DE102021210588A1

DE102021210588A1 - System mit einem elektronischen Steuergerät und wenigstens einer Sensoreinheit, wobei das Steuergerät über nur eine Zweidrahtleitung zur Kommunikation als auch zur Energieübertragung mit der Sensoreinheit verbunden ist

Info

Publication number: DE102021210588A1
Application number: DE102021210588.2A
Authority: DE
Inventors: Christian Ohl; Dirk Schmid; Matthias Renner; Michael Gerlach; Albrecht Klotz; Thomas Treptow; Balint Nagy
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-09-23
Filing date: 2021-09-23
Publication date: 2023-03-23

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem System (10) umfassend ein elektronisches Steuergerät (20) und wenigstens eine Sensoreinheit (30), wobei das Steuergerät (20) über nur eine Zweidrahtleitung (40) mit der Sensoreinheit (30) verbunden ist, wobei über die Zweidrahtleitung (40) sowohl eine Energieübertragung als auch eine Kommunikation zwischen Sensoreinheit (30) und Steuergerät (20) durchführbar ist.Ein Aspekt der Erfindung besteht darin, dass das Steuergerät (20) und die Sensoreinheit (30) dazu eingerichtet sind, in einem Zeitmultiplex-Betrieb zwischen einer Kommunikationsphase (TK) und einer Energieübertragungsphase (TE) umzuschalten, und wobei die Sensoreinheit (30) einen internen Energiespeicher (31) aufweist, und wobei die Sensoreinheit (30) dazu eingerichtet ist, den internen Energiespeicher (31) während der Energieübertragungsphase (TE) über die Zweidrahtleitung (40) zu laden und während der Kommunikationsphase (TK) zur Energieversorgung der Sensoreinheit (30) zu nutzen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem System umfassend ein elektronisches Steuergerät und wenigstens eine Sensoreinheit, wobei das Steuergerät über nur eine Zweidrahtleitung mit der Sensoreinheit verbunden ist, wobei über die Zweidrahtleitung sowohl eine Energieübertragung als auch eine Kommunikation zwischen Sensoreinheit und Steuergerät durchführbar ist.
Im Stand der Technik sind typischerweise die Datenleitung und die Spannungsversorgungsleitung pro Sensoreinheit jeweils als physikalisch getrennte Zweidrahtleitungen ausgeführt. Des Weiteren sind im Stand der Technik sogenannte „power-over-dataline“ Ansätze bekannt, die eine gemeinsame Nutzung von Sensorenergieversorgung und Sensorkommunikation in bestimmten Anwendungsfällen ermöglichen. Hierbei wird typischerweise der Signal- vom Leistungsanteil über induktive Koppelschaltungen realisiert, wie z.B. bei IEEE 802-3 PODL, bzw. über eine entsprechende Modulation des Kommunikationssignals auf ein Spannungssignal zur Energieversorgung eine zeitgleiche Nutzung der Zweidrahtleitung zur Energieversorgung und zur Kommunikation zwischen Sensoreinheit und Steuergerät ermöglicht.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem System umfassend ein elektronisches Steuergerät und wenigstens eine Sensoreinheit, wobei das Steuergerät über nur eine Zweidrahtleitung mit der Sensoreinheit verbunden ist, wobei über die Zweidrahtleitung sowohl eine Energieübertragung als auch eine Kommunikation zwischen Sensoreinheit und Steuergerät durchführbar ist.
Ein Aspekt der Erfindung besteht darin, dass das Steuergerät und die Sensoreinheit dazu eingerichtet sind, in einem Zeitmultiplex-Betrieb zwischen einer Kommunikationsphase und einer Energieübertragungsphase umzuschalten, und wobei die Sensoreinheit einen internen Energiespeicher aufweist, und wobei die Sensoreinheit dazu eingerichtet ist, den internen Energiespeicher während der Energieübertragungsphase über die Zweidrahtleitung zu laden und den internen Energiespeicher während der Kommunikationsphase zur Energieversorgung der Sensoreinheit zu nutzen.
Vorteilhaft ist hierbei, dass die Sensoreinheit sowohl kommunikationstechnisch als auch energieversorgungsmäßig mit dem Steuergerät über eine einzige Zweidrahtleitung verbunden werden kann. Dies reduziert den Verkabelungsaufwand von entsprechenden Sensoreinheiten, die beispielsweise in einem Fahrzeug mit einer entsprechenden Entfernung vom Steuergerät angeordnet sein können. Zudem können erfindungsgemäß im Vergleich zum Stand der Technik durch den Verzicht auf eine induktive Trennung zwischen Signal- und Leistungsanteil die Spulen sowohl im Steuergerät als auch in der Sensoreinheit entfallen, was zu einer Einsparung von durch das System benötigtem Bauraum führt. Zudem können hierdurch entsprechend Kosten sowohl bei der Herstellung als auch bei der Installation eines entsprechenden Systems eingespart werden.
Unter einem elektronischen Steuergerät ist eine Einheit zu verstehen, welche insbesondere zentral angeordnet ist und beispielsweise die Sensoreinheiten eines Fahrzeugs entsprechend ansteuert, die Messdaten von diesen Sensoreinheiten abgreift und bei Bedarf entsprechende Signale an den Nutzer oder an entsprechende Aktoren aussendet. Das Steuergerät kann hierbei eine interne Verarbeitungseinheit aufweisen, welche beispielsweise als Mikrocontroller ausgestaltet ist. Insbesondere können auch die Bauelemente des Steuergeräts zumindest teilweise in einem ASIC zusammengefasst sein.
Unter Sensoreinheit ist eine Einheit zu verstehen, welche Messdaten mittels entsprechender Sensorik erfasst. Die Sensorik kann beispielsweise einen Ultraschallwandler umfassen, um Umgebungsinformationen der Sensoreinheit, welche beispielsweise im Stoßfänger eines Fahrzeugs eingebaut ist, zu erfassen. Die Sensoreinheit kann hierbei ebenfalls eine interne Verarbeitungseinheit aufweisen, welche beispielsweise als Mikrocontroller ausgestaltet ist. Insbesondere können auch die Bauelemente der Sensoreinheit zumindest teilweise in einem ASIC zusammengefasst sein.
Unter Zweidrahtleitung ist eine zweiadrige elektrische Leitung zu verstehen, wobei die Adern gegeneinander isoliert sind und über welche entsprechende Spannungen oder Signalinformationen übermittelt werden können. Insbesondere dient hierbei eine Ader als Spannungsleitung, welche ein entsprechendes Spannungsniveau aufweist, und die andere Ader als Masseleitung, welche auf Masse gezogen ist.
Unter Energieübertragungsphase ist ein Zeitraum zu verstehen, in welchem insbesondere Energie von einem externen Energiespeicher über das Steuergerät und die Zweidrahtleitung an die Sensoreinheit übertragen wird. Hierdurch kann die Sensoreinheit vom Steuergerät aus über die entsprechende Zweidrahtleitung mit Energie versorgt werden, um beispielsweise den internen Energiespeicher der Sensoreinheit aufzuladen.
Unter Kommunikationsphase ist ein Zeitraum zu verstehen, innerhalb welchem die Übertragung von Informationssignalen erfolgt. Diese Informationssignale können beispielsweise Messdaten sein, welche von der Sensoreinheit an das Steuergerät übermittelt werden, oder auch Konfigurationsdaten, welche von dem Steuergerät an die Sensoreinheit übermittelt werden. Die Konfigurationsdaten umfassen beispielsweise Befehle, zu welchem Zeitpunkt ein Umschalten zwischen den jeweiligen Phasen erfolgen soll oder wann eine entsprechende Information übermittelt werden soll.
Unter Zeitmultiplex-Betrieb ist hierbei zu verstehen, dass die vorhandene Zeit je nach Bedarf zwischen der Energieübertragungsphase und der Kommunikationsphase aufgeteilt wird. Eine zeitliche Überschneidung der jeweiligen Phasen sollte hierbei nicht auftreten. Die jeweilige Dauer und der entsprechende Zeitpunkt der Energieübertragungsphase sowie der Kommunikationsphase können dynamisch während des Betriebs an die aktuellen Umgebungsbedingungen und individuell für jede Sensoreinheit oder auch für eine Gruppe von Sensoreinheiten angepasst werden. So kann beispielsweise einer Sensoreinheit, die Objekte in größerer Entfernung ermitteln soll, eine längere Energieübertragungsphase zugeordnet und damit mehr Energie übertragen werden als einer Sensoreinheit zur Erfassung von Objekten in geringerer Entfernung. Insbesondere ist es auch denkbar, dass die Sensoreinheit in Abhängigkeit von in der Sensoreinheit verfügbaren Informationen einen Wert für den zukünftigen Energiebedarf ermitteln kann und diesen als Anforderung dem Steuergerät mitteilen kann, wodurch die Dauer der Energieversorgung individuell an den Bedarf der unterschiedlichen Sensoreinheiten angepasst werden kann. Hierbei sollte die Energieübertragungsphase wenigstens so lang andauern, dass der interne Energiespeicher ausreichend aufgeladen ist, um während der anschließenden Kommunikationsphase die Sensoreinheit mit elektrischer Energie zu versorgen. Ein Umschalten von Energieübertragungsphasen auf Kommunikationsphase erfolgt beispielsweise, indem während einer Kommunikationsphase der nächste Zeitpunkt T der Datenkommunikation vom Steuergerät an alle Sensoreinheiten übermittelt wird. Alternativ oder zusätzlich kann auch durch Anheben bzw. Absenken der Spannung auf der Zweidrahtleitung zwischen Energieübertragungsphasen und Kommunikationsphase umgeschaltet werden. Die Zeitpunkte der Energieübertragungsphasen und Kommunikationsphase sollten allen Sensoreinheiten und dem Steuergerät bekannt sein, sie müssen aber nicht einem vordefinierten Zeitschema entsprechen.
Unter internem Energiespeicher ist ein Bauelement zu verstehen, welches elektrische Energie speichern und bei Bedarf abgeben kann. Dies kann beispielsweise ein Akkumulator oder eine Kapazität sein. Der interne Energiespeicher sollte insbesondere derartig ausgestaltet sein, dass während der Kommunikationsphase der Sensoreinheit mit dem Steuergerät ausreichend elektrische Energie durch den internen Energiespeicher zur Verfügung gestellt werden kann, um die Sensoreinheit entsprechend zu betreiben.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das System mehrere Sensoreinheiten aufweist, welche mittels einer Bus-Struktur über die eine Zweidrahtleitung mit dem Steuergerät verbunden sind. Vorteilhaft ist hierbei, dass hierbei der Verkabelungsaufwand nochmals deutlich reduziert werden kann. Durch entsprechende Busanbindungen von Sensoreinheiten gegenüber den im Stand der Technik verbreiteten Punkt-zu-Punktanbindungen können Leitungs- und Steckereinsparungen im Bereich zwischen Steuergerät und Sensoreinheiten erzielt werden. Hierdurch können wiederum Komplexitätsreduzierungen und erhebliche Kosteneinsparungen im Kabelbaum erzielt werden.
Unter Bus-Struktur ist eine Topologie zu verstehen, bei welcher alle Geräte, hier Steuergerät und Sensoreinheiten, mit demselben Übertragungsmedium, dem sogenannten Bus, verbunden sind.
Die Zweidrahtleitung wird hierbei insbesondere durch die jeweiligen Sensoreinheiten durchgeschleift. Dies führt zu einer weiteren Kostenreduktion im Installationsprozesses des Kabelbaums durch Verzicht auf teure Spleißverbindungen in den Versorgungsleitungen.
Für die kollisionsfreie Datenübertragung von mehreren Sensoreinheiten können sinnvollerweise auf Bus-Arbitrierungsmechanismen zurückgegriffen werden wie sie z.B. aus der CAN-Spezifikation bekannt sind. Optional kann mit dem Zeitpunkt der nächsten Kommunikation auch das Schema festgelegt werden, z.B. wann die Übertragung von Konfigurationsdaten vom Steuergerät an die jeweilige Sensoreinheit oder auch wann die Übertragung von Echodaten von der jeweiligen Sensoreinheit an das Steuergerät startet.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der interne Energiespeicher als Kondensator ausgestaltet ist. Vorteilhaft ist hierbei, dass ein solcher Energiespeicher sehr klein, langlebig und kostengünstig ausgestaltet werden kann und zudem einfach in die Sensoreinheit integriert werden kann.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Sensoreinheit zwei Schalter und eine Kommunikationsschnittstelle aufweist, wobei die Schalter und die Kommunikationsschnittstelle derartig angeordnet sind und die Sensoreinheit dazu eingerichtet ist, die Schalter derartig anzusteuern, dass während der Energieübertragungsphase die Zweidrahtleitung über die Schalter mit dem internen Energiespeicher verbunden ist und während der Kommunikationsphase die Zweidrahtleitung über die Schalter mit der Kommunikationsschnittstelle verbunden ist. Vorteilhaft ist hierbei, dass dies eine besonders einfache Umsetzung darstellt, ein Umschalten zwischen Energieübertragungsphase und Kommunikationsphase auf Seiten der Sensoreinheit zu ermöglichen.
Unter Schalter ist hierbei ein elektronisches Bauelement zu verstehen, durch welches die Spannungsleitung der Zweidrahtleitung je nach Schalterstellung entweder elektrisch mit dem Spannungsanschluss des internen Energiespeichers oder mit der Kommunikationsschnittstelle der Sensoreinheit verbunden ist bzw. durch welches die Masseleitung der Zweidrahtleitung je nach Schalterstellung entweder elektrisch mit dem Masseanschluss des internen Energiespeichers oder mit der Kommunikationsschnittstelle der Sensoreinheit verbunden ist.
Unter Kommunikationsschnittstelle ist eine Verbindungsstelle zwischen der Zweidrahtleitung, auf welcher die Daten übertragen werden, und einer entsprechenden Verarbeitungseinheit der Sensoreinheit zu verstehen, welche die Daten auswertet bzw. entsprechende Daten in die Zweidrahtleitung einspeist. Diese Kommunikationsschnittstelle kann insbesondere als physikalischer Layer ausgestaltet sein. Der physikalische Layer kann sensorspezifisch ausgeführt werden. Vorteilhafterweise wird eine Anlehnung an Standardlösungen gewählt wie beispielsweise CAN, CAN.FD oder RS485, jedoch sind auch proprietäre Lösungen selbstverständlich möglich.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sensoreinheit eine erste Diode, eine zweite Diode und eine Kommunikationsschnittstelle aufweist, wobei die erste Diode zwischen einer Spannungsleitung der Zweidrahtleitung und einem Spannungsanschluss des internen Energiespeichers in Durchlassrichtung angeordnet ist und wobei die zweite Diode zwischen einem Masseanschluss des internen Energiespeichers und einer Masseleitung der Zweidrahtleitung in Durchlassrichtung angeordnet ist, und wobei die Kommunikationsschnittstelle mit der Spannungsleitung und der Masseleitung der Zweidrahtleitung verbunden ist. Vorteilhaft ist hierbei, dass keine gesteuerten Bauteile für das Umschalten zwischen Energieübertragungsphase und Kommunikationsphase innerhalb der Sensoreinheit notwendig sind, sondern die Steuerung des Umschaltens beispielsweise allein durch das Steuergerät erfolgen kann.
Unter einer Diode ist ein elektronisches Bauelement zu verstehen, welches Strom in einer Richtung passieren lässt und in der anderen Richtung den Stromfluss sperrt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Steuergerät zwei Schaltelemente und eine Kommunikationsschnittstelle des Steuergeräts aufweist, wobei die zwei Schaltelemente und die Kommunikationsschnittstelle des Steuergeräts derartig angeordnet sind und das Steuergerät dazu eingerichtet ist, die Schaltelemente derartig anzusteuern, dass während der Energieübertragungsphase die Zweidrahtleitung über die Schaltelement mit einem externen Energiespeicher verbunden ist und während der Kommunikationsphase die Zweidrahtleitung über die Schaltelement mit einer Kommunikationsschnittstelle des Steuergeräts verbunden ist. Vorteil ist hierbei, dass dies eine besonders einfache Umsetzung darstellt, ein Umschalten zwischen Energieübertragungsphase und Kommunikationsphase auf Seiten des Steuergeräts zu ermöglichen.
Unter Schaltelement ist hierbei ein elektronisches Bauelement zu verstehen, durch welches die Spannungsleitung der Zweidrahtleitung je nach Stellung des Schaltelements entweder elektrisch mit dem Spannungsanschluss des externen Energiespeichers oder mit der Kommunikationsschnittstelle des Steuergeräts verbunden ist bzw. durch welches die Masseleitung der Zweidrahtleitung je nach Stellung des Schaltelements entweder elektrisch mit dem Masseanschluss des externen Energiespeichers oder mit der Kommunikationsschnittstelle des Steuergeräts verbunden ist.
Unter Kommunikationsschnittstelle des Steuergeräts ist eine Verbindungsstelle zwischen der Zweidrahtleitung auf welcher die Daten übertragen werden und einer entsprechenden internen Verarbeitungseinheit des Steuergeräts zu verstehen, welche die Daten auswertet bzw. entsprechende Daten in die Zweidrahtleitung einspeist. Diese Kommunikationsschnittstelle kann insbesondere als physikalischer Layer ausgestaltet sein. Der physikalische Layer kann sensorspezifisch ausgeführt werden. Vorteilhafterweise wird eine Anlehnung an Standardlösungen gewählt wie beispielsweise CAN oder RS485, jedoch sind auch proprietäre Lösungen selbstverständlich möglich.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sensoreinheit einen Komparator, eine Schalteinheit und eine Kommunikationsschnittstelle aufweist, wobei die Sensoreinheit dazu eingerichtet ist, eine Spannung auf der Zweidrahtleitung mittels des Komparators mit einer vorgegebenen Schwellenwertspannung zu vergleichen, und wobei die Sensoreinheit dazu eingerichtet ist, die Schalteinheit derartig anzusteuern, dass bei Überschreiten der Schwellenwertspannung die Zweidrahtleitung über die Schalteinheit mit dem internen Energiespeicher verbunden ist und bei Unterschreiten der Schwellenwertspannung die Zweidrahtleitung vom internen Energiespeicher getrennt wird.
Vorteil ist hierbei, dass die Steuerung des Umschaltens zwischen Energieübertragungsphase und Kommunikationsphase allein durch das Steuergerät erfolgen kann.
Unter Schalteinheit ist hierbei ein elektronisches Bauelement zu verstehen, welches die Spannungsleitung der Zweidrahtleitung je nach Stellung der Schalteinheit entweder elektrisch mit dem Spannungsanschluss des internen Energiespeichers verbindet oder die Spannungsleitung der Zweidrahtleitung vom Spannungsanschluss des internen Energiespeichers trennt.
Insbesondere weist das Steuergerät hierbei eine Schalteinrichtung auf, wobei die Spannungsleitung der Zweidrahtleitung über die Schalteinrichtung mit der externen Energieversorgungseinheit verbunden ist. Die Schalteinrichtung kann dann von einer internen Verarbeitungseinheit des Steuergeräts entsprechend angesteuert werden, um ein Umschalten zwischen Energieübertragungsphase und Kommunikationsphase zu erzielen. Die Kommunikationsschnittstelle der Steuereinheit und die Kommunikationsschnittstelle des Steuergeräts sind hierbei insbesondere jeweils direkt bzw. dauerhaft mit der Zweidrahtleitung verbunden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sensoreinheit einen Ultraschallwandler aufweist. Vorteil ist hierbei, dass wiederum eine solche Sensoreinheit platztechnisch kleiner und leichter ausgestaltet werden kann, als im Stand der Technik. Des Weiteren wird eine entsprechende Stromtragefähigkeit ermöglicht, welche ein Ultraschallwandler zum Aussenden eines Ultraschall-Sendepulses benötigt und welche beispielsweise beim PSI-Bus nicht ausreichend ist. So erzeugen Ultraschallsensoren beim Aussenden von Ultraschall-Sendepulsen Strompulse, die im Vergleich zur Ruhestromversorgung mindestens eine Größenordnung größer sind, was die Entkopplung von Signal- und Leistungsphase technisch erschwert.
Unter Ultraschallwandler ist ein elektronisches Bauelement zu verstehen, mittels welchem ein Ultraschall-Sendepuls erzeugt werden kann und ein Ultraschall-Echo-Empfang möglich ist. Hierzu weist der Ultraschallwandler beispielsweise eine Membran auf, welche von einem entsprechend angesteuerten Piezoelement derartig zum Schwingen gebracht wird, dass Ultraschall-Sendepulse ausgesendet werden. Mittels der Membran können zudem Ultraschall-Echos empfangen, welche durch das Piezoelement in elektrische Signale umgewandelt werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das System dazu eingerichtet ist, einen Ultraschall-Sendepuls mittels des Ultraschallwandlers auszusenden, wobei das System derartig ausgebildet ist, dass sich das System während des Aussendens des Ultraschall-Sendepulses in der Energieübertragungsphase befindet. Vorteil ist hierbei, dass beim Aussenden des Ultraschall-Sendepulses keine Probleme aufgrund einer nicht vorhandenen Energie auftreten. So benötigen Ultraschallwandler beim Aussendevorgang Ströme von etlichen zehn bis mehreren hundert Milliampere pro Ultraschallwandler. Müsste diese Energie lediglich durch den internen Energiespeicher zur Verfügung gestellt werden, müsste dieser entsprechend dimensioniert werden, wodurch die Kosten und der Bauraum für die Sensoreinheit steigen würden. Dies kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung vermieden werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das System derartig ausgebildet ist, dass sich das System während eines Aussenden eines Ultraschall-Sendepulses mittels des Ultraschallwandlers und/oder während eines Empfangs eines Ultraschall-Echos mittels des Ultraschallwandlers nicht in der Kommunikationsphase befindet. Vorteil ist hierbei, dass bei einer zeitlich parallelen Durchführung von Echoempfang und Datenübertragung eine Häufigkeit der Kommunikationsphase maximiert werden kann, was zu einem optimalen Datenaustausch zwischen Sensoreinheit und Steuergerät führt. Erfolgt die Datenübertragung dagegen auch nicht während des Echoempfangs, führt dies zu einer Reduktion von möglichen Eigenstörungen während der Datenkommunikation.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Steuergerät einen Boost-Converter aufweist, welcher zwischen der Zweidrahtleitung und einem externen Energiespeicher angeordnet ist, und wobei das System dazu eingerichtet ist, während der Energieübertragungsphase den internen Energiespeicher der Sensoreinheit über den Boost-Converter zu laden. Vorteil ist hierbei, dass die durch den Boost-Converter erhöhte Spannung auch ein Ultraschallsenden ohne einen sonst üblichen Übertrager innerhalb der Sensoreinheit, welcher die Spannung entsprechend hochsetzt, erfolgen kann. Alternativ oder zusätzlich kann der interne Energiespeicher der Sensoreinheit mit kleinerer Kapazität ausgeführt werden, wodurch wiederum Kosten und Bauraum eingespart werden können.
Unter Boost-Converter ist ein Gleichspannungswandler zu verstehen. Der Boost-Converter weist eine Schaltungsanordnung auf, umfassend eine Induktivität in Reihe mit einer Freilaufdiode, hinter der ein Ladekondensator die Ausgangsspannung aufsummiert. Hierbei ist die Schaltungsanordnung des Boost-Converters derartig ausgelegt, dass der Betrag der Ausgangsspannung stets größer als der Betrag der Eingangsspannung ist.
Alle Schalter, Schalteinheiten, Schaltelemente und Schalteinrichtungen können beispielsweise als Halbleiterschalter ausgestaltet sein, zum Beispiel als MOS FET-Schalter.
Des Weiteren ist es von Vorteil, eine Vielzahl der elektronischen Bauelemente, des Steuergeräts bzw. der Sensoreinheit, wie beispielsweise die Schalter oder die Verarbeitungseinheit, in einem ASIC zu realisieren, um eine möglichst einfache Anbindung von weiteren Systemkomponenten zu ermöglichen.
Figurenliste

1 zeigt einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Systems
2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems.
4 zeigt die Betriebsart des erfindungsgemäßen Systems über die Zeit.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen
1 zeigt einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Systems. Dargestellt ist ein System 10. Das System 10 weist ein Steuergerät 20 auf, welches mit einem externen Energiespeicher 50 verbunden ist. Der externe Energiespeicher 50 kann beispielsweise als Fahrzeugbatterie ausgestaltet sein. Des Weiteren ist das Steuergerät 20 über eine Zweidrahtleitung 40 mit mehreren Sensoreinheiten 30 verbunden, wobei über diese Zweidrahtleitung 40 sowohl eine Energieübertragung als auch eine Kommunikation zwischen den Sensoreinheiten 30 und dem Steuergerät 20 durchführbar ist. Die Sensoreinheiten 30 sind insbesondere mittels einer Bus-Struktur über die eine Zweidrahtleitung 40 mit dem Steuergerät 20 verbunden. Die Zweidrahtleitung 40 ist hierbei insbesondere durch die Sensoreinheiten 30 durchgeschleift.
2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems. Dargestellt ist wiederum ein System 10, beispielsweise gemäß 1, aufweisend ein elektronisches Steuergerät 20, welches mit einem externen Energiespeicher 50 verbunden ist, wobei hierbei jedoch nur eine Sensoreinheit 30 exemplarisch dargestellt ist. Die Sensoreinheit 30 weist hierbei einen Ultraschallwandler 38 auf, welcher zur Ansteuerung und zur Übertragung der Messdaten mit einer internen Verarbeitungseinheit 39 der Sensoreinheit 30 verbunden ist. Die interne Verarbeitungseinheit 39 der Sensoreinheit kann beispielsweise als Mikrocontroller ausgestaltet sein. Mittels des Ultraschallwandlers 38 kann ein Ultraschall-Sendepuls 131 ausgesendet und ein Ultraschall-Echo 132 empfangen werden.
Das Steuergerät 20 und die Sensoreinheit 30 sind dazu eingerichtet, in einem Zeitmultiplex-Betrieb zwischen einer Kommunikationsphase T_K und einer Energieübertragungsphase T_E umzuschalten. Insbesondere ist das System 10 derartig ausgebildet, dass sich das System 10 während des Aussendens des Ultraschall-Sendepulses 131 in der Energieübertragungsphase T_E befindet. Des Weiteren kann das System 10 bevorzugt derartig ausgebildet sein, dass sich das System 10 während eines Aussenden eines Ultraschall-Sendepulses 131 mittels des Ultraschallwandlers 38 und/oder während eines Empfangs eines Ultraschall-Echos 132 mittels des Ultraschallwandlers 38 nicht in der Kommunikationsphase T_K befindet.
Des Weiteren weist die Sensoreinheit 30 einen internen Energiespeicher 31 auf, wobei die Sensoreinheit 30 dazu eingerichtet ist, den internen Energiespeicher 31 während der Energieübertragungsphase T_E über die Zweidrahtleitung 40 zu laden und während der Kommunikationsphase TK zur Energieversorgung der Sensoreinheit 30 zu nutzen.
Zur Umschaltung zwischen Kommunikationsphase T_K und Energieübertragungsphase T_E weist die Sensoreinheit 30 zwei Schalter 32 und eine Kommunikationsschnittstelle 33 auf, wobei die Schalter 32 und die Kommunikationsschnittstelle 33 derartig angeordnet sind und die Sensoreinheit 20 dazu eingerichtet ist, die Schalter 32 derartig anzusteuern, dass während der Energieübertragungsphase T_E die Zweidrahtleitung 40 über die Schalter 32 mit dem internen Energiespeicher 31 verbunden ist und während der Kommunikationsphase T_K die Zweidrahtleitung 40 über die Schalter 31 mit der Kommunikationsschnittstelle 33 verbunden ist. Die Kommunikationsschnittstelle 33 ist wiederum mit der internen Verarbeitungseinheit 39 verbunden. Die interne Verarbeitungseinheit 39 kann beispielsweise die Schalter 32 ansteuern, was hier jedoch bildlich nicht dargestellt ist. Um die Energieversorgung der Sensoreinheit 30 durch den internen Energiespeicher während der Kommunikationsphase T_K bzw. auch über die Zweidrahtleitung 40 währen der Energieübertragungsphase T_E entsprechend umzusetzen, liegt die Spannung des internen Energiespeichers 31, über einen Spannungsanschluss 36 und einen Masseanschluss 37 des internen Energiespeichers 31, beispielsweise auch an der Kommunikationsschnittstelle 33 und an der internen Verarbeitungseinheit 39 der Sensoreinheit 30 an.
Des Weiteren weist das Steuergerät 20 zwei Schaltelemente 21 und eine Kommunikationsschnittstelle 22 des Steuergeräts 20 auf, wobei die zwei Schaltelemente 21 und die Kommunikationsschnittstelle 22 des Steuergeräts 20 derartig angeordnet sind und das Steuergerät 20 dazu eingerichtet ist, die Schaltelemente 21 derartig anzusteuern, dass während der Energieübertragungsphase T_E die Zweidrahtleitung 40 über die Schaltelement 21 mit einem externen Energiespeicher 50 verbunden ist und während der Kommunikationsphase T_K die Zweidrahtleitung 40 über die Schaltelement 21 mit der Kommunikationsschnittstelle 22 des Steuergeräts 20 verbunden ist. Zur Datenauslese und -verarbeitung sowie zur Ansteuerung der Schaltelemente 21 weist das Steuergerät eine interne Verarbeitungseinheit 23 auf, welche entsprechend mit den Bauelementen verbunden ist, was jedoch bildlich nur partiell dargestellt ist.
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems. Dargestellt ist wiederum ein System 10 mit einem Steuergerät 20 und einer Sensoreinheit 30, welches nahezu identisch mit der in 2 dargestelltem System 10 ist. Die Sensoreinheit 30 der 3 unterscheidet sich jedoch von der Sensoreinheit 30 der 2 dadurch, dass die Sensoreinheit 30 gemäß 3 eine erste Diode 34 und eine zweite Diode 35 aufweist, wobei die erste Diode 34 zwischen einer Spannungsleitung 41 der Zweidrahtleitung 40 und einem Spannungsanschluss 36 des internen Energiespeichers 31 in Durchlassrichtung angeordnet ist und wobei die zweite Diode 35 zwischen einem Masseanschluss 37 des internen Energiespeichers 31 und einer Masseleitung 42 der Zweidrahtleitung 40 in Durchlassrichtung angeordnet ist, und wobei die Kommunikationsschnittstelle 33 mit der Spannungsleitung 41 und der Masseleitung 42 der Zweidrahtleitung 40 verbunden ist.
In einem bildlich nicht dargestelltem Ausführungsbeispiel wäre es auch denkbar, dass die Sensoreinheit 30 einen Komparator, eine Schalteinheit und eine Kommunikationsschnittstelle 33 aufweist, wobei die Sensoreinheit 30 dazu eingerichtet ist, eine Spannung auf der Zweidrahtleitung 40 mittels des Komparators mit einer vorgegebenen Schwellenwertspannung zu vergleichen, und wobei die Sensoreinheit 30 dazu eingerichtet ist, die Schalteinheit derartig anzusteuern, dass bei Überschreiten der Schwellenwertspannung die Zweidrahtleitung 40 über die Schalteinheit mit dem internen Energiespeicher 31 verbunden wird und bei Unterschreiten der Schwellenwertspannung die Zweidrahtleitung 40 vom internen Energiespeicher 31 getrennt wird. Insbesondere weist das Steuergerät 20 hierfür eine Schalteinrichtung auf, wobei die Spannungsleitung 41 der Zweidrahtleitung 40 über die Schalteinrichtung mit der externen Energieversorgungseinheit 50 verbunden ist. Die Schalteinrichtung kann dann von der internen Verarbeitungseinheit 23 des Steuergeräts 20 entsprechend angesteuert werden, um ein Umschalten zwischen Energieübertragungsphase T_E und Kommunikationsphase T_K zu erzielen.
Die Kommunikationsschnittstelle 33 der Steuereinheit 30 und die Kommunikationsschnittstelle 22 des Steuergeräts 20 sind hierbei insbesondere jeweils direkt bzw. dauerhaft mit der Zweidrahtleitung 40 verbunden.
In einem weiteren, bildlich nicht dargestellten Ausführungsbeispiel wäre es zudem denkbar, dass das Steuergerät 20 einen Boost-Converter aufweist, welcher zwischen der Zweidrahtleitung 40 und dem externen Energiespeicher 50 angeordnet ist, und wobei das System 10 dazu eingerichtet ist, während der Energieübertragungsphase T_E den internen Energiespeicher 31 der Sensoreinheit 30 über den Boost-Converter zu laden.
4 zeigt die Betriebsart des erfindungsgemäßen Systems über die Zeit. Dargestellt sind die unterschiedlichen Betriebsphasen des Systems, welche durch den Zeitmultiplex-Betrieb erzielt werden. Hierbei ist deutlich zu erkennen, dass die Kommunikationsphasen T_K und die Energieübertragungsphasen T_E abwechseln und nicht zeitgleich stattfinden. Die Dauer und die Zeitpunkte der jeweiligen Phasen können durch mehrere Bedingungen entsprechend ausgestaltet sein. So sollte die Energieübertragungsphase T_E wenigstens so lang andauern, dass der interne Energiespeicher 31 ausreichend aufgeladen ist, um während der anschließenden Kommunikationsphase T_K die Sensoreinheit 30 mit elektrischer Energie zu versorgen. Ein Umschalten von Energieübertragungsphasen T_E auf Kommunikationsphase T_K erfolgt, indem während einer Kommunikationsphase T_K der nächste Zeitpunkt T der Datenkommunikation vom Steuergerät 20 an alle Sensoreinheiten 30 übermittelt wird. Alternativ oder zusätzlich kann auch durch Anheben bzw. Absenken der Spannung auf der Zweidrahtleitung 40 zwischen Energieübertragungsphasen T_E und Kommunikationsphase T_K umgeschaltet werden. Die Zeitpunkte der Energieübertragungsphasen T_E und Kommunikationsphase T_K sollten allen Sensoreinheiten 30 und dem Steuergerät 20 bekannt sein, sie müssen aber nicht einem vordefinierten Zeitschema entsprechen. Die jeweilige Dauer der Energieübertragungsphase T_E und der Kommunikationsphase T_K kann dynamisch während des Betriebs an die aktuellen Umgebungsbedingungen und individuell für jede Sensoreinheit 30 oder auch für eine Gruppe von Sensoreinheiten 30 angepasst werden. So kann beispielsweise einer Sensoreinheit 30, die Objekte in größerer Entfernung ermitteln soll, eine längere Powerphase zugeordnet und damit mehr Energie übertragen werden als einer Sensoreinheit 30 zur Erfassung von Objekten in geringerer Entfernung. Insbesondere ist es auch denkbar, dass die Sensoreinheit 30 in Abhängigkeit von in der Sensoreinheit 30 verfügbaren Informationen einen Wert für den zukünftigen Energiebedarf ermitteln kann und diesen als Anforderung dem Steuergerät 20 mitteilen kann, wodurch die Energieversorgung individuell an den Bedarf der unterschiedlichen Sensoreinheiten 30 angepasst werden kann.
Innerhalb der Kommunikationsphase T_K können zudem Konfigurationsdaten vom Steuergerät 20 an die Sensoreinheit 30 geschickt werden. Zudem können während der Kommunikationsphase T_K die empfangenen Echodaten von der Sensoreinheit 30 an das Steuergerät 20 geschickt werden. Die Zeitpunkte zwischen dem Start der Datenkommunikation in aufeinanderfolgenden Zyklen können durch eine genaue Masterclock im Steuergerät 20 bestimmt werden. Die zeitlichen Abstände können von der Sensoreinheit 30 ausgemessen und zur Synchronisierung der sensorinternen Uhr verwendet werden. Damit entfällt die Notwendigkeit für einen hochgenauen Taktgeber innerhalb der Sensoreinheit.

Claims

System (10) umfassend ein elektronisches Steuergerät (20) und wenigstens eine Sensoreinheit (30), wobei das Steuergerät (20) über nur eine Zweidrahtleitung (40) mit der Sensoreinheit (30) verbunden ist, wobei über die Zweidrahtleitung (40) sowohl eine Energieübertragung als auch eine Kommunikation zwischen Sensoreinheit (30) und Steuergerät (20) durchführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (20) und die Sensoreinheit (30) dazu eingerichtet sind, in einem Zeitmultiplex-Betrieb zwischen einer Kommunikationsphase (T_K) und einer Energieübertragungsphase (T_E) umzuschalten, und wobei die Sensoreinheit (30) einen internen Energiespeicher (31) aufweist, und wobei die Sensoreinheit (30) dazu eingerichtet ist, den internen Energiespeicher (31) während der Energieübertragungsphase (T_E) über die Zweidrahtleitung (40) zu laden und während der Kommunikationsphase (T_K) zur Energieversorgung der Sensoreinheit (30) zu nutzen.
System (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das System (10) mehrere Sensoreinheiten (30) aufweist, welche mittels einer Bus-Struktur über die eine Zweidrahtleitung (40) mit dem Steuergerät (20) verbunden sind.
System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der interne Energiespeicher (31) als Kondensator ausgestaltet ist.
System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (30) zwei Schalter (32) und eine Kommunikationsschnittstelle (33) aufweist, wobei die Schalter (32) und die Kommunikationsschnittstelle (33) derartig angeordnet sind und die Sensoreinheit (20) dazu eingerichtet ist, die Schalter (32) derartig anzusteuern, dass während der Energieübertragungsphase (T_E) die Zweidrahtleitung (40) über die Schalter (32) mit dem internen Energiespeicher (31) verbunden ist und während der Kommunikationsphase (T_K) die Zweidrahtleitung (40) über die Schalter (31) mit der Kommunikationsschnittstelle (33) verbunden ist.
System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (30) eine erste Diode (34), eine zweite Diode (35) und eine Kommunikationsschnittstelle (33) aufweist, wobei die erste Diode (34) zwischen einer Spannungsleitung (41) der Zweidrahtleitung (40) und einem Spannungsanschluss (36) des internen Energiespeichers (31) in Durchlassrichtung angeordnet ist und wobei die zweite Diode (35) zwischen einem Masseanschluss (37) des internen Energiespeichers (31) und einer Masseleitung (42) der Zweidrahtleitung (40) in Durchlassrichtung angeordnet ist, und wobei die Kommunikationsschnittstelle (33) mit der Spannungsleitung (41) und der Masseleitung (42) der Zweidrahtleitung (40) verbunden ist.
System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (20) zwei Schaltelemente (21) und eine Kommunikationsschnittstelle (22) des Steuergeräts (20) aufweist, wobei die zwei Schaltelemente (21) und die Kommunikationsschnittstelle (22) des Steuergeräts (20) derartig angeordnet sind und das Steuergerät (20) dazu eingerichtet ist, die Schaltelemente (21) derartig anzusteuern, dass während der Energieübertragungsphase (T_E) die Zweidrahtleitung (40) über die Schaltelement (21) mit einem externen Energiespeicher (50) verbunden ist und während der Kommunikationsphase (T_K) die Zweidrahtleitung (40) über die Schaltelement (21) mit der Kommunikationsschnittstelle (22) des Steuergeräts (20) verbunden ist.
System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (30) einen Komparator, eine Schalteinheit und eine Kommunikationsschnittstelle (33) aufweist, wobei die Sensoreinheit (33) dazu eingerichtet ist, eine Spannung auf der Zweidrahtleitung (40) mittels des Komparators mit einer vorgegebenen Schwellenwertspannung zu vergleichen, und wobei die Sensoreinheit (30) dazu eingerichtet ist, die Schalteinheit derartig anzusteuern, dass bei Überschreiten der Schwellenwertspannung die Zweidrahtleitung (40) über die Schalteinheit mit dem internen Energiespeicher (31) verbunden wird und bei Unterschreiten der Schwellenwertspannung die Zweidrahtleitung (40) vom internen Energiespeicher (31) getrennt wird.
System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (30) einen Ultraschallwandler (38) aufweist.
System (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das System (10) dazu eingerichtet ist, einen Ultraschall-Sendepuls (131) mittels des Ultraschallwandlers (38) auszusenden, wobei das System (10) derartig ausgebildet ist, dass sich das System (10) während des Aussendens des Ultraschall-Sendepulses (131) in der Energieübertragungsphase (T_E) befindet.
System (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das System (10) derartig ausgebildet ist, dass sich das System (10) während eines Aussenden eines Ultraschall-Sendepulses (131) mittels des Ultraschallwandlers (38) und/oder während eines Empfangs eines Ultraschall-Echos (132) mittels des Ultraschallwandlers (38) nicht in der Kommunikationsphase (T_K) befindet.
System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (20) einen Boost-Converter aufweist, welcher zwischen der Zweidrahtleitung (40) und einem externen Energiespeicher (50) angeordnet ist, und wobei das System (10) dazu eingerichtet ist, während der Energieübertragungsphase (T_E) den internen Energiespeicher (31) der Sensoreinheit (30) über den Boost-Converter zu laden.