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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kommunikationstechnischen Anbindung von Türkomponenten, die in einer Fahrzeugtür eingebaut sind, an eine Komponente, die in einer Fahrzeugkarosserie eingebaut ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Türknoten-Steuergerät zur Verwendung bei dem Verfahren und eine Fahrzeugtür, in die ein Türknoten-Steuergerät gemäß der Erfindung eingebaut ist.
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Hintergrund der Erfindung
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In modernen Fahrzeugen wird in den Türen, insbesondere in den Türen für die vorderen Passagiere, eine Vielzahl von elektronischen und elektromechanischen Komponenten verbaut. Dazu zählen u.a. elektrische Türschlösser, Fensterheber- und Außenspiegel-Motoren, Bedienelemente insbesondere für Außenspiegel, Fensterheber und Türverriegelung, Airbag-Drucksensoren für den Seitenaufprallschutz, eine Digital-Kamera für die Umfeldbeobachtung, wie TopView, eine Digital-Kamera ergänzend oder als Ersatz für den Rückspiegel, (Digitaler Außenspiegel), Leuchtmittel für Exterieur- und Interieur- (Ambientelicht)Beleuchtung, und Lautsprecher.
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Die Ansteuerung einer Vielzahl der oben genannten Komponenten wird von einem zentralen Steuergerät, das im Fahrzeuginnenraum untergebracht ist und auch unter dem Begriff Karosserie-Steuergerät bekannt ist und von sogenannten Türsteuergeräten oder Fensterheber-Steuergeräten durchgeführt, Die Tür- oder Fensterhebersteuergeräte sind komponentennah in der Tür verbaut.
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Die notwendigen Leitungen werden von der Tür über eine Türtrennstelle in den Fahrzeuginnenraum geführt. Anzahl und Typ der Leitungen werden hauptsächlich von der Auslegung der Fahrzeugvernetzung (Vernetzungsgrad und Vernetzungstechnologie) bestimmt. Dabei werden neben den Leitungen für die Kommunikationsbusse, wie LIN und CAN, auch diskrete Leitungen über die Türtrennstelle geführt. Als Beispiel werden die Leitungen zu den Beleuchtungen oder den Lautsprechern genannt, die oft von einem im Fahrzeug verbauten zentralen Verstärkermodul zu den einzelnen Lautsprechern verlegt werden.
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Solche diskreten Kupfer-Leitungen aber auch die Türtrennstelle selbst mit ihren robust ausgelegten Kontakten sind unter dem Kostenaspekt aber auch hinsichtlich der Gewichtsoptimierung nachteilhaft. Darüber hinaus sind sie ein limitierendes Element bei der Auslegung der Fahrzeugvernetzung und des Bordnetzes, insbesondere aber für neue und innovative Funktionen mit Bedarf an zusätzlichen Sensoren oder Aktuatoren in der Tür, die in der Laufzeit des Fahrzeuges, also nach der Markteinführung, eingeführt werden sollen.
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Hinzu kommt noch, dass die Türtrennstelle selbst in Ihrer Bemaßung von der Konstruktion von Tür- und Karosserieteilen bzgl. der Einbringung einer entsprechenden großen Öffnung begrenzt wird.
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Aus der
DE 10 257 721 B4 ist ein Türsteuerungssystem für das Gebäudemanagement bekannt, das mindestens drei verschiedenartige Schnittstellen für den wahlweisen Anschluss von drei unterschiedlich leistungsfähigen Arten/Stufen von Steuerungssystem-internen und Steuerungssystem-externen Bussystemen aufweist, die aber Mikrocontroller-externe Bussysteme sind. Als Beispiel werden Schnittstellen für den CAN-Bus (Controller Area Network), LIN-Bus (Local Interconnect Bus) und Ethernet genannt.
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Bei den heutigen Fahrzeugen werden die Leitungen für Lautsprecher (analog) und die Digital-Kameras über die Türtrennstelle geführt. Ebenfalls über die Türtrennstelle werden die Versorgungsleitungen für die weiteren Türkomponenten geführt. Das Türsteuergerät ist mit CAN-Schnittstelle vernetzt, so dass ebenfalls der CAN-Bus über die Türtrennstelle geführt wird. Als weiterer Kommunikationsbus wird der LIN-Bus über die Türtrennstelle geführt.
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Es gibt aber den Trend mit einem höheren Vernetzungsgrad die Zahl der Leitungen zu reduzieren. Im Fokus stehen insbesondere die Leitungen zu passiven Lautsprechern und Mikrofonen. Dazu werden die passiven Lautsprecher von aktiven Lautsprechern ersetzt, die mittels der proprietären Bus-Technologie A2B (Audio Bus) des Unternehmens Analog Devices vernetzt sind. Es können auch Steuergeräte mit A2B vernetzt sein, welche die Decodierung und Verstärkung der Audio-Signale durchführen (A2B-Verstärker).
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Es ist bekannt mit der Netzwerk-Technologie Automotive-Ethernet Audio- und Video-Daten zu übertragen. Dieser Netzwerkstandard wird zurzeit für die Vernetzung der Digital-Kameras sowie der verschiedenen Anzeigeeinheiten z.B. für die Videowiedergabe im Fahrzeug benutzt. Die Hardware-Bauteilekosten für eine Automotive-Ethernet Schnittstelle betragen aber ein Vielfaches von denen einer CAN Schnittstelle.
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Erfindung
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Die Erfindung setzt sich zum Ziel die Anzahl von Leitungen, die durch die Türtrennstelle geführt werden müssen, zu verringern.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur kommunikationstechnischen Anbindung von Türkomponenten, die in einer Fahrzeugtür eingebaut sind, an eine Komponente die in einer Fahrzeugkarosserie eingebaut ist gemäß Anspruch 1, sowie ein Türknoten-Steuergerät gemäß Anspruch 5 und eine Fahrzeugtür gemäß Anspruch 13 gelöst.
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Die abhängigen Ansprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung entsprechend der nachfolgenden Beschreibung dieser Maßnahmen.
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Die heutigen CAN-vernetzten Türsteuergeräte werden von zentralen Türknoten-Steuergeräten mit Automotive-Ethernet (standardisierte breitbandige Kommunikationsschnittstelle) ersetzt. Automotive Ethernet ist auch unter dem Begriff „BroadR Reach“-Technologie bekannt.
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Die bislang vorhandene Domänentrennung in Aktoren/Sensoren, Audio und Video und die damit einhergehende domänenspezifische Auslegung der Fahrzeug-Vernetzung und des Bordnetzes wird vollständig aufgehoben.
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Nur über diese eine Automotive Ethernet Schnittstelle werden alle Steuer-, Diagnose-, Audio- und Video-Daten bidirektional zwischen dem Türknoten-Steuergerät und dem Fahrzeugnetzwerk digital (Backbone) übertragen.
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Mit dem höheren Vernetzungsgrad dieses Architekturkonzeptes können Leitungen und die entsprechende Zahl von Türtrennstellenkontakten eingespart werden.
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Der bisher eingesetzte CAN-Bus zum Türsteuergerät kann entfallen. Dies hat nicht nur den Vorteil, dass die Leitungen und Türtrennstellenkontakte entfallen können. Die Kommunikation über den CAN-Bus ist mittlerweile sehr stark ausgereizt. Der Highspeed CAN-Bus liefert eine maximale Datenrate von 1 Mbit/s. Im Fahrzeug ist eine Datenrate von 500 kbit/s gebräuchlich. Typischerweise ist eine große Anzahl von Steuergeräten über den CAN-Bus vernetzt. Durch einen Anschluss der Türsteuergeräte an den Automotive Ethernet Bus tritt eine Entlastung für die Kommunikation auf dem CAN-Bus ein.
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Daneben hat dies auch den Vorteil der Kostenreduktion für die Gewährleistung im Fehler- und Kundendienstfall. Sollte sich herausstellen, dass ein Türknoten fehlerhaft programmiert wurde, kann über den Automotive Ethernet-Bus ein Austauschen der Software (das sogenannte „Flashen“) in der Werkstatt oder Online (Software-Update over-the-air) wesentlich schneller stattfinden als über den CAN-Bus.
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Der jeweilige Türknoten steuert die elektromechanischen Komponenten an, übernimmt die Kommunikationsflusskontrolle der Video-Daten und die Dekodierung der Audio-Daten und deren Verstärkung. Dazu ist es vorgesehen, dass der Türknoten eine Schnittstelle für einen Ethernet-Kommunikationsbus mit wenigstens zwei Ethernet Ports aufweist, wobei als Bus-Kabel vorzugsweise ein Kabel in Form von UTP Ethernet, entsprechend „unshielded twisted pair“, Verwendung findet, und dass der Türknoten einen Ethernet Switch aufweist, der die Daten zwischen den Ethernet Ports verteilt.
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Heutige Digital-Kameras, die im Kraftfahrzeug eingesetzt werden, sind typischerweise mit einer Schnittstelle für Automotive Ethernet ausgestattet. Dies hat den besonderen Vorteil, dass die notwendigen Transport-Protokolle für Audio- und Video-Daten längst spezifiziert sind und sich bewährt haben. Als Beispiel wird die IP-Protokoll-Familie „Real Time Transport Protocol“ RTP, „Real Time Control Protocol“ RTCP und „Real Time Streaming Protocol“ RTSP genannt. Die Protokolle sind vorhanden und entsprechende Software, die einen entsprechenden IP-Protokoll-Stapel implementiert hat, ist ebenfalls vorhanden.
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Dafür ist es von Vorteil, dass der Ethernet-Kommunikationsbus, der über die Türtrennstelle geführt ist, an den ersten Ethernet Port angeschlossen ist und die Türkomponente wenigstens eine Digitalkamera an den wenigstens einen zweiten Ethernet Port des Ethernet-Switch im Türsteuergerät angeschlossen ist.
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Es ist weiterhin von Vorteil, dass der Türknoten einen Mikrocontroller aufweist, der die Daten für die Türkomponenten wenigstens einen Stellmotor, wenigstens einen Klasse D-Verstärker mit digitaler Schnittstelle mindestens einem Lautsprecher und wenigstens ein Tastenfeld von dem Ethernet Switch empfängt, zentral verarbeitet und die verarbeiteten Daten vorzugsweise nach Umsetzung in ein für die Türkomponenten passendes Format weiterleitet.
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Der Türknoten terminiert die Kommunikation über den Automotive Ethernet-Bus. Von dort können die Steuerdaten über einfachere Kommunikationsbusse zu den Türkomponenten übertragen werden. Hier ist es von Vorteil, wenn der Türknoten ein Gateway aufweist, dass eine Umsetzung der Daten für die Türkomponente wenigstens einen Klasse D-Verstärker mit digitaler Schnittstelle mit mindestens einem Lautsprecher vornimmt, wobei die Umsetzung der Audio-Daten aus dem Format, wie sie über Ethernet übertragen werden, in das Format „Inter-IC Sound“ I2S geschieht.
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Dann ist es weiterhin von Vorteil, dass der Türknoten einen Klasse D-Verstärker mit digitaler Schnittstelle, nachfolgend Digital-Verstärker genannt, aufweist, der die Audio-Daten für den wenigstens einen Lautsprecher in dem Format Inter-IC Sound I2S erhält, in ein analoges Audiosignal umsetzt, dieses Audiosignal verstärkt und an den wenigstens einen Lautsprecher ausgibt. Die Implementierung von separaten Verstärkern in den Türknoten-Steuergeräten führt zu einer Variantenreduktion bei dem im Fahrzeuginnenraum angeordneten Verstärkermodul. Je nach Ausstattung wird eine unterschiedliche Anzahl von Lautsprechern im Fahrzeug verbaut. Dann werden entweder unterschiedliche Verstärkermodule je nach Ausstattung eingebaut oder es wird oft ein überdimensioniertes Verstärkermodul eingebaut. Hier besteht oft ein Problem hinsichtlich des Kühlkonzeptes. Es ist schwierig die Wärme für das vollausgestattete Verstärkermodul abzuführen. Durch die dezentrale Anordnung von Verstärkern in den Türknoten werden diese Problematiken hinsichtlich des Variantenreichtums, des Kühlkonzeptes und der Bauraumanforderungen stark abgeschwächt.
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Je nach Implementierung können Ethernet-Switch und Mikrocontroller in separaten Mikrochips oder als System on Chip (SoC) ausgeführt werden. Dabei könnte der Ethernet-Switch ein kleiner Teil eines performanten Mikrocontroller sein oder umgekehrt der Mikrocontroller ein kleiner Teil eines perfomanten Ethernet Switch.
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Zeichnungen
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Eine Anzahl Ausführungsbeispiele der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine erste Variante eines Blockschaltbildes eines Türknoten-Steuergerätes und dessen Verbindung mit peripheren Türkomponenten;
- 2 eine zweite Variante eines Blockschaltbildes eines Türknoten-Steuergerätes und dessen Verbindung mit peripheren Türkomponenten;
- 3 eine dritte Variante eines Blockschaltbildes eines Türknoten-Steuergerätes und dessen Verbindung mit peripheren Türkomponenten;
- 4 eine vierte Variante eines Blockschaltbildes eines Türknoten-Steuergerätes und dessen Verbindung mit peripheren Türkomponenten; und
- 5 eine fünfte Variante eines Blockschaltbildes eines Türknoten-Steuergerätes und dessen Verbindung mit peripheren Türkomponenten.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Die vorliegende Beschreibung veranschaulicht die Prinzipien der erfindungsgemäßen Offenbarung. Es versteht sich somit, dass Fachleute in der Lage sein werden, verschiedene Anordnungen zu konzipieren, die zwar hier nicht explizit beschrieben werden, die aber Prinzipien der erfindungsgemäßen Offenbarung verkörpern und in ihrem Umfang ebenfalls geschützt sein sollen.
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1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild einer ersten Variante eines Türknoten-Steuergerätes. Der Türknoten ist für den Einsatz in einer Fahrzeugtür ausgelegt. Es kann sich um die Fahrzeugtür eines beliebigen Fahrzeuges handeln. Typischerweise wird es in einer Fahrzeugtür eines Personen-Kraftfahrzeuges eingesetzt. Der Begriff Personen-Kraftfahrzeug ist hier nicht beschränkend gemeint, es könnte sich alternativ durchaus um ein anderes Kraftfahrzeug handeln, wie Lastkraftwagen, Omnibus, Baufahrzeug, Landmaschine, usw.
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In 1 bezeichnet die Bezugszahl 10 eine sogenannte Türtrennstelle. Hierhin werden die Leitungen von und zu den Türkomponenten geführt. Typischerweise werden alle Leitungen gebündelt, zu einer Steckereinheit in der Tür geführt. Eine weitere Steckereinheit ist in der Karosserie verbaut. Bei Einbau der Tür in die Fahrzeugkarosserie werden beide Steckereinheiten mit einem Kabelsatz verbunden, über welchen eine Gummimanschette gestülpt wird, so dass Steckplatz, Steckereinheit und Kabel geschützt sind (nicht dargestellt).
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Der Türknoten ist mit der Bezugszahl 20 bezeichnet. An den Türknoten 20 sind die folgenden Türkomponenten angeschlossen: Eine Anzahl von Elektromotoren als Stellglieder 31, 32, 33. Die Bezugszahl 31 bezeichnet einen Elektromotor für einen Rückspiegel. Mit der Bezugszahl 32 ist ein Fensterheber-Motor bezeichnet, mit der Bezugszahl 33 ein Türverriegelungsschloss-Motor. Weitere angeschlossene Türkomponenten sind, ein Tastenfeld 40 welches zur Bedienung des Fensterhebers und Rückspiegels dient. Ein weiteres Tastenfeld könnte angeschlossen sein. Dann sind noch ein oder mehrere Lautsprecher 50 angeschlossen. Als weitere Türkomponente ist noch eine Digital-Kamera 61 angeschlossen. Diese kann als einfache Videokamera ausgeführt sein. Sie kann z.B. im Spiegelgehäuse angebracht sein. Dort dient sie zur Lieferung von Bildern für die Überwachung der Fahrzeugseite. Wenn weitere Kameras nach vorne, hinten und auf der gegenüberliegenden Fahrzeugtür angebracht werden, können alle Bilder zu einer Rundumsicht zusammengefügt werden und auf einer Anzeigeeinheit im Fahrzeug-Cockpit dargestellt werden. Diese Rundumsicht ist unter dem Stichwort Topview bekannt. Weitere Türkomponenten könnten angeschlossen sein (nicht dargestellt). Das wären z.B. mehrere Beleuchtungseinheiten für die Interieur- oder die Exterieurbeleuchtung oder eine zweite Digital-Kamera für den rückwärtigen Verkehr (Rückspiegel-Kamera).
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Im Folgenden wird auf den Aufbau des Türknoten 20 eingegangen. Es enthält die Komponenten Mikrocontroller 230, Ethernet-Schnittstelle (PHY) 210, Ethernet-Switch 220 und Klasse D-Verstärker-Modul 240. Das Verstärker-Modul 240 enthält so viele Klasse D-Verstärker-Endstufen wie Lautsprecher 50 anzuschließen sind.
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Die Ethernet-Schnittstelle 210 betrifft die Variante für Automotive Ethernet. Diese Ethernet Variante ist auch als „BroadR Reach“-Technologie bekannt. Der für den Automobilbereich geeignete BroadR-Reach-Ethernet-Physical-Layer Standard kann mit Ethernet-Switch-Technologie nach dem IEEE 802.3 Standard kombiniert werden, wodurch sich eine Übertragungsrate von 100 Mbit/s über ungeschirmte Single-Twisted-Pair-Kabel erreichen lassen. Das Automotive Ethernet arbeitet im Vollduplexbetrieb, d.h. über eine verdrillte Zweidraht-Leitung werden die Daten in beiden Richtungen Hin und Rück gleichzeitig übertragen. Der Verkabelungsaufwand ist bei dieser Variante des Ethernet-Bussystems besonders gering. Die dargestellte Ethernet-Schnittstelle 210 ist mit zwei Ports ausgestattet. An Port 1 ist das Ethernet-Kabel angeschlossen, dass zur Türtrennstelle 10 führt. An Port 2 ist die Digital-Kamera 61 angeschlossen. Über Port 1 gelangen die Daten für alle gezeigten Türkomponenten zum Ethernet-Switch 220. Der Ethernet-Switch 220 verteilt die die Datenpakete an seine Ausgangs-Ports. Im Beispiel von 1 werden die Datenpakete, die zur Steuerung der Digital-Kamera 61 dienen, an den Port 2 weitergeleitet. Die Datenpakete, die für die anderen Türkomponenten vorgesehen sind, werden an den Ausgangs-Port weitergeleitet, an den der Mikrocontroller 230 angeschlossen ist. Die Weiterverteilung zu den Türkomponenten geschieht intern im Mikrocontroller 230. Wie üblich, basiert die Verteilung der Datenpakete im Ethernet-Switch 220 auf der Auswertung der MAC-Adressen der Datenpakete, die den einzelnen Ports zugeordnet sind.
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Für die Audio-Daten, die für die Lautsprecher 50 bestimmt sind, ist ein Gateway 235 vorgesehen, dass zur Umsetzung der Audio-Datenpakete, die über IP-Protokoll übertragen werden, dient. Das Transport-Protokoll, das für das Audio-Streaming benutzt wird entspricht dem bekannten RTP-Protokoll, entsprechend „Real-Time Transport Protocol“. Das Protokoll ist in RFC 3550 spezifiziert und es wird zum Zwecke der Offenbarung des Vorschlages auf die Spezifikation Bezug genommen. Zu Steuerungszwecken für dieses Audio-Streaming wird das RTCP-Protokoll eingesetzt, entsprechend „Real-Time Control Protocol“. An das Digital-Verstärker-Modul 240 werden die Audio-Daten über einen Inter-IC Sound-Bus I2S übertragen. Das Gateway 235 übernimmt die Aufgabe der Umformatierung der Datenpakete von dem RTP-Format in das I2S-Format. Das Digital-Verstärker-Modul 240 enthält noch den/die notwendigen D/A-Wandler um die extrahierten Audio-Daten in ein analoges Audio-Signal zurückzuwandeln welches dann schließlich mit dem Digital-Verstärker verstärkt wird.
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Der Mikrocontroller 230 wandelt selbst die Daten für die Ansteuerung der Elektromotoren 31 und 32 in das Format des LIN-Busses entsprechend Local Interconnect Network-Busses um, über die die Elektromotoren an den Türknoten 20 angeschlossen sind. Es wird auf die entsprechende Dokumentation des Industriestandards verwiesen.
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Die Steuerungsdaten für die Steuerung des Türverriegelungsmechanismus werden vom Mikrocontroller 235 direkt verarbeitet und es werden die diskreten Signale erzeugt, die den Elektromotor 33 ansteuern.
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2 zeigt die zweite Variante eines Türknoten 20. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen die gleichen Komponenten, wie in 1. Ein Unterschied zu 1 besteht darin, dass bei dem Ethernet-Switch 220 vier Ports belegt sind. Dazu ist noch eine zweite Ethernet-Schnittstelle 215 vorgesehen. An die Ports der ersten Ethernet-Schnittstelle 210 sind zwei Digital-Kameras 61, 62 angeschlossen. Die zweite Kamera 62 wird als Rückspiegel-Kamera eingesetzt. Die Variante 2 entspricht also dem Türknoten von 1, nur mit einer erweiterten Ausstattung.
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In 3 ist eine dritte Variante eines Türknoten 20 gezeigt. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen die gleichen Komponenten, wie in 1. Der Unterschied zu 1 besteht darin, dass die Funktionalität des Ethernet-Switch 220 in dem Mikrocontroller 230 integriert ist.
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Die vierte Variante gem. 4 zeigt den umgekehrten Fall, dass der Mikrocontroller 230 als Teil des Ethernet-Switches 220 realisiert wird. In diesem Fall ist das Gateway 235 nicht Teil des Mikrocontroller 230. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen die gleichen Komponenten, wie in 1.
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In 5 ist noch die fünfte Variante gezeigt, in der die Blöcke 210, 220, 230 und 235 zusammen auf einem System On Chip Halbleiterbaustein 2000 integriert sind eines Türknoten-Steuergerätes 20 gezeigt. Ebenfalls bezeichnen wieder gleiche Bezugszahlen die gleichen Komponenten, wie in 1.
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Die Offenbarung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Es gibt Raum für verschiedene Anpassungen und Modifikationen, die der Fachmann aufgrund seines Fachwissens als auch zu der Offenbarung zugehörend in Betracht ziehen würde.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Türtrennstelle
- 20
- Türknoten-Steuergerät
- 31
- Stellmotor Spiegel
- 32
- Stellmotor Fensterheber
- 33
- Stellmotor Verriegelungsschloss
- 40
- Tastenfeld
- 50
- Lautsprecher
- 61
- Digital-Kamera TopView
- 62
- Digital-Kamera Rückspiegel
- 70
- Ethernet-Kommunikationsbus
- 210
- erste Ethernet-Schnittstelle
- 215
- zweite Ethernet-Schnittstelle
- 220
- Ethernet-Switch
- 230
- Mikrocontroller
- 235
- Gateway
- 240
- Digital-Verstärker
- 2000
- System On Chip Halbleiterbaustein
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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