DE102021202980A1 - Signalschnittstelle zur Anwendung in Fahrzeugen - Google Patents

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Abstract

Vorgeschlagen wird eine Signalschnittstelle zur Anwendung in Fahrzeugen, aufweisend eine Sensoreinheit und eine zentrale Steuereinheit, welche über einen Kabelbaum in Signalverbindung stehen. Die Sensoreinheit weist auf: einen Sensorchip, der zur Ausführung eines SENT-Protokolls eingerichtet ist, aufweisend einen Ausgang für eine Versorgungsspannungsleitung, einen Ausgang für eine Datenübertragungsleitung und einen Ausgang für Masse. Ferner sind ein Spannungsregulierer und ein Filter mit ESD/EMC-Schutz vorgesehen, die mit der Versorgungsspannungsleitung verbunden sind. Auch sind ein Datenleitungsfilter, der mit der Datenübertragungsleitung verbunden ist, sowie ein vor dem Datenleitungsfilter angeordneter Überspannungsschutz und ein nach dem Datenleitungsfilter angeordneter ESD/EMC-Schutz vorgesehen, welche sowohl mit der Datenübertragungsleitung als auch mit Masse verbunden sind. Die zentrale Steuereinheit weist auf: einen mit der Versorgungsspannungsleitung verbundenen Spannungsregulierer, einen ESD/EMC-Schutz, der sowohl mit der Datenübertragungsleitung als auch mit Masse verbunden ist, und ein mit Masse der Sensoreinheit und der zentralen Steuereinheit verbundenes Modul, das dazu eingerichtet ist, im Falle eines über den Überspannungsschutz abgeleiteten Stroms die Masseversorgung abzuschalten. Somit erfolgt ein Schutz der Sensoreinheit, genauer der Datenübertragungsleitung, vor Kurzschlüssen zur Bordnetzspannung. Außerdem ist ein mit der Datenübertragungsleitung verbundenes Pull-Up-Bauteil, und ein mit der Datenübertragungsleitung verbundener Transceiver, aufweisend ein Empfangsteil und ein Sendeteil, vorgesehen, sowie eine mit dem Transceiver verbundene Steuereinheit. Die Steuereinheit weist einen separaten Sendepfad, der mit dem Sendeteil des Transceivers verbunden ist, und einen separaten Empfangspfad, der mit dem Empfangsteil des Transceivers verbunden ist, zur Ansteuerung des Transceivers auf.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Signalschnittstelle zur Anwendung in Fahrzeugen mit mindestens 24V Bordnetzspannung.
  • Die SENT (Single Edge Nibble Transmission) Schnittstelle nach SAE J2716 ist im Fahrzeugbereich weit verbreitet, um Daten von einer Sensoreinheit zu einer zentralen Steuereinheit zu übermitteln. Das Problem besteht darin, dass die im Markt verfügbaren Sensoren für die Anforderungen eines Einsatzes Systemen mit 24 Volt oder mehr nicht geeignet sind, also z.B. kein Schutz gegen Kurzschlüsse vorhanden ist. Außerdem muss für die Zielapplikation eine Datenaktualisierungsrate gewählt werden, die über der im SENT Standard spezifizierten Datenaktualisierungsrate liegt.
  • Deshalb ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, eine Signalschnittstelle für eine Anwendung in Bordnetzen mit 24 Volt oder mehr bereitzustellen, durch welche eine robuste Schnittstelle bereitgestellt wird, bei der auch die für diese Anwendungen benötigte Datenaktualisierungsrate erreicht wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Vorgeschlagen wird eine Signalschnittstelle zur Anwendung in Fahrzeugen, aufweisend eine Sensoreinheit und eine zentrale Steuereinheit, welche über einen Kabelbaum in Signalverbindung stehen. Die Sensoreinheit weist auf: einen Sensorchip, der zur Ausführung eines SENT-Protokolls eingerichtet ist, aufweisend einen Ausgang für eine Versorgungsspannungsleitung, einen Ausgang für eine Datenübertragungsleitung und einen Ausgang für Masse. Ferner sind ein Spannungsregulierer und ein Filter mit ESD/EMC-Schutz vorgesehen, die mit der Versorgungsspannungsleitung verbunden sind. Auch sind ein Datenleitungsfilter, der mit der Datenübertragungsleitung verbunden ist, sowie ein vor dem Datenleitungsfilter angeordneter Überspannungsschutz und ein nach dem Datenleitungsfilter angeordneter ESD/EMC-Schutz vorgesehen, welche sowohl mit der Datenübertragungsleitung als auch mit Masse verbunden sind.
  • Die zentrale Steuereinheit weist auf: einen mit der Versorgungsspannungsleitung verbundenen Spannungsregulierer, einen ESD/EMC-Schutz, der sowohl mit der Datenübertragungsleitung als auch mit Masse verbunden ist, und ein mit Masse der Sensoreinheit und der zentralen Steuereinheit verbundenes Modul, das dazu eingerichtet ist, im Falle eines über den Überspannungsschutz abgeleiteten Stroms die Masseversorgung abzuschalten. Somit erfolgt ein Schutz der Sensoreinheit, genauer der Datenübertragungsleitung, vor Kurzschlüssen zur Bordnetzspannung. Außerdem ist ein mit der Datenübertragungsleitung verbundenes Pull-Up-Bauteil, und ein mit der Datenübertragungsleitung verbundener Transceiver, aufweisend ein Empfangsteil und ein Sendeteil, vorgesehen, sowie eine mit dem Transceiver verbundene Steuereinheit. Die Steuereinheit weist einen separaten Sendepfad, der mit dem Sendeteil des Transceivers verbunden ist, und einen separaten Empfangspfad, der mit dem Empfangsteil des Transceivers verbunden ist, zur Ansteuerung des Transceivers auf.
  • Durch die vorgeschlagene Anordnung der Komponenten kann eine robuste Schnittstelle sowie eine hohe Datenaktualisierungsrate erreicht werden.
  • In einer Ausführung ist das Empfangsteil des Transceivers dazu eingerichtet, die Signalkonditionierung des vom Sensorchip über die Datenübertragungsleitung gesendeten Datensignals durchzuführen und der Steuereinheit zur Auswertung zur Verfügung zu stellen.
  • In einer Ausführung ist das Sendeteil des Transceivers als Pull-Bauteil ausgeführt und dazu eingerichtet, die Datenübertragungsleitung (Vout) auf einen niedrigen Pegel zu ziehen.
  • In einer Ausführung erzeugt der Spannungsregulierer der zentralen Steuereinheit eine aus der Bordnetzspannung abgeleitete Zwischenspannung. Vorteilhaft kann somit der Spannungsregulierer der Sensoreinheit als Linearspannungsregler ausgeführt werden.
  • In einer Ausführung ist der Sensorchip ein Positionssensor. In einer Ausführung ist der Sensorchip in einem Elektromotor eines Fahrzeugs vorgesehen.
  • Ferner wird eine Verwendung einer Signalschnittstelle in einem Elektromotor eines Fahrzeugs vorgeschlagen.
  • Ferner wird ein Fahrzeug vorgeschlagen, aufweisend die vorgeschlagene Signalschnittstelle. Vorteilhaft weist das Fahrzeug eine Bordnetzspannung von mindestens 24 Volt auf.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
    • 1 zeigt einen Schaltungsaufbau einer Signalschnittstelle gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
  • SENT-Schnittstellen nach SAE J2716 sind in Fahrzeuganwendungen weit verbreitet, um Daten von einer Sensoreinheit 1 (Engl.: sensor unit) zu einer zentralen Steuereinheit 9 (Engl.: main control unit) zu übermitteln. Allerdings sind die aktuell verfügbaren Sensoren nicht für Anwendungen in Bordnetzen mit 24 Volt oder mehr geeignet, insbesondere in Bezug auf ihre Robustheit gegenüber Kurzschlüssen und Störimpulsen. Außerdem ist die benötigte Datenaktualisierungsrate höher als die im SENT-Standard geforderte Datenaktualisierungsrate.
  • Um diese Probleme zu lösen, wird die Schnittstelle zwischen einer solchen externen Sensoreinheit 1 und der zentralen Steuereinheit (main control unit) 9 modifiziert, sodass sie die höhere als die auf Basis des SENT-Protokolls geforderte Datenübertragungsrate gewährleistet und den Anforderungen von Schnittstellen über einen Kabelbaum (Engl.: harness) 8 entspricht, also eine Robustheit gegenüber Kurzschlüssen gegen Versorgungsspannung sowie Masse und Robustheit gegen Störimpulse und elektromagnetische Störungen aufweist.
  • Für die Robustheit der Schnittstelle und die Erreichung der hohen Datenaktualisierungsrate sind in der Sensoreinheit 1 und in der zentralen Steuereinheit 9 spezielle Schaltkreise vorgesehen, deren Funktionalität nachfolgend anhand 1 beschrieben wird.
  • Die Sensoreinheit 1 umfasst mehrere Teilkomponenten, die mit Komponenten der zentralen Steuereinheit 9 über einen Kabelbaum 8 in Signalverbindung stehen.
  • In der Sensoreinheit 1 ist ein Sensorchip 2 zur Erfassung der gewünschten Information und Datenaufbereitung der Information in der benötigten Geschwindigkeit vorgesehen. Dieser weist einen Ausgang für eine Versorgungsspannungsleitung VCC, einen Ausgang für eine Datenübertragungsleitung Vout und einen Ausgang für Masse GND auf. Ein solcher Sensor ist insbesondere in einem Elektromotor integriert und kann einer der Positionssensoren des Elektromotors sein. Es können aber auch andere Sensoren, z.B. Gierratensensoren, Winkelsensoren etc., durch die vorgeschlagene Schaltungsanordnung geschützt werden, wenn sie entsprechend schnelle Datenaktualisierungsrate und Robustheit gegenüber Kurzschlüssen und Störimpulsen benötigen.
  • Ferner ist an der Versorgungsspannungsleitung VCC ein Spannungsregulierer 3 (Engl.: low drop voltage regulator) zur Erzeugung der vom Sensorchip 2 benötigten Versorgungsspannung VCC, in der Regel 5 Volt, und zur Sicherstellung einer ausreichenden Robustheit gegenüber der maximalen im System vorkommenden Spannung, welche je nach Bordnetzspannung unterschiedlich sein kann, angeschlossen. Dieser Schaltungsblock enthält alle notwendigen Komponenten für die Stabilität und Pufferung der Versorgungsspannung. Direkt folgend (in Reihe) ist ein Filter mit ESD/EMC-Schutz (Engl.: Filter & ESD/EMC protection) 4 an der Versorgungsspannung VCC zur Gewährleistung der ausreichenden ESD (Elektrostatische Entladungen; Engl.: electrostatic discharge)-Festigkeit und zur Unterdrückung von durch den Sensorchip 2 erzeugten elektromagnetischen Störungen EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit; Engl.: EMC, electromagnetic compatibilty) angeordnet, sodass diese nicht über den Kabelbaum 8 abgestrahlt werden können. Über den Kabelbaum 8 ist der Filter mit ESD/EMC-Schutz 4 mit einem Spannungsregulierer 10 der zentralen Steuereinheit 9 verbunden. Dieser dient zur Erzeugung einer aus der Bordnetzspannung abgeleiteten Zwischenspannung, um in der Sensoreinheit 1 einen Linearspannungsregler als Spannungsregulierer 3 (LDO, low drop voltage regulator) einsetzen zu können und dessen Verlustleitung in beherrschbaren Grenzen zu halten.
  • Des Weiteren sind in der Sensoreinheit 1 ein mit der Datenübertragungsleitung Vout verbundener Datenleitungsfilter 5 (Engl.: data line filter) vorgesehen. In diesem Block ist der benötigte Filter enthalten, um die Robustheit gegenüber Störimpulsen zu gewährleisten.
  • Außerdem ist ein sowohl mit der Datenübertragungsleitung Vout als auch mit Masse GND verbundener Überspannungsschutz 6 (Engl.: overvoltage protection) zwischen Sensorchip 1 und Datenleitungsfilter 5 vorgesehen. Der Überspannungsschutz 6 enthält ein Überspannungsschutzelement, damit die Spannung auf Werte innerhalb eines vorgegebenen, gültigen Spannungsbereichs begrenzt wird. Dahinter, also zwischen Datenleitungsfilter 5 und Kabelbaum 8, ist ein weiterer ESD/EMC-Schutz 7 (ESD/EMC protection) vorgesehen. Dieser ESD/EMC-Schutz 7 dient ebenfalls zur Gewährleistung der ausreichenden ESD/EMC-Festigkeit, wie bereits für den ESD/EMC-Schutz 4 beschrieben.
  • Die von der Sensoreinheit 1 abgehenden Leitungen, d.h. die Versorgungsspannungsleitung VCC, die Datenübertragungsleitung Vout und Masse GND sind auch über den Kabelbaum 8 mit Komponenten der zentralen Steuereinheit 9 in Signalverbindung, wie nachfolgend beschrieben.
  • Wie bereits erwähnt, ist der Spannungsregulierer 10 der zentralen Steuereinheit 9 mit dem Filter mit ESD/EMC-Schutz 4 der Sensoreinheit 1 verbunden.
  • Auf Seite der zentralen Steuereinheit 9 ist ferner zwischen Datenübertragungsleitung Vout und Masse GND wiederum ein ESD/EMC-Schutz 14 zur Gewährleistung der ausreichenden ESD-Festigkeit und zur Unterdrückung/Filterung von elektromagnetischen Störungen vorgesehen. Nachfolgend ist ein Modul 15 (Engl.: GND overcurrent switch-off), das mit Masse GND sowohl des Sensorchips 2 als auch der zentralen Steuereinheit 9 verbunden ist, vorgesehen. Das Modul 15 ist dazu eingerichtet, im Falle eines über den Überspannungsschutz 6 der Sensoreinheit 1 abgeleiteten Stroms die Masseversorgung abzuschalten. In diesem Modul wird analysiert, inwieweit der von der Sensoreinheit 1 abgeleitete Strom in einem üblichen Bereich liegt. Kommt es zu einem zusätzlichen Strom, z.B. aufgrund eines Kurzschlusses nach Versorgungsspannung, welcher durch den Überspannungsschutz 6 abgeleitet wird, schaltet das Modul 15 die Masseversorgung ab, so dass es zu keinem weiteren Stromfluss mehr kommt und die Sensoreinheit 1, insbesondere der Sensorchip 2, nicht zerstört werden kann. Das Modul 15 kann mittels einer analogen Schaltung aus Widerstand und Schaltelement ausgeführt sein. Wichtig ist, dass ab einer vorgegebenen Spannung die Masse GND des Sensorchips 2 abgeschaltet wird.
  • Im weiteren Verlauf der Datenübertragungsleitung Vout der Sensoreinheit 1 über den Kabelbaum 8 und nach dem ESD/EMC-Schutz 14 ist ein Abzweig vorgesehen, an dem ein Pull-Up-Bauteil 11 (pull-up device) vorgesehen ist, das mit der Versorgungsspannung des Sensorinterfaces verbunden ist. Dieses Pull-Up-Bauteil 11 stellt den im SENT-Standard benötigten Widerstand gegen die Referenzspannung für die Übertragung dar. Dieser muss erfindungsgemäß gegenüber den im SENT-Standard spezifizierten Werten abweichen, d.h. geringer sein, um die hohen Datenübertragungsraten erreichen zu können.
  • An einem anderen Abzweig ist ein Empfangspfad 13a (filter and data acquisition) eines Transceivers 13 vorgesehen. In dem Empfangspfad 13a wird die Signalkonditionierung des vom Sensorchip 2 gesendeten Datensignals durchgeführt und der nachfolgen angeordneten Steuereinheit 12 (Engl.: main controller) zur Auswertung zur Verfügung gestellt. Auch hier ist wiederum ein Entstörfilter vorhanden, um unerwünschte Störsignale etc. zu entfernen.
  • An einem anderen Abzweig ist ein Sendeteil 13b (Engl.: Pull-device) des Transceivers 13 vorgesehen. Über das Sendeteil 13b wird die Datenübertragungsleitung Vout auf einen Low-Pegel gezogen (Triggerung), sodass der Sensorchip mit der Datengenerierung und Datenübertragung startet. Deshalb wird das Sendeteil 13b auch als Pull-Bauteil bezeichnet.
  • Die nach dem Transceiver 13 angeordnete Steuereinheit 12 stellt das benötigte getriggerte SENT-Modul 12a (Engl.: Triggered SENT Protokoll module) zur Verfügung. Ein Hauptmerkmal ist, dass dieses die Ansteuerung des externen Transceivers 13 durch einen getrennten Sendepfad „out“ (mit dem Sendeteil 13b verbunden) und Empfangspfad „in“ (mit dem Empfangspfad 13a verbunden) unterstützt.
  • Vorteilhaft an der Schaltungsanordnung dieser Signalschnittstelle ist, dass die Sensoreinheit 1 bei Applikationen mit 24 Volt oder mehr geschützt ist gegen Einfachfehler wie Kurzschlüsse gegen Versorgungsspannung und Masse, welche in Kraftfahrzeugen vorkommen können.
  • Schnelle Datenübertragungsraten erfordern niederimpedante Schaltungsteile in den Sende- und Empfangspfaden, was sich aber kontraproduktiv für die benötigte Robustheit gegenüber Kurzschlüssen und elektromagnetischen Störphänomenen auswirkt. Die vorgeschlagene Signalschnittstelle mit den Komponenten der Schnittstelle zwischen Sensoreinheit 1 und zentraler Steuereinheit 9 kann die hohen Anforderungen an die Datenübertragungsraten erfüllen.
  • Der Schutz der Datenübertragungsleitung Vout gegen Kurzschlüsse zu der Bordnetzspannung erfolgt durch ein rechtzeitiges Abschalten des negativen Bezugspotentials (Masse GND) durch das Modul 15.
  • Anwendung findet die Signalschnittstelle im Bereich von Fahrzeugen, insbesondere von Fahrzeugen mit einem Bordnetz von 24 Volt oder mehr, wie z.B. in LKWs. Die Auslegung der einzelnen Komponenten hängt besonders vom verwendeten Sensorchip 2 und von der verwendeten Steuereinheit 12 ab.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Sensoreinheit / Sensor Unit
    2
    Sensorchip
    3
    Spannungsregulierer / Voltage Regulator
    4
    ESD/EMC-Schutz / ESD/EMC Protection
    5
    Datenleitungsfilter / Dataline Filter
    6
    Überspannungsschutz / Overvoltage Protection
    7
    ESD/EMC-Schutz / ESD/EMC Protection
    8
    Kabelbaum / Harness
    9
    zentrale Steuereinheit / Main Control Unit
    10
    Spannungsregulierer / Voltage Regulator
    11
    Pull-Up-Bauteil / Pull Up Device
    12
    Steuereinheit / Control Unit
    12a
    getriggertes SENT-Modul / Triggered SENT-Module
    13
    Transceiver
    13a
    Empfangsteil / Filter and data acquisition
    13b
    Sendeteil / Pull Device
    14
    ESD/EMC-Schutz / ESD/EMC Protection
    15
    Modul / GND Overcurrent Switch-off

Claims (10)

  1. Signalschnittstelle zur Anwendung in Fahrzeugen, aufweisend eine Sensoreinheit (1) und eine zentrale Steuereinheit (9), welche über einen Kabelbaum (8) in Signalverbindung stehen, wobei - die Sensoreinheit (1) aufweist: - einen Sensorchip (2), der zur Ausführung eines SENT-Protokolls eingerichtet ist, aufweisend einen Ausgang für eine Versorgungsspannungsleitung (VCC), einen Ausgang für eine Datenübertragungsleitung (Vout) und einen Ausgang für Masse (GND), und - einen Spannungsregulierer (3) und einen Filter mit ESD/EMC-Schutz (4), die mit der Versorgungsspannungsleitung (VCC) verbunden sind, und - einen Datenleitungsfilter (5), der mit der Datenübertragungsleitung (Vout) verbunden ist, sowie - einen vor dem Datenleitungsfilter (5) angeordneten Überspannungsschutz (6) und einen nach dem Datenleitungsfilter (5) angeordneten ESD/EMC-Schutz (7), welche sowohl mit der Datenübertragungsleitung (Vout) als auch mit Masse (GND) verbunden sind, und wobei - die zentrale Steuereinheit (9) aufweist: - einen mit der Versorgungsspannungsleitung (VCC) verbundenen Spannungsregulierer (10), und - einen ESD/EMC-Schutz (11), der sowohl mit der Datenübertragungsleitung (Vout) als auch mit Masse (GND) verbunden ist, und - ein mit Masse (GND) der Sensoreinheit (1) und der zentralen Steuereinheit (9) verbundenes Modul (15), das dazu eingerichtet ist, im Falle eines über den Überspannungsschutz (6) abgeleiteten Stroms die Masseversorgung abzuschalten, sowie - ein mit der Datenübertragungsleitung (Vout) verbundenes Pull-Up-Bauteil (11), und - einen mit der Datenübertragungsleitung (Vout) verbundenen Transceiver (13), aufweisend ein Empfangsteil (13a) und ein Sendeteil (13b), und - eine mit dem Transceiver (13) verbundene Steuereinheit (12), mit einem separaten Sendepfad (out), der mit dem Sendeteil (13b) des Transceivers (13) verbunden ist, und einem separaten Empfangspfad (in) der mit dem Empfangsteil (13a) des Transceivers (13) verbunden ist, zur Ansteuerung des Transceivers (13).
  2. Signalschnittstelle nach Anspruch 1, wobei das Empfangsteil (13a) des Transceivers (13) dazu eingerichtet ist, die Signalkonditionierung des vom Sensorchip über die Datenübertragungsleitung (Vout) gesendeten Datensignals durchzuführen und der Steuereinheit (12) zur Auswertung zur Verfügung zu stellen.
  3. Signalschnittstelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Sendeteil (13b) des Transceivers (13) als Pull-Bauteil ausgeführt und dazu eingerichtet ist, die Datenübertragungsleitung (Vout) auf einen niedrigen Pegel zu ziehen.
  4. Signalschnittstelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Spannungsregulierer (10) der zentralen Steuereinheit (9) eine aus der Bordnetzspannung abgeleitete Zwischenspannung erzeugt.
  5. Signalschnittstelle nach Anspruch 4, wobei der Spannungsregulierer (3) der Sensoreinheit (1) ein Linearspannungsregler ist.
  6. Signalschnittstelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensorchip ein Positionssensor ist.
  7. Signalschnittstelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensorchip in einem Elektromotor eines Fahrzeugs vorgesehen ist.
  8. Verwendung einer Signalschnittstelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Elektromotor eines Fahrzeugs.
  9. Fahrzeug, aufweisend eine Signalschnittstelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  10. Fahrzeug nach Anspruch 9, das eine Bordnetzspannung von mindestens 24 Volt aufweist.
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