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Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der Kommunikation zwischen Teilnehmerstationen in einem drahtgebundenen Kommunikationsnetzwerk. Die Teilnehmerstationen können elektronische Verarbeitungseinheiten bzw. elektronische Steuergeräte sein. In Fahrzeugen werden immer mehr elektronische Komponenten integriert, die untereinander Nachrichten austauschen können. Dazu werden verschiedene Kommunikationsnetzwerke gebildet, die mit Gateways versehen werden, die die verschiedenen Kommunikationsnetzwerke untereinander verbinden. Sie dienen dazu die Formatwandlung durchzuführen, damit Nachrichten im Format des einen Kommunikationsnetzwerks in das Format des anderen Kommunikationsnetzwerks umgewandelt werden und umgekehrt, damit die Nachrichten von den elektronischen Komponenten in dem einen Kommunikationsnetzwerk auch von den elektronischen Komponenten in dem anderen Kommunikationsnetzwerk verstanden werden und umgekehrt. Zum Teil werden aber auch Steuergeräte, die den Kommunikationsbus sehr stark auslasten in einem separaten Zweig vernetzt, obwohl das gleiche Bussystem verwendet wird, und für diesen Zweig keine Formatumwandlung erforderlich ist.
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In den vergangenen Jahren wurden die elektronischen Steuergeräte meistens durch das CAN-Bussystem miteinander vernetzt, entsprechend Controller Area Network. Dieses wurde 1994 standardisiert in der ISO-Norm ISO 11898-1. In der Zwischenzeit wurden verschiedene Erweiterungen den CAN-Busprotokolls standardisiert. All diesen Varianten ist gemeinsam, dass als physikalisches Übertragungsmedium eine verdrillte Zweidrahtleitung ohne Abschirmung verwendet wird. Die Bustopologie entspricht beim CAN-Bus einer Linienstruktur. Damit sind Multipoint-Verbindungen möglich, weil an die gemeinsame Busleitung bis zu 128 Busstationen anschließbar sind. Dies stellt einen nicht unerheblichen Vorteil dar. Die Buskabel lassen sich sehr flexibel verlegen. Die Länge der Kabel reduziert sich drastisch wegen der linearen Busstruktur und dies führt zu einer beträchtlichen Gewichtsersparnis. Ein Nachteil besteht aber darin, dass die erreichbare Datenübertragungsrate relativ gering ist. Selbst bei der erweiterten Variante nach dem CAN-FD sind nur Datenübertragungsraten im Bereich von bis zu 5 Mbit/s möglich.
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Heute werden außer Steuergeräten, Sensoren und Aktuatoren, die vornehmlich über CAN-Bus vernetzt werden, auch andere elektronische Komponenten in Fahrzeugen eingesetzt. Als Beispiel werden genannt Onboard-Kommunikationseinheiten, zentrale Recheneinheiten, Gateways, Infotainment-Geräte, wie Radio, Telefon, und Anzeigegeräte, Navigationsgeräte, usw. Daneben werden auch bildgebende Sensoren genannt, wie Radar-, Lidar-, Kamera- und Ultraschall-Geräte. Solche Geräte können ein erhöhtes Datenaufkommen haben, bzw. produzieren ein erhöhtes Datenaufkommen.
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Dafür reicht die Datentransportkapazität des CAN-Bus oft nicht mehr aus. Zur Vernetzung solcher Geräte wird deshalb auf andere Kommunikationstechniken zurückgegriffen. Hier werden insbesondere Kommunikationsnetzwerke erwähnt, die auf Ethernet-Technologie beruhen. Im Automotive-Bereich werden insbesondere genannt MOST, entsprechend „Media Oriented System Transport“ und BroadR-Reach, dessen Weiterentwicklung heute unter dem Titel „Automotive Ethernet“ stattfindet. Diese Kommunikationssysteme bieten Datenraten von 100 Mbit/s und mehr, sind dafür ausgelegt den Datendurchsatz zu steigern und das Gewicht und die Kosten der Verkabelung zu senken. Besonders die Variante gemäß der Norm IEEE 802.3bw, die auch unter der Bezeichnung 100 Base-T1 bekannt ist, wurde nach den Anforderungen von Automobil-Systemen entwickelt. Dafür wird nur ein ungeschirmtes Kabel mit nur einem verdrillten Adernpaar benötigt, über das die Daten symmetrisch in beiden Richtungen im Vollduplex-Betrieb über eine Strecke von 15 m Länge übertragen werden können.
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Im Jahr 2016 wurde für den Einsatz im Fahrzeug und für Industrieanwendungen sogar die Variante 1000Base-T1 spezifiziert, bei der die Datenrate auf 1 Gbit/s gesteigert werden konnte. Die Daten werden ebenfalls über ein Kabel mit nur einer verdrillten Zweidrahtleitung übertragen. Für die maximale Länge von 15 m wird in der Kabelspezifikation keine Abschirmung für das Kabel vorgeschrieben. Dies entspricht dem sogenannte Typ A-Kabel. Daneben gibt es noch das Typ B-Kabel, das eine Länge bis zu 40 m aufweisen darf. Für diesen Kommunikationskanal wird allerdings eine Abschirmung empfohlen. Der Standard für die 1000Base-T1 Variante lautet: IEEE 802.3bp. Eine Abschirmung verbessert die EMV Eigenschaften, wie Abstrahlung und Störbeeinflussung der Kommunikationsleitung, in hohem Maße, so dass die Qualitätsanforderungen an die in der Abschirmung befindliche verdrillte Leitung deutlich geringer ausfallen. Deshalb werden im Automotive-Bereich häufig auch bei kürzeren Übertragungsstrecken geschirmte Kabel (Typ A-Kabel mit Kabellängen bis 15m) eingesetzt, da sie eine bessere Störfestigkeit bieten und keine wesentlichen wirtschaftlichen Nachteile haben.
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Für Anwendungen im Bereich des autonomen Fahrens inklusive der Fahrerassistenzsysteme, bei denen ebenfalls automatische Fahrfunktionen eingesetzt werden, ist das Datenaufkommen so groß, dass vermehrt Kommunikationsverbindungen auf Basis von 1000Base-T1 eingesetzt werden. Im Nutzfahrzeugbereich kommt noch hinzu, dass sowohl im Zugfahrzeug als auch im Anhängerfahrzeug elektronische Komponenten lokalisiert sind, die zusammenarbeiten müssen. Es gibt deshalb ein Kommunikationsnetz für die elektronischen Komponenten in dem Zugfahrzeug und ein weiteres für die Komponenten in dem Anhängerfahrzeug. Bei Ankupplung des Anhängerfahrzeuges werden die beiden Kommunikationsnetze über Steckkontakte miteinander verbunden. Dabei kann im Zugfahrzeug und im Anhängerfahrzeug jeweils ein Gateway-Gerät eingebaut sein, zwischen denen bei Ankupplung eine Kommunikationsverbindung hergestellt werden muss. Ein Teil des Buskabels wird dazu beim Anhängerfahrzeug in einer spiralförmigen Kunststoffhülle untergebracht. Der Kabelstecker wird in die entsprechende Buchse des Zugfahrzeuges gesteckt. Umgekehrt, wird dieses Spiralkabel in eine Buchse beim Anhängerfahrzeug gesteckt. So entsteht eine sehr flexible Verbindung, die auch bei größerem Ausschwenken des Anhängerfahrzeuges nicht abreißen kann. Das Kabel verlängert sich durch die Spiralform entsprechend. Da das Gateway des Anhängerfahrzeuges ganz hinten im Anhängerfahrzeug untergebracht sein kann, z. B. in der Nähe einer hinten angebrachten Rückfahrkamera, kann sich ein zweiter Teil des Kabels über die Länge des Anhängerfahrzeuges erstrecken. So können sich dann zur Kopplung der Kommunikationsnetze für diese Buskabel Leitungslängen von mehr als 15 m ergeben.
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Die im 1 000Base-T1-Standard empfohlenen abgeschirmten Kabel sind vom Typ shielded twisted pair. Es sind mehrere verschiedene Typen von abgeschirmten Kabeln erhältlich. Ein besonders hochwertiges abgeschirmtes Kabel ist unter der Bezeichnung S/FTP bekannt. Dies bedeutet, dass die Kabel doppelt abgeschirmt sind. Sie enthalten eine verdrillte Zweidrahtleitung. Diese ist mit einer Aluminium-Folie umhüllt. Zusätzlich ist die Aluminium-Folie noch mit einem Drahtgeflecht umhüllt. Die doppelte Abschirmung besteht also aus Aluminium-Folie und Drahtgeflecht. Schließlich ist das so aufgebaute Kabel noch von einer Kunststoffschicht ummantelt. Die 1 zeigt das so aufgebaute Kabel des Typs S/FTP. Die englisch-sprachige Bezeichnung lautet: „screened foiled twisted pair“. Dabei bezeichnet das Bezugszeichen TP das verdrillte, isolierte Adernpaar. Die einzelne Ader ist mit dem Buchstaben A gekennzeichnet. Als Isoliermaterial für die einzelnen Adern werden Kunststoffe, insbesondere Polyethylen eingesetzt. Die jeweilige Adernisolierung ist mit dem Buchstaben I markiert. Mit dem Buchstaben F ist die Abschirmfolie aus Aluminium markiert. Das Drahtgeflecht ist mit dem Bezugszeichen SD versehen. Das Drahtgeflecht SD besteht aus Metall. Oft kommt eine Stahllegierung zum Einsatz. Für hochwertige Kabel kann das Drahtgeflecht aus Kupfer bestehen. Den Kunststoffmantel des Kabels STP bezeichnet das Bezugszeichen M. Typische Kunststoffe, die hier eingesetzt werden, sind Propylen oder Polyurethan oder Polyethylen.
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Ein Problem besteht aber darin, dass die Kabelabschirmung empfindlich ist. Zunächst ist es erforderlich, dass die Kabelabschirmung an die Fahrzeug-Masse angeschlossen werden muss, um statische Aufladung zu vermeiden. Die 2 zeigt dieses Prinzip. Mit dem Bezugszeichen CU1 ist ein erstes elektronisches Steuergerät bezeichnet. Mit dem Bezugszeichen CU2 ist ein zweites elektronisches Steuergerät bezeichnet. Statt elektronischer Steuergeräte können auch elektronische Verarbeitungseinheiten eingesetzt werden, die keine Steuervorgänge bewirken. Beide elektronischen Steuergeräte CU1 und CU2 sind über das Kabel STP miteinander verbunden. Es handelt sich um ein Kabel des Typs S/FTP. Das verdrillte Adernpaar ist mit Bezugszeichen TP markiert. Die äußere Abschirmung in Form eines Drahtgeflechtes ist mit SD bezeichnet. Die innere Abschirmfolie, die das Adernpaar TP umschließt, ist nicht dargestellt. Ebenfalls nicht dargestellt ist der Kunststoffmantel, der das Drahtgeflecht vor äußerer Einwirkung und mechanischer Beschädigung schützt. Das Kabel ist an beiden Enden mit Steckern versehen, die nicht näher dargestellt sind. Die Stecker werden in die entsprechende Buchse des jeweiligen Steuergerätes gesteckt (nicht näher dargestellt). Die jeweilige Buchse ist auf einer Platine angebracht, die auch einen Transceiver-Baustein für das 1000Base-T1 Automotive Ethernet-Protokoll enthält. Dieser Transceiver-Baustein ist in der 2 bei den Steuergeräten CU1 und CU2 mit Bezugszeichen TSC bezeichnet. Es handelt sich um einen Baustein in Form eines Halbleiter-Chips, der bei Ethernet als „Medium Dependant Interface“ bezeichnet wird. Seine Aufgabe besteht in dem Umwandeln der zu übertragenden Symbole in symmetrische differentielle Spannungswerte, die an die beiden Adern des verdrillten Adernpaares zur Übertragung der Symbole angelegt werden. Dies erfolgt beim Senden der Daten. Umgekehrt werden in dem Transceiver-Baustein TSC1 und TSC2 die symmetrischen differentiellen Spannungswerte gemessen und in Symbole umgewandelt. Dies erfolgt beim Empfangen von Daten. Wie erwähnt, ist der 1000Base-T1 Standard so ausgelegt worden, dass die beiden Kommunikationspartner gleichzeitig Daten senden und empfangen können (Vollduplex-Betrieb). Dazu addiert die sendende Busstation den eigenen Spannungswert für die jeweilige Ader zu der dort anliegenden Spannung; während er als Empfänger seine eigene Spannung von der jeweils anliegenden Spannung subtrahiert. Das Ergebnis der Subtraktion entspricht dann der Spannung, die von der gegenüberliegenden Busstation gesendet wurde. Die Modulationsart, die zur Umsetzung der Daten in Bussignalen eingesetzt wird als Drei-Pegel-Pulsamplitudenmodulation bezeichnet und mit PAM3 abgekürzt.
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Für die anderen Verarbeitungen der Daten, also ab Datensicherungsschicht aufwärts ist in jeder Station ein Mikrorechner enthalten, der jeweils über eine digitale Schnittstelle mit dem Transceiver-Baustein TSC verbunden ist. In dem Steuergerät CU1 ist der Mikrorechner mit dem Bezugszeichen MCU bezeichnet und in dem Steuergerät CU2 ebenfalls. In Steuergeräten werden typischerweise Mikrocontroller als Mikrorechner eingesetzt.
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Problematisch bei der Anordnung in 2 kann das Anlegen der Kabelabschirmung SD an die Gerätemasse sein. Kommt es zu Potentialunterschieden bei den beiden Steuergeräten CU1 und CU2, dem sogenannten Masseversatz, fließt ein Ausgleichsstrom über die Kabelabschirmung SD. Dadurch kann die Kabelabschirmung beschädigt oder gar zerstört werden. Sind die beiden Steuergeräte CU1 und CU2 jeweils in verschiedenen Fahrzeugteilen untergebracht, wie Zugfahrzeug und Anhänger, ist ein Masseversatz praktisch immer gegeben. Ein typischer Wert für den Masseversatz zwischen Zugfahrzeug und Anhängerfahrzeug beträgt ca. 2 V.
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Was ebenfalls vermieden werden muss, sind sogenannte Mantelwellen, die bei abgeschirmten Kabeln auftreten können, wenn bei Anschluss des Kabels eine Fehlanpassung vorliegt. Dies ist für die elektromagnetische Verträglichkeit sehr problematisch, da auftretende Mantelwellen zur Abstrahlung von HF-Energie führen, die dann die Funktion der elektronischen Komponenten im Fahrzeug bzw. in der Umgebung stören können. Um solche HF-Störungen zu vermeiden, ist es üblich, die Abschirmung des Kabels STP kapazitiv mit der Fahrzeug-Masse zu koppeln. Ein Beispiel einer solchen Schaltung ist in der 3 gezeigt. Dort ist bei jedem Steuergerät CU1 und CU2 eine Parallelschaltung von einem Widerstand R2 mit einem Kondensator C1 einerseits an die Kabelabschirmung SD angeschlossen und anderseits an die Fahrzeug-Masse. Der Kondensator C1 bewirkt, dass HF-Störungen gegen Masse kurzgeschlossen werden, während der Widerstand R2 den Strom begrenzt, der bei statischen Aufladungen oder einem Versatz zwischen dem Massepotential des Zugfahrzeuges und dem Massepotential des Anhängerfahrzeuges über die Kabelabschirmung SD abfließen kann. Die tatsächliche Abschirmwirkung der Abschirmung SD des Kabels STP ist aber nur gegeben, solange die Abschirmung bei beiden Kommunikationspartnern CU1 und CU2 korrekt kontaktiert ist. Ist die Kontaktierung an einer Seite oder beiden Seiten nicht mehr gegeben, können sich wieder Mantelwellen ausbreiten und es kann zu einer Beeinflussung der Kommunikationsstrecke aber auch zu erhöhter Abstrahlung und Störung anderer Komponenten kommen.
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Es besteht also der Bedarf für eine Überwachung der korrekten Funktion der Kabelabschirmung. Gerade bei häufigen Einsteckvorgängen, bei denen der Kabelstecker PL in eine Anschlussbuchse SC gesteckt wird, wie es beim Ankuppeln eines Anhängerfahrzeuges an ein Zugfahrzeug erforderlich ist, kann es durch Verwindungen und Verbiegungen dazu kommen, dass sich die Kontaktierung der Schirmung, meistens im Bereich des Steckers PL, verschlechtert. Dies kann bis zum vollständigen Verlust der Kontaktierung führen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zu entwickeln, mit der es möglich ist, die korrekte Wirkung der Abschirmung des Verbindungs-Kabels zu überprüfen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Überprüfung der Funktion einer Kabelabschirmung einer drahtgebundenen Kommunikationsverbindung zwischen zwei Kommunikationspartnern gemäß Anspruch 1, durch eine elektronische Steuervorrichtung in einem Fahrzeug gemäß Anspruch 10 und ein Fahrzeug gemäß Anspruch 16 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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In einer Ausprägung betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Überprüfung der Funktion einer Kabelabschirmung einer drahtgebundenen Kommunikationsverbindung zwischen zwei Kommunikationspartnern, die über die drahtgebundene Kommunikationsverbindung kommunizieren. Die besondere Gestaltungsform besteht darin, dass wenigstens in einem der Kommunikationspartner eine erste elektrische Schaltung vorgesehen ist, durch die eine Testspannung an die Kabelabschirmung angelegt wird, während bei dem einen oder dem anderen der Kommunikationspartner eine zweite elektrische Schaltung vorgesehen ist, die die angelegte Testspannung einem Mittel zur Messwerterfassung zuführt, das eine Messung der Testspannung vornimmt und ein Fehlersignal erzeugt, falls eine Testspannung gemessen wurde, die außerhalb eines zulässigen Wertebereichs oder außerhalb eines von mehreren zulässigen Wertebereichen liegt. Mit den steigenden Bandbreitenanforderungen für die Kommunikation zwischen elektronischen Geräten geht einher, dass die Störfestigkeit der Kommunikation nur noch gewahrt werden kann, indem abgeschirmte, besser noch doppelt abgeschirmte, Kabel eingesetzt werden. Dies stellt aber eine zusätzliche Fehlerquelle dar. Denn die Abschirmung muss mit Massepotential verbunden werden, damit statische Aufladungen und HF-Störungen abgeleitet werden können. Diese Art der Kontaktierung der Abschirmung erfolgt bei steckbaren Verbindungskabeln im Bereich des Steckers. Dies kann im Laufe der Zeit bei häufigen Steckvorgängen zu Brüchen bei der empfindlichen Abschirmung führen. Mindestens für sicherheitsrelevante elektronische Systeme stellt dies ein Risiko dar, denn die Kabelabschirmung wirkt nur richtig, wenn die Abschirmung korrekt kontaktiert ist. Hier bietet die Erfindung eine Möglichkeit zur Erhöhung der Sicherheit und der Zuverlässigkeit. Mit der Erfindung ist es möglich, die korrekte Funktion der Abschirmung im laufenden Betrieb zu überwachen und bei Erkennung des Verlustes der Kontaktierung eine Fehlermeldung bzw. eine Warnmeldung auszugeben. Der Aufwand für diese Überwachung ist gering, denn die Testspannung kann mit wenigen Schaltelementen der Kabelabschirmung zugeführt werden. Das Messen der Testspannung ist mit dem bei dem jeweiligen elektronischen Gerät meist sowieso vorhanden Mikrocontroller möglich. Die Auswertung der Messspannung und die Erzeugung der Warnmeldung kann mit Hilfe von einem zusätzlich installierten Computerprogramm erfolgen, dass auf dem elektronischen Gerät installiert wird.
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In einer erweiterten Ausführungsform sind in der ersten elektrischen Schaltung Schaltmittel vorgesehen, die das Anlegen der Testspannung ein- und ausschalten können. Gleichzeitig können in der ersten elektrischen Schaltung Schaltmittel vorgesehen werden, die das Ableiten der Testspannung an die elektrische Masse ein- und ausschalten können. Damit wird eine hohe Flexibilität für die Durchführung des Tests geboten. So ist es auch möglich die Testspannung nicht dauerhaft an die Abschirmung legen zu müssen. Der Test kann so in eine Phase gelegt werden, wo die elektronischen Geräte noch keinen kritischen Betriebszustand erreicht haben. Auch verbessert dies die Fehlersuchmöglichkeiten. Wenn ein Widerstandwert wegen der Nichtanschaltung bei der Messung wegfällt, ändert sich die gemessene Testspannung, so dass eine Aussage getroffen werden kann, dass das elektronische Gerät, bei welchem die Anschaltung des Widerstandes hätte erfolgen, sollen einen Fehlerzustand aufweist.
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Hier ist es bevorzugt, dass in einem oder beiden Kommunikationspartnern elektronische Steuervorrichtungen enthalten sind, die zur Ansteuerung der ersten bzw. zweiten Schaltmittel dienen.
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Zusätzlich von Vorteil ist es diesbezüglich, wenn die elektronischen Steuervorrichtungen programmierbare Steuervorrichtungen sind, die insbesondere als Mikrocontroller ausgeführt sind. Diese bieten die Möglichkeit der Programmierbarkeit, so dass die Durchführung der Testphase sehr variabel und für wechselnde Anforderungen optimiert gestaltet werden kann.
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Gleichzeitig bieten Mikrocontroller als Mittel zur Messwerterfassung in der Regel einen integrierten Analog- / Digitalwandler mit dem die Testspannung erfasst werden kann und in digitaler Form zur Auswertung bereitgestellt wird.
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Für die erfindungsgemäße Vorrichtung ist es weiterhin vorteilhaft, wenn in der ersten elektrischen Schaltung rings um den Umfang der Kabelabschirmung Kontaktstifte verteilt sind, die im Bereich des Steckers des Kabels der Kommunikationsverbindung, wenn er in die entsprechende Buchse des Kommunikationspartners eingesteckt ist, an Kontaktflächen der Kabelabschirmung drücken, wobei die Kontaktstifte jeweils mit einem Kondensator (C1 a - C1 d) gegen Massepotential geschaltet sind, die unterschiedliche Kapazitätswerte aufweisen. Dadurch bleibt die Kontaktierung der Kabelabschirmung erhalten, wenn einzelne Kontaktstifte bzw. Kontaktflächen verschlissen sind. Durch die Wahl der Kapazitätswerte ist es möglich die Ausbildung eines Saugkreises zu verhindern, der nur bestimmte Signalfrequenzen an Masse ableiten würde.
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Eine bevorzugte Ausführungsart des Kabels der Kommunikationsverbindung weist neben der Abschirmung eine Anzahl von verdrillten Adernpaaren auf, über die die Bussignale übertragen werden. Solche Kabel haben sich vielfältig bewährt für die zuverlässige Übertragung von Daten, denn Gleichtaktstörungen werden durch die Verdrillung der Adernpaare unterdrückt.
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Für den Einsatz im Nutzfahrzeugbereich kann es vorteilhaft sein, wenn das Kabel der Kommunikationsverbindung sogar ein einfach abgeschirmtes Kabel des Typs STP oder ein doppelt abgeschirmtes Kabel des Typs S/FTP ist, entsprechend „screened foiled twisted pair“ nach der Norm ISO/IEC-11801 (2002)E: S/FTP mit nur einem verdrillten Adernpaar, das mit einer Alufolie ummantelt ist und ein Drahtgeflecht als äußere Abschirmung aufweist. Daneben sind aber auch andere Varianten von abgeschirmten Kabeln für den Einsatz im Nutzfahrzeugbereich zugelassen.
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Diesbezüglich ist ebenfalls vorteilhaft, wenn die Datenübertragung über das Kabel der Kommunikationsverbindung nach dem Kommunikationsstandard IEEE 802.3bp, entsprechend 1000Base-T1: Typ B erfolgt. Damit lassen sich Daten mit einer Datenrate von 1 Gbit/s und ggfs. auch mit höhere Datenraten übertragen.
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In einer anderen Ausprägung betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überprüfung der Funktion einer Kabelabschirmung einer drahtgebundenen Kommunikationsverbindung zwischen zwei Kommunikationspartnern, die über die drahtgebundene Kommunikationsverbindung kommunizieren. Diese Verfahren ist gekennzeichnet durch die Schritte: Anlegen einer Testspannung an die Kabelabschirmung durch den einen Kommunikationspartner, Messen der Testspannung an der Kabelabschirmung bei dem einen oder dem anderen Kommunikationspartner, Auswertung der Messwerte bei dem einen oder dem anderen Kommunikationspartner und Erzeugen eines Fehlersignals bei dem einem oder dem anderen Kommunikationspartner, falls eine Testspannung gemessen wurde, die außerhalb eines zulässigen Wertebereichs oder außerhalb eines von mehreren zulässigen Wertebereichen liegt. Dieses Verfahren bietet die entsprechenden Vorteile, wie die erfindungsgemäße Vorrichtung. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich die korrekte Funktion der Abschirmung im laufenden Betrieb zu überwachen und bei Erkennung des Verlustes der Kontaktierung eine Fehlermeldung bzw. eine Warnmeldung auszugeben. Dabei bleibt der Aufwand für diese Art der Überwachung der Funktion der Kabelabschirmung gering.
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In einer weiteren Ausprägung betrifft die Erfindung eine elektronische Verarbeitungseinheit zur Verwendung als Kommunikationspartner bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. In dieser elektronischen Verarbeitungseinheit ist eine erste elektrische Schaltung vorgesehen ist, durch die eine Testspannung an die Kabelabschirmung anlegbar ist. Alternativ oder zusätzlich ist eine zweite elektrische Schaltung vorgesehen, die die angelegte Testspannung einem Mittel zur Messwerterfassung zuführt, das eine Messung der Testspannung vornimmt und ein Fehlersignal erzeugt, falls eine Testspannung gemessen wurde, die außerhalb eines zulässigen Wertebereichs oder außerhalb eines von mehreren zulässigen Wertebereichen liegt. Damit kann der Aufwand zur Implementierung der Kabelüberwachung für eine Station variabel gestaltet werden. Für die volle Flexibilität bei der Durchführung des Tests, können in beiden Kommunikationspartnern beide elektrische Schaltungen vorgesehen werden. Im Prinzip reicht es aber aus, wenn in einem der Kommunikationspartner die erste Schaltung vorgesehen wird und in dem anderen Kommunikationspartner die zweite elektrische Schaltung. So kann der Aufwand für die Implementierung des Tests auf einzelne elektronische Geräte beschränkt werden.
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Eine vorteilhafte Erweiterung besteht darin, dass in der ersten elektrischen Schaltung Schaltmittel vorgesehen sind, die das Anlegen der Testspannung ein- und ausschalten können und/oder in der ersten elektrischen Schaltung Schaltmittel vorgesehen sind, die das Ableiten der Testspannung an die elektrische Masse ein- und ausschalten können. Es kann sich bevorzugt um elektronische Schalter, z.B. Transistoren handeln. Bei dieser Variante sind die Testmöglichkeiten erweitert. Damit lassen sich verschiedene Spannungspegel an die Kabelabschirmung legen. Dies kann dazu dienen verschiedene Zusatzinformationen zu signalisieren. Für den Fall, dass die Kommunikation über die Kommunikationsverbindung ausfällt, kann über den Spannungspegel an der Kabelabschirmung der Zustand der auf der Gegenseite angeschlossenen Steuergerätes signalisiert werden. Ein Beispiel betrifft die Signalisierung der Information, dass die sicherheitsrelevanten Funktionen bei dem Steuergerät zur Verfügung stehen und weiterhin autonom ausgeführt werden. Für die Signalisierung dieser Information wird bei derzeitig eingesetzten Bremsen-Steuergeräten in Anhängerfahrzeugen dafür extra eine Zusatzleitung (ABS fault indication) vorgesehen oder eine PLC Kommunikation, entsprechend Powerline communication, vorgeschrieben. Diese Lösungen können durch die hier beschriebene Maßnahme ersetzt werden.
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Hier ist es besonders vorteilhaft, wenn die elektronische Verarbeitungseinheit eine elektronische Steuervorrichtung beinhaltet, die zur Ansteuerung der ersten bzw. zweiten Schaltmittel dient. Diese elektronische Steuervorrichtung kann als programmierbare Steuervorrichtung ausgeführt sein, insbesondere in Form eines Mikrocontrollers. Derartige elektronische Geräte sind typischerweise mit Mikrocontroller ausgestattet, so dass darin kein Zusatzaufwand besteht.
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Dies bietet auch die Möglichkeit als Erweiterung mehr zusätzliche Informationen auf der Kabelabschirmung zu signalisieren, z.B. durch (langsames) Schalten mehrerer Schalter, wobei durch Anschaltung verschiedener Widerstände verschiedene Spannungspegel in verschiedenen Intervallen angelegt werden können, die verschiedene Informationen signalisieren.
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Für die elektronische Verarbeitungseinheit ist es wiederum vorteilhaft, wenn die Kabelabschirmung über ihren Umfang verteilt an mehreren Stellen mit Kondensatoren gegen Massepotential geschaltet wird, die unterschiedliche Kapazitätswerte aufweisen. Dadurch wird ein negativer Einfluss von Leiterbahnführungen minimiert. Durch die besondere Wahl der Kapazitätswerte ist es möglich die Ausbildung eines Saugkreises zu verhindern, der nur bestimmte Signalfrequenzen an Masse ableiten würde.
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Eine weitere Ausprägung der Erfindung besteht in einem Fahrzeug bestehend aus einem Zugfahrzeug und einem Anhängerfahrzeug, wobei das Fahrzeug eine erfindungsgemäße Vorrichtung aufweist, wobei der eine Kommunikationspartner eine elektronische Verarbeitungseinheit in dem Zugfahrzeug ist und der andere Kommunikationspartner eine elektronische Verarbeitungseinheit in dem Anhängerfahrzeug ist, die beide über das Kabel der Kommunikationsverbindung miteinander kommunizieren.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 den prinzipiellen Aufbau eines Ethernet-Kabels des Typen S/FTP;
- 2 ein erstes Blockschaltbild für die Verbindung zweier elektronischer Steuergeräte über ein abgeschirmtes Ethernet-Kabel;
- 3 ein zweites Blockschaltbild für die Verbindung zweier elektronischer Steuergeräte über ein abgeschirmtes Ethernet-Kabel;
- 4 ein Zugfahrzeug und ein abholbereites Anhängerfahrzeug in der Art eines Sattelaufliegers,
- 5 ein drittes Blockschaltbild für die Verbindung zweier elektronischer Steuergeräte über ein abgeschirmtes Ethernet-Kabel;
- 6 ein erstes Spannungs-Auswerte-Diagramm, das die verschiedenen möglichen Messwertbereiche darstellt beim Testen der Funktion der Kabelabschirmung und deren Bedeutung;
- 7 ein viertes Blockschaltbild für die Verbindung zweier elektronischer Steuergeräte über ein abgeschirmtes Ethernet-Kabel;
- 8 eine Darstellung der Art der kapazitiven Kopplung der Kabelabschirmung mit Massepotential;
- 9 ein fünftes Blockschaltbild für die Verbindung zweier elektronischer Steuergeräte über ein abgeschirmtes Ethernet-Kabel; und
- 10 ein zweites Spannungs-Auswerte-Diagramm, das die verschiedenen möglichen Messwertbereiche darstellt beim Testen der Funktion der Kabelabschirmung und deren Bedeutung;
- 11 ein sechstes Blockschaltbild für die Verbindung zweier elektronischer Steuergeräte über ein abgeschirmtes Ethernet-Kabel;
- 12 ein drittes Spannungs-Auswerte-Diagramm, das die verschiedenen möglichen Messwertbereiche darstellt beim Testen der Funktion der Kabelabschirmung und deren Bedeutung; und
- 13 ein Blockschaltbild für elektronische Komponenten eines Zugfahrzeuges und elektronische Komponenten eines Anhängerfahrzeuges, die über abgeschirmte Ethernet-Kabel untereinander verbunden sind.
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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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4 zeigt ein Zugfahrzeug 20 bei der Ausrichtung zu einem abholbereiten Anhängerfahrzeug 10. Unter dem Begriff Anhängerfahrzeug 10 wird hier ein Anhängerfahrzeug verstanden, das mit einem Ankoppelsystem für ein Zugfahrzeug 20 ausgestattet ist. Es handelt sich vorwiegend um Nutzfahrzeug-Anhänger. Diese sind oft als Sattelauflieger-Fahrzeug mit einem Ankoppelsystem ausgestattet, bei dem ein sogenannter Königszapfen des Anhängerfahrzeuges 10 in eine Sattelplatte 22 des Zugfahrzeuges geführt wird, bis zum Einrasten, wodurch eine drehbare Verbindung zwischen Zugfahrzeug 20 und Anhängerfahrzeug 10 entsteht. Es kann sich aber auch um andere Anhängerfahrzeuge handeln, beispielsweise Anhängerfahrzeuge, die in der Landwirtschaft benutzt werden, oder Anhängerfahrzeuge, die an Baufahrzeuge angehängt werden. Auch größere Wohnwagen, sowie Freizeit- und Sportanhänger, kommen in Betracht.
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Bei dem Zugfahrzeug 20 handelt es sich um ein Nutzfahrzeug in Form einer Sattelauflieger-Zugmaschine. Auch hier gilt, dass auch andere Zugfahrzeuge in Betracht kommen. Als weitere Beispiele werden genannt, Traktoren, die in der Landwirtschaft benutzt werden, oder Baufahrzeuge oder Campingfahrzeuge. Schließlich wird erwähnt, dass die Auflistung keine abschließende Auflistung darstellt. So kommen ebenfalls Personenkraftwagen als Zugfahrzeuge zum Einsatz, die ebenfalls mit dem Gegenstand der Erfindung ausgerüstet werden können. Auch der Begriff Zugfahrzeug wird hier nur beispielhaft verwendet. Die Erfindung kann auch in anderen Fahrzeugen zum Einsatz kommen, die nicht als Zugfahrzeuge benutzt werden. Dazu gehören auch Busse und Bau- und Erntemaschinen, sowie Motorräder, Militärfahrzeuge, Roboter, Schiffe, Flugzeuge und Drohnen. Der Einsatz der Erfindung ist weiterhin nicht auf den Einsatz in Fahrzeugen bzw. mobilen Vorrichtungen beschränkt. Auch in Industrieanlagen, bei der Gebäudeautomation, bei der Maschinensteuerung wie auch bei der Prozess- und Anlagensteuerung kann die Erfindung eingesetzt werden.
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Das Zugfahrzeug 20 ist mit einer Antriebseinheit 24 ausgestattet, die in der dargestellten Form einer Brennkraftmaschine entspricht. Selbstverständlich können auch andere Arten von Antriebseinheiten in dem Zugfahrzeug integriert sein. Als weitere Beispiele werden Elektromotoren und Brennstoffzellen genannt. Bei den Rädern des Zugfahrzeuges 20 sind noch die Betriebsbremsen 26 hervorgehoben.
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Das Anhängerfahrzeug 10 steht auf Stützen 12, die nach Ankupplung an ein Zugfahrzeug eingeklappt oder hochgefahren werden. Der Fahrer des Zugfahrzeuges 20 muss nach Ankupplung des Anhängerfahrzeuges 10 noch die Verbindungsleitungen zwischen Anhängerfahrzeug 10 und Zugfahrzeug 20 für die elektrischen Systeme und die pneumatischen Systeme und ggfs. noch die hydraulischen Systeme anschließen. Bei modernen Anhängerfahrzeugen 10 ist dabei auch ein Kabel für die Kommunikation zwischen der Bordelektronik des Zugfahrzeug 20 und der Bordelektronik des Anhängerfahrzeuges 10 zu stecken. Zukünftig ist für diese Kommunikationsverbindung der Einsatz von Automotive Ethernet in der Variante 1000Base-T1 geplant. Die Spezifikation dieses Kommunikations-Standards ist unter der Nummer IEEE 802.3 bp zugänglich. Es wird deshalb bzgl. weiterer Einzelheiten auch im Hinblick auf die Offenbarung der Erfindung auf diesen Standard Bezug genommen. Als Kabel wird dafür ein abgeschirmtes Ethernet-Kabel, z.B. das bereits beschriebene S/FTP-Kabel eingesetzt, das ein verdrilltes Adernpaar als Kommunikationsleitung beinhaltet und eine doppelte Abschirmung in Form von Aluminium-Folie plus Drahtgeflecht aufweist.
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Heute werden beim Ankupppeln von Anhängerfahrzeugen die pneumatischen, hydraulischen und elektrischen Verbindungsleitungen meistens noch von Hand angeschlossen. Dem Fahrer fällt diese Aufgabe zu. Zukünftig wird es beginnend im Yard-Bereich, d.h. auf den Betriebshöfen von Logistik-Unternehmen, etc. automatisierte Zugfahrzeuge 10 geben, die ohne Fahrereingriff das Rangieren der Anhängerfahrzeuge 20 übernehmen. Dafür werden Ankupplungssysteme entwickelt, die ein automatisches Ankuppeln von Anhängerfahrzeugen gestatten. Bei solchen Ankupplungssystemen, die ähnlich aufgebaut sein werden wie bei automatischen Ankupplungssystemen im Eisenbahnverkehr, ist in der Ankupplungseinheit auch ein Steckverbinder vorhanden für den Anschluss des abgeschirmten Ethernet-Kabels. Die Ankupplungseinheit wird bei Sattelauflieger-Anhängerfahrzeugen in der Nähe des Königszapfen positioniert. Bei den Ankupplungsvorgang werden automatisch alle elektrischen, pneumatischen, und ggfs. hydraulischen Leitungen angeschlossen.
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Die 5 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Schaltungen EC1 des Steuergerätes CU1 und die Schaltung EC1 des Steuergerätes CU2 besonders vereinfacht wurden. In der Schaltung EC1 wird die Batteriespannung Ubat über den Anschluss der Batteriespannung Ubat und einen Widerstand R1 der Kabelabschirmung SD zugeführt. Gleichzeitig ist von der Kabelabschirmung aus ein Kondensator C1 gegen Masse geschaltet. Im Nutzfahrzeug-Bereich beträgt die Batteriespannung typischerweise 24 V. Neuerdings werden sogar 48 V Batterien eingesetzt. Die Schaltung EC1 bei dem Steuergerät CU2 besteht aus einer Parallelschaltung von Widerstand R2 und Kondensator C1, die an Kabelabschirmung SD angeschaltet ist. Der Spannungsteiler, der die Testspannung der Kabelabschirmung SD zuführt, besteht nur noch aus den Widerständen R1 und R2. Sind die Widerstände R1 und R2 gleich groß bemessen, wird sich die Testspannung an der Kabelabschirmung auf Ubat/2 einstellen. Sollte die Kontaktierung der Kabelabschirmung SD an irgendeiner Stelle des Kabels wegfallen, steigt die Messspannung in CU1 auf einen Wert von ca. 80% von Ubat oder mehr an und liegt damit in dem oberen Fehlerbereich. Es wird dann eine Fehlermeldung ERC erzeugt und ein Eintrag in dem Fehlerspeicher ERR der CU1 gesetzt. Bei diesem Fehlerfall kann die Testspannung nicht mehr zugeführt werden und es wird in CU2 ein Spannungswert im unteren Fehlerbereich, der sich bis zu einem Wert von 20% von Ubat erstreckt gemessen. Die Fehlermeldung wird ebenfalls ausgegeben und der Eintrag im Fehlerspeicher ERR des Steuergerätes CU2 gesetzt.
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6 zeigt den zulässigen Bereich für die Spannungsmessung an der Kabelabschirmung bei der Durchführung des Tests mit der Schaltung gem. 5. Der zulässige Spannungsbereich ist mit dem Bezugszeichen RA1 markiert. Dieser zulässige Spannungsbereich liegt symmetrisch um den Spannungswert Ubat/2. Der eingezeichnete Wert Min entspricht dem Wert von 20% von Ubat. Der eingezeichnete Wert Max entspricht dem Wert von 80% von Ubat. Der Mikrocontroller MCU erzeugt das jeweilige Fehlersignal ERC, dass in den Fehlerspeicher ERR eingetragen wird. Die beiden Spannungsbereiche, bei denen ein Fehler erkannt wird, sind in 6 als Error Range bezeichnet.
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7 zeigt eine erfindungsgemäße Lösung für eine Schaltung, mit der es möglich ist, den an die Kabelabschirmung SD gelegten Spannungspegel erst zur Laufzeit festzulegen. Mit dieser Lösung kann entweder der Anschluss der Kabelabschirmung SD bei dem Steuergerät CU1 oder bei dem Steuergerät CU2 gegen Masse oder alternativ gegen Ubat hochohmig geschaltet werden. Damit kann flexibel auf Leitungsanschlüsse reagiert werden.
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Bei Automotive-Ethernet ist nämlich eine Festlegung erforderlich, welcher Kommunikationspartner als sogenannter „Master“ und welcher Kommunikationspartner als sogenannter „Slave“ arbeiten soll. Dies dient dazu die Synchronisierung zwischen den Kommunikationspartnern zu starten und aufrecht zu erhalten. Im Folgenden wird das als „Master“ konfigurierte Gerät als Primär-Gerät bezeichnet und das als „Slave“ konfigurierte Gerät als Sekundär-Gerät bezeichnet. Das Primär-Gerät hat dabei die Funktion regelmäßig Symbole zu senden, anhand denen sich das Sekundär-Gerät synchronisiert.
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Für die Festlegung, welches Gerät als Primär-Gerät bzw. Sekundär-Gerät eingestellt wird, ist im Automotive Ethernet-Standard ein sogenannter Autonegotiation-Vorgang spezifiziert. An diesen Vorgang wird geknüpft, bei welchem elektronischen Steuergerät, welches Bezugspotential an den Schirmwiderstand gelegt wird. So wird dann erreicht, dass die Schalter bei Anschaltung der Steuergeräte automatisch den richtigen Zustand, entsprechend der ausgehandelten Konfiguration als Primär- bzw. Sekundär-Gerät, einnehmen. Das Kabel, das zur Verbindung der beiden Steuergeräte CU1 und CU2 benutzt wird, ist sowohl bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 als auch 7 ein doppelt abgeschirmtes S/FTP-Kabel mit einem verdrillten Adernpaar. Genauso könnte alternativ ein einfach abgeschirmtes STP-Kabel mit einem verdrillten Adernpaar eingesetzt werden. Die Abschirmung, die kontaktiert wird, sollte als Drahtgeflecht gestaltet sein.
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Es gibt im Rahmen der verschiedenen Ethernet-Varianten weitere Kabeltypen, die mit Abschirmung ausgestattet sind. Als Beispiele werden die Kabeltypen S/UTP, F/FTP, U/FTP, SF-FTP, S/STP, F/STP genannt. All diese Kabeltypen sind mit ein oder mehr verdrillten Adernpaaren, entsprechend „twisted pair“, ausgestattet, über die die Bussignale übertragen werden. Bei den STP und FTP-Kabeltypen sind die verdrillten Adernpaare einzeln mit Aluminium-Folie abgeschirmt. Der vorangestellte Buchstabe gibt an, welcher Art die Gesamtschirmung des jeweiligen Kabeltyps ist. S steht dabei für einen Geflechtschirm, F für einen Folienschirm und SF für einen Geflecht- und Folienschirm. Daneben gibt es auch noch sogenannte Quad Pair-Kabeltypen, bei den jeweils vier Adern miteinander verdrillt sind.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel von 7 bezeichnen gleiche Bezugszahlen die gleichen Komponenten wie in der vorangehenden 5. Zum Testen der ordnungsgemäßen Funktion der Kabelabschirmung ist eine erste Schaltung EC1 bei dem Steuergerät CU1 vorgesehen und eine zweite Schaltung EC2. Beide Schaltungen EC1 und EC2 können in diskreter Form auf einer Schaltplatine (PCB, entsprechend „printed circuit board“) aufgebaut sein. Vorzugsweise werden SMD-Bauteile zur Implementierung der Schaltungen EC1 und EC2 benutzt. Die Schaltung EC1 besteht aus den Komponenten Anschluss Ubat für die Batteriespannung zum Anlegen der Versorgungsspannung an die Schaltung EC1, einem elektronischen Schalter S1, einem ersten Widerstand R1, einem Kondensator C1, einem zweiten Widerstand R2, der gegen ein Massepotential geschaltet ist, einem zweiten elektronischen Schalter S2 und einem dritten Widerstand R3. Für die Erfassung der Testspannung ist eine weitere Schaltung EC2 vorgesehen. Diese besteht aus den Komponenten Kondensator C2, Widerstand R4 und Widerstand R5. Die Kabelabschirmung SD ist mit dem Widerstand R4 kontaktiert. Dieser führt das Potential der Kabelabschirmung an einen AD-Eingang ADI des Mikrocontrollers MCU. Die Funktion von Widerstand R5 und Kondensator C2 entspricht der Funktion von Widerstand R2 und Kondensator C1 der Schaltung EC1. Die dort anstehende analoge Spannung wird von dem in dem Mikrocontroller MCU1 enthaltenen AD-Wandler ADC erfasst. Die gleichen Schaltungen EC1 und EC2 können auch in dem Steuergerät CU2 enthalten sein, sind aber nicht zwingend erforderlich.
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Im Folgenden wird die Funktion der Schaltungen EC1 und EC2 von 7 erläutert. Mit Hilfe der Schaltung EC1 wird, wie bei den 2 und 3 erläutert, nach wie vor die Funktion erfüllt, dass die Kabelabschirmung SD kapazitiv an Massepotential gekoppelt ist. Dazu dient Kondensator C1. Über R2 werden weiterhin statische Aufladungen und Gleichströme an Masse abgeleitet. Über die Schalter S1 und S2 können nun verschiedene Spannungspegel eingestellt werden. Dabei sind die Schalter S1 und S2 vorzugsweise als elektronische Schalter realisiert, z.B. in Form von Transistoren. Hier bieten sich besonders bipolare Transistoren an. Alternativ können Feldeffekt-Transistoren eingesetzt werden. Der eingesetzte Transistor wird als steuerbarer Schalter betrieben. Das Steuersignal wird dem Transistor von dem Mikrocontroller MCU zugeführt (nicht dargestellt). So kann das Ein- und Ausschalten der Schalter S1 und S2 Mikroprozessor-gesteuert erfolgen.
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In der 8 ist zunächst noch eine besondere Art der Kontaktierung der Kabelabschirmung für die kapazitive Kopplung an Massepotential gezeigt. Im Bereich des Steckers PL des Verbindungskabels STP findet die Kontaktierung der Kabelabschirmung SD statt. Dazu werden im Stecker PL in der Regel mehrere Kontaktflächen vorgesehen, die rings um den Umfang des Kabels STP verteilt sind und eine Verbindung mit der Abschirmung SD, also dem Drahtgeflecht, herstellen. Die Stifte sind untereinander ringförmig verbunden.
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Parallel zur kapazitiven Anbindung können jeweils noch die Ableitungswiderstände R2 geschaltet sein. Um zu verhindern, dass durch die Beschaltung mit einem Kondensator in Verbindung mit der Induktivität des Kabels ein Saugkreis entsteht, der nur im Bereich der Resonanzfrequenz Frequenzen ableiten würde, werden mehrere Kondensatoren, zum Beispiel die dargestellten Kondensatoren C1 a - C1 d unterschiedlich platziert und dimensioniert. Die Kapazitäten der Kondensatoren werden bevorzugt aus dem Bereich von 100pF bis 100nF gewählt.
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Um die volle Flexibilität für das Überwachen der Abschirmung zu erhalten, können beide Steuergeräte CU1 und CU2 mit den gleichen Schaltungen EC1 und EC 2 ausgestattet werden. Die Einspeisung der Testspannung sollte aber pro Testvorgang nur auf einer Seite des Kabels STP erfolgen. Deshalb ist es vorgesehen, dass die Steuergeräte CU1 und CU2 in geeigneter Weise konfiguriert werden. Dies kann per Softwareausstattung erfolgen. Wenn die Software installiert wird, kann darin auch angegeben sein, ob das Steuergerät als Primär-Gerät oder als Sekundär-Gerät bzgl. der Überwachung der Kabelabschirmung konfiguriert sein soll. Im Beispiel der 7 wird jetzt angenommen, dass das Steuergerät CU1 als Primär-Gerät konfiguriert ist und das Steuergerät CU2 als Sekundär-Gerät. Dies führt dazu, dass während der Durchführung des Tests der Schalter S1 bei dem Steuergerät CU1 geschlossen wird, um die Testspannung von dem Steuergerät CU1 aus der Abschirmung SD des Kabels STP zuzuführen. Der Schalter S2 bleibt bei dem Steuergerät CU1 geöffnet. Hingegen wird das Steuergerät CU2 so konfiguriert, dass bei der Durchführung des Tests der Schalter S1 geöffnet wird und der Schalter S2 geschlossen wird. Die Testspannung, die bei funktionierender Abschirmung gemessen werden sollte, ergibt sich dabei dann aus dem Teilerverhältnis nach dem der Spannungsteiler bestehend aus Widerstand R1 und der Parallelschaltung der Widerstände R2 von Steuergerät CU1 mit R2 und R3 von Steuergerät CU2 die anliegende Spannung Ubat aufteilt. Die Widerstände R1 bis R3 sollten hochohmig sein, damit keine höheren Ströme über die Abschirmung fließen können. Als Beispiel werden die Widerstände unterschiedlich dimensioniert. Ein Beispiel ist die Dimensionierung der Widerstände mit R1 gleich 100 kΩ, R2 = 300 kΩ und R3 = 300 kΩ bei einer Speisespannung von Ubat = 24 V eine Testspannung von Ubat/2 = 12 V. Die Testspannung wird während der Testphase gemessen. Sie kann in beiden Steuergeräten CU1 und CU2 gemessen werden.
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Die Testphase kann in einer Variante immer nach Einschaltung der Steuergeräte CU1 und CU2 als ein Teil des Boot-Vorganges zum gleichen Zeitpunkt durchgeführt werden. Die Testauswertung erfolgt per Programm, das von dem Mikrocontroller MCU abgearbeitet wird. Nachdem der von dem AD-Wandler ADC erfasste Messwert vorliegt, wird er ausgewertet. Dies erfolgt wie in 7 dargestellt. Wenn die Abschirmung SD sowohl auf Seiten des Steuergerätes CU1 als auch auf Seiten des Steuergerätes CU2 richtig kontaktiert ist, sollte sich als Testergebnis eine Testspannung von Ubat/2 ergeben. Wenn allerdings ein Fehler bei dem Steuergerät CU2 vorliegt und dieses nicht gestartet werden konnte, sollte sich dadurch, dass der Schalter S2 beim Steuergerät CU2 nicht geschlossen werden konnte, ein anderer Messwert als Testergebnis ergeben. Es fehlt dann in der Parallel-Schaltung der Widerstände der Widerstand R3. Somit sind nur die beiden Widerstände R2 parallelgeschaltet. Als Messwert sollte sich dann aufgrund des anderen Teilerverhältnisses ein Spannungswert von ca. ⅔U bat V ergeben. In beiden Fällen ist mit dem Test nachgewiesen, dass die Abschirmung richtig kontaktiert ist und funktionsfähig ist. Im ersten Fall kann sogar die Aussage getroffen werden, dass auch das Steuergerät CU2 ordnungsgemäß gestartet wurde und in Betrieb ist. Im zweiten Fall kann die Aussage getroffen werden, dass das Steuergerät CU2 einen Fehlerzustand aufweist, denn der Test zeigt, dass es nicht ordnungsgemäß gestartet wurde. Sollte die Abschirmung auf Seiten des Steuergerätes CU2 nicht richtig kontaktiert sein, so wird auch der Widerstand R2 bei Steuergerät CU2 inaktiv. Die Verhältnisse bei dem Spannungsteiler ändern sich dadurch ebenfalls. Nun wirken nur die Widerstände R1 und R2 auf Seiten des Steuergerätes CU1. Damit ergibt sich eine gemessene Testspannung von ca. 75% von Ubat. Dies liegt außerhalb des in 6 dargestellten Toleranzbereiches für die Testspannungsmesswerte und es wird damit ein Fehler bei der Kontaktierung erkannt. Das Auswerteprogramm wird diesen Fehler in dem Fehlerspeicher ERR des Mikrocontrollers MCU abspeichern. Bei Einsatz des Steuergerätes CU1 in einem Fahrzeug, kann zusätzlich eine Fehlermeldung über das bordeigene Kommunikationsnetzwerk zu einem Anzeigegerät gesendet werden, welches die Fehlermeldung zur Anzeige bringt. Sollte es sich bei dem überprüften Kabel um das Kabel handeln, dass zur Verbindung der Kommunikationsnetzwerke zwischen Zugfahrzeug 20 und Anhängerfahrzeug 10 dient, kann der Fahrer nach Erkennen der Fehlermeldung die Steckverbindung des angeschlossenen Kabels überprüfen. Wenn sich der Fehler durch erneutes Einstecken des Steckers des Verbindungskabels nicht beheben lässt, sollte der Fahrer schnellstmöglich eine Werkstatt aufsuchen, um das defekte Kabel ersetzen zu lassen.
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Weitere Fehlerzustände, die erkannt werden, können unterschieden werden, wenn zusätzlich ausgewertet wird, ob eine Kommunikation über das Verbindungskabel STP möglich ist.
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Ist keine Kommunikation möglich und der Widerstand R3 bei Steuergerät CU2 abgeschaltet, bedeutet dies, dass das Steuergerät CU2 sich in einem Fehlerzustand befindet.
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Ist keine Kommunikation möglich und der Widerstand R3 bei Steuergerät CU2 angeschaltet, bedeutet es, dass das Steuergerät CU2 zwar korrekt gestartet wurde, aber keine Kommunikation möglich ist. Dann sollte sich das Steuergerät CU2 von selbst in einen Sicherheitszustand schalten, in dem es für sich selbst eine Sicherheitsfunktion ausführt. Bei einem Bremsen-Steuergerät, dass sich in dem Anhängerfahrzeug 10 befindet, bedeutet dies, dass das Steuergerät einen Zustand einnimmt, in der es eine eigenständige ABS-Funktion bietet, in der es sich nur auf die Messwerte der Raddrehzahlsensoren und ggfs. weiterer Sensoren des Anhängerfahrzeuges 10 verlässt.
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Es findet keine Kommunikation über das Kabel STP statt und der zusätzliche Widerstand R3 ist bei beiden Steuergeräten CU2 nicht zugeschaltet, bedeutet, dass ein Doppelfehler vorliegt und der Startvorgang in beiden Steuergeräten CU1 und CU2 fehlerhaft war. Durch Neustart beider Steuergeräte kann dann versucht werden, ob sich der Fehler beheben lässt.
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Alternativ kann der Test auch mehrfach im laufenden Betrieb nach bestimmten Zeitabständen oder nach bestimmten Betriebszuständen wiederholt werden. So ist es möglich den Verlust der Kontaktierung der Abschirmung des Kabels STP noch während des laufenden Betriebes zu erkennen. Dies ist im Fahrzeugbereich, wie auch bei Maschinen- und Anlagen-Steuerungen vorteilhaft, denn durch vielfältig auftretende Erschütterungen und Vibrationen ist es möglich, dass es zu einem Kontaktverlust kommt.
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Der Toleranzbereich für die Auswertung der gemessenen Spannung erstreckt sich in dem Bereich von zwischen den in 6 dargestellten Min und Max-Werten.
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Im Folgenden wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Die 9 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Schaltung EC1 in Steuergerät CU1 unterschiedlich gestaltet ist zu der Schaltung EC2 von Steuergerät CU2. Gleichzeitig wurden die Schaltungen EC1 vereinfacht. Es wurden in Schaltung EC1 von CU2 der Widerstand R1 und der Schalter S1 und der Anschluss zu Ubat weggelassen. Bei der Schaltung EC1 von Steuergerät CU1 wurde der Schalter S1 weggelassen und die Widerstände R2 und R3 und der Schalter S2 weggelassen. Die Testspannung wird so dauerhaft über den Widerstand R1 an die Kabelabschirmung SD angelegt. Durch diese Variation der Schaltungen EC1 wird das Steuergerät CU1 dauerhaft als Primär-Steuergerät in Bezug auf den Test der Kabelabschirmung SD konfiguriert. Das Steuergerät CU2 wird so dauerhaft als Sekundär-Steuergerät in Bezug auf den Test der Kabelabschirmung SD konfiguriert. So kann die Funktion der Kabelabschirmung weiterhin überprüft werden, während die Beurteilung der Zustände der Steuergeräte nicht mehr auf Basis der An- und Abschaltung der Widerstrände R1 und R2 seitens der Schalter S1 und S2 möglich ist.
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Die 10 zeigt die besondere Art der Auswertung des Messergebnisses bei der Durchführung des Tests im Fall der Schaltung gemäß 9. In diesem Fall ist der zulässige Spannungsbereich RA1 in zwei Bereiche RA2 und RA3 eingeteilt. Im Fall, dass R1 und R2 parallel zu R3 wirken (Normalbetriebsfall), ergibt sich ein Teilerverhältnis von 1 zu 1,5. Dementsprechend wird als Messspannung in diesem Fall ein Wert von ca. ⅔ Ubat V gemessen. Wenn jetzt die Abschirmung auf der Seite von Steuergerät CU2 nicht mehr kontaktiert ist, fällt die Wirkung der Widerstände R2 und R3 weg. Also wird die Messspannung an der Abschirmung wegen des Pull-Up Widerstandes R1 gegen Ubat tendieren. Die Messpannung wird also in dem oberen Error-Range-Bereich liegen. Es wird dann der Fehler erkannt und ein Fehlersignal ERC ausgegeben und ein Eintrag in dem Fehlerspeicher ERR in Steuergerät CU1 gesetzt. Wenn umgekehrt die Kontaktierung der Abschirmung auf Seiten des Steuergerätes CU1 wegfällt, wird die Messspannung auf Seiten des Steuergerätes CU1 noch dem AD-Wandler zugeführt und es wird wieder ca. Ubat als Messwert gemessen. Auf Seiten von dem Steuergerät CU2 würde dann eine Messpannung gemessen, die in dem unteren Error-Range-Bereich liegen würde, weil die Messspannung durch den im Normalfall zugeschalteten Widerstand R3 auf Masse gezogen wird. Auch bei dieser Messung würde ein entsprechender Fehlercode in den Fehlerspeicher ERR von Steuergerät CU2 eingetragen werden. Jetzt wird der Fall betrachtet, dass die Kontaktierung der Abschirmung auf beiden Seiten korrekt ist, jedoch das Steuergerät CU2 in einen Fehlerzustand wechselt. Der Schalter S2 wird von dem Mikrocontroller MCU geöffnet, wenn das Steuergerät CU2 in einen Fail-Safe-Zustand wechselt. Dadurch, dass der Widerstand R3 damit von Masse weggeschaltet wird, steigt gegenüber dem Normalfall die Messpannung an und wird in dem Bereich RA2 liegen. Es kann also die Aussage getroffen werden, dass CU2 im Fehlerzustand vorliegt, wenn die Messspannung im Bereich RA2 liegt. Gleichzeitig kann die Aussage getroffen werden, dass die Abschirmung auf beiden Seiten korrekt kontaktiert ist. Liegt bei dem Steuergerät CU2 ordnungsgemäßer Betrieb vor, ist R3 an Masse geschaltet. Die Messpannung sinkt in den Bereich von RA3 ab. Es kann also die Aussage getroffen werden, dass die Abschirmung auf beiden Seiten ordnungsgemäß kontaktiert ist und das Steuergerät CU2 im sicheren Zustand ist.
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Die 11 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Schaltungen EC1 der Steuergeräte CU1 und CU2 um Schaltmöglichkeiten ergänzt wurden. Damit lassen sich verschiedene Spannungspegel an die Kabelabschirmung legen. Dazu wurde die Schaltung EC1 von Steuergerät CU1 so verändert, dass mit dem Schalter S1 statt des Widerstand R1 ein Widerstand R6 parallel zu R1 geschaltet werden kann. Bei der Schaltung EC1 von Steuergerät CU2 bleibt der Schalter S1 gegenüber 7 unverändert. Es wird aber der Schalter S2 und der Widerstand R3 weggelassen. Dies kann dazu dienen verschiedene Zusatzinformationen in beiden Richtungen zu signalisieren. Für den Fall, dass die Kommunikation über die verdrillte Zweidrahtleitung TP ausfällt, kann über den Spannungspegel an der Kabelabschirmung SD der Zustand des auf der Gegenseite angeschlossenen Steuergerätes signalisiert werden. Ein Beispiel betrifft die Signalisierung der Information, dass die sicherheitsrelevanten Funktionen bei dem Steuergerät zur Verfügung stehen und weiterhin autonom ausgeführt werden. Für die Signalisierung dieser Information würde der Schalter S1 bei Steuergerät CU2 geschlossen. Für die Signalisierung dieser Information wird bei derzeitig eingesetzten Bremsen-Steuergeräten in Anhängerfahrzeugen dafür extra eine Zusatzleitung (ABS fault indication) vorgesehen oder eine PLC Kommunikation, entsprechend Powerline communication, vorgeschrieben. Diese Lösungen können durch die hier beschriebene Maßnahme ersetzt werden. Genauso kann eine Zusatzinformation von dem Steuergerät CU1 signalisiert werden, wenn der Schalter S1 auf Seiten der Schaltung EC1 bei dem Steuergerät CU1 geschlossen wird.
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Die 12 zeigt die entsprechende Einteilung des zulässigen Spannungsbereiches in drei Bereiche RA4, RA5, RA6. Es ist auch in der 12 angegeben, bei welchen Schaltvorgängen die Messspannung in welchem Bereich liegt. Im Bereich RA4 liegt die Messpannung, wenn die Schalter S1 in beiden Steuergerät CU1 und CU2 gleichzeitig geschlossen sind. Die Messspannung liegt im Bereich RA5, wenn die Schalter S1 auf jeweils einer Seite geschlossen sind und auf der anderen Seite geöffnet sind. Die Messspannung liegt im Bereich RA6, wenn die Schalter S1 auf beiden geöffnet bleiben.
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Um weitere Informationen im Sinne von mehreren Bits zu übertragen, kann in einer einfachen Variante die Pulsweitenmodulation PWM eingesetzt werden. Damit wird bestimmt, wie lange jeweils ein Schalter S1 auf einer Seite geschlossen wird. Für den asynchronen Betrieb kann ein Start-Bit und ein Stopp-Bit zusätzlich übertragen werden. Es muss hier allerdings beachtet werden, dass die Bandbreite für die Übertragung von Informationen unter 10 kHz bleiben sollte, bevorzugt wird eher ein Bereich von 1 kHz. Das Problem besteht nämlich darin, dass durch die Übertragung von Informationen auf der Abschirmung des Kabels Störstrahlung entsteht, die nicht zu Fehlfunktionen bei den umliegenden elektronischen Baugruppen führen darf. Hier wäre es vorteilhaft, wenn bei der Umschaltung der Schalter S1 und S2 eine weiche „Tastung“ erfolgen würde, weil bei scharfen Rechtecksignalen entsprechend höhere Frequenzen als Störstrahlung entstehen würden.
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Die 13 zeigt die Struktur eines beispielhaften Fahrzeug-Elektroniksystems des Zugfahrzeuges 20 und des Anhängerfahrzeuges 10, die beide über ein Verbindungskabel STP4 miteinander kommunizieren können. Bei dem Zugfahrzeug 20 sind nur die elektronischen Verarbeitungsgeräte Gateway-Gerät CU3, Umgebungserfassungsgerät CU1 und Onboard-Kommunikationsmodul CU2 als Beispiel zur Darstellung des Vernetzungsprinzips dargestellt. Die elektronischen Steuergeräte eines Antriebsstrangs sowie die Verarbeitungseinheiten und die elektronischen Steuergeräte eines Fahrerassistenzsystemstrangs DA und eines Infotainmentsystems sind nicht dargestellt. An das Umgebungserfassungsgerät CU1 sind 3 Kamera-Sensoren SE3 bis SE5 und ein Radar-Sensor SE1 und ein Lidar-Sensor SE2 angeschlossen. An das Gateway-Gerät CU3 ist noch ein Gerät CU4 des Infotainmentsystems angeschlossen. Bei dem Fahrzeug-Elektroniksystem des Anhängerfahrzeuges 10 ist nur ein Gateway-Gerät CU5 und das Bremsen-Steuergerät CU6 dargestellt. Hier ist es aber ebenfalls möglich weitere elektronische Geräte vorzusehen. Als ein Beispiel eines weiteren elektronischen Gerätes wird eine Rückfahrkamera (nicht dargestellt) genannt. Alle Kommunikationsverbindungen mit den Kabeln STP1 bis STP10 zwischen den Steuergeräten und zwischen den Sensoren und dem Umgebungserfassungsgerät CU1 sind als Automotive-Ethernet-Verbindungen in einer der Varianten, insbesondere 100Base-T1 und 1000Base-T1 ausgeführt bei denen Twisted-Pair-Verbindungskabel mit z.B. einfacher Abschirmung eingesetzt werden. Es ist dabei jeweils bei all diesen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen dargestellt, welcher Kommunikationspartner als Primär-Gerät konfiguriert ist und welcher Kommunikationspartner als Sekundär-Gerät konfiguriert ist. Die Konfiguration als Primär-Gerät ist dabei mit dem Symbol P markiert und die Konfiguration als Sekundär-Gerät mit dem Symbol S.
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Alle hierin erwähnten Beispiele wie auch bedingte Formulierungen sind ohne Einschränkung auf solche speziell angeführten Beispiele zu verstehen. So wird es zum Beispiel von Fachleuten anerkannt, dass das hier dargestellte Blockdiagramm eine konzeptionelle Ansicht einer beispielhaften Schaltungsanordnung darstellt. In ähnlicher Weise ist zu erkennen, dass ein dargestelltes Flussdiagramm, Zustandsübergangsdiagramm, Pseudocode und dergleichen verschiedene Varianten zur Darstellung von Prozessen darstellen, die im Wesentlichen in computerlesbaren Medien gespeichert und somit von einem Computer oder Prozessor ausgeführt werden können.
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Es sollte verstanden werden, dass das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörigen Vorrichtungen in verschiedenen Formen von Hardware, Software, Firmware, Spezialprozessoren oder einer Kombination davon implementiert werden können. Spezialprozessoren können anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs), Reduced Instruction Set Computer (RISC) und / oder Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) umfassen. Vorzugsweise wird das vorgeschlagene Verfahren und die Vorrichtung als eine Kombination von Hardware und Software implementiert. Die Software wird vorzugsweise als ein Anwendungsprogramm auf einer Programmspeichervorrichtung installiert.
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Typischerweise handelt es sich um eine Maschine auf Basis einer Computerplattform, die Hardware aufweist, wie beispielsweise eine oder mehrere Zentraleinheiten (CPU), einen Direktzugriffsspeicher (RAM) und eine oder mehrere Eingabe/Ausgabe (I/O) Schnittstelle(n). Auf der Computerplattform wird typischerweise außerdem ein Betriebssystem installiert. Die verschiedenen Prozesse und Funktionen, die hier beschrieben wurden, können Teil des Anwendungsprogramms sein oder ein Teil, der über das Betriebssystem ausgeführt wird.
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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
- Anhängerfahrzeug
- 12
- Stütze
- 20
- Zugfahrzeug
- 22
- Ankoppelelement
- 24
- Antriebseinheit
- 26
- Betriebsbremse
- ADC
- AD-Wandler
- ADI
- AD-Wandler-Eingang
- B1
- Kommunikationsverbindung
- C1 - C2
- Kondensatoren
- C1a - C1d
- Kondensatoren
- CU1
- Umgebungserfassungsgerät
- CU2
- Onboard-Kommunikationsgerät
- CU3
- 1. Gateway-Gerät
- CU4
- Infotainment-Gerät
- CU5
- 2. Gateway-Gerät
- CU6
- elektronisches Bremsen-Steuergerät
- EC1
- 1. Schaltung
- EC2
- 2. Schaltung
- ERC
- Fehlersignal
- ERR
- Fehlerspeicher
- MCU
- Mikrocontroller
- PL
- Stecker
- R1 - R6
- Widerstände
- RA1 - RA6
- zulässige Messspannungsbereiche
- S1 - S2
- Schalter
- SC
- Buchse
- SD
- Kabelabschirmung
- STP
- Busverbindungs-Kabel
- STP1 - STP10
- weitere Busverbindungs-Kabel
- TSC
- Bus-Transceiver
