DE102017214183A1

DE102017214183A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erkennung eines Fehlers auf einer Datenleitung

Info

Publication number: DE102017214183A1
Application number: DE102017214183.2A
Authority: DE
Inventors: Joerg Jehlicka; Roman Gronbach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-08-15
Filing date: 2017-08-15
Publication date: 2019-02-21

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung eines Fehlers auf einer Datenleitung (8,9) in einem Bussystem, welches Daten als differenzielles Spannungssignal über zumindest zwei Datenleitungen (8,9) überträgt, umfassend zumindest eine Widerstandsbrücke (11,12), die zum Abgriff einer Mittenspannung (Um) mit den beiden Datenleitungen (8,9) verbunden ist, wobei zumindest ein Hochpass (17) vorgesehen ist, dem die Mittenspannung (Um) zugeführt ist zur weiteren Auswertung eines dynamischen Anteils der Mittenspannung (Um) zur Erkennung eines Fehlers.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zur Erkennung eines Fehlers auf einer Datenleitung nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist beispielsweise bekannt aus der DE 102008002946B4 . Hierbei wird die Mittenspannung einem Tiefpassfilter zugeführt, dessen Ausgangsspannung direkt oder nach Analog-Digital-Wandlung als Digitalwert an dem Messeingang eines Mikro-Controllers anliegt. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Verfahren zur Erkennung von Eindrahtfehlern an differentiellen Bussystemen anzugeben. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
Vorteile der Erfindung
Die Vorrichtung und das Verfahren gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass durch die Auswertung eines dynamischen Anteils der Mittenspannung zur Erkennung eines Fehlers nun selbst Grenzbereiche (beispielsweise kleiner 0 V und größer 5 V) zuverlässig erfasst werden können. Aufgrund der vorgeschlagenen Gleichspannungstrennung können sämtliche zulässigen Spannungsbereiche abgedeckt werden. Mit der vorgeschlagenen Schaltung können insbesondere Eindrahtfehler zu deutlich geringeren Kosten und geringem Platzbedarf (aufgrund einer reduzierten Anzahl von notwendigen Ausgängen) erkannt werden im Vergleich zu relativ aufwändigen CAN-Transceivern mit eingebauter Fehlererkennung. Weiterhin kann auf jeweils separate Überwachungen der Spannungen in den beiden Datenleitungen verzichtet werden, was deshalb nicht zu kapazitiven und/oder ohmschen Belastungen der Leitungen führt. Weiterhin ist lediglich ein einziger Messkanal erforderlich.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist zumindest ein Spitzenwertgleichrichter vorgesehen, dem das Ausgangssignal des Hochpasses zugeführt ist. Damit ist eine besonders einfache Auswertung des dynamischen Anteils, insbesondere mit nachfolgenden Vergleich mit einem entsprechenden Grenzwert zur Fehlererkennung möglich. Ein Fehler wird erkannt, wenn eine entsprechende Signaländerung erfolgt.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist zumindest ein Filter vorgesehen, dem das Ausgangssignal des Spitzenwertgleichrichters zugeführt ist. Damit können insbesondere die gleichgerichteten Signale weiter stabilisiert und einer einfacheren weiteren Auswertung zugeführt werden.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist zumindest ein Mikrocontroller vorgesehen, der zur Erkennung eines Fehlers das Ausgangssignal des Filters und/oder des Spitzenwertgleichrichters und/oder des Hochpasses zugeführt ist. Der Mikrocontroller ist üblicherweise ohnehin vorgesehen und kann die Fehlerauswertung übernehmen, gegebenenfalls eine Anzeige aktivieren und/oder eine Fehlererkennung abspeichern und/oder gegebenenfalls erforderliche Gegenmaßnahmen einleiten.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung umfasst der Hochpass zumindest einen Kondensator und/oder der Spitzenwertgleichrichter zumindest eine Diode, vorzugsweise eine Schottky-Diode. Gerade bei der Verwendung einer Schottky-Diode können schon Wechselspannungen mit Amplituden im Bereich von beispielsweise 300 mV erfasst werden, was die Zuverlässigkeit der Auswertung weiter erhöht bei einem einfachen Aufbau der Schaltung.
Weitere zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
Figurenliste
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung zeigt die

1 eine Vorrichtung zur Erkennung eines Fehlers auf einer Datenleitung sowie
2 den zeitlichen Spannungsverlauf einer ungestörten Kommunikation mit den Bussignalen und die zugehörige Mittenspannung am Mittelabgriff sowie
3 den zeitlichen Spannungsverlauf eines Kurzschlusses einer Datenleitung nach Masse sowie die entsprechende Auswirkung dieses Kurzschlusses auf die Mittenspannung.

Das Ausführungsbeispiel gemäß 1 zeigt eine Vorrichtung zur Erkennung eines Fehlers auf einer Datenleitung 8,9. Als Bestandteil eines differentiellen Bussystems sind zwei Datenleitungen 8,9 vorgesehen. Als mögliche differentielle Bussysteme können beispielsweise CAN oder Flexray eingesetzt werden. Beispielsweise könnte auf der einen Datenleitung 8 das Signal CAN_H (CAN_High) und auf der anderen Datenleitung 9 das Signal CAN_L (CAN_Low) geführt werden. Die Datenleitungen 8,9 gelangen an einen Transceiver 22, der wiederum zum Datenaustausch mit einem Mikrocontroller 24 gekoppelt ist.
Zur einfachen Erkennung eines Eindrahtfehlers wird über eine Widerstandsbrücke bestehend aus einem ersten Widerstand 11 und einem zweiten Widerstand 12 eine Mittenspannung Um abgegriffen. Der erste Widerstand 11 ist hierzu mit der Datenleitung 8 und dem Potenzial der Mittenspannung Um verbunden, der zweite Widerstand 12 mit der weiteren Datenleitung 9 und ebenfalls mit dem Potenzial der Mittenspannung Um verbunden. Optional ist ein Kondensator 15 mit dem Potenzial der Mittenspannung Um verbunden und gegen Masse geschaltet zur Stabilisierung der Summenspannung bzw. der Mittenspannung Um. Die gewählten Abschlusswiderstände 11,12 der Widerstandsbrücke können beispielsweise 60 Ohm betragen.
Die Mittenspannung Um wird zunächst einem Hochpass 17 zugeführt, der einen Kondensator 16 und/oder einen gegen Masse geschalteten Widerstand 13 umfasst. Daran schließt sich ein Spitzenwertgleichrichter 19 an zur Erfassung der Signaländerung. Im Ausführungsbeispiel umfasst der Spitzenwertgleichrichter 19 zumindest eine Diode 18. Gegebenenfalls schließt sich daran ein Filter 21 an, im Ausführungsbeispiel bestehend aus einem Widerstand 14 und/oder einem Kondensator 20, beide jeweils gegen Masse geschaltet. Das so entstandene Ausgangssignal gelangt über einen AD-Wandler 26 an einen Mikrocontroller 24.
Bei der Heranziehung des Mittelabgriffs bzw. der Mittenspannung Um des Widerstandsnetzwerks zur Fehlerdetektion ist nur ein Messkanal notwendig. Da es sich um eine differentielle Datenübertragung handelt, entsteht am Mittelabgriff bei normaler Kommunikation wie beispielhaft in 2 dargestellt ein konstanter Gleichspannungspegel der Mittenspannung Um, d.h. die kapazitive Belastung durch die Messeinrichtung ist unerheblich.
Das Auftreten eines Eindrahtfehlers hat auf den Abgriff folgende Auswirkungen. Es entfernt sich der Gleichspannungsmittelwert vom Nennwert (beispielsweise 2,5 V) da eine der beiden Datenleitungen 8,9 fest auf 0 V oder der Batteriespannung liegt.
Während sich bei normaler Kommunikation die Signalflanken der Datenleitungen 8,9 (CAN_H, CAN_L) am Mittelabgriff aufheben (vergleiche 2), entsteht bei einem Kurzschluss plötzlich bei jeder Kommunikation ein starker Wechselspannungsanteil (vergleiche den Verlauf der Mittenspannung Um gemäß 3). Eine der Datenleitungen 8,9 liegt durch den Kurzschluss auf konstantem Potenzial, während die andere Datenleitung 8,9 zur Datenübertragung zwischen zwei Pegeln wechselt. Dieser auftretende Wechselanteil kann zur Erkennung des Kurzschlusses verwendet werden.
Exemplarisch zeigt 2 eine ungestörte Kommunikation mit den Bussignalen CAN_H, CAN_L sowie die Spannung Um am Mittelabgriff der Widerstände 11,12.
Tritt nun beispielsweise ein Kurzschluss von CAN_L nach Masse auf wie in 3 gezeigt, erfährt auch die Mittenspannung Um eine Veränderung wie gezeigt. Dieser Fehlerfall kann über die Schaltung gemäß 1 besonders einfach und zuverlässig ausgewertet werden. Bei einer beispielsweise minimalen Differenzspannung von 1,2 V am Bussystem (vergleiche beispielsweise übliche CAN-Spezifikationen) entsteht im Fehlerfall an der Mittenspannung Um eine Spannungsänderung von 0,6 V während der Kommunikation. Wird als Spitzenwertgleichrichter 19 als Diode 18 besonders bevorzugt eine Schottky-Diode gewählt mit beispielsweise 300 mV Spannungsabfall, so wird am Messabgriff (oder Ausgang) des Spitzenwertgleichrichters 19 und damit auch am Eingang des Mikrocontrollers 24 eine Spannung von mindestens ca. 300 mV anstehen. Durch einen etwas niedrigeren Schwellwert der Auswertung (beispielsweise 250 mV) kann der Fehlerzustand sicher detektiert werden. Diese Auswertung kann wie im Ausführungsbeispiel gemäß 1 angedeutet im Mikrocontroller 24 erfolgen. Alternativ könnte ebenfalls eine analoge Auswerteschaltung vorgesehen sein.
Besonders vorteilhaft ist die weitgehende Gleichspannungsentkopplung über den Kondensator 16. Beispielsweise an den CAN-Bussignalen sind Gleichtaktspannungen von -2,0 V bis 7,0 V zulässig (vergleiche entsprechende CAN-Spezifikationen). Die Grenzbereiche kleiner 0 V und größer 5 V können typischerweise mit einer Ausführung nach dem Stand der Technik nicht erfasst werden. Bei der Schaltungsanordnung gemäß 1 werden jedoch sämtliche zulässigen Spannungsbereiche aufgrund der Gleichspannungstrennung abgedeckt.
Bei der Ausführung der Diode 18 als Schottky-Diode können schon Wechselspannungen mit Amplituden im Bereich 300 mV erfasst werden. Der Kondensator 20 dient zur geeigneten Filterdimensionierung der Ausgangssignale des Spitzenwertgleichrichters 19. Über geeignet dimensionierte Widerstände 13,14 können die Kondensatoren 16, 20 gezielt entladen werden.
Die Widerstände 11,12 müssen nicht notwendigerweise einen üblichen Master-Busabschluss von 2 x 60 Ohm darstellen. Das Erkennungsverfahren kann auch an Abschlüssen mit höheren Widerständen 11,12 oder auch ohne Kondensator 15 verwendet werden. So könnte insbesondere ein hochohmigeres zusätzliches Netzwerk bestehend aus den Widerständen 11,12 an die beiden Datenleitungen 8,9 angeschlossen werden unabhängig von schon vorhandenen Abschlußwiderständen.
Beschriebene Vorrichtung und Verfahren können insbesondere Verwendung finden in Steuergeräten, die den Bus-Master darstellen. Dies könnte beispielsweise in Gateways oder Domänen-Controllern der Fall sein. Besonders bevorzugt erfolgt der Einsatz in Datensystemen im Kraftfahrzeug zur Vernetzung unterschiedlicher Steuergeräte.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008002946 B4 [0002]

Claims

Vorrichtung zur Erkennung eines Fehlers auf einer Datenleitung (8,9) in einem Bussystem, welches Daten als differenzielles Spannungssignal über zumindest zwei Datenleitungen (8,9) überträgt, umfassend zumindest eine Widerstandsbrücke (11,12), die zum Abgriff einer Mittenspannung (Um) mit den beiden Datenleitungen (8,9) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Hochpass (17) vorgesehen ist, dem die Mittenspannung (Um) zugeführt ist zur weiteren Auswertung eines dynamischen Anteils der Mittenspannung (Um) zur Erkennung eines Fehlers.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Spitzenwertgleichrichter (19) vorgesehen ist, dem das Ausgangssignal des Hochpasses (17) zugeführt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Filter (21) vorgesehen ist, dem das Ausgangssignal des Spitzenwertgleichrichters (19) zugeführt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Mikrocontroller (24) vorgesehen ist, der zur Erkennung eines Fehlers das Ausgangssignal des Filters (21) und/oder des Spitzenwertgleichrichters (19) und/oder des Hochpasses (17) zugeführt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochpass (17) zumindest einen Kondensator (16) und/oder der Spitzenwertgleichrichter (19) zumindest eine Diode (18), vorzugsweise eine Schottky-Diode umfasst.
Verfahren zur Erkennung eines Fehlers auf einer Datenleitung (8,9) in einem Bussystem, welches Daten als differenzielles Spannungssignal über zumindest zwei Datenleitungen (8,9) überträgt, umfassend zumindest eine Widerstandsbrücke (11,12), die zum Abgriff einer Mittenspannung (Um) mit den beiden Datenleitungen (8,9) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein dynamischer Anteil der Mittenspannung (Um) zur weiteren Auswertung zur Erkennung eines Fehlers herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der dynamische Anteil der Mittenspannung (Um) zur weiteren Auswertung gleichgerichtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das gleichgerichtete Signal des dynamischen Anteils der Mittenspannung (Um) zur Erkennung eines Fehlers mit einem Grenzwert verglichen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Mikrocontroller (24) vorgesehen ist, der zur Erkennung eines Fehlers das Ausgangssignal des Filters (21) und/oder des Spitzenwertgleichrichters (19) und/oder des Hochpasses (17) zugeführt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem erkannten Fehler eine Anzeige aktiviert wird und/oder ein Fehlersignal abgespeichert wird und/oder Gegenmaßnahmen, insbesondere bei einem Kraftfahrzeug wie beispielsweise eine Aktivierung eines Notlaufmodus eingeleitet werden.