DE102014109206B4

DE102014109206B4 - Sensorschnittstellensysteme und -verfahren

Info

Publication number: DE102014109206B4
Application number: DE102014109206.6A
Authority: DE
Inventors: Dirk Hammerschmidt; David Levy; Andrea Morici; Wolfgang Scherr; Harald Witschnig
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2013-07-02
Filing date: 2014-07-01
Publication date: 2019-12-05
Anticipated expiration: 2034-07-02
Also published as: US9557799B2; DE102014019983B3; DE102014109206A1; CN104281120A; US20150012767A1; CN104281120B

Abstract

Automobil-Sensorschnittstellensystem (300), umfassend:
einen Systembus (318); und
einen Busmaster (302), der mit dem Systembus (318) gekoppelt ist, eine geregelte Spannungsquelle (306) zum Bereitstellen einer geregelten Spannung, wobei eine Spannungsregelungsbandbreite (402) in einem ersten Frequenzband liegt, und einen Sende-/Empfangspfad parallel zu der geregelten Spannungsquelle (306), der mit dem Systembus (318) gekoppelt ist und eingerichtet ist, eine Datenübertragung bei einem zweiten Frequenzband, welches bei höheren Frequenzen liegt als das erste Frequenzband, durchzuführen, umfasst, und
wenigstens einen Sensor (304), der mit dem Systembus (318) gekoppelt ist und eingerichtet ist, seine Versorgung mit Leistung von der geregelten Spannungsquelle (306) zu empfangen und eine Datenübertragung innerhalb des zweiten Frequenzbandes durchzuführen.

Description

Hintergrund
Automobilsysteme sind komplexe Systeme, die Rechner und Bauelemente zum Betreiben und Überwachen des Betriebs von Kraftfahrzeugen einschließen. Die Systeme schließen typischerweise einen Prozessor ein, der den Motorbetrieb und dergleichen steuert und überwacht. Das System betreibt im Allgemeinen verschiedene Steuersysteme, die Automobilfunktionen ausführen. Durch die Überwachung können kleinere Probleme identifiziert und berichtigt werden, bevor sie größere Probleme werden.
Automobilsysteme verwenden typischerweise einen zweifach verwendbaren Bus, um Verkabelung und Kosten zu mindern. Der Bus liefert Energie (elektrische Leistung) für Sensoren und Bauelemente und wird ebenfalls zur Datenübertragung verwendet. Im Allgemeinen verschlechtern Versuche, die Bereitstellung von Energie zu verbessern, die Datenübertragung, und ähnlich verschlechtern Versuche, die Datenübertragung zu verbessern, die Bereitstellung von Energie.
Die US 2012/0093342 A1 offenbart ein System, bei dem elektrische Leistung über einen Bus übertragen wird. Auf Slave-Seite des Bussystems kann ein Spannungsregler vorgesehen sein. Datensignale werden in einem Frequenzband oberhalb der Spannung übertragen.
Die US 2013/0124763 A1 offenbart ein weiteres System, bei dem Datensignale mit höherer Frequenz über einen Bus übertragen werden. Zudem kann von einem Busmaster elektrische Leistung für die Bus-Slaves bereitgestellt werden, insbesondere eine Gleichspannung.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, Möglichkeiten bereitzustellen, das Bereitstellen von Energie und Übertragen von Daten über einen einzigen Bus zu verbessern.
Kurzzusammenfassung
Es werden ein System nach Anspruch 1 oder 13 sowie ein Verfahren nach Anspruch 18 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsbeispiele.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung, die eine herkömmliche Sensorschnittstelle, die Pufferkondensatoren erfordert, illustriert.
2A ist eine graphische Darstellung, die Spektralverteilungen für Signale in einer herkömmlichen Sensorschnittstelle abbildet.
2B ist eine graphische Darstellung, die Frequenzabhängigkeiten für eine herkömmliche Sensorschnittstelle abbildet.
3 ist eine schematische Darstellung, die ein Sensorschnittstellensystem, das Frequenzbänder für Datenübertragung und Spannungsregelung trennt, illustriert.
4A ist eine graphische Darstellung, die Spektralverteilungen für Signale in einem Sensorschnittstellensystem, das Frequenzbänder für Datenübertragung und Spannungsregelung trennt, abbildet.
4B ist eine graphische Darstellung, die Frequenzabhängigkeiten für ein Sensorschnittstellensystem, das Frequenzbänder für Datenübertragung und Spannungsregelung trennt, abbildet.
5 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Bereitstellen von Spannungsregelung und Datenübertragung über einen Bus illustriert.

Ausführliche Beschreibung
Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungsfiguren beschrieben werden, wobei gleiche Bezugszahlen durchgehend verwendet werden, um gleiche Elemente zu bezeichnen, und wobei die illustrierten Strukturen und Vorrichtungen nicht notwendigerweise maßstäblich gezeichnet sind.
Es werden Systeme und Verfahren offenbart, die Automobilsysteme bereitstellen und eine Sensorschnittstelle einschließen. Die Schnittstelle schließt Datenübertragung aus der Bandbreite der Spannungsregelung in Verbindung mit Eingangs- und Ausgangsimpedanzen eines Busmasters und von Sensoren aus, die ausreichend an die Leitungsimpedanz angepasst sind, um Resonanzwirkungen zu mindern.
1 ist eine schematische Darstellung, die eine herkömmliche Sensorschnittstelle 100, die Pufferkondensatoren erfordert, illustriert. Die schematische Darstellung stellt den Betrieb der Schnittstelle 100 dar. Es ist zu erkennen, dass die schematische Darstellung zu Illustrationszwecken vereinfacht ist und andere Bauelemente vorhanden sein können.
Die Sensorschnittstelle 100 schließt eine Busmasterseite 102 und eine Slave- oder Sensorseite 104 ein. Die Busmasterseite 102 und die Sensorseite 104 sind durch einen Bus 118 verbunden. Die Busmasterseite 102 wird ebenfalls als der Busmaster 102 bezeichnet. Ähnlich wird die Sensorseite 104 ebenfalls als der Sensor 104 bezeichnet. Hier ist der Bus 118 ein Zweidrahtbus oder eine Zweidrahtschnittstelle. Der Bus 118 wird für Energieversorgung und Datenübertragung verwendet. Der Bus 118 hat eine Bus-Leitungsimpedanz, wie beispielsweise 120 Ohm, und eine Leitungsinduktivität. Die Leitungsinduktivität beruht auf der Länge, die von einigen Zentimetern bis zu mehreren Metern reichen kann. Es ist zu erkennen, dass andere Sensoren und/oder Bauelemente zusätzlich zu der Busmasterseite 102 und der Sensorseite 104 an den Bus 118 gekoppelt sein können.
Die Busmasterseite 102 schließt eine Spannungsquelle 106, einen Busmaster-Widerstand 108 und einen Master-Pufferkondensator 110 ein. Der Master-Pufferkondensator ist mit einem ersten und einem zweiten Anschluss des Busses 118 verbunden. Der Busmaster-Widerstand 108 ist mit der Spannungsquelle 106, dem Kondensator 110 und dem ersten Anschluss des Busses 118 verbunden. Der Master-Pufferkondensator 110 stabilisiert die Versorgungsspannung und unterstützt die elektromechanische Konformität (electromechanical compliance - EMC). Der Kondensator 110 hat eine Kapazität von unterhalb etwa 50 nF. Der Busmaster-Widerstand 108 stellt die Anschlussimpedanz bereit und hat einen Wert von etwa 1-15 Ohm. Die Busmasterseite 102 hat eine Impedanz Z_MASTER, die, verglichen mit der Leitungsimpedanz, verhältnismäßig niedrig ist. Der Busmaster-Widerstand 108 stellt die Anschlussimpedanz bei niedrigen Frequenzen bereit, während der parallele Kondensator bei höheren Frequenzen dominiert.
Die Sensorseite 104 schließt eine Stromquelle 112, einen Sensorwiderstand 114 und einen Sensor-Pufferkondensator 116 ein. Der Sensorwiderstand 114 stellt die Anschlussimpedanz bereit und ist an einen dritten Anschluss des Busses 118 gekoppelt. Der Sensorwiderstand 114 hat eine Impedanz von 1 bis 50 Ohm. Der Sensor-Pufferkondensator 116 ist mit dem Sensorwiderstand und einem vierten Anschluss des Busses 118 verbunden. Der Sensor-Pufferkondensator 116 stabilisiert die Versorgungsspannung und unterstützt die EMC. Die Stromquelle 112 ist in Parallelschaltung mit dem Sensor-Pufferkondensator 116 verbunden. Die Sensorseite 104 hat eine Impedanz Z_SLAVE. Der Sensorwiderstand 114 stellt die Anschlussimpedanz bereit und trägt zu Z_SLAVE bei, die bei niedrigen Frequenzen verhältnismäßig hoch ist und bei höheren Frequenzen zurückgeht, wenn der Kondensator wirksam wird.
Die Datenübertragung für die Busmasterseite 102 wird durch Spannungsmodulation ausgeführt, während die Sensorseite 104 die Datenübertragung durch Modulation des Stromverbrauchs der Sensorseite 104 ausführt. Es werden Sendesignale dazu verwendet, die Daten zu übertragen. Die Sendesignale haben verhältnismäßig hohe Signalamplituden, um gegen Verzerrung zu schützen.
Die Datenraten und die sich ergebenden Übertragungsfrequenzen sind verhältnismäßig niedrig. Die Kombination von hohen Amplituden und langen Dauern für die Übertragung eines Bits erfordert, dass Spannungsregler dazu in der Lage sein müssen, der durch die Übertragungssignale der Sensorseite 104 verursachten Ladestromveränderung zu folgen, um einen verhältnismäßig hohen Abfall der Versorgungsspannung während der Modulation zu vermeiden. Im Ergebnis sind hochgradig komplexe Spannungsregler erforderlich, die starken Transienten folgen, verglichen mit üblichen Spannungsversorgungen, die Sensoren mit einem Stromverbrauch, der sich nur langsam in einem engen Bereich verändert, versorgen könnten.
Die Busmasterseite 102 muss eine niedrige Impedanz haben oder niederohmig sein, um die Versorgungsspannung zu stabilisieren, und arbeitet daher als eine Spannungsquelle bis zu Frequenzen oberhalb eines Modulationssignalspektrums. Die Sensorseite 104 verhält sich idealerweise wie eine Stromquelle und zeigt eine verhältnismäßig hohe Impedanz. Diese Anordnung mit einer Busmasterseite 102 mit niedriger Impedanz und einer Sensorseite 104 mit hoher Impedanz bringt auf beiden Seiten problematische Leitungsabschluss-Anordnungen, kurz oder offen, mit sich. Außerdem wird der Leitungsabschluss durch das Vorhandensein von Pufferkondensatoren, die zum Stabilisieren der Versorgungsspannung benutzt werden und elektromechanischen Anforderungen entsprechen, verschlimmert. Das Vorhandensein von Pufferkondensatoren macht die bei dem Bus 118 zu erkennende Impedanz frequenzabhängig. Ferner führen hohe Reflexionsfaktoren, die sich aus unzureichendem Abschluss ergeben, zu Resonanzwirkungen, die bei Frequenzen, die von einer Länge des Busses 118 abhängen, erscheinen.
2A ist eine graphische Darstellung, die Spektralverteilungen für Signale in einer herkömmlichen Sensorschnittstelle abbildet. Die Verteilungen werden als Beispiele von typischen durch eine herkömmliche Sensorschnittstelle, wie beispielsweise die oben beschriebene Schnittstelle 100, erzeugten Signalen bereitgestellt.
Die graphische Darstellung bildet eine logarithmische Frequenz entlang einer x-Achse und einen Bereich (P) der spektralen Leistungsdichte entlang einer y-Achse ab. Die graphische Darstellung schließt ein Versorgungssignal 202, ein Sensorsignal 204, ein LC-Resonanzsignal 206, EMC 208 und ein Steuergerätsignal 210 ein.
Das Versorgungssignal 202 ist der Ausgang der Spannungsquelle eines Busmasters. Das Versorgungssignal 202 hat eine kleine Bandbreite, einen Bereich von Betriebsfrequenzen und eine niedrige Frequenz, nahe null. Das Sensorsignal 204 ist ein durch die Sensorseite 104 erzeugtes Signal. Das Sensorsignal 204 hat eine kleine Bandbreite und ist bei einer etwas höheren Frequenz angeordnet. Jedoch erfordert das Sensorsignal 204, auf Grund von EMC-Resonanz, eine verhältnismäßig große Amplitude. Folglich benutzt das Sensorsignal 204 beträchtliche Leistung.
Das LC-Resonanzsignal 206 wird mit einer verhältnismäßig großen Bandbreite gezeigt. Das LC-Resonanzsignal 206 ist eine Funktion der Puffer-/Sperrkondensatoren 110 und 116, der Leitungskapazität und der Leitungsinduktivität. Es ist zu bemerken, dass das LC-Resonanzsignal 206 sich im Konflikt befindet und wenigstens einen Teil des Sensorsignals 204 beeinträchtigen kann.
Das Steuergerätsignal 210 ist ein Signal, das die Spannungsquelle 106 steuert. Dieses Signal hat eine verhältnismäßig große Bandbreite und kann in Abhängigkeit von der tatsächlichen Busanordnung die LC-Resonanzfrequenzen einschließen oder ausschließen. Dies macht die Gestaltung des Spannungsreglers äußerst kompliziert, da er sehr unterschiedliche Lastanordnungen handhaben muss, die nicht im Voraus bekannt sind. Das EMC-Signal 208 stellt die in dem Sensorsystem vorhandene elektromagnetische Störung dar. Das EMC-Signal 208 verändert sich typischerweise in Abhängigkeit von Umsetzung und Betriebsumgebung. Es ist jedoch verhältnismäßig groß in Amplitude und Bandbreite. Ferner überlagert sich das EMC-Signal 208 mit dem Steuergerätsignal 210 und dem Sensorsignal 204. 2B ist eine graphische Darstellung, die Frequenzabhängigkeiten für eine herkömmliche Sensorschnittstelle abbildet. Die Abhängigkeiten werden als Beispiele auf der Grundlage von herkömmlichen Sensorschnittstellen, wie beispielsweise der oben beschriebenen Schnittstelle 100, bereitgestellt.
Eine x-Achse bildet die Frequenz auf eine logarithmische Weise ab (log f). Die y-Achse bildet die Impedanz Z im absoluten Wert ab.
Ein Bereich für die Busmaster-Impedanz wird durch ein bei 256 gezeigtes Rechteck dargestellt. Die Busmaster-Impedanz ist für einen herkömmlichen Busmaster und ist bis zu Frequenzen, die das Signalspektrum abdecken, das für die Kommunikation erforderlich ist, verhältnismäßig niedrig. Ein Bereich für die Slave- oder Sensorimpedanz ist durch die gesamte linke Seite der Ebene 264, ausschließlich eines rechteckigen Abschnitts 260, gegeben. Sie bleibt typischerweise bis zum Ende des Übertragungssignalspektrums oberhalb der Busmaster-Impedanz, da sich der Sensor wie eine modulierte Stromsenke verhalten sollte. Die Slave- oder Sensorimpedanz kann viel größer sein als bei 256, insbesondere bei niedrigeren Frequenzen, aber sie kann auf Grund des Sperrkondensators mit zunehmenden Frequenzen abnehmen. Eine verhältnismäßig konstante Leitungsimpedanz wird durch eine Linie 252 gezeigt.
Es ist zu sehen, dass die Leitungsimpedanz bei veränderten Frequenzen im Wesentlichen konstant ist. Bei einem Beispiel beträgt die Leitungsimpedanz 120 Ohm.
Die Datenübertragung erfolgt typischerweise bei einem Bereich von Frequenzen, der durch 258 angezeigt wird. Es ist zu bemerken, dass ein Bereich 262 von Frequenzen und Impedanzen als „gleichgültig“ gekennzeichnet ist, da in dem Bereich weder die Master- noch die Slaveimpedanz die Spanungsregelung und/oder die Datenübertragung des Busses wesentlich beeinflussen.
3 ist eine schematische Darstellung, die ein Sensorschnittstellensystem 300, das Frequenzbänder für Datenübertragung und Spannungsregelung trennt, illustriert. Das System 300 schließt Modulationstechniken ein, um die Datenübertragungssignale zu höheren Frequenzen zu verschieben, die dasjenige Band ausschließen, das für die Spannungsregelung erforderlich ist. Ferner sind auf Grund der Frequenztrennung die Modulationsamplituden verhältnismäßig niedriger als bei herkömmlichen Schnittstellen. Außerdem werden Sperr- oder Pufferkondensatoren nicht benötigt oder benutzt. Ähnlich sind externe Widerstände nicht erforderlich. Das System 300 kann als oder mit Automobilsysteme(n) oder dergleichen benutzt werden. Außerdem ist zu erkennen, dass zusätzliche Bauelemente eingeschlossen oder zu dem System hinzugefügt werden können.
Das System 300 schließt eine Busmasterseite 302 und eine Slave- oder Sensorseite 304 ein. Die Busmasterseite 302 und die Sensorseite 304 sind durch einen Bus 318 verbunden. Der Bus 318 wird als ein Zweidrahtbus oder eine Zweidrahtschnittstelle gezeigt, es sind jedoch andere Buskonfigurationen zulässig. Der Bus 318 wird für Spannungsregelung (Energieversorgung, d.h. Versorgung mit elektrischer Leistung) und Datenübertragung verwendet. Es wird gezeigt, dass der Bus 318 die Busmasterseite 302 und die Slave-/Sensorseite 304 verbindet, es ist jedoch zu erkennen, dass andere Bauelemente, wie beispielsweise Sensoren, elektronische Steuereinheiten, Stellantriebe, Drosselmechanismen, Airbag-Mechanismen, Antiblockier-Bremssysteme und dergleichen, ebenfalls mit dem Bus 318 verbunden sein können. Ferner ist zu erkennen, dass zu Illustrationszwecken ein einziger Sensor 304 in der Zeichnung und dieser Erörterung gezeigt wird. Es können jedoch zusätzliche Sensoren, ähnlich und/oder identisch dem Sensor 304, ebenfalls mit dem Bus 318 verbunden sein.
Der Bus 318 hat verschiedene Charakteristika, die eine Leitungsimpedanz und eine Leitungsinduktivität einschließen. Die Leitungsimpedanz beträgt bei einem Beispiel etwa 120 Ohm. Bei einem anderen Beispiel liegt die Leitungsimpedanz innerhalb eines Bereichs von etwa 50 bis 200 Ohm. Die Leitungsinduktivität verändert sich in Abhängigkeit von der Entfernung oder Drahtlänge zwischen der Masterseite und der Sensorseite. Bei einem Beispiel beträgt die Entfernung nur ein paar Zentimeter, bei einem anderen beträgt die Entfernung etwa 12 Meter. Die Entfernung und im Ergebnis die Leitungsinduktivität können beträchtlich schwanken. Bei einem Beispiel kann die Entfernung von einem Zentimeter bis zu 20 Metern reichen. Diese Schwankung trägt zu unbekannten oder schwer vorherzusagenden Resonanzfrequenzen bei.
Die Busmasterseite 302 schließt eine Spannungsquelle 306, einen Busmasterempfänger 308, ein Busmaster-Modulationsbauelement 310 und eine Modulationsvorspannung-Spannungsquelle 320 ein. Die Spannungsquelle 306 ist eine Gleichstromversorgung und hat, verglichen mit anderen Herangehensweisen, eine begrenzte Bandbreite, und daher schließt sie die Modulationssignale, die außerhalb ihres Spannungsregelungsbandes erzeugt werden, nicht kurz. Sie verwendet keine für die Übertragung verwendeten Frequenzbereiche. Die Spannungsquelle 306 ist mit einem ersten und einem zweiten Anschluss des Busses 318 verbunden.
Der Busmasterempfänger 308, das Modulationsbauelement 310 und die Modulationsvorspannung-Spannungsquelle 320 bilden gemeinsam einen Busmaster-Sende-/Empfangsweg.
Die Modulationsvorspannung-Spannungsquelle 320 ist mit dem zweiten Anschluss verbunden und stellt eine Modulationsspannung bereit, die im Allgemeinen geringer ist als eine durch die Spannungsquelle 306 bereitgestellte Spannung. Die Modulationsvorspannung-Spannungsquelle 320 ist ebenfalls mit dem Modulationsbauelement 310 verbunden.
Das Master-Modulationsbauelement 310 ist mit dem Empfänger 308 und der Modulationsvorspannung-Spannungsquelle 320 verbunden. Das Modulationsbauelement 310 erzeugt Modulationssignale, die Informationen/Daten für den Bus 318 einschließen oder bereitstellen. Die Informationen schließen durch den Busmaster bereitgestellte Informationen ein und können Steuersignale, Messungen und dergleichen einschließen. Bei einem Beispiel erzeugt das Modulationsbauelement 310 Modulationssignale auf einem Millivolt-Niveau.
Der Masterempfänger 308 ist mit dem Modulationsbauelement 310 und dem ersten Anschluss verbunden. Der Masterempfänger 308 hat einen in Parallelschaltung verbundenen Widerstand, um das Empfangen zu erleichtern. Der Widerstand hat eine Impedanz, die im Allgemeinen um eine Leitungsimpedanz Z_L des Busses 318 festgesetzt ist. Bei einem Beispiel liegt die Leitungsimpedanz des Busses bei etwa 120 Ohm und der Widerstand liegt ebenfalls bei einer Impedanz von etwa 120 Ohm. Der Empfänger 308 wird ebenfalls als Sender/Empfänger bezeichnet und erlangt empfangene Signale von dem Bus 318.
Das Modulationsbauelement 310 und der Empfänger 308 sind dafür konfiguriert, eine Datenübertragung bei Übertragungsfrequenzen oder Übertragungsband/-bändern auszuführen. Bei einem Beispiel reichen die Übertragungsfrequenzen von etwa 100 kHz bis etwa 50 MHz.
Bei niedrigen Frequenzen zeigt die Busmasterseite 302 auf Grund einer Rückkopplungsschleifencharakteristik der Spannungsquelle 306 ein verhältnismäßig niederohmiges Verhalten. Sobald eine Frequenz mit Verstärkungsfaktor Eins einer Rückkopplungsschleife überschritten wird, nimmt die Impedanz der Spannungsquelle 306 ausreichend zu, so dass der Busmaster-Sende-/Empfangsweg im Wesentlichen die Impedanz des Busmasters 302 bestimmt.
Die Sensorseite 304 schließt eine Gleichstromlast 312, eine Sensor-Modulationsquelle 322, ein Sensor-Modulationsbauelement 316 und einen Sensorempfänger 314 ein. Die Sensor-Modulationsquelle 322, das Sensor-Modulationsbauelement 316 und der Sensorempfänger 314 bilden einen Sensor-Sende-/Empfangsweg.
Die Gleichstromlast 312 ist mit dem dritten und dem vierten Anschluss des Busses 318 verbunden. Die Gleichstromlast 312 verbraucht Energie (Leistung). Bei einem Beispiel stellt die Gleichstromlast 312 durch einen Sensor verbrauchte Energie dar. Bei einem anderen Beispiel stellt die Gleichstromlast 312 durch einen Steuermechanismus verbrauchte Energie dar.
Die Sensor-Modulationsvorspannungsquelle 322 liefert oder ergänzt Energie für den Sensor-Sende-/Empfangsweg. Die Sensor-Modulationsvorspannungsquelle 322 ist an den vierten Anschluss des Busses 318 gekoppelt. Das Sensor-Modulationsbauelement 316 ist mit der Modulationsvorspannungsquelle 322 und dem Sensorempfänger 314 verbunden.
Das Sensor-Modulationsbauelement 316 erzeugt Sensor-Modulationssignale, die Sensorinformationen/-daten für den Bus 318 bereitstellen. Die Sensorinformationen schließen zum Beispiel Sensormessungen, Temperatur und dergleichen ein. Das Vorhandensein der Sensor-Modulationsvorspannungsquelle 322 erleichtert die Erzeugung von Sensor-Modulationssignalen bei verhältnismäßig niedrigen Spannungen, wie beispielsweise Millivolt. Die Sensorinformationen und die Signale werden innerhalb des Übertragungsbandes/der Übertragungsbänder erzeugt.
Der Sensorempfänger 314 ist mit dem Sensor-Modulationsbauelement 316 und dem dritten Anschluss des Busses 318 verbunden. Der Sensorempfänger 314 empfängt Signale, wie beispielsweise durch das Master-Modulationsbauelement 310 erzeugte Master-Modulationssignale. Der Sensorempfänger 314 schließt einen Widerstand ein, der in Parallelschaltung verbunden ist, um das Empfangen zu vereinfachen. Der Widerstand hat eine Impedanz, die im Allgemeinen um eine Leitungsimpedanz Z_L des Busses 318 festgesetzt ist. Bei einem Beispiel liegt die Leitungsimpedanz des Busses bei etwa 120 Ohm und der Widerstand liegt ebenfalls bei einer Impedanz von etwa 120 Ohm.
Die Impedanz der Sensorseite 304 ist bei niedrigen Frequenzen typischerweise größer als die Leitungsimpedanz des Busses 318 und neigt sich zu der Leitungsimpedanz hin, wenn der Frequenzbereich in den Bereich des Übertragungssignalbandes kommt.
Die Impedanzen der Sensorseite 304 und der Busmasterseite 302 sind so konfiguriert, dass sie Impedanzen innerhalb eines begrenzten Anpassungsbandes haben. Dieses Band ist ein Bereich von Werten bei der oder um die Leitungsimpedanz innerhalb der für die Datenübertragung verwendeten Bänder. Bei einem Beispiel schließt das begrenzte Anpassungsband einen Bereich zwischen etwa dem 0,5- und dem 2-Fachen der Leitungsimpedanz innerhalb der Übertragungsbänder ein.
Die EMC-Konformität kann durch die Verwendung eines breiteren Frequenzbandes für Datenübertragungsfrequenzen oder durch die Sende-/Empfangswege verwendete Bereiche von Frequenzen erreicht werden. Die Datenübertragung kann dann in einen Frequenzbereich, im Wesentlichen frei von Verzerrung, verschoben werden. Ferner ist die Datenübertragung bei höheren Frequenzen möglich, weil es keine Niederimpedanz-Anforderungen für die der Sensorseite 304 zugeführte Energie in dem Datenübertragungsfrequenzbereich gibt, was folglich den richtigen Leitungsabschluss erleichtert.
Bei niedrigeren Frequenzen kann die Versorgungsimpedanz verringert werden, wobei, verglichen mit anderen Herangehensweisen Reihenwiderstände weggelassen werden, auf Grund der Trennung der Versorgungsbandbreite oder -frequenzen und der Datenübertragungsfrequenzen.
Die Busseite 302 und die Sensorseite 304 können in Automobilsystemen und dergleichen benutzt werden. Für Automobilsysteme können elektronische Steuergeräte (ECU) an den Bus 318 gekoppelt und dafür konfiguriert sein, die Datenübertragung und die Spannungsregelung zu benutzen. Zum Beispiel kann das ECU dafür konfiguriert sein, Steuerungsinformationen zu erzeugen und sie über den Bus 318 für den Sensor 304 bereitzustellen. Ferner können mehrere Sensoren, wie beispielsweise der Sensor 304, ebenfalls mit dem Bus 318 verbunden sein und ebenfalls die Datenübertragung und die Spannungsregelung benutzen. Solche Sensoren können dafür konfiguriert sein, die oben beschriebenen Sensorinformationen zu erzeugen und automobiltypische Informationen, wie beispielsweise Radvibration, Drehgeschwindigkeit und dergleichen, bereitzustellen.
4A ist eine graphische Darstellung 400, die Spektralverteilungen für Signale in einem Sensorschnittstellensystem, das Frequenzbänder für Datenübertragung und Spannungsregelung trennt, abbildet. Die Verteilungen werden als Beispiele von typischen durch ein Sensorsystem, wie beispielsweise das oben beschriebene Sensorsystem 300 von 3, erzeugten Signalen bereitgestellt.
Die graphische Darstellung bildet eine logarithmische Frequenz entlang einer x-Achse und einen Bereich (P) der spektralen Leistungsdichte entlang einer y-Achse ab. Die graphische Darstellung schließt ein Versorgungssignal 402, ein Sensorsignal 404, ein LC- oder Leitungsresonanzsignal 406, EMC 408 und ein Steuergerätsignal 410 ein.
Das Versorgungssignal 402 ist der Ausgang der Spannungsquelle eines Busmasters, wie beispielsweise des Busmasters 302. Das Versorgungssignal 402 hat eine(n) kleine(n) Bandbreite oder Bereich von Betriebsfrequenzen, die als verhältnismäßig niedrig gezeigt werden. Das Datensignal 404 ist ein Datenübertragungs- oder Modulationssignal. Das Signal 404 kann zum Beispiel durch den Sensor-Sende-/Empfangsweg und/oder den Master-Sende-/Empfangsweg, wie oben beschrieben, erzeugt werden. Das Signal 404 hat eine(n) verhältnismäßig große(n) Bandbreite oder Bereich von Frequenzen, hat aber eine verhältnismäßig niedrige Leistung. Bei einem Beispiel verwendet das Signal 404 eine spektrale Leistungsdichte bei einem Bruchteil des Versorgungssignals 402.
Auf Grund des Weglassens der Puffer-/Sperrkondensatoren wird das Leitungsresonanzsignal 406, verglichen mit anderen Herangehensweisen, bei verhältnismäßig hohen Frequenzen gezeigt, wie beispielsweise in 2A gezeigt. Das Leitungsresonanzsignal 406 ist, verglichen mit anderen Herangehensweisen, gering, auf Grund der Begrenzung des Resonanz-Q-Faktors durch die Wahl des richtigen Leitungsabschlusses, der die Master- und die Sensorimpedanz an die Leitungsimpedanz anpasst. Es ist zu bemerken, dass das Leitungsresonanzsignal 406 in Koexistenz mit nur einem kleinen Teil des Signals 404 gezeigt wird. Folglich ist die Auswirkung der Leitungsimpedanz auf das Datensignal 404 wesentlich geringer als bei anderen Herangehensweisen.
Das Steuergerätsignal 410 ist ein Signal, das die Spannungsversorgung der masterseitigen Versorgungsspannung, wie beispielsweise der oben beschriebenen Versorgungsspannung 306, steuert. Das Signal hat eine Bandbreite, welche die niedrige Bandbreite des Energieversorgungsspektrums ausreichend überschreitet, aber das Datensignal 404, das zu einer höheren Frequenz moduliert oder verschoben worden ist, im Wesentlichen nicht überlagert.
Das EMC-Signal 408 stellt die in dem Sensorsystem vorhandene elektromagnetische Störung dar. Das EMC-Signal 408 verändert sich typischerweise in Abhängigkeit von Umsetzung und Betriebsumgebung.
4B ist eine graphische Darstellung, die Frequenzabhängigkeiten für ein Sensorschnittstellensystem, das Frequenzbänder für Datenübertragung und Spannungsregelung trennt, abbildet. Die Abhängigkeiten werden als Beispiele auf der Grundlage eines Sensorschnittstellensystems, wie beispielsweise des oben beschriebenen Systems 300, bereitgestellt.
Eine x-Achse bildet die Frequenz auf eine logarithmische Weise ab (log f). Die y-Achse bildet die Impedanz Z im absoluten Wert ab.
Die Linie 464 stellt eine Leitungsimpedanz für einen Systembus, wie beispielsweise den oben beschriebenen Bus 318, dar. Die Leitungsimpedanz ist bei veränderten Frequenzen im Wesentlichen konstant. Die Linie 458 stellt eine Impedanz für einen Busmaster, wie beispielsweise die oben beschriebene Busmasterseite 302, dar. Es ist zu sehen, dass die Busmasterimpedanz bei niedrigeren Frequenzen verhältnismäßig niedrig ist. Jedoch stimmt die Busmasterimpedanz innerhalb eines Übertragungsfrequenzbereichs 462 im Wesentlichen mit der Leitungsimpedanz überein. Ein Sensor oder ein Bus-Slave, wie beispielsweise die oben beschriebene Sensorseite 304, hat eine durch die Linie 460 abgebildete Impedanz. Die Sensorimpedanz ist bei niedrigeren Frequenzen verhältnismäßig groß, stimmt aber innerhalb des Übertragungsfrequenzbereichs 462 im Wesentlichen mit der Leitungsimpedanz überein. Sowohl die Sensor-Leitungsimpedanz als auch die Busmaster-Leitungsimpedanz fallen in ein begrenztes Anpassungsband 466 innerhalb des Übertragungsfrequenzbereichs oder Übertragungsbandes.
Bei Frequenzen jenseits des Übertragungsfrequenzbereichs 462 können die Sensorimpedanz und/oder die Busmasterimpedanz von der Leitungsimpedanz abweichen, aber dies geschieht bei Frequenzen ohne Bedeutung, gleichgültigen Frequenzen.
5 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren 500 zum Bereitstellen von Spannungsregelung und Datenübertragung über einen Bus illustriert. Das Verfahren 500 moduliert oder verschiebt Frequenzen zur Datenübertragung weg von der Spannungsregelung. Außerdem wird der Energieverbrauch für die Datenübertragung auf Grund der Frequenztrennung gemindert.
Das Verfahren 500 beginnt bei Block 502, wobei ein Systembus bereitgestellt wird. Der Systembus kann ein Automobil-Systembus sein, der in Automobilsystemen verwendet wird. Solche Automobil-Systembusse haben typischerweise Leitungslängen, die von Zentimetern bis zu vielen Metern reichen. Bei einem Beispiel schließt der Bus zwei Kabel ein, die sowohl für Spannungsregelung als auch für Datenübertragung verwendet werden.
Der Bus hat typischerweise mehrere an denselben gekoppelte Bauelemente. Zum Beispiel können ein Busmaster und mehrere Sensoren an den Bus gekoppelt sein.
Die Spannungsregelung wird mit einer Spannungsregelungsbandbreite bei Block 504 erzeugt. Z.B. wird eine geregelte Spannung bereitgestellt. Die Spannungsregelung wird durch eine Spannungsquelle, wie beispielsweise eine in einem an den Systembus gekoppelten Busmaster vorhandene Spannungsquelle, erzeugt. Die Spannungsregelung ist mit ausgewählten Charakteristika versehen, einschließlich der Regelungsbandbreite, des oberen und des unteren Spannungspegels, der Strompegel und dergleichen. Die Spannungsregelungsbandbreite ist verhältnismäßig niedrig, wie beispielsweise durch die Linie 402 in 4A gezeigt.
Die Datenübertragung wird bei einer Datenübertragungsbandbreite bei Block 506 erzeugt. Die Datenübertragung schließt Informationen/Daten ein, die an den Systembus gesendet und durch ein anderes an den Systembus gekoppeltes Bauelement empfangen werden sollen. Die Datenübertragungsinformationen schließen Steuerungsinformationen, Sensormessungen und dergleichen ein. Die Datenübertragung wird moduliert oder von einer ursprünglichen Bandbreite bei einer ursprünglichen Mittenfrequenz, wie beispielsweise der durch die Linie 204 in 2A gezeigten Bandbreite, zu einem verschobenen Frequenzband bei einer verschobenen oder höheren Mittenfrequenz, wie beispielsweise dem durch die Linie 404 in 4A gezeigten Band, verschoben. Die Bandbreite selbst kann sich, auf der Grundlage eines benutzten Modulationsschemas, von einer ursprünglichen Bandbreite zu einer verschobenen Bandbreite verändern. Ein Modulationsbauelement, wie beispielsweise die oben beschriebenen, kann dazu benutzt werden, die Datenübertragung zu verschieben und zu erzeugen.
Die Spannungsregelung (z.B. eine geregelte Spannung) und die Datenübertragung werden bei Block 508 für den Systembus bereitgestellt. Die Spannungsregelung und die Datenübertragung können kombiniert werden, bevor sie auf den Bus gelegt werden. Bei einem Beispiel wird ein Koppler oder Mischer dazu verwendet, die Spannungsregelung und die Datenübertragung zu kombinieren. Bei einem anderen Beispiel wird die Spannungsregelung durch einen Busmaster auf den Bus gelegt, und die Datenübertragung wird durch einen Sensor auf den Bus gelegt.
Zusätzlich kann eine Impedanzanpassung durchgeführt werden, um die Datenübertragung richtig abzuschließen. Dies wird erreicht durch das Konfigurieren von Abschlussimpedanzen für die an der Datenübertragung über den Bus beteiligten Bauelemente. Die Bauelemente werden dadurch konfiguriert, dass ihre Abschlussimpedanz mit einer Leitungsimpedanz des Busses angepasst wird.
Während das Verfahren 500 unten als eine Reihe von Handlungen oder Ereignissen illustriert und beschrieben wird, wird zu erkennen sein, dass die illustrierte Ordnung solcher Handlungen oder Ereignisse nicht in einem begrenzenden Sinn ausgelegt werden soll. Zum Beispiel können einige Handlungen in unterschiedlichen Reihenfolgen und/oder gleichzeitig mit anderen Handlungen oder Ereignissen, abgesehen von den hierin illustrierten und/oder beschriebenen, erfolgen. Außerdem mögen nicht alle illustrierten Handlungen erforderlich sein, um einen oder mehrere Aspekte oder Ausführungsformen der Offenbarung hierin umzusetzen. Ebenfalls können eine oder mehrere der hierin abgebildeten Handlungen in einer oder mehreren gesonderten Handlungen und/oder Phasen ausgeführt werden.
Es ist zu erkennen, dass der beanspruchte Gegenstand umgesetzt werden kann als ein Verfahren, eine Vorrichtung oder ein Fertigungsartikel unter Verwendung von standardmäßigen Programmierungs- und/oder Konstruktionstechniken, um Software, Firmware, Hardware oder eine beliebige Kombination derselben zu erzeugen, um einen Rechner zu steuern, um den offenbarten Gegenstand umzusetzen (z.B. sind die in 1, 2 usw. gezeigten Systeme nichtbegrenzende Beispiele eines Systems, das zum Umsetzen des Verfahrens 500 verwendet werden kann). Der Begriff „Fertigungsartikel“, wie er hierin verwendet wird, soll ein Rechnerprogramm umfassen, auf das von einem beliebigen rechnerlesbaren Gerät, Träger oder Medium zugegriffen werden kann. Selbstverständlich werden die Fachleute erkennen, dass an dieser Konfiguration viele Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von dem Rahmen oder dem Geist des beanspruchten Gegenstandes abzuweichen.
Ein Sensorschnittstellensystem schließt einen Systembus, einen Busmaster und einen Sensor ein. Der Busmaster ist an den Systembus gekoppelt. Der Busmaster ist dafür konfiguriert, eine Spannungsregelung bei einer ersten Bandbreite bereitzustellen und eine Datenübertragung innerhalb oder bei einer zweiten Bandbreite durchzuführen. Der Sensor ist ebenfalls an den Systembus gekoppelt. Der Sensor ist dafür konfiguriert, die Spannungsregelung zu empfangen oder zu benutzen und die Datenübertragung innerhalb oder bei der zweiten Bandbreite durchzuführen.
Ein anderes Sensorschnittstellensystem schließt einen Bus und einen Sende-/Empfangsweg ein. Der Sende-/Empfangsweg ist an den Bus gekoppelt. Ferner ist der Sende-/Empfangsweg dafür konfiguriert, die Datenübertragung von einem ersten Frequenzbereich hoch zu einem zweiten Frequenzbereich zu verschieben.
Es wird ein Verfahren zum Bereitstellen von Spannungsregelung und Datenübertragung bereitgestellt. Es wird ein Systembus oder ein Bus bereitgestellt. Die Spannungsregelung wird in einem ersten Frequenzband erzeugt. Die Datenübertragung wird bei einem zweiten Frequenzband erzeugt. Das zweite Frequenzband wird gegenüber der ersten Bandbreite verändert. Die Spannungsregelung und die Datenübertragung werden für den Systembus bereitgestellt.
In besonderem Bezug auf die verschiedenen Funktionen, die durch die oben beschriebenen Bauelemente oder Strukturen (Baugruppen, Vorrichtungen, Schaltungen, Systeme usw.) ausgeführt werden, sollen die Begriffe (einschließlich einer Bezugnahme auf ein „Mittel“), die dazu verwendet werden, solche Bauelemente zu beschreiben, einem/einer beliebigen Bauelement oder Struktur entsprechen, das/die die spezifizierte Funktion des beschriebenen Bauelements ausführt (z.B. das/die funktionell äquivalent ist), selbst wenn es/sie der offenbarten Struktur, welche die Funktion in den hierin offenbarten beispielhaften Umsetzungen der Erfindung ausführt, nicht strukturell äquivalent ist. Außerdem kann, während ein bestimmtes Merkmal der Erfindung in Bezug auf nur eine von mehreren Umsetzungen offenbart worden sein kann, ein solches Merkmal mit einem oder mehreren anderen Merkmalen der anderen Umsetzungen kombiniert werden, wie es erwünscht und für eine beliebige gegebene oder besondere Anwendung vorteilhaft sein mag. Fernerhin ist, sofern die Begriffe „einschließlich“, „schließt ein“, „aufweisend“, „weist auf“, „mit“ oder Varianten derselben sowohl in der ausführlichen Beschreibung als auch in den Ansprüchen verwendet werden, beabsichtigt, dass solche Begriffe auf eine ähnliche Weise wie der Begriff „umfassend“ inklusiv sind.

Claims

Automobil-Sensorschnittstellensystem (300), umfassend: einen Systembus (318); und einen Busmaster (302), der mit dem Systembus (318) gekoppelt ist, eine geregelte Spannungsquelle (306) zum Bereitstellen einer geregelten Spannung, wobei eine Spannungsregelungsbandbreite (402) in einem ersten Frequenzband liegt, und einen Sende-/Empfangspfad parallel zu der geregelten Spannungsquelle (306), der mit dem Systembus (318) gekoppelt ist und eingerichtet ist, eine Datenübertragung bei einem zweiten Frequenzband, welches bei höheren Frequenzen liegt als das erste Frequenzband, durchzuführen, umfasst, und wenigstens einen Sensor (304), der mit dem Systembus (318) gekoppelt ist und eingerichtet ist, seine Versorgung mit Leistung von der geregelten Spannungsquelle (306) zu empfangen und eine Datenübertragung innerhalb des zweiten Frequenzbandes durchzuführen.
Automobil-Sensorschnittstellensystem (300) nach Anspruch 1, wobei der Systembus (318) wenigstens ein Paar von Drähten umfasst.
Automobil-Sensorschnittstellensystem (300) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Systembus (318) eine Leitungsimpedanz von näherungsweise 120 Ohm hat.
Automobil-Sensorschnittstellensystem (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Systembus (318) eine Länge zwischen näherungsweise 2 Zentimeter und 12 Meter hat.
Automobil-Sensorschnittstellensystem (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das ferner zusätzliche mit dem Systembus (318) gekoppelte Komponenten umfasst.
Automobil-Sensorschnittstellensystem (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Busmaster (302)einen Master-Sende-/Empfangspfad (308, 310, 320) parallel zu der geregelten Spannungsquelle (306) umfasst, der eingerichtet ist, die Datenübertragung innerhalb des zweiten Frequenzbandes durchzuführen.
Automobil-Sensorschnittstellensystem (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die geregelte Spannungsquelle (306) eingerichtet ist, eine geregelte Versorgungsspannung für die Sensoren oder andere Slaves, die mit dem Systembus (318) verbunden sind, bereitzustellen.
Automobil-Sensorschnittstellensystem (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Sensor (304) einen Sensor-Sende-/Empfangspfad (314, 316, 322) umfasst, der eingerichtet ist, die Datenübertragung durchzuführen.
Automobil-Sensorschnittstellensystem (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Sensor (304) mindestens eine Schaltung (312) umfasst, die eine Last darstellt, die eingerichtet ist, die geregelte Spannung zu benutzen.
Automobil-Sensorschnittstellensystem (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Busmaster (302) und der Sensor (304) ausgestattet sind, dass sie Impedanzen innerhalb eines begrenzten Anpassungsbereichs um eine Leitungsimpedanz des Systembusses (318) innerhalb des zweiten Frequenzbandes aufweisen.
Automobil-Sensorschnittstellensystem (300) nach Anspruch 10, wobei der begrenzte Anpassungsbereich innerhalb eines Bereichs zwischen dem 0,5- und dem 2-Fachen der Leitungsimpedanz liegt.
Automobil-Sensorschnittstellensystem (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das zweite Frequenzband etwa 10-mal höher liegt als das erste Frequenzband.
Sensorschnittstellensystem (300), umfassend: einen Systembus (318); einen Busmaster (302), umfassend: eine geregelte Spannungsquelle (306) zum Bereitstellen einer geregelten Spannung, wobei eine Spannungsregelungsbandbreite (402) in einem ersten Frequenzband liegt, und einen Sende-/Empfangspfad parallel zu der geregelten Spannungsquelle (306), der mit dem Systembus (318) gekoppelt und eingerichtet ist, eine Datenübertragung von einem ersten Frequenzbereich hoch zu einem zweiten Frequenzband zu verschieben, wobei das zweite Frequenzband bei höheren Frequenzen liegt als das erste Frequenzband.
Sensorschnittstellensystem (300) nach Anspruch 13, wobei der Sende-/Empfangspfad eingerichtet ist, Daten von dem Systembus (318) zu empfangen.
Sensorschnittstellensystem (300) nach Anspruch 13 oder 14, das ferner eine mit dem Systembus (318) gekoppelte Last umfasst, wobei die Last von dem Systembus (318) bezogene Leistung verbraucht.
Sensorschnittstellensystem nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei der Sende-/Empfangspfad eine Modulationseinrichtung (310) umfasst, die eingerichtet ist, Modulationssignale in dem zweiten Frequenzband zu erzeugen.
Sensorschnittstellensystem (300) nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei der Busmaster (302) eine Impedanz innerhalb eines begrenzten Anpassungsbereichs um eine Leitungsimpedanz innerhalb des zweiten Frequenzbands aufweist.
Verfahren zum Bereitstellen von Spannungsregelung und Datenübertragung, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Systembusses (318); Erzeugen einer geregelten Spannung durch eine geregelte Spannungsquelle (306) mit einer Spannungsregelungsbandbreite (402) in einem ersten Frequenzband; Erzeugen einer Datenübertragung mittels eines Sende-/Empfangspfads parallel zu der geregelten Spannungsquelle (306) in einem zweiten Frequenzband, wobei das zweite Frequenzband bei höheren Frequenzen liegt als das erste Frequenzband; und Bereitstellen der geregelten Spannung und der Datenübertragung für den Systembus (318).
Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend: Empfangen der geregelten Spannung von dem Systembus (318), und Bereitstellen von Sensordaten für den Systembus (318) durch einen Sensor (304).