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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuergerät und ein Verfahren für ein eine Anzahl von Steuergeräten umfassendes geswitchtes Kommunikationsnetz in einem Fahrzeug.
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In Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen, steht üblicherweise über die 12V-Batterie nur eine begrenzte Energie zur Verfügung. Ein Teil der Funktionen des Fahrzeuges muss auch mit Energie versorgt werden, wenn der Halter das Fahrzeug abgestellt hat, beispielsweise der Empfänger der Funk-Fernbedienung zum Öffnen der Türschlösser. Manche Steuergeräte erledigen zudem Diagnosefunktionen, die noch eine gewisse Zeit nach dem Verlassen des Fahrzeugs aktiv sind, danach aber nicht mehr benötigt werden. Das Ein- und Ausschalten der Steuergeräte muss über einen geeigneten Mechanismus gesteuert werden.
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Eine besondere Kategorie von Fahrzeugen sind solche, die keine mechanische Verbindung zwischen Bremspedal und der Bremse mehr aufweisen. Dies wird durch so genannte X-by-Wire-Systeme, wie beispielsweise Brake-By-Wire oder Steer-by-Wire-Systeme, verwirklicht. Hier ist es notwendig, dass die beispielsweise für die Brake-by-wire-Funktion benötigten Steuergeräte mit Energie versorgt werden, wenn die Bremsfunktion erforderlich ist, was insbesondere auch bei ausgeschalteter Zündung gewährleistet sein muss. Aufgrund der begrenzt zur Verfügung stehenden Energie in der Batterie kann jedoch nicht jedes Steuergerät permanent mit Energie versorgt werden, so dass hier ein besonders schneller Mechanismus erforderlich ist, der die Steuergeräte im Bedarfsfall „aufweckt“ und mit Energie versorgt.
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Um die Einschaltfunktion von Steuergeräten in einem Fahrzeug zu steuern, ist es üblich, zwei Versorgungsleitungen (Plus, zusätzlich zu Masse) zu verlegen. Die eine Versorgungsleitung wird permanent mit der 12V-Batterie verbunden, die übliche Bezeichnung lautet Klemme 30. Die andere Versorgungsleitung dient zur Übertragung eines Steuersignals zum Einschalten, die übliche Bezeichnung lautet Klemme 15. Der eigentliche Leistungsfluss erfolgt üblicherweise über die Klemme 30, die entsprechend mit ausreichendem Leitungsquerschnitt dimensioniert werden muss. Herkömmlicherweise ist also eine zusätzliche Versorgungsleitung zur Steuerung der Einschaltfunktion erforderlich.
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Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein verbessertes Steuergerät für ein Fahrzeug bereitzustellen, das die oben aufgeführten Nachteile vermeidet.
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Demgemäß wird ein Steuergerät für ein eine Anzahl von Steuergeräten umfassendes geswitchtes Kommunikationsnetz in einem Fahrzeug vorgeschlagen. Die Anzahl der Steuergeräte sind über Leitungen in Form von Punkt-zu-Punkt-Verbindungen miteinander verbindbar. Das Steuergerät hat einen Kommunikationsport zum Anschluss an eine der Leitungen des geswitchten Kommunikationsnetzes, wobei der Kommunikationsport ausgestaltet ist, ein erstes Einschaltsignal zum Einschalten der Steuergeräte in die Leitung einzukoppeln und ein in das Kommunikationsnetz eingekoppeltes zweites Einschaltsignal zum Einschalten der Steuergeräte auszukoppeln. Weiterhin hat das Steuergerät einen Detektor zum Detektieren eines ausgekoppelten zweiten Einschaltsignals sowie eine Einschaltvorrichtung zum Einschalten eines Hauptprozessors des Steuergeräts bei einem Detektieren durch den Detektor.
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Bei dem Kommunikationsport handelt es sich beispielsweise um den Kommunikationsport eines Switches. Ein Switch ist ein Kopplungselement, das Netzwerksegmente eines Kommunikationsnetzes, im vorliegenden Fall die Anzahl der Steuergeräte, miteinander verbindet.
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Das erste und/oder das zweite Einschaltsignal sind vorteilhaft jeweils als permanent anliegendes Stromsignal ausgebildet.
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Das Steuergerät ermöglicht ein zeitoptimiertes Aufwecken eines oder mehrerer Steuergeräte im Kommunikationsnetz eines Fahrzeugs. Weiterhin besteht somit kein Bedarf für eine über die vorhandene Verkabelung hinausgehende zusätzliche Verkabelung zur Übertragung des Einschaltsignals. Zudem ist das Steuergerät sehr energieeffizient ausgeführt, so dass die begrenzten Energieressourcen der Fahrzeug-Batterie geschont werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das geswitchte Kommunikationsnetz als ein Ethernet-Kommunikationsnetz, insbesondere mit einer Ring-Architektur oder einer Stern-Architektur, ausgebildet.
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Die Implementierung des Steuergeräts auf der Basis eines Ethernet-Kommunikationsnetzes erlaubt unter anderem hohe Datenübertragungsraten und eine sichere Kommunikation.
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Weiterhin können kostengünstige und in großer Zahl verfügbare Standardkomponenten zur Implementierung des Steuergeräts verwendet werden.
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Vorteilhaft ist die Verwendung einer 100MBit-Ethernet-Verkabelung des Typs 10/100 Base-T. In diesem Fall kann die Verkabelung potentialfrei derart erfolgen, dass eines der Adernpaare für die Hin- und das andere Adernpaar für die Rückleitung des Einschaltsignals genutzt wird.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform basiert auf einer Zweidraht-Verkabelung nach dem proprietären BroadR-Reach®-Standard von Broadcom®. In diesem Fall sind eine Energieversorgung und eine Übertragung des Einschaltsignals auf Basis einer analogen Filterung und Trennung der für die Energieversorgung und Datenübertragung relevanten Frequenzen möglich.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Steuergerät genau zwei Kommunikationsports zur Kopplung mit zwei weiteren der Anzahl der Steuergeräte des geswitchten Kommunikationsnetzes auf, wobei jedem der zwei Kommunikationsports genau ein Detektor zum Detektieren eines von dem Kommunikationsport ausgekoppelten zweiten Einschaltsignals zugeordnet ist.
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Auf diese Weise ist es möglich, eine Ring-Architektur mit minimalen Mitteln auszubilden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Steuergerät einen mit den Kommunikationsports verbundenen Transformator auf, über dessen Mittelabgriff das erste Einschaltsignal einkoppelbar ist und das zweite Einschaltsignal auskoppelbar ist.
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Dies stellt eine technisch einfache, sichere und kostengünstige Lösung zum Einkoppeln des ersten Einschaltsignals und/oder zum Auskoppeln des zweiten Einschaltsignals dar.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind das erste und/oder das zweite Einschaltsignal jeweils als ein Stromimpuls ausgestaltet.
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Ein Stromimpuls stellt ein technisch einfach zu verwirklichendes Mittel zur Erzeugung eines Signals auf einer Leitung dar.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind das erste und/oder das zweite Einschaltsignal derart als ein Stromimpuls über eine bestimmte Zeitspanne ausgestaltet, dass das Detektieren durch den Detektor ermöglicht ist.
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Die bestimmte Zeitspanne kann dabei verhältnismäßig kurz ausgebildet sein, solange sichergestellt ist, dass der Detektor das Einschaltsignal detektieren kann. Ein kurzer Stromimpuls ist besonders energieeffizient und schont die begrenzten Energie-Ressourcen der Fahrzeug-Batterie.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind das erste und/oder das zweite Einschaltsignal als ein Gleichstromsignal ausgestaltet.
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Ein Gleichstromsignal stellt ein technisch einfach zu verwirklichendes Mittel zur Erzeugung eines Signals auf einer Leitung dar.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Steuergerät eine galvanisch getrennte Stromquelle, welche dazu eingerichtet ist, das erste Einschaltsignal in Abhängigkeit von einer bestimmten Nutzereingabe eines Nutzers des Fahrzeugs zu generieren.
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Die galvanisch getrennte Stromquelle ist dabei beispielsweise als ein galvanisch getrennter DC-DC-Konverter ausgestaltet. Dies stellt eine technisch einfache und kostengünstige Lösung zur Energieversorgung dar. Die bestimmte Nutzereingabe eines Nutzers des Fahrzeugs ist beispielsweise durch ein Betätigen des Bremspedals des Fahrzeugs gegeben.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Detektor derart ausgestaltet, dass die eine der Leitungen des geswitchten Kommunikationsnetzes und das Steuergerät galvanisch getrennt sind.
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Eine derartige galvanische Trennung dient der erforderlichen elektrischen Trennung des Kommunikationsnetzes und des Steuergeräts zur Sicherstellung einer potentialfreien Verbindung.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Detektor als ein Optokoppler ausgestaltet.
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Ein Optokoppler stellt eine technisch einfache und zuverlässige Art der galvanischen Trennung dar. Zudem ermöglicht die Verwendung eines Optokopplers eine Übertragung des Einschaltsignals in beide Richtungen im Kommunikationsnetz.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Steuergerät ausgestaltet, sich bei einem Empfang einer Ausschaltnachricht über das Kommunikationsnetz auszuschalten.
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Auf diese Weise ist nur das Einschaltsignal für das Einschalten eines Steuergeräts erforderlich. Das Ausschalten des Steuergeräts kann über die eigentliche Kommunikation im Kommunikationsnetz, beispielsweise über eine entsprechende Protokollnachricht, erreicht werden.
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Die Ausgestaltung des Einschaltsignals nur als Einschaltimpuls und das Ausschalten aufgrund einer expliziten Ausschaltnachricht bieten einen zusätzlichen Vorteil für Systeme mit besonderen Sicherheitsanforderungen, wie zum Beispiel im Fall von X-by-Wire-Systemen. Würden die Steuergeräte in diesem Fall auf einen Wegfall des Einschaltsignals reagieren, so wäre die Aufrechterhaltung des Einschaltsignals sicherheitsrelevant. Ein unbeabsichtigtes Abfallen des Einschaltsignals wäre eine gemeinsame Fehlerursache für alle Steuergeräte. Verlagert man die Logik für die Abschaltung jedoch in die Steuergeräte, wie es durch die Verwendung einer expliziten Ausschaltnachricht der Fall ist, ist ein Ausfall des Gesamtsystems aufgrund eines Einzelfehlers, der zum Abfall Einschaltsignals führt, ausgeschlossen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Steuergerät ausgestaltet, sich bei einem Empfang einer Ausschaltnachricht über das Kommunikationsnetz in Abhängigkeit eines aktuellen Betriebszustands auszuschalten. Wenn beispielsweise das Steuergerät für die Bremse bei einer Geschwindigkeit von 120 km/h eine Ausschaltnachricht empfängt, so wird sich das Steuergerät nicht ausschalten. Wenn aber das Steuergerät für die Bremse bei einer Geschwindigkeit von 0 km/h eine Ausschaltnachricht empfängt, so wird sich das Steuergerät ausschalten.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Einschaltvorrichtung derart ausgestaltet, dass sie einen Stromverbrauch von weniger als 1mA aufweist.
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Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die begrenzten Energie-Ressourcen der Fahrzeug-Batterie geschont werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Einschaltvorrichtung als ein Mikrocontroller oder als ein Field Programmable Gate Array ausgestaltet.
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Mikrocontroller und Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) stellen kostengünstige, vielfach verfügbare und technisch zuverlässige Schaltkreise dar, die zudem nur wenig Energie benötigen und somit dazu beitragen, dass die begrenzten Energie-Ressourcen der Fahrzeug-Batterie geschont werden.
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Weiterhin wird eine Anordnung vorgeschlagen, die eine Mehrzahl von oben dargestellten Steuergeräten umfasst.
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Eine derartige Anordnung ermöglicht ein zeitoptimiertes Aufwecken eines oder mehrerer Steuergeräte im Kommunikationsnetz eines Fahrzeugs. Weiterhin besteht kein Bedarf für eine über die vorhandene Verkabelung hinausgehende Verkabelung. Zudem ist die Anordnung sehr energieeffizient ausgeführt, so dass die begrenzten Energieressourcen der Fahrzeug-Batterie geschont werden.
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Ferner wird ein Verfahren zum Betreiben eines eine Anzahl von Steuergeräten umfassenden geswitchten Kommunikationsnetzes in einem Fahrzeug vorgeschlagen. Die Anzahl der Steuergeräte sind über Leitungen in Form von Punkt-zu-Punkt-Verbindungen miteinander verbindbar. Das Verfahren umfasst die Schritte Einkoppeln eines Einschaltsignals in eine der Leitungen des geswitchten Kommunikationsnetzes durch eines der Steuergeräte, Auskoppeln des in das Kommunikationsnetz eingekoppelten Einschaltsignals durch ein weiteres der Steuergeräte, Detektieren des ausgekoppelten Einschaltsignals durch das weitere Steuergerät und Einschalten eines Hauptprozessors des weiteren Steuergeräts basierend auf dem Detektieren des ausgekoppelten Einschaltsignals.
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Das Auskoppeln sowie das Detektieren kann durch ein weiteres, mehrere weitere oder durch alle weiteren Steuergeräte im Kommunikationsnetz geschehen, so dass jeweils nur ein weiteres, mehrere weitere oder alle weiteren Steuergeräte aufgeweckt werden.
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Das Verfahren ermöglicht ein zeitoptimiertes Aufwecken eines oder mehrerer Steuergeräte im Kommunikationsnetz eines Fahrzeugs. Weiterhin besteht kein Bedarf für eine über die vorhandene Verkabelung hinausgehende Verkabelung. Zudem ist das Verfahren sehr energieeffizient, so dass die begrenzten Energieressourcen der Fahrzeug-Batterie geschont werden.
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Die für die vorgeschlagene Vorrichtung beschriebenen Ausführungsformen und Merkmale gelten für das vorgeschlagene Verfahren entsprechend.
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Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Aspekte der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.
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1 zeigt ein Blockschaltdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Steuergeräts für ein eine Anzahl von Steuergeräten umfassendes geswitchtes Kommunikationsnetz in einem Fahrzeug;
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2 zeigt ein Blockschaltdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines geswitchten Kommunikationsnetzes in einem Fahrzeug;
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3 zeigt eine alternative Darstellung des Steuergeräts aus 1; und
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben eines eine Anzahl von Steuergeräten umfassenden geswitchten Kommunikationsnetzes in einem Fahrzeug.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen worden, sofern nichts anderes angegeben ist.
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1 zeigt ein Blockschaltdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Steuergeräts 10 für ein eine Anzahl von Steuergeräten umfassendes geswitchtes Kommunikationsnetz in einem Fahrzeug.
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Das dargestellte Steuergerät 10 weist zwei Kommunikationsports 101a und 101b auf, über die das Steuergerät 10 mit zwei Leitungen 103a und 103b des geswitchten Kommunikationsnetzes gekoppelt ist. Weiterhin weist das Steuergerät 10 zwei Detektoren 102a und 102b auf, die mit jeweils einem der Kommunikationsports 101a und 101b gekoppelt sind. Ferner hat das Steuergerät 10 eine Einschaltvorrichtung 104, die mit den Detektoren 102a und 102b gekoppelt ist. Die Einschaltvorrichtung 104 dient zum Einschalten eines mit der Einschaltvorrichtung 104 gekoppelten Hauptprozessors 105 des Steuergeräts 10. Der Hauptprozessor 105 wird eingeschaltet, wenn einer der Detektoren 102a und 102b ein in die jeweilige Leitung 103a oder 103b eingekoppeltes Einschaltsignal detektiert.
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2 zeigt ein Blockschaltdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines geswitchten Kommunikationsnetzes 20 in einem Fahrzeug.
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Das geswitchte Kommunikationsnetz 20 ist als ein Ethernet-Kommunikationsnetz mit einer Ring-Architektur ausgebildet, bei dem eine Anzahl von Steuergeräten 10–15 ringförmig über Leitungen 103 miteinander verbunden sind.
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3 zeigt eine alternative Darstellung des Steuergeräts 10 aus 1. Dargestellt ist ein Kommunikationsport 101a des Steuergeräts 10 mit einer physikalischen Schnittstelle (PHY) 111 und mit einem Rx-Adernpaar 112 sowie einem Tx-Adernpaar 113. Das Rx-Adernpaar 112 und das Tx-Adernpaar 113 sind jeweils mit einem Transformator 106a und 106b mit jeweils einem Mittelabgriff 107a und 107b gekoppelt. Der zweite Kommunikationsport 101b (nicht gezeigt) des Steuergeräts 10 ist analog aufgebaut.
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Das Einkoppeln eines ersten Einschaltsignals 108 sowie das Auskoppeln eines zweiten Einschaltsignals 108 ist über einen der Mittelabgriffe 107a oder 107b eines der Transformatoren 106a oder 106b des Kommunikationsports 101a möglich. Dabei wird das Einschaltsignal 108 durch eine (in 3 schematisch dargestellte) galvanisch getrennte Stromquelle 109 in Abhängigkeit von einer bestimmten Nutzereingabe eines Nutzers des Fahrzeugs generiert, beispielsweise durch Betätigen des Bremspedals.
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In 3 ist ferner ein Optokoppler 102a mit einem Vorwiderstand 110 dargestellt, der als Detektor für das Einschaltsignal 108 dient.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben eines eine Anzahl von Steuergeräten 10–15 umfassenden geswitchten Kommunikationsnetzes 20 in einem Fahrzeug.
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In Schritt S101 wird ein Einschaltsignal 108 in eine der Leitungen 103, 103a, 103b des geswitchten Kommunikationsnetzes 20 durch eines der Steuergeräte 10–15 eingekoppelt.
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In Schritt S102 wird das in das Kommunikationsnetz 20 eingekoppelte Einschaltsignal 108 durch ein weiteres der Steuergeräte 10–15 ausgekoppelt.
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In Schritt S103 wird das ausgekoppelte Einschaltsignal 108 durch das weitere Steuergerät 11–15 detektiert.
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In Schritt S104 wird ein Hauptprozessor 105 des weiteren Steuergeräts 11–15 basierend auf dem Detektieren in Schritt S103 des ausgekoppelten Einschaltsignals 108 eingeschaltet.
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Das Verfahren hat den Vorteil, dass vorhandene Ethernet-Leitungen durch das Ein- und Auskopplung zusätzlicher niederfrequenter Signale zusätzlich zur normalen Kommunikation im Netzwerk zur Übertragung eines Einschaltsignals verwendet werden können. Dadurch kann auf eine zusätzliche Verkabelung einer Klemme 15–Leitung zu jedem Steuergerät verzichtet und so der Kabelbaum wesentlich vereinfacht werden.
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Wie oben dargestellt, können zusätzliche Signale verwendet werden, die zum Beispiel gegenüber der eigentlichen Datenübertragung niederfrequent sind und durch geeignete Hochpassfilter von der eigentlichen später auf der gleichen Leitung stattfindenden Signalübertragung getrennt werden können und diese nicht stören.
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Aufgrund der zugrunde liegenden geswitchten Punkt-zu-Punkt-Verbindungen und der mehreren Teilnehmer besteht ein weiterer Vorteil darin, dass zur Weiterleitung des Einschaltsignals an andere Teilnehmer nicht erst auf ein Hochlaufen des eigentlichen Kommunikationsprozessors gewartet werden muss, sondern dass das Einschaltsignal direkt weitergeleitet werden kann.
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Der oben dargestellte Mikrocontroller als Einschaltvorrichtung verbraucht sehr wenig Energie und kann daher permanent versorgt werden, ohne die übliche KFZ-Batterie auch bei längeren Standzeiten zu sehr zu belasten.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist sie vielfältig modifizierbar.
