DE102013220707A1

DE102013220707A1 - Verfahren zum Betreiben eines Datenbusses, entsprechender Datenbus und Fahrzeug mit einem solchen Datenbus

Info

Publication number: DE102013220707A1
Application number: DE201310220707
Authority: DE
Inventors: Martin Kaltenbrunner
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-10-14
Filing date: 2013-10-14
Publication date: 2015-04-16
Anticipated expiration: 2033-10-15
Also published as: DE102013220707B4

Abstract

Zum Betreiben eines Datenbusses (10) ist vorgesehen, dass an den Datenbus (10) eine zentrale Steuereinrichtung (11) und mindestens ein Busteilnehmer (12) angeschlossen sind. Der Datenbus (10) weist eine Zweidrahtverbindung (6) auf, über die durch die zentrale Steuereinrichtung (11) eine Energieversorgung des mindestens einen Busteilnehmers (12) erfolgt und über die Steuerbefehle übertragbar sind. Die zentrale Steuereinrichtung (11) und der mindestens eine Busteilnehmer (12) sind wahlweise jeweils in einen Normal-Betriebszustand mit einer Normal-Leistungsaufnahme und in einen Energiespar-Betriebszustand mit verminderter Leistungsaufnahme betreibbar. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuereinrichtung und der mindestens eine Busteilnehmer (12) wahlweise in einen Schlaf-Betriebszustand mit einer gegenüber der verminderten Leistungsaufnahme noch weiter verminderten Leistungsaufnahme schaltbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Datenbusses, einen entsprechenden Datenbus und ein Fahrzeug mit einem solchen Datenbus.
Für die Kommunikation zwischen elektronischen Komponenten in Kraftfahrzeugen sowie zum Übertragen von Daten bzw. Steuersignalen zwischen Steuergeräten, Sensoren und Aktoren werden verschiedene elektronische Datenbusse verwendet. Bekannte Beispiele hierfür sind der Controller Area Network Bus (CAN Bus) und der Local Interconnected Network Bus (LIN Bus). Der CAN Bus zeichnet sich durch eine hohe Datenübertragungsrate und durch eine flexible Priorisierung der Datenpakete aus. Im Vergleich zum LIN Bus, der für geringere Datenübertragungsraten geeignet ist, sind beim CAN Bus die eingesetzten Steuerungskomponenten und Leitungen aufwändiger. Daher sind die Systemkosten bei einem CAN Bussystem höher als ein LIN Bussystem. Es ist ein Anliegen, bei Datenbusen in Fahrzeugen den Energieverbrauch möglichst gering zu halten, insbesondere in Zeiträumen, in denen der Datenbus keine aktiven Steuerungsaufgaben ausführt. Beispielsweise werden an einem LIN-Bus im Wach-Zustand zyklisch Standard-Nachrichten versandt, was zu einem gewissen Wach-Stromverbrauch führt, selbst wenn keine relevanten Steuerungsbefehle übertragen werden.
Aus der EP 1 594 262 B1 ist ein LIN-Bussystem bekannt, bei dem ein Master-Knoten mit einer Vielzahl von Slave-Knoten verbunden ist. Um den Energieverbrauch seitens der Slave-Knoten zu senken, ist vorgesehen, dass die Slave-Knoten in einen sogenannten Schlaf-Modus, auch Sleep-Mode genannt, versetzt werden. Mittels einer für den jeweiligen Slave-Knoten individuellen Weck-Nachricht können sie aus dem Schlaf-Modus geweckt werden, d. h. wieder in den Normalbetriebszustand versetzt werden (sog. Wake-Up Prozess).
In der DE 10 2007 019 356 A1 ist ein LIN-Transceiver beschrieben, der ebenfalls eine Sleep/Wake-Up Funktionalität aufweist. Durch gezielten Einsatz von Transistoren soll dort eine geringe Stromaufnahme im Sleep-Modus erreicht werden.
In der technischen Spezifikation „PSI5 – Peripheral Sensor Interface for Automotive Applications", Vers. 2.1 vom 08.10.2012, herausgegeben von dem PSI5-Konsortium und im Internet verfügbar unter http://psi5.org/specification/, ist ein Bussystem bekannt, das dem Oberbegriff des Anspruch 1 entspricht. Es beruht auf einer Zweidraht-Technik, bei der eine stromcodierte Datenübertragung über zwei Leitungen erfolgt. Dabei sind an dem Datenbus eine zentrale Steuereinrichtung und mindestens ein Busteilnehmer angeschlossen. Durch die zentrale Steuereinrichtung erfolgt über die Zweidrahtverbindung eine Energieversorgung des mindestens einem Busteilnehmer. Die zentrale Steuereinrichtung und der mindestens ein Busteilnehmer sind wahlweise jeweils in einem Normal-Betriebszustand, dem so genannten Common Mode, mit einer so genannten Normal-Leistungsaufnahme oder in einem Energiespar-Betriebszustand mit verminderter Leistungsaufnahme, dem so genannten Low Power Mode, betreibbar.
Die Inhalte der oben genannten Veröffentlichungen werden hiermit durch Bezugnahme in die vorliegende Beschreibung aufgenommen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Datenbus, der eine Zweidrahtverbindung aufweist, über die von einer zentralen Steuereinrichtung sowohl die Datenübertragung als auch eine Energieversorgung mindestens eines Busteilnehmers erfolgt, dahin gehend weiter zu bilden, dass ein effizienter Betrieb mit möglichst geringem Energieverbrauch möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Patentansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuereinrichtung und der mindestens eine Busteilnehmer wahlweise in einen Schlaf-Betriebszustand mit einer gegenüber der verminderten Leistungsaufnahme des Energiespar-Betriebsmodus noch weiter verminderten Leistungsaufnahme schaltbar sind bzw. geschalten werden. Dies ist insbesondere für Datenbusse von erheblicher Bedeutung, bei denen relativ hohe Ströme für die Signalübertragung fließen wie beispielsweise dem PSI5-Datenbus, wobei insbesondere auch ein hoher System-Ruhestrom bei Anwendung eines so genannten „Polling-Betriebes” fließen kann.
Mit der Erfindung wird somit vorteilhaft ein optimiertes Energiemanagement ermöglicht. Insbesondere kann im Schlaf-Betriebsmodus eine gegenüber der Leistungsaufnahme im Energiespar-Betriebszustand maximal reduzierte Leistungsaufnahme erreicht werden.
Die Erfindung beruht weiterhin auf der Erkenntnis, dass eine Zweidrahtverbindung, die genau zwei Drähte (Leitungen) aufweist, sehr effizient sowohl für die Energieversorgung von Busteilnehmern als auch zur Übertragung von Steuerbefehlen in einem Datenbus einsetzbar ist. Mit einem derartigen Datenbus können auf der physikalischen Ebene (engl. Physical Layer) gemäß dem Open Systems Interconnection Model (OSI), einem Schichtenmodell für Netzwerkprotokolle, sowohl Energie als auch Daten übertragen werden. Mit der Erfindung wurde weiterhin erkannt, dass durch Vorsehen von drei Betriebszuständen mit jeweils von verschiedenen Leistungsaufnahmen ein optimaler, situationsangepasster Energieverbrauch erreicht werden kann. Je nach Leistungsbedarf des Busteilnehmers in Abhängigkeit von den von ihm durchgeführten Aufgaben bzw. Steuerungs- und/oder Kommunikationsfunktionen kann dabei die busseitige Leistungsaufnahme in dem Busteilnehmer angepasst werden. Die Zweidrahtverbindung kann insbesondere mit verdrillten Leitungsadern, als sog. Twisted-Pair-Verbindung, ausgestaltet sein.
Die Erfindung kann insbesondere für einen PSI5-Datenbus eingesetzt werden. Der Datenbus weist dabei zumindest eine technische Eigenschaft auf, die in der eingangs genannten technischen Spezifikation „PSI5 – Peripheral Sensor Interface for Automotive Applications", Vers. 2.1 genannt ist oder in einer davon abgeleiteten, technischen PSI5-Spezifikation. Dem entsprechend werden die Inhalte dieser Spezifikationen an dieser Stelle nochmals durch Bezugnahme in die vorliegende Beschreibung aufgenommen. Beispielhafte technische Eigenschaften und Funktionen eines PSI5-Datenbusses sind:

– Zweidraht-Schnittstelle auf Strombasis.
– Manchester-codierte digitale Datenübertragung. Die Manchester-Codierung bezeichnet dabei insbesondere einen Leitungscode, der bei der Kodierung ein Taktsignal erhält. Dabei moduliert eine Bitfolge binär die Phasenlage eines Taktsignals. Der Manchester-Code stellt eine Form der digitalen Phasenmodulation dar, welche auch als Phase Shift Keying bezeichnet wird. Die Flanken des zu übertragenden Signals tragen dabei, bezogen auf das Taktsignal, die Information.
– Datenübertagungsgeschwindigkeit von 125 kbps oder 189 kbps.
– Variable Länge der Datenworte (10 bis 28 Bit bei einem Bit Granularität).
– Asynchroner oder synchroner Betrieb. Für den asynchronen Betriebsmodus kann insbesondere eine direkte Verbindung zwischen dem Busteilnehmer und der zentralen Steuereinheit mittels zweier separater Verbindungsdrähte vorgesehen sein. Der Busteilnehmer kann dann regelmäßig Daten bzw. Nachrichten an die zentrale Steuereinheit senden. Das Timing und die Wiederholungsrate können dann vom Sensor gesteuert bzw. vorgegeben werden. Im synchronen Betriebsmodus kann demgegenüber die zentrale Steuereinrichtung das Timing und die Wiederholungsrate steuern bzw. vorgeben. Timing wie Zeitfenster und Synchronisation und/oder Zugangskontrolle für die Kommunikation der beteiligten Busteilnehmer können dann zum Beispiel über zwei vorgegebene und von der zentralen Steuereinrichtung einstellbare Spannungspegel erfolgen.
– Bidirektionale Kommunikation.
– Keine Abschirmung der Zweidraht-Leitung.

Der PSI5-Datenbus kann insbesondere für die Kommunikation zwischen einem einen Sensor umfassenden bzw. in eine Sensoreinheit integrierten Busteilnehmer und der zentralen Steuereinheit (engl. Electronic Control Unit, ECU) und/oder weiteren Busteilnehmern in einem Kraftfahrzeug verwendet werden. Der Sensor kann dabei eine beliebige kraftfahrzeugrelevante Messgröße erfassen, beispielsweise einen Druck bzw. eine Materialverformung in Verbindung mit einem Airbag-Sensor oder eine Bewegung in einem Sensorbereich einer Zentralschließanlage oder eine physikalische Größe im Bereich des Antriebs, des Fahrwerks oder der Karosserie (engl. Body). Der Datenbus kann als Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen der zentralen Steuereinheit und einem einzigen Busteilnehmer ausgebildet sein oder als Busverbindung zwischen der zentralen Steuereinheit und mehreren Busteilnehmern.
Mit der Erfindung wird weiterhin gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel einerseits ermöglicht, dass der jeweilige Busteilnehmer den Schlaf-Betriebsmodus einnimmt und andererseits ermöglicht, dass der jeweilige Busteilnehmer sich selbst und/oder die zentrale Steuereinrichtung und/oder weitere Busteilnehmer vom Schlaf-Betriebsmodus in einem Weck-Vorgang in den Energiespar-Betriebszustand und/oder in den Normal-Betriebszustand umschaltet.
Der Busteilnehmer kann in den jeweiligen Betriebszuständen jeweils mindestens eine vorgegebene Funktion ausführen. Insbesondere im Schlaf-Betriebsmodus kann der Busteilnehmer eine entsprechende Funktion ausführen, beispielsweise ein regelmäßiges Abfrage des Datenbusses hinsichtlich eingehender Busbefehle (sog. Polling) oder ein regelmäßiges Abtasten von Sensorsignalen (sog. Sampling). Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Busteilnehmer keine stetige Datenbus-Kommunikation ausführt. Der Begriff „stetig” umfasst dabei insbesondere den Begriff „regelmäßig”. Der Schlaf-Betriebszustand kann insbesondere busteilnehmerweise, teilnehmergruppenweise für ausgewählte Busteilnehmer und/oder datenbusweise hergestellt werden. Die Datenbus-Kommunikation kann im jeweiligen Schlaf-Betriebszustand insbesondere angehalten sein, seitens des jeweiligen Busteilnehmers, der zentralen Steuerungseinrichtung und/oder aller Busteilnehmer.
Der Busteilnehmer kann, neben den bekannten obig genannten Sensoren, nun insbesondere für die Kommunikation zwischen einer mechatronischen Tastereinheit, eine Aktuator-Einheit umfassenden bzw. in eine solche Einheit integrierten Busteilnehmer und der zentralen Steuereinheit und/oder mit weiteren Busteilnehmern in einem Kraftfahrzeug verwendet werden.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weckt der mindestens eine Busteilnehmer die zentrale Steuereinrichtung aus ihrem Schlaf-Betriebszustand indem er über die Zweidrahtverbindung einen vorgegebenen Mindest-Stromfluss seitens der zentralen Steuereinrichtung bewirkt. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann ein vorgegebener Weckbefehl vorgesehen sein, der über den Datenbus übertragen wird.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung stellt die zentrale Steuereinrichtung am Datenbus unabhängig vom Betriebszustand der Steuereinrichtung und/oder des Busteilnehmers eine Versorgungsspannung bereit. Mit der Versorgungsspannung können elektronische Komponenten des Busteilnehmers und/oder an diesen angeschlossene weitere elektronische Komponenten mit Energie versorgt werden.
Der Datenbus wird insbesondere unter einer Nenn-Betriebsspannung im Bereich von 6 bis 16 Volt und einem Betriebsstrom von 4 bis 35 mA betrieben, wobei im Normal-Betriebszustand zur Übertragung von Steuersignalen beispielsweise durch Veränderung der Ist-Betriebsspannung oder eines Widerstands einer Stromsenke ein Modulations-Strom im Bereich von 22 bis 30 mA erzeugt wird. Im Niedrig-Betriebszustand kann insbesondere ein Stromfluss im Bereich von 11 bis 15 mA und im Schlaf-Betriebszustand ein Betriebsstrom im Bereich von 0,01 bis 0,1 mA ohne zusätzlichen Modulationsstrom erzeugt werden.
Mittels eines von der zentralen Steuereinrichtung ausgesandten Schlaf-Befehls kann der mindestens eine Busteilnehmer in den Schlaf-Betriebszustand versetzt werden. Der Busteilnehmer kann dann innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls eine Bestätigungs-Meldung an die zentrale Steuereinrichtung geben, wenn er den Schlaf-Befehl erhalten hat.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wechselt der Busteilnehmer aus dem Schlaf-Zustand unter mindestens einer vorgegebenen Bedingung selbständig in den Normal-Betriebszustand und/oder in den Energiespar-Betriebszustand. Durch Erzeugen eines über einer vorgegebenen Schwelle liegenden Stromflusses im Datenbus kann der Busteilnehmer veranlassen, dass die zentrale Steuereinrichtung und/oder weitere Busteilnehmer aus dem Schlaf-Betriebszustand in den Normal-Betriebszustand und/oder in den Energiespar-Betriebszustand wechseln.
Die zentrale Steuereinrichtung kann aus ihrem Schlaf-Zustand nach dem Empfang eines Aufwach-Befehls insbesondere innerhalb einer Aufwachzeit von 1 ms bis 1000 ms in ihren Normal-Betriebszustand wechseln.
Die zentrale Steuereinrichtung kann nach dem Erkennen, dass der Busteilnehmer die Umschaltung in den Normal-Betriebszustand und/oder in den Energiespar-Betriebszustand veranlasst hat, einen Weckbefehl an vorgegebene, an die zentrale Steuereinrichtung angeschlossene Busteilnehmer senden. Der Weckruf kann auch als Sammelruf an alle Busteilnehmer erfolgen (sog. Broadcast Meldung). Der Weckvorgang kann auch durch Anlegen einer vorgegebenen Spannung, beispielsweise oberhalb und/oder unterhalb eines jeweils vorgegebenen Schwellwertes, an den Datenbus erfolgen. Dabei kann, insbesondere für einen PSI5-Datenbus, eine vorgegebene Synchronisationsspannung bzw. eine so genannte Sensor Trigger Spannung, an den Bus angelegt werden. Der Weckvorgang kann auch durch einen gesonderten PIN an der zentralen Steuervorrichtung und/oder an einem Busteilnehmer initiiert werden.
Die Umschaltung von einem ersten der genannten Betriebszustände in einen zweiten der genannten Betriebszustände kann insbesondere dynamisch während dem Betrieb des Datenbusses erfolgt. Die dynamische bzw. wahlweise Umschaltung kann insbesondere parametergesteuert und insbesondere durch die zentrale Steuereinrichtung erfolgen.
Eine performante Kommunikation zwischen mehreren Busteilnehmern und der zentralen Steuereinheit über denselben Datenbus kann insbesondere erreicht werden, indem ein Zeitmultiplexing und/oder eine mehrkanalige Übertragung der jeweiligen Nachrichten erfolgen.
Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine herkömmliches PSI5-Datenbus-System,
2 einen erfindungsgemäß modifizierten Datenbus,
3 ein Flussdiagramm für einen Kommunikations- und Steuerungsablauf,
4 ein Zeitdiagramm für eine standardisierte PSI5 Datenbuskommunikation,
5 ein Zeitdiagramm für Datenframes zwischen PSI5 Synchronistaionsimpulsen und
6 ein Zeitdiagramm für einen Kommunikations- und Steuerungsablauf.
In dem in 1 dargestellten Datenbussystem 1 ist ein herkömmlicher PSI5-Datenbus 2 vorgesehen, der weitgehend der eingangs genannten PSI5-Spezifikation entspricht. An den Datenbus 2 sind mittels eines Empfängers 4 (engl. Receiver) eine zentrale Steuereinrichtung 3 und ein Sensor 5 als Busteilnehmer angeschlossen. Der PSI5-Datenbus 2 weist eine Zweidrahtverbindung 6 auf, über die durch die zentrale Steuereinrichtung 3 (ECU) die Energieversorgung des Sensors 5 erfolgt und über die Steuerbefehle übertragen werden. Dabei werden die Steuerschaltung 7 und ggf. weitere Komponenten des Sensors 5 von der zentralen Steuereinrichtung 3 mit Spannung und Energie versorgt. Die zentrale Steuereinrichtung 3 und der Sensor 5 sind wahlweise jeweils in einen Normal-Betriebszustand (sog. PSI5 Common Mode) mit einer Normal-Leistungsaufnahme und in einen Energiespar-Betriebszustand mit verminderter Leistungsaufnahme (sog. PSI5 Low Power Mode) schaltbar. Die beiden Betriebszustände können über Parameter vorkonfiguriert sein gemäß der in der geltenden, bereits eingangs genannten, PSI5-Spezifikation Version 2.1 unter Kapitel 6.1.2 beschriebenen Pre-Selektion Möglichkeit. Darüber hinaus kann beim vorliegenden Ausführungsbeispiel auch eine entsprechende Vorkonfiguration für den Schlaf-Betriebsmodus vorgesehen werden. Die jeweiligen Betriebszustände können wiederum darüber hinaus dynamisch während dem Betrieb umgeschaltet werden, insbesondere durch die zentrale Steuereinrichtung und insbesondere entsprechend parametergesteuert. Im Low Power Mode weist der PSI5 Datenbus 2 prinzipiell denselben, vollständigen Funktionsumfang wie im Common Mode auf, hat jedoch eine demgegenüber geringere Störfestigkeit. Er eignet sich z. B. zur Verwendung in einem Ruhemodus eines Kraftfahrzeugs, in dem nur sehr wenige Sensoren und Aktoren im Betrieb sind, beispielsweise für einen Sensor, der Funksignale für eine Zentralverriegelungseinrichtung detektiert, oder für einen Teilbetriebsmodus, in dem zwar die Zündung eingeschaltet ist, aber der Motor nicht läuft.
Der PSI5-Datenbus 2 wird unter einer Nenn-Betriebsspannung von V_bat = 6 ... 16 V und einer PSI5-Busspannung von V_ss im Bereich von V_ss,min = 4 Volt bis V_ss,max = 11 Volt betrieben, wobei im Normal-Betriebszustand zur Übertragung von Steuersignalen durch Veränderung der Bus-Betriebsspannung (V < V_CE,max) ein Modulations-Strom ΔI im Bereich von 22 mA bis 30 mA erzeugt wird. Im Energiespar-Betriebszustand (PSI5 Low Power Mode) wird ein Stromfluss von I = 11 mA bis 15 mA erzeugt. Im Sensor 5 sorgt eine Steuerschaltung 7 dafür, dass entsprechend den im Sensor 5 detektierten Sensorsignalen, die beispielsweise im Falle eines Drucksensors den Druckwerten entsprechen, ein entsprechender Modulations-Strom durch entsprechendes Schalten des Schalters 8 und mit Wirkung der Stromsenke 9 erzeugt wird
Der in 2 gezeigte Datenbus 10 weist Komponenten mit weitgehend gleichen Funktionen und Eigenschaften wie der in 1 gezeigte Datenbus 2 auf, wobei er jedoch um einen weiteren Betriebsmodus ergänzt ist, nämlich den Schlaf-Betriebszustand (Sleep Mode). In diesem Betriebszustand wird ein Stromfluss auf maximal 0,1 mA reduziert, d. h. ein gegenüber dem Stromfluss des Energiespar-Betriebszustands von 4 mA deutlich verminderter Stromfluss. Dem entsprechend sind die zentrale Steuereinrichtung 11 und der Sensor 12 als Busteilnehmer wahlweise jeweils in den Schlaf-Betriebszustand mit einer gegenüber der verminderten Leistungsaufnahme des Energiespar-Betriebszustands noch weiter verminderten Leistungsaufnahme schaltbar. Zur Steuerung der Kommunikation und/oder der Abläufe in der zentralen Steuereinrichtung 11 und/oder im Sensor 12 sind in diesen jeweils entsprechende elektronische Hard- und/oder Softwarekomponenten vorgesehen wie beispielsweise einen in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) oder einem sog. Field Programmable Gate Array (FPGA) implementierten Zustandsautomaten (State Machine) oder ein Controller mit einem Halbleiterspeicher und einem Mikroprozessor, auf dem ein Computerprogramm geladen und abgearbeitet wird. Zum Beispiel ist dazu im Sensor 12 die Steuerschaltung 7 um eine Sleep-Steuerkomponente 13 erweitert, die die Prozesse für das Ein- und Ausschalten des Sleep Modes mittels Parametern steuert. In dem hier beschriebenen Sleep Mode hat der PSI5 Datenbus 10 gegenüber dem Low Power Mode sowohl einen geringeren Energieverbrauch als auch einen demgegenüber geringeren Funktionsumfang. Dabei kann insbesondere die Bus-Kommunikation reduziert bzw. vorübergehend ganz eingestellt sein, beispielsweise seitens der zentralen Steuereinrichtung und/oder seitens des Sensors 5. Auch können dortige Komponenten wie Mikroprozessoren in ihrer Funktion im Sleep Mode reduziert oder angehalten werden.
In 3 ist ein beispielhafter Ablauf für das Ein- bzw. Ausschalten des Sleep Modes in einem PSI5-Datenbuss dargestellt. Im Schritt S1 legt die zentrale Steuereinrichtung (ECU) eine vorgegebene Versorgungsspannung an den Datenbus dem entsprechend arbeitet das gesamte System im Normal-Betriebszustand (Common Mode) oder im Betriebszustand mit erniedrigter Leistungsaufnahme (Low Power Mode). Im Schritt S2 sendet die ECU unter vorgegebenen Bedingungen ein Schlafkommando an alle beteiligten Busteilnehmer, z. B. an Sensoren, auf mindestens einem Übertragungskanal. Im Schritt S3 bestätigen die Sensoren den Empfang des Kommandos mit einer entsprechenden Nachricht (RC), schalten in ihren Schlafmodus um und reduzieren und dabei ihren Stromverbrauch. Im Schritt S4 ist das gesamte Datenbussystem im Schlafzustand, wobei alle seine vorgegebenen Funktionen und Eigenschaften des Schlafmodus erhalten sind. Im Schritt S5 verlässt einer der Sensoren aufgrund eines vorgegebenen Sensorereignisses seinen Schlafmodus und legt an dem Datenbus bzw. an die Zweidrahtverbindung einen Mindeststrom von I > I_Low, d. h. für einen PSI5-Datenbus I > 4 mA an. Der Sensor weckt dadurch die zentrale Steuereinrichtung (ECU) aus ihrem Schlaf-Betriebszustand. Im Schritt S6 detektiert die zentrale Steuereinrichtung die Stromänderung und wechselt aus ihrem Schlaf-Zustand innerhalb einer Aufwachzeit von 1 ms – 1000 ms in ihren Normal-Betriebszustand. Wenn am Datenbus weitere Busteilnehmer angeschlossen sind, sendet im Schritt S7 die ECU einen RUN Steuerbefehl als Broadcast-Nachricht über den Datenbus an alle angeschlossenen Busteilnehmer um diese in den normalen Betriebszustand (Common Mode) umzuschalten. Daraufhin senden alle Busteilnehmer im Schritt S8 innerhalb der ihr zugewiesenen Zeitfenster ihre Initialisierungsdaten über den Datenbus und danach im Schritt S9 entsprechende OK-Bestätigungen. Danach können im Schritt S10 alle Sensoren ihre Sensordaten über den Datenbus senden und der Vorgang abgeschlossen werden.
Im Schritt S2 kann mittels eines von der zentralen Steuereinrichtung ausgesandten Schlaf-Befehls, der bei dem PSI5-Datenbus beispielsweise das Kommando FC = 111 sein kann, der mindestens eine Busteilnehmer in den Schlaf-Betriebszustand versetzt werden. Der Busteilnehmer kann dann innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls, das beim PSI5-Datenus z. B. 16 ms betragen kann, eine Bestätigungs-Meldung an die zentralen Steuereinrichtung geben, wenn er den Schlaf-Befehl erhalten hat. Im Schlaf-Zustand eines Busteilnehmers kann beispielsweise ein im Busteilnehmer vorgesehener Mikroprozessor in einen entsprechenden Ruhemodus wechseln, in dem er vorbestimmte Operationen nicht mehr ausführt und/oder die Abarbeitung vorbestimmter Computerprogramme anhält bzw. unterbricht.
In einer Ausgestaltung des Schritts S5 wechselt der Busteilnehmer aus dem Schlaf-Zustand unter mindestens einer vorgegebenen Bedingung selbständig in den Normal-Betriebszustand und/oder in den Energiespar-Betriebszustand. Mittels eines Weck-Steuerbefehls und/oder durch Erzeugen eines über einer vorgegebenen Schwelle, die im PSI5-Datenbus z. B. 4 mA betragen kann, liegenden Stromflusses im Datenbus kann der Busteilnehmer veranlassen, dass die zentrale Steuereinrichtung und/oder weitere Busteilnehmer aus dem Schlaf-Betriebszustand in den Normal-Betriebszustand und/oder in den Energiespar-Betriebszustand umschaltet.
In 4 ist ein Ablaufdiagramm für eine entsprechende Umschaltung zwischen einem normalen Betriebsmodus und einem Schlaf-Betriebsmodus dargestellt. Graph 15 bezeichnet dabei den Systemstrom (I), Graph 16 bezeichnet den Modus in dem sich die zentrale Steuereinrichtung (ECU) befindet (EM), Graph 17 bezeichnet den Betriebsmodus, in dem sich der Sensor befindet (SM) und Graph 18 bezeichnet die am Bus an liegende Spannung (V). Dabei werden jeweils drei Stufen unterschieden. Die Betrachtung beginnt links vom Punkt A, wobei der Systemstrom hoch ist, die ECU und der Sensor sich im Betriebsmodus „RUN” befinden und die Spannung den mittleren Wert hat. Am Punkt A geht die ECO in den Schlafmodus über.

In der nachfolgenden Tabelle sind Beispiele für Spannungswerte, Stromwerte und Widerstandswerte gezeigt, die insbesondere für den Einsatz in einem gegenüber der heutigen PSI5-Spezifikation modifizierten PSI5-Datenbus geeignet sind, wenn in diesem ein Schlafmodus vorgesehen wird.

Nr.	Parameter	Symbol	Min	Typ	Max	Einheit
1	Normale Betriebsspannung	V_ss	5.0		11.0	V
2	Energiespar-Betriebsspannung	V_ss	4.0		11.0	V
3	Normale Betriebsspannung	V_ss	5.5		11.0	V
4	Energiespar-Betriebsspannung		4.2		11.0
5	Erhöhte Betriebsspannung		6.5		11.0
6	Stromsenke ΔI_S	Δ_IS = I_S,High – I_S,Low			0	mA
7	Sync Signal Erhaltungsspannung, bezogen auf VCE, BASE	V_t2	2.5			V
9	Interner ECU Widerstand	R_E	5		9.5	Ω
11	Sensor Trigger Schwelle (für V_t2 = 2.5 V)	V_TRIG	1.2	1.5	1.8	V
13	Schnittstellen-Ruhestrom (Standard Strom)	I_LOW	0.01		0.1	mA
14	Schnittstellen-Ruhestrom (Erweiterter Strom)	I_LOW	0.01		0.1	mA
15	Ruhestrom, Driftrate				1.0	mA/sec
16	ECU Strombegrenzung (Standardstrom)	I_LIMIT	50.0		105	mA
17	ECU Strombegrenzung (Standardstrom)	I_LIMIT,dyn.	65.0			mA
18	ECU Strombegrenzung (Erweiterter Strom)	I_LIMIT	65.0		130	mA
19	ECU Strombegrenzung (Erweiterter Strom)	I_LIMIT,dyn.	80.0			mA
20	Verketteter Sensor Ruhestrom	I_LOW,sensor	4.0		12.0	mA

In 4 ist ein Zeitdiagramm für eine standardisierte Datenbuskommunikation in einem PSIS-Datenbus 14 dargestellt. Die Figur entspricht der Figur, die im Kapitel 2.4.2 (Seite 8) der eingangs genannten Spezifikation zum PSI5-Datenbus abgebildet ist. Der PSI5-Datenbus 14 weist eine zentrale Steuereinrichtung 15 (ECU) auf sowie n weitere Busteilnehmer 16 (TS1, ... TSn), die einen oder mehrere Sensoren umfassen können. Graph 17 zeigt den Verlauf der Betriebsspannung DV, durch den jeweils im Takt mit der Synchronisationszeit T_SYNC Triggersignale am Datenbus 14 anliegen. Die Betriebsspannung variiert dabei zwischen einem unteren Wert (V1) und einem oberen Wert (V2) und das Triggersignal ist von den Busteilnehmern detektierbar, wenn es oberhalb eines Schwellwerts (Threshold) liegt. Zwischen der abfallenden Flanke 17a eines Triggerimpulses und der ansteigenden Flanke 17b eines darauffolgenden Triggerimpulses müssen etwaige Kommunikationssignale 18 der jeweiligen Busteilnehmer übertragen werden, wodurch sich für die Signale der Busteilnehmer jeweils Übertragungszeitfenster ergeben. Für weitere Details zu dieser 4 wird der entsprechende Inhalt der PSI5-Spezifikation an dieser Stelle nochmals in Bezug genommen.
In 5 ist ein entsprechendes Zeitdiagramm 19 für Datenframes zwischen PSI5 Synchronistaionsimpulsen detaillierter dargestellt, wobei das Zeitfenster des jeweiligen Busteilnehmers mit T_{Slot i} dargestellt ist und i eine natürliche Zahl ist. Die 5 entspricht der unter Kapitel 6.6.1 (Seite 44) der Spezifikation zum PSI5-Bus. Für weitere Details zu dieser 6 wird der entsprechende Inhalt der PSI5-Spezifikation an dieser Stelle nochmals in Bezug genommen.
In 6 ist ein Ablaufdiagramm für eine Umschaltung eines PSI5-Datenbusses zwischen einem normalen Betriebsmodus und einem Schlaf-Betriebsmodus am Beispiel eines Sensors dargestellt. Graph 15 bezeichnet dabei den Systemstrom (I), Graph 16 bezeichnet den Modus in dem sich die zentrale Steuereinrichtung (ECU) befindet (EM), Graph 17 bezeichnet den Betriebsmodus, in dem sich der Sensor befindet (SM) und Graph 18 bezeichnet die am Bus an liegende Spannung (V). Dabei werden jeweils drei Stufen unterschieden, wobei, jeweils von unten nach oben auf der Ordinate aufgetragen,

– der Systemstrom die Stufen < 0,1 mA, > 4 mA und HIGH annehmen kann,
– die Busspannung (V) die Stufen 0 V, V_CE,Base und V_t2 annehmen kann und
– der Sensor (SM) und die ECU (EM) jeweils die Betriebsmodi „Sleep”, „Wakeup” und „Run” annehmen können. Die ECU bildet über die Spannung V mittels Spannungsimpulsen 22 regelmäßige Triggersignale am Datenbus aus.

Die Betrachtung beginnt links vom Punkt A, wobei der Systemstrom den Zustand High aufweist, die ECU und der Sensor sich im jeweils Betriebsmodus „Run” befinden und die Spannung den Wert V_SE,Base hat. Am Punkt A geht die ECU in den Schlaf-Betriebszustand über und wartet auf das nächste TX-Frame und sendet am Punkt B (t = 0) ein Schlafkommando in einem PSI3 Frame 3 „X-Long” bei 2,5 kBaud an alle Busteilnehmer. Am Punkt C (t = 16 ms) quittiert der Sensor den Erhalt des Schlafkommandos mittels der Meldung RC_OK (= Sleep acknowledged). Am Punkt D beendet der Sensor die Buskommunikation und nimmt den Schlaf-Betriebszustand ein, wobei er den minimalen Ruhestrom I = 0,1 mA über die Stufe I > 4 mA in zwei Stufen am Punkt E erreicht (t < 18 ms). Ab diesem Zeitpunkt schläft der Datenbus und die ECU sendet keine Triggersignale 22 mehr. Zwischen den Punkten C und F befindet sich der Datenbus im Schlaf-Betriebszustand. Am Punkt F gibt es am Sensor ein Ereignis, das ein Aufwachen erforderlich macht (wakeup event). Der Sensor erwacht dadurch und geht in den Aufwach-Zustand über. Dies führt dazu, dass er einen höheren Leistungsbedarf hat bzw. am Punkt G den Aufwachstrom I > 4 mA am Datenbus aktiviert um die ECU zu wecken. Am Punkt H detektiert die ECU diesen Aufwachstrom, geht dem entsprechend im Punkt K in den Wachzustand über und sendet einen Aufwachbefehl an alle Busteilnehmer. Ab diesem beginnt die Zeitrechnung neu (t = 0) und die ECU sendet wieder Triggerimpulse 22. Am Punkt L (t = 16 ms) wird der Aufwachbefehl von allen Busteilnehmern empfangen und von Ihnen jeweils der Empfang quittiert. Daraufhin wird am Punkt M der Systemstrom auf Stufe HIGH erhöht und alle Busteilnehmer können voll über den Datenbus kommunizieren.
Die beschriebenen Geräte und Systemkomponenten werden insbesondere mit Computerprogrammen gesteuert und können dazu weitere, an sich bekannte Elemente von Computern und digitalen Steuerungseinrichtungen wie einen Mikroprozessor, flüchtige und nicht flüchtige Speicher, Schnittstellen usw. aufweisen. Die Erfindung kann deshalb auch ganz oder teilweise in Form eines Computerprogrammprodukts realisiert werden, das beim Laden und Ausführen auf einem Computer einen erfindungsgemäßen Ablauf ganz oder teilweise bewirkt. Es kann beispielsweise in Form eines Datenträgers bereit gestellt werden oder auch in Form einer oder mehrerer Dateien auf einem Server, von dem das Computerprogramm herunter ladbar ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1594262 B1 [0003]
DE 102007019356 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

technischen Spezifikation „PSI5 – Peripheral Sensor Interface for Automotive Applications”, Vers. 2.1 vom 08.10.2012, herausgegeben von dem PSI5-Konsortium und im Internet verfügbar unter http://psi5.org/specification/ [0005]
technischen Spezifikation „PSI5 – Peripheral Sensor Interface for Automotive Applications”, Vers. 2.1 genannt ist oder in einer davon abgeleiteten, technischen PSI5-Spezifikation [0012]
PSI5-Spezifikation Version 2.1 unter Kapitel 6.1.2 [0033]
Kapitel 2.4.2 (Seite 8) der eingangs genannten Spezifikation zum PSI5-Datenbus [0041]
Kapitel 6.6.1 (Seite 44) der Spezifikation zum PSI5-Bus [0042]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Datenbusses (10), wobei – an den Datenbus (10) eine zentrale Steuereinrichtung (11) und mindestens ein Busteilnehmer (12) angeschlossen sind, – der Datenbus (10) eine Zweidrahtverbindung (6) aufweist, über die durch die zentrale Steuereinrichtung (11) eine Energieversorgung des mindestens einen Busteilnehmer (12) erfolgt und über die Steuerbefehle übertragen werden, und – die zentrale Steuereinrichtung (11) und der mindestens eine Busteilnehmer (12) in einem Normal-Betriebszustand mit einer Normal-Leistungsaufnahme betreibbar sind dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Steuereinrichtung (11) und der mindestens eine Busteilnehmer (12) wahlweise in einen Energiespar-Betriebszustand mit verminderter Leistungsaufnahme oder in einen Schlaf-Betriebszustand mit einer gegenüber der verminderten Leistungsaufnahme noch weiter verminderten Leistungsaufnahme geschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Busteilnehmer (12) im Schlaf-Betriebszustand mindestens eine vorgegebene Funktion ausführt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Busteilnehmer (12) und/oder die zentrale Steuereinrichtung (11) und/oder weitere Busteilnehmer im Schlaf-Betriebszustand keine stetige Datenbus-Kommunikation ausführen.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Busteilnehmer (12) die zentrale Steuereinrichtung (11) aus ihrem Schlaf-Betriebszustand weckt indem er über die Zweidrahtverbindung (6) einen vorgegebenen Mindest-Stromfluss seitens der zentralen Steuereinrichtung bewirkt.
Verfahren nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Steuereinrichtung (11) am Datenbus (10) unabhängig vom Betriebszustand der Steuereinrichtung und/oder des Busteilnehmers (12) eine Versorgungsspannung bereitstellt.
Verfahren nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Busteilnehmer (12) einen Sensor, einen Taster, einen Schalter und/oder einen Aktuator umfasst.
Verfahren nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenbus (10) ein PSI5-Datenbus ist.
Verfahren nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines von der zentralen Steuereinrichtung ausgesandten Schlaf-Befehls der mindestens eine Busteilnehmer (12) in den Schlaf-Betriebszustand versetzt wird und der Busteilnehmer (12) innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls eine Bestätigungs-Meldung an die zentralen Steuereinrichtung gibt, wenn er den Schlaf-Befehl erhalten hat.
Verfahren nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Busteilnehmer (12) aus dem Schlaf-Zustand unter mindestens einer vorgegebenen Bedingung selbständig in den Normal-Betriebszustand und/oder in den Energiespar-Betriebszustand wechselt und/oder durch Erzeugen eines über einer vorgegebenen Schwelle liegenden Stromflusses im Datenbus (10) veranlasst, dass die zentrale Steuereinrichtung (11) und/oder weitere Busteilnehmer aus dem Schlaf-Betriebszustand in den Normal-Betriebszustand und/oder in den Energiespar-Betriebszustand umschaltet.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Steuereinrichtung (11) nach dem Erkennen, dass der Busteilnehmer (12) die Umschaltung in den Normal-Betriebszustand und/oder in den Energiespar-Betriebszustand veranlasst hat, einen Weckbefehl an mindestens einen, mehrere oder alle Busteilnehmer (12) sendet.
Verfahren nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Datenbus (10) im Schlaf-Betriebszustand ein Strom im Bereich von 0,01 bis 0,1 mA fließt.
Verfahren nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Steuereinrichtung (11) aus ihrem Schlaf-Zustand nach dem Empfang eines Aufwach-Befehls innerhalb einer Aufwachzeit von 1 ms bis 1000 ms in ihren Normal-Betriebszustand wechselt.
Verfahren nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung von einem ersten Betriebszustand in einen zweiten Betriebszustand dynamisch während dem Betrieb des Datenbusses (10) erfolgt.
Datenbus umfassend Mittel zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorher gehenden Ansprüche.
Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, umfassend einen Datenbus (10) nach Anspruch 14.