzes ermöglicht ist.
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Beispielsweise entsprechend dem ZigBee-Standard sind die einzelnen Kommunikationseinheiten vorzugsweise als Router ausgebildet. Jede einzelne, jeweils einen Knoten des Datennetzes bildende Kommunikationseinheit vermittelt oder routet daher die empfangenen Datensignale selbsttätig weiter und entscheidet insbesondere auch über den zu wählenden Datenpfad bis zu dem Zielgerät. Insbesondere entscheidet die jeweilige Kommunikationseinheit selbst, an welche nächstgelegene Zwischen-Kommunikationseinheit (Zwischenknoten) das Datensignal weitergeleitet wird.
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Für die Adressierung gibt die als Sender fungierende Kommunikationseinheit üblicherweise eine Zieladresse an, die dem Datensignal mitgegeben wird. Je nach Adressierungsart besteht dabei die Möglichkeit, dass bereits in dieser Information die Route festgelegt ist, sodass die einzelnen Zwischenknoten entlang dieser Vorgabe das Datensignal weiterleiten. Alternativ erfolgt eine so genannte indirekte Adressierung, bei der die Kommunikation beispielsweise über einen so genannten Koordinator des Netzwerkes erfolgt.
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Zweckdienlicherweise ist daher auch eine der Kommunikationseinheiten als ein solcher Koordinator insbesondere im Sinne des ZigBee-Standards ausgebildet.
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Insgesamt ist das Datennetz vorzugsweise als sogenanntes selbstorganisierendes oder selbstinitiierendes Datennetz ausgebildet. Das Datennetz mit den Kommunikationseinheiten ist daher dafür ausgebildet, Veränderungen bei den Teilnehmern automatisch zu erkennen und bei neuen Teilnehmern diese in das Datennetz automatisch zu integrieren incl. beispielsweise einer Adressvergabe für den neuen Teilnehmer. Eine manuelle Bedienereingabe ist hierzu nicht erforderlich. Der Z-Wave Standard unterstützt eine derartige Selbstorganisation.
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Die Datenübertragung über die Versorgungsleitung eignet sich lediglich für die Übertragung von Signalen mit geringer Übertragungsrate. Die Verbraucher, die auf diese Weise miteinander oder mit einem Zielgerät kommunizieren, sind daher zweckdienlicherweise derartige Einheiten, die nur geringe Datenraten erzeugen, wie insbesondere einfache Sensoren und Aktoren, beispielsweise einfache Bedien- oder Anzeigeelemente zur Bedienung von elektrischen Komponenten, wie beispielsweise Schalter oder Regelknöpfe. Bildübertragungen sind nicht vorgesehen. Tonübertragungen mit niedrigen Datenraten sind demgegenüber möglich und auch vorgesehen.
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In bevorzugter Weiterbildung ist zumindest einer der Verbraucher nach dem Plug and Play-Prinzip an verschiedenen Stellen des Bordnetzes in eine Versorgungsbuchse einsteckbar. Das Bordnetz weist hierzu mehrere derartiger Versorgungsbuchsen zum reversiblen Einstecken von Verbrauchern auf.
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Diese Ausgestaltung nutzt in vorteilhafter Weise insbesondere die Selbstorganisation des Datennetzes aus. Dadurch ist eine flexible Anordnung und insbesondere eine freie Versetzbarkeit beispielsweise von Bedienelementen ermöglicht. Bei bisherigen Bordnetzen ist der Ort eines jeweiligen Bedien-, Anzeige oder auch Designelements vom Hersteller fest vorgegeben. Durch das hier geschaffene insbesondere selbstorganisierende Daten- und Kommunikationsnetz ist eine herstellerunabhängige Platzierung derartiger Bedienelemente ermöglicht.
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Mit dem hier beschriebenen Datennetzes ist allgemein bei der Konfiguration eines Bordnetzes eine hohe Flexibilität erreicht. Änderungen am Bordnetz sind ohne großen Aufwand möglich. Kundenwünsche können daher auch noch sehr spät während der Produktion oder sogar nach der Produktion berücksichtigt werden.
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Diese Flexibilität wird erweitert, indem für den Kunden durch die Anordnung von Versorgungsbuchsen die Möglichkeit geschaffen wird, Verbraucher an unterschiedlichen Positionen innerhalb des Kraftfahrzeugs zu positionieren. Die Verbraucher integrieren sich dabei automatisch in das Datennetz und können somit beispielsweise mit einer Steuereinheit kommunizieren. Bei den Verbrauchern handelt es sich beispielsweise um einen Regelknopf für die Klimatisierung des Fahrzeuges oder um einen Steuerknopf für die Ansteuerung eines Stellmotors.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der einzigen Figur näher erläutert. Dieses zeigt in einer vereinfachten Darstellung einen Ausschnitt aus einem Kraftfahrzeug-Bordnetz.
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Das Bordnetz umfasst hierbei eine Vielzahl von einzelnen Versorgungsleitungen 2, die beispielsweise über einen Stromverteiler 4 an eine Gleichstrom- und Gleichspannungsquelle, insbesondere eine Kraftfahrzeug-Batterie angeschlossen sind.
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Das Bordnetz ist dabei in mehrere voneinander getrennte Teilnetze A, B, C unterteilt. Unter voneinander getrennt wird hierbei verstanden, dass ein auf eine Versorgungsleitung 2 des einen Teilnetzes A, B, C aufmoduliertes Datensignal D nicht über eine Leitungsverbindung, also nicht drahtgebunden, auf die Versorgungsleitung 2 des anderen Teilnetzes A, B, C übertragbar ist.
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Die einzelnen Versorgungsleitungen 2 versorgen dabei eine Vielzahl von Verbrauchern, wobei im Ausführungsbeispiel beispielhaft mehrere Aktoren oder Sensoren S1–S7 dargestellt sind. Diese sind beispielsweise Sensoren zur Erfassung von Umgebungszuständen oder auch Bedien- oder Schaltelemente, die vom Benutzer betätigt werden. Ergänzend ist als weiterer Verbraucher ein Zielgerät Z an das Bordnetz über die Versorgungsleitungen 2 angeschlossen. Dieses Zielgerät ist beispielsweise eine Steuer- oder Auswerteeinheit, die zum Empfang und zur Auswertung von Datensignalen D der einzelnen Sensoren S1–S7 ausgebildet ist.
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Ein jeder der Sensoren S1–S7 sowie auch das Zielgerät Z weist eine integrierte Kommunikationseinheit K auf. Diese Kommunikationseinheit K ist ebenfalls an die jeweilige Versorgungsleitung 2 angeschlossen, an die auch der jeweilige Verbraucher S1–S7, Z angeschlossen ist. Die Kommunikationseinheiten K bilden durch eine geeignete Konfiguration jeweils einen Netzknoten eines vermaschten Datennetzes 6. Die in der Figur dargestellte Struktur bildet eine derartige vermaschte Netzstruktur.
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Die Kommunikationseinheiten K erhalten von einem Sensorteil des jeweiligen Sensors S1–S7 beispielsweise ein Bedien-, Schalt- oder Messsignal, welches an das Zielgerät Z zu übertragen ist. Dieses Messsignal wird in der Kommunikationseinheit K aufbereitet und entsprechend einem definierten Kommunikationsprotokoll als Hochfrequenz-Datensignal bereitgestellt. So wird insbesondere das eigentliche Messsignal ergänzt um beispielsweise die Zieladresse des Zielgeräts Z entsprechend dem Kommunikationsprotokoll. Das derart aufbereitete Datensignal D wird anschließend mit Hilfe eines Modulators M, welcher vorzugsweise ebenfalls integraler Bestandteil des jeweiligen Verbrauchers S1–S7, Z ist, auf die an der jeweiligen Versorgungsleitung 2 anliegenden Bordnetzspannung als Hochfrequenzsignal aufmoduliert, so dass das Datensignal D über die jeweilige Versorgungsleitung 2 nach Art der PLC-Technologie übermittelt werden kann.
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Üblicherweise ist die jeweilige Versorgungsleitung 2 an einem Versorgungsanschluss, typischerweise an einem Stecker, angeschlossen. Der Modulator M ist mit dem jeweiligen Versorgungsanschluss zur Aufmodulation des Datensignals D verbunden, wie dies jeweils durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist.
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Das eingesetzte Kommunikationsprotokoll ist beispielsweise in Anlehnung an das ZigBee-Protokoll aufgebaut.
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Innerhalb des Datennetzes 6 bildet einer der Verbraucher S1–S7, Z, im Ausführungsbeispiel das Zielgerät Z, einen so genannten Koordinator 8, welcher insbesondere die Administration und Verwaltung des Datennetzes 6 übernimmt und hierzu beispielsweise die Adressvergabe der einzelnen Verbraucher S1–S7, Z regelt.
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Da die einzelnen Teilnetze A, B, C lediglich über den auf Batteriepotential liegenden Verteiler 4 miteinander verbunden sind, lässt sich das aufmodulierte HF-Datensignal leitungsgebunden nicht von einem Teilnetz A, B, C in ein anderes Teilnetz A, B, C übertragen. Um dennoch eine Datenkommunikation auch zwischen Verbraucheren S1–S7 in verschiedenen Teilnetzen A, B, C zu ermöglichen wird der üblicherweise in der Signalübertragung unerwünschter parasitärer Nebeneffekt, nämlich insbesondere das des sogenannte Nebensprechen N ausgenutzt. Hierzu ist erforderlich, dass die Versorgungsleitungen 2 ungeschirmt sind und dass Versorgungsleitungen 2 von verschiedenen Teilnetzen A, B, C in ausreichender Nähe zueinander verlaufen. Unter diesen – bei einem herkömmlichen Bordnetz üblicherweise vorliegenden Voraussetzungen – wird daher das Datensignal D leitungsungebunden von einem Teilnetz A, B, C in das andere Teilnetz A, B, C übertragen und kann dort leitungsgebunden an die Zieladresse weitergeleitet werden. Es erfolgt also eine Kopplung zwischen den Teilnetzen A, B, C auf hochfrequenter Ebene. Der Aufbau des vermaschten Datennetzes 6 unter Ausnutzung der PLC-Technologie in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz beruht in besonderer Weise auf der Ausnutzung dieses Effekts.
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Bei dem Datennetz 6 handelt es sich vorzugsweise um ein selbstorganisierendes Datennetz 6, so dass einzelne Verbraucher S1–S7 einfach hinzugefügt werden können und selbsttätig und automatisch in das Datennetz 6 integriert werden. Eine manuelle Änderung von Konfigurationseinstellungen durch einen Bediener ist nicht erforderlich.
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Dies ermöglicht insgesamt einen sehr flexiblen Aufbau des Datennetzes 6. Insbesondere wird dies für die Anwendung eines Plug-and-Play-Prinzips herangezogen. Hierzu umfasst das Bordnetz mehrere Versorgungsbuchsen 10, über die einzelne Verbraucher, im Ausführungsbeispiel der Verbraucher S6 durch einfaches Anstecken an das Kraftfahrzeug-Bordnetz, also an eine der Versorgungsleitungen 2 reversibel austauschbar angeschlossen werden kann. Der Verbraucher S6 ist hierzu mit einem Anschlussstecker 12 versehen, über den er mit der Versorgungsbuchse 10 zu verbinden ist. Sobald der Verbraucher S6 mit dem Bordnetz verbunden ist, wird er automatisch in das Kommunikations- und Datennetz 6 mit eingebunden.
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Durch die Kombination der Datenübertragung über die Versorgungsleitungen 2 in Verbindung mit dem Aufbau eines vermaschten Datennetzes 6 mit den einzelnen Kommunikationseinheiten K und damit Verbrauchern S1–S7, Z, als Netzknoten wird in vorteilhafter Weise eine Datenübertragung von den Sensoren S1–S7 zu einem oder mehreren Zielgeräten Z ermöglicht, ohne dass separate Datenleitungen erforderlich sind. Hierzu wird insbesondere das Nebensprechen N ausgenutzt. Aufgrund des Aufbaus eines vermaschten Datennetzes 6 ist eine direkte Verbindung eines als Sender fungierenden Sensors S1–S7 zum Zielgerät Z nicht erforderlich. Vielmehr wird bei dem vermaschten Datennetz 6 ausgenutzt, dass die Kommunikation über Zwischenknoten erfolgt. Aufgrund der Datenübertragung über die Versorgungsleitungen 2 sind dabei keine zusätzlichen Leitungen erforderlich. Das durch die Versorgungsleitungen 2 gebildete Versorgungsnetz wird daher zu einem Datennetz 6 ertüchtigt, welches ein teilvermaschtes Netzwerk bildet. Durch den Wegfall der sonst erforderlichen zusätzlichen Datenleitungen werden Gewicht und Kosten eingespart. Auch lassen sich Änderungen leichter implementieren, da beispielsweise ein zusätzlicher Sensor lediglich an das Versorgungsnetz angeschlossen werden muss. Der Koordinator 8 vergibt dann automatisch für diesen neuen Sensor eine Adresse, sodass dieser als weiterer Teilnehmer und Knoten im vermaschten Datennetz 6 herangezogen werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Versorgungsleitung
- 4
- Stromverteiler
- S1–S7
- Sensoren
- Z
- Zielgerät
- D
- Datensignal
- K
- Kommunikationseinheit
- M
- Modulationseinheit
- 6
- Datennetz
- 8
- Koordinator
- 10
- Versorgungsbuchse
- 12
- Anschlussstecker
- N
- Nebensprechen
