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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren, einer Vorrichtung bzw. einem Computerprogramm zur Datenübertragung, insbesondere in einem Bordnetz eines Fahrzeugs, vorzugsweise eines Automobils.
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In Bordnetzen von Automobilen werden Daten in Datenpaketen, beispielsweise nach Ethernet Standard, übertragen. Physikalisch erfolgt die Übertragung beispielsweise mittels Zweidraht-Übertragungstechnologie 100Base-T1.
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Die über das Bordnetz miteinander kommunizierenden Steuergeräte eines Automobils haben stark begrenzte Ressourcen. Bauteile in den Steuergeräten, wie Prozessoren und Speicher, sind daher energiesparend ausgebildet.
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Ethernet, insbesondere Ethernet 100Base-T1, überträgt Daten mit max. 100 Mbit/s. Dadurch ist Ethernet um ein vielfaches schneller als CAN, LIN oder FlexRay. Allerdings wird zum Übertragen von Daten deutlich mehr Strom benötigt. Der Strombedarf der Kommunikation selbst, d.h. der Transceiver bzw. PHYs, ist unabhängig von der gesendeten Datenrate. Selbst wenn keine Daten übertragen werden verbrauchen die PHYs den gleichen Strom wie bei voller Auslastung. Dies resultiert daraus, dass Ethernet-PHYs zyklisch Link-Pulse aussenden (sogenannte ldle-Codegruppen) um die Verbindung stets aufrecht zu erhalten.
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Zur Reduzierung des Verbrauchs der Energie wird durch den Standard Energy Efficient Ethernet der Strombedarf der Kommunikationstransceiver reduziert.
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Hierzu wird der PHY während der Kommunikation (wenn keine Daten gesendet werden) ausgeschaltet. Wenn neue Daten anstehen oder wenn Link-Pulse gesendet werden, wird der PHY binnen weniger μS wieder aufgeweckt. Sollte aber eine Kommunikation mit hoher Übertragungsfrequenz vorliegen, wie dies bei Ethernet Audio Video Bridging oder Time Sensitive Networking der Fall sein kann, dann kann der Transceiver nicht ausgeschaltet werden, da sonst die Kommunikation verzögert wird.
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Das bedeutet, dass selbst bei einer Auslastung von weniger als 10 Mbit/s und einer typischen Sendefrequenz von 8kHz kein Strom mehr eingespart werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass Energie, die für den Betrieb eines Transceivers am Sender ohnehin aufgewendet wird, über die Signalleitung zur Rückgewinnung beim Empfänger, also nicht im selben Steuergerät, verwendet wird.
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Vorteilhafterweise werden dazu mehr Datenpakete gesendet als für den Betrieb der Transceiver nach einem Übertragungsprotokoll notwendig ist. Diese zusätzlichen Datenpakete werden zum Gewinnen von Energie genutzt und vorzugsweise vom Microcontroller des Empfängers ferngehalten.
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Die Energie wird dabei beispielsweise in Form von Strom übertragen, der von einer Stromquelle beim sendenden Steuergerät zu einem Energiespeicher beim empfangenden Steuergerät fließt.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den untergeordneten Ansprüchen und den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen.
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Es zeigen
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1 schematisch ein Schaltbild zweier verbundener Steuergeräte,
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2 schematisch einen Teil eines Steuergeräts,
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3a schematisch einen Teil eines Schaltbilds gemäß einem ersten Beispiel,
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3b schematisch einen Teil eines Schaltbilds gemäß einem zweiten Beispiel,
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3c schematisch einen Teil eines Schaltbilds gemäß einem dritten Beispiel,
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3d schematisch einen Teil eines Schaltbilds gemäß einem vierten Beispiel,
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4 schematisch einen Signalfluss,
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5 schematisch einen Ablauf eines Verfahrens.
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1 zeigt schematisch ein Schaltbild zweier verbundener Steuergeräte 110, 120. Die Steuergeräte sind beispielsweise über eine Ethernet Verbindung verbunden. Als Transportmedium bzw. Signalleitung 105 wird beispielsweise ein Kupferkabel verwendet. Vorzugsweise wird eine verdrillte Zweidrahtverbindung, insbesondere aus Kupfer, verwendet.
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1 zeigt einen ersten Transceiver 111 und einen zweiten Transceiver 121, die im ersten Steuergerät 110 bzw. im zweiten Steuergerät 120 angeordnet sind. Die Transceiver sind beispielsweise Hardwarekomponenten, bekannt als PHY.
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1 zeigt einen ersten Microcontroller 113 an dem ein erster Media Access Controller 114 angeordnet ist. 1 zeigt einen zweiten Microcontroller 123 an dem ein zweiter Media Access Controller 124 angeordnet ist. Diese sind im ersten Steuergerät 110 bzw. im zweiten Steuergerät 120 angeordnet und über die Signalleitung 105 miteinander und mit dem Transceiver 111 bzw. 121 über einen Datenbus 115 bzw. 125 verbunden.
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1 zeigt eine erste Stromquelle 112 und eine zweite Stromquelle 122, die im ersten Steuergerät 110 bzw. im zweiten Steuergerät 120 angeordnet sind. Die Stromquellen versorgen die jeweiligen Controller und Transceiver mit Energie.
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Die jeweiligen Transceiver sind im Beispiel als Baustein extern zum jeweiligen Mikroprozessor ausgebildet. Vorzugsweise werden die Transceiver separat, beispielsweise über separate Leitungen, mit Strom versorgt.
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Im Beispiel von 1 ist vorgesehen, dass die erste Stromquelle 112 über die miteinander kommunizierenden ersten Transceiver 111 und zweiten Transceiver 121 Energie an das zweite Steuergeräte 120 übertragen kann.
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Im Beispiel ist dazu vorgesehen, die generierten Signales des Transceivers 111 auf einem verdrillten Kupferkabel beispielsweise nach Automotive Ethernet-Standards 100Base-T1 und 1000Base-T1 zum zweiten Steuergerät 120 zu übertragen.
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2 zeigt schematisch einen Teil des zweiten Steuergeräts 120. Das erste Steuergerät 110 kann genauso ausgebildet sein.
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Das zweite Steuergerät 120 umfasst einen Energiespeicher 126, beispielsweise einen Kondensator oder einen Akkumulator. Der Energiespeicher 126 ist zumindest zeitweise durch eine Schalteinrichtung 127 mit der Signalleitung 105 elektrisch leitend verbindbar. Die Schalteinrichtung 127 ist ausgebildet, die Verbindung zum Energiespeicher 126 zu bestimmbaren Zeitpunkten herzustellen.
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Wenn der Energiespeicher 126 mit durch die Schalteinrichtung 127 mit der Signalleitung 105 verbunden ist, werden an der Schalteinrichtung 127 eintreffende Datenpakete 210 zum Energiespeicher 126 geleitet. Anderenfalls werden eintreffende Datenpakete 220 zum Microcontroller 123 geleitet. Es kann vorgesehen sein, dass die Schalteinrichtung 127 empfangene Datenpakete teilweise zum Energiespeicher 126 und teilweise zum Microcontroller 123 leitet.
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In den 3a bis 3d sind unterschiedliche Beispiele für die Anordnung der Schalteinrichtung 127 im Steuergerät 120 angegeben.
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In dem in 3a dargestellten Beispiel ist der Energiespeicher 126 mit einem Eingang des Transceivers 121, zumindest zeitweise verbindbar angeordnet. Der Eingang des Transceivers 121 zum Empfang von elektrischen Signalen vom Transceiver 111 angeordnet. Die Schalteinrichtung 127 weist einen Eingang auf, der vorzugsweise zum Anschluss mindestens eines von zwei verdrillten Drähten zur Übertragung von Datenpaketen geeignet ist. Die Schalteinrichtung 127 weist zudem einen Ausgang auf, der über eine Datenleitung 301 mit dem Eingang des Transceivers 121 elektrisch leitend verbindbar ist. Die Datenleitung 301 ist vorzugsweise als Datenbus oder ebenfalls als verdrillte Zweidrahtleitung ausgebildet.
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In dem in 3b dargestellten Beispiel ist der Energiespeicher 126 mit einem Ausgang des Transceivers 121 zumindest zeitweise verbindbar angeordnet. Der Ausgang ist vorzugsweise als Media Independent Interface, Media Dependend Interface, Reduced Media Independent Interface oder Sequential Media Independent Interface ausgebildet. Die Schalteinrichtung 127 ist dabei mit mindestens einem der Kanäle 302 zur Datenübertragung über das jeweilige Interface elektrisch leitend verbindbar angeordnet.
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In dem in 3d dargestellten Beispiel ist der Energiespeicher 126 mit dem Eingang des Transceivers 121, zumindest zeitweise verbindbar angeordnet. Dabei ist die Schalteinrichtung 127 in den Transceiver 121 integriert.
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In dem in 3b dargestellten Beispiel ist der Energiespeicher 126 mit einem Eingang des Media Access Controllers 124 zumindest zeitweise elektrisch leitend verbindbar angeordnet. Der Eingang ist vorzugsweise als ein Media Independent Interface, Media Dependend Interface, Reduced Media Independent Interface oder Sequential Media Independent Interface ausgebildet. Die Schalteinrichtung 127 ist vorzugsweise in den Media Access Controller 124 integriert.
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Anhand der 4 wird im Folgenden ein Signalisierungsprotokoll beschrieben. Das Signalisierungsprotokoll dient dem Austausch über die Sendung von zusätzlichen Datenpaketen, welche zur Rückgewinnung von Energie bzw. Strom benutzt werden können. Der Austausch mittels des Signalisierungsprotokolls findet im Beispiel zwischen dem ersten Steuergerät 110, im Folgenden als Sender bezeichnet, und dem zweiten Steuergerät 120, im Folgenden als Empfänger bezeichnet, statt.
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Damit der erste Mikrocontroller 113 auf Seiten des Senders nicht zusätzlich Rechenleistung benötigt, werden Datenpakete, die zur Energieübertragung zusätzlich zu den Datenpaketen eines Übertragungsprotokolls erzeugt werden, vorzugsweise in der Hardware generiert. Beispielsweise kann dies im Media Access Controller 114 durch eine Duplizierung und vorteilhafterweise durch Markierung geschehen, ohne dass hierbei der erste Mikrocontroller 113 belastet wird. Die Duplizierung erfolgt beispielsweise nach Ethernet Standard TSN 802.1 CB. Vorteilhafterweise werden so Datenpakete als zusätzliche Datenpakete verwendet, die ohnehin zur Erhöhung der Robustheit im Sender generiert wurden, vor der Übertagung aber senderseitig eliminiert werden. Ebenso kann das Transportprotokoll 1722 verwendet werden. Der Microcontroller 113 kann auch abgeschaltet werden, wenn beispielsweise das Übertragungsprotokoll dies erlaubt.
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zeigt beispielhaft Teiler der Kommunikation zwischen zwei miteinander verbundenen Steuergeräten.
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Nach dem Start sendet der Empfänger 120, eine erste Nachricht 401, an den Sender 110. In der Nachricht 401 fragt der Empfänger 120 den Sender 110 an, Energie zu übertragen.
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Nach dem Erhalt der Nachricht 401 prüft der Sender 110 in einem Schritt 402 ob Energie übertragen werden kann. Beispielsweise wird zur Übertragung von Datenpaketen ein Übertragungsprotokoll verwendet, das eine Datenrate oder Datenmenge vorgibt oder in dem Sendepausen vorgesehen sind. In diesem Fall wird geprüft, ob die Datenrate oder die Datenmenge zur Sendung zusätzlicher Datenpakete erhöht, oder ob in der vorgesehenen Sendepause zusätzliche Datenpakete übertragen werden können.
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Das Ergebnis der Prüfung wird anschließend vom Sender 110 in einer zweiten Nachricht 403 an den Empfänger 120 gesendet.
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Wenn die Prüfung ergibt, dass keine zusätzlichen Datenpakete übersendet werden können, wird eine negative Antwort gesendet. Anderenfalls wird eine positive Antwort gesendet.
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Bei einer negativen Antwort wird die Datenübertragung gemäß dem Übertragungsprotokoll fortgesetzt. Es kann vorgesehen sein, die Anfrage in Nachricht 401 zu wiederholen.
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Bei Erhalt einer positiven Antwort wird im Beispiel in einer Nachricht 404 ein vorgegebener Sendeparameter vom Empfänger 120 zum Sender 110 gesendet.
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Der Sendeparameter ist beispielsweise eine Sendedatenrate pro Zeiteinheit.
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Alternativ oder zusätzlich kann die positive Antwort selbst den Sendeparameter umfassen.
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Bei Erhalt der Nachricht 404 wird der Sendeparameter vom Sender 110 durch eine Nachricht 405 an den Sender 110 bestätigt.
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Zusätzlich kann vorgesehen sein in einer Nachricht 406 einen weiteren Parameter zu übermitteln.
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Der weitere Parameter umfasst beispielsweise Information über die oder eine Klassifizierung der zusätzlichen Datenpakete, insbesondere nach
- – der Häufigkeit und/oder Menge der zusätzlichen Datenpakete,
- – Empfangs- und/oder Sendezeitpunkten der zusätzlichen Datenpakete,
- – einem Parameter der die Sendedatenrate beschreibt,
- – einem Parameter durch den definiert wird, wie erkannt werden kann ob es sich um wichtige, d.h. nicht oder nur sehr wenig zur Speicherung geeignete Datenpakete, oder unwichtige, beispielsweise extra generierte Daten zur Gewinnung von Energie, bzw. Strom handelt.
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In einer optionalen Nachricht 407 wird der mit Nachricht 406 erhaltene weitere Parameter bestätigt. Die Nachricht 407 wird im Beispiel vom Empfänger 120 zum Sender 110 gesendet.
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Nach dieser Signalisierung findet dann der Datenverkehr, beispielsweise durch Übermittlung zusätzlicher Datenpakete in Nachrichten 408a, 408b, 408c statt.
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Dieser Datenverkehr wird dann entweder vom Sender 110 oder Empfänger 120 nach Bedarf mittels einer entsprechenden weiteren Nachricht (nicht dargestellt) gestoppt. Bedarf zu stoppen besteht beispielsweise wenn der Energiespeicher 126 voll ist oder dann, wenn aufgrund einer Änderung eines Parameters des Übertragungsprotokolls keine weiteren zusätzlichen Datenpakete gesendet werden können.
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Beispielsweise wird die Datenrate mittels der Übertragung zusätzlicher Datenpakete auf einen Wert größer 75%–95%, vorzugsweise 100% erhöht.
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Je nach Energie- bzw. Strombedarf kann vorgesehen sein die Datenrate anzupassen oder den Standard 802.3 CB zu nutzen um die Datenrate festzulegen.
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In 5 ist ein Verfahren beim Empfang von Datenpaketen schematisch auszugsweise dargestellt. 5 zeigt ein Zustandsdiagramm das auf Basis einkommender Datenpakete entscheidet ob diese für die Speicherung genutzt werden oder ob sie weitergeleitet werden. Dazu werden die auf Basis der vorher beschriebenen Aushandlung festgelegten Sendeparameter oder die weitere Parameter verwendet, um die Datenpakete zu unterscheiden. Beispielsweise werden die für die Übertragung von Nutzdaten nach dem Übertragungsprotokoll wichtigen Datenpakete von unwichtigen Datenpaketen unterschieden. Diese sind durch entsprechende Klassifizierung erkennbar. Unwichtige Datenpakete werden zur Energie- bzw. Stromgewinnung verwendet. Zudem oder alternativ kann vorgesehen sein, als wichtig erkannte Datenpakete bei guter Signalqualität zur Energie- bzw. Stromgewinnung zu benutzen. Dies kann durch eine Abschwächung der Signalqualität erfolgen. Diese erfolgt jedoch nur soweit dass die Datenpakete danach noch lesbar sind und interpretiert werden können.
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Nach dem Start wird in einem Schritt 501 ein eintreffendes Signal erfasst. Im Beispiel wird ein eintreffendes elektrisches Signal erfasst. Anschließend wird ein Schritt 502 ausgeführt.
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Im Schritt 502 wird eine Unterscheidung zwischen wichtigem und unwichtigem Signal getroffen. Falls es sich um ein unwichtiges Signal handelt, wird ein Schritt 503 ausgeführt. Anderenfalls wird ein Schritt 504 ausgeführt.
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Die Unterscheidung erfolgt beispielsweise dadurch, dass ein zusätzliches Datenpaket empfängerseitig durch einen vorgegebenen Parameter, beispielsweise abhängig von Information über das zusätzliche Datenpaket ausgewählt wird. Die Information kann insbesondere den Inhalt des zusätzlichen Datenpakets, vorzugsweise den Paketheader, betreffen oder das Übertragungsprotokoll, insbesondere eine Datenrate oder Datenmenge oder einen Protokolltyp betreffen.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Unterscheidung auch zeitgesteuert erfolgen. Die Sende- bzw. Empfangszeitpunkte können dabei aufgrund des Übertragungsprotokolls für ein Datenpaket bekannt sein oder bestimmt werden.
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Mittels des vorgegebenen Parameters oder durch die Zeitsteuerung erfolgt dabei die Bestimmung des Zeitpunkts zur Verbindung mit dem Energiespeicher 126. Zudem wird die Verbindung vorzugsweise zu einem weiteren Zeitpunkt unterbrochen. Der weitere Zeitpunkt wird beispielsweise abhängig von derselben Information bestimmt, wie der vorgegebene Parameter. Der weitere Zeitpunkt wird beispielsweise so bestimmt, dass zumindest ein Teil des elektrischen Signals, das zur Übertragung des zusätzlichen Datenpakets gesendet wurde, an den Energiespeicher 126 geleitet wird. Vorzugseise wird der Teil des elektrischen Signals bis zum Ende der Übertragung des zusätzlichen Datenpakets an den Energiespeicher 126 geleitet.
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Dazu wird beispielsweise die Signalleitung 105 in einem Schritt 505 empfängerseitig zur Gewinnung von Energie aus mindestens einem Teil des elektrischen Signals, zumindest zeitweise, mit dem Energiespeicher 126 elektrisch leitend verbunden. Beim verdrillten Zweidraht 105 werden vorzugsweise beide Drähte mit dem Energiespeicher 126 verbunden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn zumindest der Teil eines elektrischen Signals, der nicht dem Energiespeicher 126 zugeführt wird, zur Datenübertragung mittels Datenpaketen gemäß dem Übertragungsprotokoll verwendet wird.
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Vorteilhafterweise wird im Schritt 504 für wichtige Signale eine Signalqualität mindestens eines elektrischen Signals zur Übertragung eines gemäß dem Übertragungsprotokoll erzeugten Datenpakets ermittelt.
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Diese wird in einem Schritt 506 geprüft. Vorteilhafterweise wird Energie aus diesem wichtigen Datenpaket nur dann teilweise der Energiegewinnung zugeführt, wenn die Signalqualität ein vorgebbares Kriterium erfüllt. Das vorgebbare Kriterium wird beispielsweise als Signal/Rausch-Verhältnis so gewählt, dass das Datenpaket aus dem verbleibenden elektrischen Signal auch nach Abführung der Energie zum Energiespeicher noch zuverlässig rekonstruiert werden kann.
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Wenn die Signalqualität das vorgebbare Kriterium erfüllt, wird ein Schritt 509 ausgeführt. Anderenfalls wird in einem optionalen Schritt 507 geprüft ob die Signalqualität gerade noch akzeptabel zur Rekonstruktion des Datenpakets ist.
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Falls dies der Fall ist, oder wenn der optionale Schritt 507 nicht ausgeführt wird, wird das elektrische Signal in einem Schritt 508 zum Empfang des Datenpakets weitergeleitet. Das bedeutet, dass das Datenpaket nicht zur Energie- bzw. Stromgewinnung verwendet wird.
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Im Schritt 509 wird ein Parameter ermittelt der vorgibt wieviel Energie dem elektrischen Signal abgeführt werden kann, ohne dass die Qualität des Signals zu schlecht für die Rekonstruktion des Datenpakets wird.
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Anschließend wird in einem Schritt 510 mindestens der Teil des elektrischen Signals, der nicht zur Übertragung dieses Datenpakets verwendet wird, dem Energiespeicher 126 zugeführt.
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Der andere Teil wird zur Rekonstruktion des Datenpakets weitergeleitet.
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Vorteilhafterweise wird mindestens ein Parameter zur Bestimmung des Zeitpunkts zur Verbindung der Signalleitung mit dem Energiespeicher 126, wie beispielsweise für Nachricht 406 beschrieben, empfangen. Vorteilhafterweise wird der Zeitpunkt abhängig vom empfangenen Parameter bestimmt. Die Schalteinrichtung 127 ist im Beispiel dazu ausgebildet zu diesem Zeitpunkt die Verbindung herzustellen. Die Schalteinrichtung 127 ist zudem im Beispiel ausgebildet, die Verbindung zum weiteren Zeitpunkt zu trennen.
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Die beschriebenen Ausführungsformen können Anwendung finden, wenn eine auf Ethernet basierende Kommunikation im Automobil eingesetzt wird. Der Einsatz von Ethernet-basierter Kommunikation bietet die Möglichkeit viele Funktionsbereiche und Anwendungen abzudecken und kann auch zum Einsatz kommen, wenn viele Daten transportiert werden müssen. Insbesondere können Sensoren und Steuergeräte, an die die Sensoren angebunden sind, so Energie austauschen. Dieses Verfahren ermöglicht das Einsparen von Energie bzw. Strom und kann in allen Steuergeräten, Aktuatoren und Sensoren im Bordnetz eines Automobils eingesetzt werden.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bestehende Übertragungsprotokolle ohne neuen Standard bzw. neuen Kommunikationschip, Transceiver oder Media Access Controller, implementiert werden. Diese können in allen Steuergeräten die einen Ethernet-Anschluss haben eingesetzt werden. So können Kameras (Mono, Stereo, Surround View), Radarsteuergeräte, Lidar, Laserscanner, Antennenmodule, Gateways, Bodycontroller oder zentrale Steuergeräte wie beschrieben ausgebildet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Ethernet Standard TSN 802.1 CB [0037]
- Standard 802.3 CB [0054]
