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Die Möglichkeit, vernetzte Geräte, beispielsweise in Computernetzen oder in eingebetteten Netzen, gezielt über das Netzwerk ein- und auszuschalten (bzw. sie zu wecken und schlafen zu legen) bietet zahlreiche Vorteile. Beispiele hierfür sind Fernwartung und -bedienung in großen Firmennetzen, Fernsteuerung schlecht zugänglicher oder abgelegener technischer Einrichtungen, und im speziellen Netzwerkmanagement bei eingebetteten Netzwerken, wie sie heute in der Fahrzeugarchitektur eingesetzt werden. Damit ist das Hochfahren des Netzwerkes (z. B. bei Betätigung des Fahrzeugzugangssystems), das Herunterfahren (”Schlafenlegen”, z. B. bei Abziehen des Schlüssels) und insbesondere Teilnetzbetrieb gemeint. Teilnetzbetrieb bezeichnet das selektive An- und Abschalten von Steuergeräten im Fahrzeug. Heutige Architekturen in Fahrzeugen der Mittel- oder Premiumklasse besitzen 70–100 Steuergeräte, die auch im Stand-by-Betrieb einen nicht zu vernachlässigenden Energieverbrauch haben. Außerdem ist es nicht erforderlich, ständig alle diese Steuergeräte in Betrieb zu haben. Durch das heute noch nicht realisierte Abschalten nicht benötigter Steuergeräte könnte Energie gespart werden.
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In zukünftigen Fahrzeugarchitekturen wird Teilnetzbetrieb mit CAN-Bussen möglich sein. Für das zukünftige High-Speed Datennetzwerk auf Basis von Ethernet ist dies ebenfalls wünschenswert. Selektives, ferngesteuertes Einschalten von Netzwerkgeräten ist für diese Mechanismen eine Voraussetzung.
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Wünschenswert ist hierbei, das Einschalten/Wecken durch das Netzwerk selbst durchzuführen, d. h. eine dedizierte, elektrische Weckleitung zu vermeiden, da diese hohe Kosten und Zusatzgewicht verursachen würde. Weiterhin ist ein möglichst niedriger Ruhestrombedarf eines Steuergerätes von höchster Wichtigkeit, um eine Entladung der Fahrzeugbatterie während der Standzeit zu vermeiden (aufsummierter Ruhestrombedarf aller 80–100 Steuergeräte). Da die Weckeinrichtung eines Steuergerätes gerade bei abgeschaltetem Steuergerat aktiv sein muss, trägt ihr Strombedarf direkt zum Ruhestrombedarf des Steuergerätes bei, und muss demnach so gering wie möglich sein.
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Bei heutigen Fahrzeug-Bussystemen (z. B. CAN, FlexRay, MOST) gibt es keine selektive Weckfähigkeit. Sobald ein Knoten Signale auf den Busleitungen sendet, wachen alle angeschlossenen Teilnehmer durch Detektion dieser Aktivität auf. Aufgrund der Natur einer Bustopologie mit sich das Medium teilenden Netzwerkgeräten sieht jedes angeschlossene Netzwerkgerät die Signale, und eine in den Transceiver integrierte Weckschaltung schaltet den Rest des Gerätes mittels eines elektrischen Signals ein. Eine solche Weckschaltung gibt es derzeit bei CAN-, FlexRay- und MOST-Transceivern. Sie setzt allerdings voraus, dass Teile des Transceivers sowie eine Standby-Spannungsregelung aktiv sind, was zu einem Ruhestrombedarf führt. Dieser liegt, die harten Anforderungen im Automobilbereich einhaltend, im zweistelligen Mikroampèrebereich.
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Bei der kommenden Generation von CAN-Transceivern wird das selektive Wecken unterstützt, und ist durch ISO11898-6 standardisiert [ISO 11898-6, Road vehicles – Controller area network (CAN) – Part 6: High-speed medium access unit with selective wake-up functionality, 20.09.2012]. Der teilweise aktive CAN-Transceiver erkennt dabei einen dafür vorgesehenen Bit-Vektor in einem Netzwerkmanagement-Datenrahmen auf dem CAN-Bus. Ist ein vorher konfiguriertes Bit in diesem Vektor gesetzt, weckt der CAN-Transceiver den Rest des Steuergerätes über einen elektrischen Ausgang. Wie auch bei den nicht-selektiv weckfähigen CAN-Transceivern erfordert auch dieses Konzept einen Ruhestrombedarf. Da zur Erkennung der Bits Logik erforderlich ist, ist der Ruhestrombedarf bei selektiver Weckfähigkeit dementsprechend höher.
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Bei Ethernet-basierten Netzen hat sich als de-facto Standard Wake-on-LAN etabliert [AMD, Magic Packet Technology, Whitepaper, Publication #20213, November 1995]. Hierbei wird ein spezielles Datenpaket, das Magic Packet, an das zu weckende Netzwerkgerät gesendet. Dieses Paket enthält eine sechzehnmalige Wiederholung der physikalischen Adresse (MAC-Adresse) des Zielgerätes. Der Netzwerkadapter des Zielgerätes erkennt dieses Muster, und weckt den Rest des Gerätes über ein geeignetes Wecksignal, beispielsweise auf dem PCI-Bus oder durch einen Interrupt, je nach Realisierung. Dies setzt jedoch voraus, dass auf dem Zielgerät sowohl der Ethernet-Transceiver (PHY) als auch der Ethernet-Controller (MAC) ganz oder teilweise aktiv sind. Dadurch entsteht ein hoher Ruhestrombedarf mit einer Leistungsaufnahme von 2–300 mW. Der Ursprung dieser Technologie liegt in der Computervernetzung bei mittleren bis großen LANs, beispielsweise in Büros oder in der Heimvernetzung. Hier fällt ein solcher Ruhestrombedarf nicht ins Gewicht. Für eingebettete Netzwerke wie in der Fahrzeugelektronik, bei denen es auf höchste Energieeffizienz bzw. minimalste Ruheströme ankommt, ist diese Lösung jedoch nicht umsetzbar.
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In der Patentanmeldung
DE 10 2010 008 818 A1 wurde ein Verfahren für Ethernet-basierte Fahrzeugnetze vorgeschlagen, bei dem durch Erkennung von Aktivität auf einem Ethernet-Link ein elektrisches Wecksignal generiert und ein abgeschaltetes Steuergerät mittels dieses Signals aktiviert wird. In dieser Patentanmeldung wird dieser Mechanismus (Energy Detect Modul) in Form einer „Black Box” als Teil eines zentralen Netzwerkmanagement-Systems dargestellt, welches die Aktivität auf den Ethernet-Links (und damit das Wecken der Steuergeräte) durch gezieltes An- und Abschalten der Ethernet-Transceiver derjenigen Switch-Ports, an denen die jeweiligen Steuergeräte angeschlossen sind, steuert.
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Die
US 2007/0081598 A1 offenbart einen Empfänger mit einer Weckschaltung, die aufgrund eines gleichgerichteten differentiellen Signals auf einem Bus, an den der Empfänger angeschlossen ist, ein Signal erzeugt, das eine Aktivität auf dem Bus anzeigt, wodurch der Empfänger von einem Schlafmodus in den Normalbetrieb versetzt wird.
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Es ist die Aufgabe vorliegender Erfindung eine technische Realisierung dieser „Black Box” anzugeben.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Weckschaltung für eine an einem Zweidrahtbus für ein differentielles Signal betreibbare Buskomponente, insbesondere ein Steuergerät, mit zumindest zwei Busanschlüssen, mit einem Gleichrichter, der zwei Eingangsanschlüsse zur Verbindung mit den zwei Busanschlüssen und zumindest einen Ausgangsanschluss aufweist, und mit einem ersten steuerbaren Schaltelement, dessen Steuereingang mit dem zumindest einen Ausgangsanschluss des Gleichrichters verbunden ist und dessen Laststrecke zwischen einem positiven Versorgungsspannungspotential einer Versorgungsspannungsquelle und einem Ausgangsanschluss der Weckschaltung verschaltet ist, wodurch bei einem an den Busanschlüssen anliegenden differentiellen Wechselsignal am Ausgangsanschluss des Gleichrichters eine Spannung entsteht, die das erste Schaltelement in den geschlossenen Zustand überführt, wodurch das positive Versorgungsspannungspotential am Ausgangsanschluss anliegt und als Wecksignal dient, wobei zwischen einem Busanschluss und dem zugeordneten Eingangsanschluss des Gleichrichters ein zweites bzw. ein drittes steuerbares Schaltelement verschaltet, bei deren Betätigung der Gleichrichter von den Busanschlüssen getrennt wird.
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Die erfindungsgemäße Weckschaltung kann damit hochfrequente leitungsgebundene Netzwerksignale wie beispielsweise bei Ethernet erkennen und in ein boolsches, elektrisches Signal zur Indikation des Vorhandenseins des Netzwerksignales umsetzen.
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Außerdem kann nach erfolgtem Wecken der Buskomponente die Weckschaltung vom Busgetrennt werden, so dass eine Kommunikation der Buskomponente über den Zweidrahtbus nicht gestört wird.
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Bei einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist der Gleichrichter der Weckschaltung mit einer Verzögerungsschaltung gebildet, so dass der Aufbau der Spannung am Ausgangsanschluss des Gleichrichters gegenüber dem Auftreten des differentiellen Wechselsignals zeitverzögert erfolgt. Auf diese Weise können kurzzeitige Störungen auf dem Zweidrahtbus nicht zu einem Wecken der Buskomponente führen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist der Gleichrichter mit einer Spannungsvervielfachungsschaltung, insbesondere einer Greinacher-Kaskade, gebildet. Durch geeignete Wahl der Kondensatoren dieser Spannungsvervielfachungsschaltung kann auch eine Verzögerungszeit eingestellt werden, so dass die Spannungsvervielfachungsschaltung auch die Verzögerungsschaltung bildet. Durch die Verwendung einer Spannungsvervielfachungsschaltung kann auch bei geringem Pegel des differentiellen Wechselsignals eine ausreichend hohe Spannung für das erste Schaltelement, das insbesondere durch einen MOS-Transistor realisiert ist, erzeugt werden.
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Der Ausgangsanschluss der Weckschaltung kann sowohl als Tristate-Ausgang ausgebildet sein, so dass er im nicht angesteuerten Zustand des ersten Schaltelements einen hochohmigen Zustand annimmt oder in einer weiteren Ausbildung der Erfindung über einen Widerstand mit einem Bezugspotential der Versorgungsspannungsquelle verbunden sein, so dass er im nicht angesteuerten Zustand des ersten Schaltelements Massepotential annimmt.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch eine Buskomponente, insbesondere einem Steuergerät, mit einer erfindungsgemäßen Weckschaltung, die eine Spannungsversorgungseinheit aufweist, die mit dem Ausgangsanschluss der Weckschaltung verbunden ist und die bei einem Potential am Ausgangsanschluss, das dem positiven Versorgungsspannungspotential entspricht, aktiviert wird. Hierdurch kann eine ausreichend hohe Spannung innerhalb der Buskomponente zur Verfügung gestellt werden, um weitere Bestandteile der Buskomponente betreiben zu können.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Buskomponente weist diese eine Steuereinheit auf, die mit der Spannungsversorgungseinheit zur Energieversorgung und mit den Steuereingängen des zweiten und des dritten Schaltelements zu deren Betätigung bei aktivierter Energieversorgung verbunden ist.
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Wenn die Steuereinheit aufgrund der Versorgung mit einer Versorgungsspannung durch das Aufwecken der Spannungsversorgungseinheit betriebsbereit ist, kann sie das zweite und des dritte Schaltelement aktivieren und auf diese Weise die Weckschaltung vom Zweidrahtbus trennen, so dass durch diese die Kommunikation auf dem Bus nicht gestört werden kann.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen
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1 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Weckschaltung,
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2 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Buskomponente und
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3 ein detailliertes Schaltbild einer erfindungsgemäßen Weckschaltung.
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Die in 1 dargestellte erfindungsgemäße Weckschaltung 9 ist ein Schaltungsmodul, welches in der Lage ist, das Vorhandensein eines hochfrequenten, differentiellen Wechselsignals am mit den Eingangsanschlüssen 1, 2 gebildeten Schaltungseingang, beispielsweise das Leitungssignal eines Ethernet-Transceivers (PHY), an einem Ausgangsanschluss 8 anzuzeigen. Der Ausgangsanschluss 8 besitzt dabei zwei mögliche Potentiale. Bei nicht anliegendem Netzwerksignal an den Eingangsanschlüssen 1, 2 befindet sich der Ausgangsanschluss 8 auf einem ersten Potential, bei anliegendem Wechselsignal wechselt der Ausgangsanschluss 8 nach einer vorzugsweise einstellbaren Verzögerungszeit auf ein zweites Potential, das vorzugsweise ein Versorgungsspannungspotential ist.
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Das differentielle Wechselsignal wird in erfindungsgemäßer Weise durch eine Hochfrequenz-Gleichrichter- und Spannungsvervielfacherschaltung 4 nach einer Verzögerungszeit in ein Gleichspannungssignal 11 umgewandelt. Dieses Gleichspannungssignal 11 wird benutzt, um ein erstes steuerbares Schaltelement 5 durchzusteuern, das den Ausgangsanschluss 8 von Massepotential oder hochohmigem Zustand auf die System-Versorgungsspannung 7, zum Beispiel Batterie-Spannung, schaltet.
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Das Ausgangssignal kann dann dazu benutzt werden, die aufzuweckende Buskomponente 12 gemäß 2 in geeigneter Weise einzuschalten, zum Beispiel mittels eines Schalttransistors, der die Batteriespannung 7 auf eine Versorgungspannungseinheit 14 der Buskomponente 12 schaltet, oder mittels Steuerpins der Versorgungspannungseinheit 14 selbst.
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Um eine Beeinflussung des Bussignals durch die Weckschaltung 9 zu vermeiden, besitzt dessen Eingang eine Schaltstufe 3, mit welcher die gesamte Weckschaltung 9 vom Bus bzw. den Eingangsanschlüssen 1, 2 entkoppelt werden kann. Dies erfolgt über ein Steuersignal 6, welches nach erfolgtem Weckvorgang entweder durch einen Mikrocontroller 15 der Buskomponente 12 oder durch andere Schaltungsmodule auf ein geeignetes Schalt-Potential gelegt wird. Die Schaltstufe 3 sperrt dabei hochohmig und entkoppelt damit die Weckschaltung 9 von dem Zweidrahtbus. Der lokale Netzwerktransceiver 13 der Buskomponente 12 kann dann eine Kommunikation über den Bus aufbauen. Nachdem die Weckschaltung 9 abgekoppelt wurde, hält der Mikrocontroller 15 selbst die Spannungsversorgungseinheit 14 mittels eines Steuersignals 17 aktiv.
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Aufgrund der Auslegung der Weckschaltung 9 mit einem HF-Gleichrichter 4 und einem steuerbaren Ausgangs-Schaltelement 5 wird die zur Detektion notwendige Energie aus dem differentiellen Wechselsignal auf dem Zweidrahtbus selbst gewonnen. Während kein Wechselsignal anliegt, also die Buskomponente 12 bzw. das Steuergerät ausgeschaltet sein soll, benötigt die Weckschaltung 9 daher keinen Ruhestrom, abgesehen von Leckströmen des ersten Schaltelements 5, welche in der Größenordnung von wenigen Femtoampère liegen, und daher vernachlässigbar sind. Das Schaltelement 5 kann dabei mit mehreren Schaltstufen aus einer Anzahl von Halbleiterelementen gebildet sein.
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Ferner beeinflusst die vorgestellte Weckschaltung die reguläre Kommunikation der Buskomponente nicht, da sie nach dem Weckvorgang vom Zweidrahtbus entkoppelt wird. Die einstellbare Verzögerungszeit vom Anliegen des Wechselsignals bis zum Potentialwechsel am Ausgangsanschluss 8 erhöht die Störsicherheit der Weckschaltung und verhindert unbeabsichtigtes Aufwecken der Buskomponente, da das Wechselsignal mindestens für die Verzögerungszeit anliegen muss, um die Buskomponente aufzuwecken. Die Weckschaltung 9 ist mit in der Elektronik üblichen Bauelementen einfach und kostengünstig in diskreter Bauweise zu realisieren. Eine Ausführung als integrierte Schaltung (IC) oder eine Integration in ein bestehendes Bauteil ist ebenfalls realisierbar.
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In 3 ist eine schaltungstechnische Realisierung der Weckschaltung 9 dargestellt. Die Schaltstufe 3 wird dabei von den Kondensatoren C2, C3, C7, C8 (Wechselstromkopplung), dem zweiten Schaltelement U1, dem dritten Schaltelement U2 (HF-MOSFET-Schalter), mit den Widerständen R1, R2 (Symmetrierung) und den Widerständen R8, R9, R11 (Biasing) gebildet. Die das zweite und das dritte Schaltelement bildenden MOSFETs U1 und U2 sind selbstleitend und lassen das differentielle Wechselsignal auf die folgende Stufe 4 durch. Wird das Steuersignal 6 auf Massepotential gelegt, sperren die MOSFETs.
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Die HF-Gleichrichterstufe 4 wird durch eine Greinacher-Kaskade bestehend aus den Dioden D1, D2, D3, D4 und den Kondensatoren C4, C5, C6 realisiert. Über die Dimensionierung der Kondensatoren C4, C5, C6 kann die Verzögerungszeit eingestellt werden.
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Das einen Ausgangsverstärker bildende erste Schaltelement 5 besteht aus zwei invertierenden Emitterschaltungen mit den Transistoren Q1 und Q2 und den Widerständen R5, R6 und R7. Dem Schaltelement vorgeschaltet ist ein Tiefpassfilter bestehend aus Widerstand R10 und Kondensator C9, der Gleichtaktstörungen entfernt. Das Ausgangssignal der Greinacher-Kaskade wird dazu verwendet, über den Tiefpass die Basis von Q2 aufzusteuern, was den Ausgangsanschluss 8 der Weckschaltung 8 auf die Batteriespannung 7 durchschaltet.
