DE19647131A1 - Vorrichtung und Verfahren zur zeitmultiplexen Übertragung von Informationen - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur zeitmultiplexen Übertragung von InformationenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur zeitmultiplexen Übertra
gung von Informationen zwischen örtlich verteilten Funktionseinheiten, insbesondere
zwischen Funktionseinheiten auf einem Kraftfahrzeug oder einem Kran, nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die zunehmende Zahl elektronischer Systeme und deren zunehmende Komplexität
bedingt einen wachsenden Bedarf an Zwei- bzw. Mehrrechnersystemen im Kraft
fahrzeug. Zur Vernetzung der örtlich verteilten Funktionseinheiten sind dabei ver
schiedene Arten von Bussystemen bekannt geworden. Üblicherweise kommunizie
ren die Funktionseinheiten dabei über einen Datenbus und werden durch einen pa
rallelen Leistungsbus mit Leistung versorgt. Insbesondere bei großen Fahrzeugen,
wie z. B. Fahrzeugkränen, bedingt dies allerdings einen erhöhten Leitungsaufwand,
da der Leistungsbus mit ein oder mehreren gesonderten Leitungen parallel zum Da
tenbus mitgeführt werden muß. Hiermit sind verhältnismäßig hohe Installationsko
sten sowie eine schwierige Wartung und Fehlerdiagnose des gesamten Bussystems
verbunden. Andererseits sind bereits Bussysteme mit einem kombinierten Daten- und
Leistungsbus bekannt. Bei diesem Bussystem wird die Versorgungsspannung
zur Datenübertragung moduliert. Aufgrund dieser Einkopplung von HF-Signalen ist
die Datenübertragung allerdings verhältnismäßig störanfällig.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine zuverlässige Informationsübertragung
zwischen verteilten Funktionseinheiten mit möglichst geringem Leitungsaufwand
auch über lange Übertragungsstrecken zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird zum einen durch die im Patentanspruch 1 geführten Merkmale
gelöst. Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß für jede Busleitung ein
Netzteil vorgesehen ist, wobei eine einzelne Busleitung mit einem ersten Pol des
zugehörigen Netzteils verbunden ist, und daß jede Busleitung durch mindestens ein
von einer Funktionseinheit ansteuerbares Schaltelement gegenüber einem zweiten
Pol des zugehörigen Netzteils kurzschließbar ist. Unter einem Kurzschluß ist dabei
jede Zustandsänderung innerhalb der jeweiligen Funktionseinheit zwischen einem
niederohmigen Zustand und einem hochohmigen Zustand zu verstehen.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch das
für jede Busleitung vorgesehene Netzteil auch größere Leistungen auf der Buslei
tung übertragbar sind. Hierdurch ist es insbesondere möglich, neben dem digitalen
Datenprotokoll über die Busleitung auch Leistung zu den örtlich verteilten Funkti
onseinheiten zu übertragen. Gegen über bekannten Bussystemen, bei denen eine
kombinierte Daten-/Leistungsübertragung durch eine Einkopplung von modulierten
HF-Signalen erfolgt, kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf die Einkopp
lung von HF-Signalen verzichtet werden, da bereits durch einen Kurzschluß an der
Busleitung eine Modulation erfolgen kann. Hierdurch lassen sich die Anforderungen
an die elektromagnetische Verträglichkeit besser erfüllen, gleichzeitig ist aufgrund
der von dem Netzteil abgegebenen verhältnismäßig großen Ströme eine störungssi
chere Übertragung möglich. Diese Aspekte führen dazu, daß der Leitungsaufwand
und damit auch die Installationskosten der erfindungsgemäßen Vorrichtung gering
gehalten werden können. Während des Betriebes ist außerdem eine leichte Wartung
des gemäß der Erfindung verlegten Bussystems möglich. Schließlich lassen sich mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung lange Übertragungsstrecken erreichen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß das Netzteil eine
kurzschlußfeste Spannungsquelle ist, die einen vorgegebenen Kurzschlußstrom ab
gibt. Hierdurch ist gewährleistet, daß das Netzteil im Kurzschlußfall nicht überlastet
wird und daß im Leerlauffall eine konstante Spannung an der Busleitung anliegt. Ei
ne andere Möglichkeit zur Überlastsicherung des Netzteils besteht darin, daß das
Netzteil eine Stromquelle ist. In diesem Fall fließt über die Busleitung der über die
Stromquelle eingestellte Strom, sobald die Busleitung belastet wird oder kurzge
schlossen ist.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist als gemeinsame Masse das
Gehäuse des Fahrzeugs vorgesehen, wobei das Gehäuse mit dem zweiten Pol des
entsprechenden Netzteils verbunden ist. In diesem Fall ist es möglich, den Bus als
sogenannten Eindraht-Bus auszuführen, was den Leitungsaufwand für das gesamte
Bussystem auf ein Minimum reduziert. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß
für jede Busleitung eine parallele Leitung vorgesehen ist, die mit dem zweiten Pol
des zugehörigen Netzteils verbunden ist und über die die jeweilige Busleitung kurz
schließbar ist. Diese Lösung wird dann zu bevorzugen sein, wenn eine Störanfällig
keit des Bussystems aufgrund der gemeinsamen Masse des Fahrzeugs vermieden
werden soll.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist genau eine Busleitung mit ei
nem zugehörigen Netzteil vorgesehen, die zusammen mit der parallelen Busleitung
vom Netzteil abgehend in Baumstruktur mit den verschiedenen Funktionseinheiten
vernetzt ist. Hierdurch kann der Leitungsaufwand bei gleichzeitiger Störsicherheit
des gesamten Bussystems gering gehalten werden, da sämtliche zu übertragenden
Informationen nur über eine Busleitung übertragen werden. Gleichzeitig setzt dies
allerdings voraus, daß die Datenkapazität der Busleitung unter Berücksichtigung der
jeweiligen Leitungslänge ausreicht, um die gesamte anfallende Datenmenge zwi
schen den verteilten Funktionseinheiten zu übertragen. Erst wenn diese Vorausset
zung nicht mehr gegeben ist, sind mehrere parallele Busleitungen vorzusehen, über
die die anfallenden Daten parallel übertragbar sind.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß an der Bus
leitung im kurzgeschlossenen Zustand ein Low-Pegel anliegt und daß im anderen
Fall an der Busleitung ein High-Pegel an liegt. Hiermit läßt sich durch jede ange
schlossene Funktionseinheit in einfacher Weise ein aus High-Pegeln und Low-Pegeln
bestehendes digitales Datenprotokoll erzeugen. Die High-Pegel stellen in
diesem Fall einen rezessiven Zustand dar, während die Low-Pegel aufgrund des ak
tiven Kurzschließens der betreffenden Funktionseinheit einen dominanten Zustand
darstellen. Um die Reihenfolge des Zugriffs der verschiedenen Funktionseinheiten
auf die Busleitung sowie die Zugriffsrechte zu verwalten, ist es denkbar, daß jeder
Funktionseinheit zyklisch ein Zugriffsrecht auf die Busleitung zugewiesen wird.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß minde
stens eine Funktionseinheit einen Energiespeicher aufweist, der durch die High-Pegel
an mindestens einer der Busleitungen derart aufladbar ist, daß die Energie
versorgung ausschließlich durch die über die jeweilige Busleitung übertragene Ener
gie seitens des zugehörigen Netzteils erfolgt. Aufgrund der erfindungsgemäßen
Ausführung der Busleitung ist es somit möglich, daß die High-Pegel als rezessive
Zustände des Bussystems dazu genutzt werden, um die an die Busleitung ange
schlossenen Funktionseinheiten mit Energie zu versorgen. Hierbei muß sicherge
stellt werden, daß alle an die Busleitung angeschlossenen Funktionseinheiten die
Busleitung nur bis zu der maximal von dem Netzteil abzugebenden Leistung bela
sten. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Eingangsbeschaltung der
Funktionseinheiten sichergestellt werden, die den Eingangsstrom auf einen vorgege
benen Maximalstrom begrenzt. Außerdem muß der Energiespeicher derart ausgelegt
sein, daß die Spannungsversorgung der jeweiligen Funktionseinheit auch im un
günstigsten Fall mehrerer aufeinanderfolgender Low-Pegel hergestellt ist. Zweck
mäßigerweise besteht der Energiespeicher aus einem Kondensator, der zusammen
mit einer Diode parallel zu dem Schaltelement geschaltet ist. Hierdurch wird verhin
dert, daß der aufgeladene Kondensator sich bei geschlossenem Schaltelement wie
der über dieses entlädt. Außerdem kann parallel zu dem Schaltelement eine
Schutzdiode (Z-Diode) geschaltet sein, die die jeweilige Funktionseinheit vor Über
spannungen auf der Busleitung schützt.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Ansteue
rung des Schaltelements durch einen in der jeweiligen Funktionseinheit integrierten
Mikroprozessor erfolgt. Hierdurch ist die Umsetzung des üblicherweise bereits in ei
nem Mikroprozessor vorliegenden Datenprotokolls in ein aus High-Pegeln und Low-Pegeln
bestehendes digitales Datenprotokoll auf der Busleitung besonders einfach
möglich. Das Schaltelement kann dabei beispielsweise aus einem Schalttransistor
bestehen, der zwischen einem niederohmigen und einem hochohmigen Zustand
umschaltbar ist. Zweckmäßigerweise ist zusätzlich eine Überlastschaltung vorgese
hen, wobei das Schaltelement deaktivierbar ist, sobald die Überlastschaltung eine
Überlastbedingung erkennt. Hierdurch wird sichergestellt, daß bei Überlast auf der
Busleitung die Busleitung nicht noch zusätzlich belastet wird.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß ein an einer
Funktionseinheit an liegender High-Pegel und/oder Low-Pegel aufgrund der Poten
tialdifferenz zwischen einer zu der Funktionseinheit hinführenden Busleitung und
einer von der Funktionseinheit wegführenden Busleitung detektierbar ist. Beispiels
weise könnte die Potentialdifferenz durch einen Differenzverstärker erfaßt werden,
wobei die hinführende Busleitung an dem positiven Eingang und die wegführende
Busleitung an dem negativen Eingang des Differenzverstärkers angeschlossen ist.
Auf diese Weise werden Potentialschwankungen, die auf der Übertragungsstrecke
auftreten können, durch die Funktionseinheit nicht erfaßt, so daß eine störungssiche
re Unterscheidung zwischen High-Pegeln und Low-Pegeln möglich ist. Insbesondere
geht in die auf diese Weise durch die Funktionseinheit erfaßte Potentialdifferenz der
auf der Busleitung auftretende Spannungsabfall aufgrund des Kurzschlußstromes
nicht mit ein. Zusätzlich können bestimmte Pegelschwellen um den High-Pegel
und/oder Low-Pegel definiert werden, um die Unterscheidbarkeit zwischen High-Pegeln
und Low-Pegeln weiter zu verbessern. Beispielsweise kann vorgesehen sein,
daß ein High-Pegel vorliegt sobald die detektierte Potentialdifferenz oberhalb einer
vorgegebenen High-Pegel-Schwelle liegt. Außerdem kann vorgesehen sein, daß ein
Low-Pegel vorliegt, sobald die detektierte Potentialdifferenz unterhalb einer vorgege
benen Low-Pegel-Schwelle liegt. Zusätzlich ist es denkbar, daß die Low-Pegel-Schwelle
eine Hysterese mit einer vorgegebenen Hysteresebreite aufweist, um ein
unkontrolliertes Schalten zwischen der Low-Pegel-Schwelle zu verhindern.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind als Funktionseinheiten Ma
stereinheiten und Slave-Einheiten vorgesehen, wobei an die Slave-Einheiten Senso
ren und/oder Aktoren anschließbar sind, die von den Mastereinheiten auswertbar
und/oder ansteuerbar sind. Wird die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise
zur zeitmultiplexen Übertragung von Informationen auf einem Fahrzeugkran verwen
det, so müssen insbesondere die Hubbewegungen durch örtlich verteilte Sensoren
erfaßt werden. Außerdem stellt beispielsweise der an den Lastarm angelenkte Wipp
zylinder einen Aktor dar, der entsprechend ansteuerbar sein muß. Die erfindungs
gemäße Vorrichtung erfüllt dabei alle Anforderungen, um die auf einem Fahrzeug
kran verteilten Sensoren und Aktoren durch ein Bussystem zu verbinden und seitens
einer zentralen Steuerelektronik auszuwerten und anzusteuern.
Eine weitere Lösung für die eingangs genannte Aufgabe besteht in einem Verfahren
zur Erzeugung eines Datenprotokolls mit den im Patentanspruch 19 aufgeführten
Merkmalen. Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß das Datenprotokoll
variabel an die zu übertragenden Daten angepaßt wird. Hierzu wird den zu übertra
genden Daten ein Protokollheader vorangeschickt, der aus einem Protokoll-Datenwort
konstanter Länge besteht, wobei in das Protokoll-Datenwort zumindest
die Information kodiert wird, ob der nachfolgende Datenblock ein Datenblock kon
stanter Länge oder variabler Länge ist. Falls ein Datenblock variabler Länge zu
übertragen ist, wird in das Protokoll-Datenwort zusätzlich die zu übertragende Länge
kodiert und die empfangenen Daten werden sodann in Abhängigkeit des Protokoll-Datenwortes
ausgewertet.
Die mit diesem Verfahren erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß über
flüssige Protokoll-Längen aufgrund Datenblöcke konstanter Länge vermieden wer
den können.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß in das Protokoll-Datenwort
zusätzlich die Information kodiert wird, ob ein Sendeprotokoll oder ein
Antwortprotokoll vorliegt. Hierdurch kann die jeweils empfangene Funktionseinheit
sofort danach unterscheiden, ob eine noch ausstehende Antwort oder eine neue
Nachricht anliegt.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß in das Pro
tokoll-Datenwort zusätzlich die Information kodiert wird, ob eine Rückantwort seitens
der empfangenen Informationseinheit von der sendenden Funktionseinheit erwartet
wird. Insbesondere bei sicherheitsrelevanten Nachrichten kann hierdurch seitens der
sendenden Funktionseinheit sichergestellt werden, daß die zu übertragende Nach
richt auch tatsächlich beim Empfänger angelangt ist.
Zweckmäßigerweise wird bei konstanter Länge eines Datenblocks dem jeweiligen
Datenblock eine Länge von 8 Bit zugewiesen, so daß in diesen Fällen eine Byte-orientierte
Nachrichtenübertragung vorgegeben werden kann.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines in der Zeich
nung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. In dieser zeigt:
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen Bussystems,
Fig. 2 ein Prinzipschaltbild zur Spannungsversorgung einer Funktionseinheit
über eine Busleitung
Fig. 3 eine elektronische Schaltung zur Busankopplung einer Funktionseinheit,
Fig. 4 eine Prozessorankopplung gemäß Fig. 3 mit Spannungsversorgung über
die Busleitung,
Fig. 5 eine Prozessorankopplung gemäß Fig. 3 mit externer Spannungsversor
gung,
Fig. 6 eine Prozessorankopplung gemäß Fig. 3 mit galvanischer Trennung,
Fig. 7 ein Pegeldiagramm einer Busleitung,
Fig. 8 ein Blockschaltbild einer Buskonfiguration und
Fig. 9 eine Struktur eines Protokollheaders zur Erzeugung eines
Datenprotokolls.
Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen Bussystems. Das Bussy
stem besteht aus einer Busleitung 1 sowie aus einer rückführenden Masseleitung 2,
die jeweils an die beiden Pole einer strombegrenzten Spannungsquelle 3 ange
schlossen sind. Seitens jeder Funktionseinheit ist ein Schaltelement 4 ansteuerbar,
das aus einem einfachen Schalttransistor besteht. Zur Auswertung des Datenproto
kolls auf der Busleitung 1 ist zu der jeweiligen Funktionseinheit die Leitung RXD zu
geführt. Desweiteren führt die Leitung TXD von der jeweiligen Funktionseinheit weg
zu der Basis des Schalttransistors, um den Schalttransistor zwischen einem
hochohmigen und einem niederohmigen Zustand umzuschalten. Sobald einer der an
die Busleitung 1 angeschlossenen Schalttransistoren 4 sich im niederohmigen Zu
stand befindet, ist die Busleitung 1 über der Masseleitung 2 kurzgeschlossen, so daß
ein Low-Pegel an der Busleitung 1 anliegt. Im anderen Fall liegt dagegen ein High-Pegel
an der Busleitung 1 an, dessen Höhe von der abgegebenen Spannung des
Netzteils 3 sowie dem Spannungsabfall bis zum Anschlußpunkt des jeweiligen
Schalttransistors abhängt.
Fig. 2 zeigt ein Prinzipschaltbild zur Spannungsversorgung einer Funktionseinheit
über eine Busleitung. Mit dieser Beschaltung ist es prinzipiell möglich, eine ange
schlossene Funktionseinheit über die Busleitung 1 mit Spannung zu versorgen und
seitens der angeschlossenen Funktionseinheit Informationen über die Busleitung zu
anderen Funktionseinheiten zu übertragen. Das Bussystem besteht wie in Fig. 1 aus
einer Busleitung 1 und einer rückführenden Masseleitung 2, die an ein zentrales
Netzteil mit begrenztem Kurzschlußstrom angeschlossen sind. An der Busleitung 1
liegt die Leerlaufspannung Ubus des Netzteils an. Die Eingangsbeschaltung für jede
Funktionseinheit besteht aus der Diode 16 sowie der Z-Diode 11. Die Diode 16 ver
hindert Rückwirkungen auf die Busleitung 1 seitens der Funktionseinheit, wohinge
gen die Z-Diode 11 einen Überspannungsschutz für die angeschlossene Funktions
einheit bewirkt. Parallel zu der Z-Diode 11 ist ein Schaltelement 10 geschaltet, das
seitens der Funktionseinheit ansteuerbar ist und das beispielsweise, wie in Fig. 1
dargestellt, aus einem Schalttransistor bestehen kann. Der Strombegrenzer 15, die
Diode 14 sowie der Kondensator 12 ermöglichen eine Spannungsversorgung der
Last 13 auch in Zeiten, in denen das Schaltelement 10 kurzgeschlossen ist. Bei
geöffnetem Schalter 10 kann der Kondensator 12 auf die Spannung der Busleitung
UBus aufgeladen werden, wobei der Strombegrenzer 15 nur einen vorgegebenen La
destrom zuläßt. Sobald das Schaltelement 10 geschlossen ist, verhindert die Diode
14 ein Entladen des Kondensators 12 über das geschlossene Schaltelement, so daß
die Last 13 durch den aufgeladenen Kondensator 12 weiterhin mit Spannung ver
sorgt ist. Hierbei müssen die Schließzeiten des Schaltelements 10 so bemessen
werden, daß diese unterhalb der Entladezeit des Kondensators 12 in Verbindung mit
der Last 13 liegen.
Fig. 3 zeigt eine Treiberschaltung 40 zur Busankopplung einer Funktionseinheit. Ih
rem grundsätzlichen Aufbau nach entspricht die Treiberschaltung 40 dabei dem
Prinzipschaltbild gemäß Fig. 2. Die Eingangsbeschaltung gegenüber der Busleitung
1 und der rückführenden Masseleitung 2 besteht wiederum aus einer in Reihe zur
Busleitung 1 geschalteten Diode 22 und einer parallel zur Busleitung 1 geschalteten
Z-Diode 21. Parallel zu der Diode 22 ist außerdem ein Kondensator 23 geschaltet,
um schnelle Schaltvorgänge direkt auf die Treiberschaltung 40 durchgreifen zu las
sen. Das Schaltelement besteht aus einem schnell schaltenden Feldeffekttransistor
20, der über den Logikschaltkreis 34 durch den Anschluß TXD ansteuerbar ist. Ent
sprechend dem anliegenden Pegel an dem Anschluß TXD kann der Schalttransistor
20 dabei zwischen einem hochohmigen Zustand und einem niederohmigen Zustand
umgeschaltet werden. Im niederohmigen Zustand wird die Busleitung 1 über den
ebenfalls niederohmigen Widerstand 38 kurzgeschlossen, während im hochohmigen
Zustand des Schalttransistors 20 Leistung von der Busleitung 1 entnommen werden.
Um die dabei dem Bus entnommene Leistung zu begrenzen, ist ein Strombegrenzer
24 vorgesehen. An den Anschluß CL kann eine Pufferkapazität angeschlossen wer
den, die im hochohmigen Zustand des Schalttransistors 20 auf die Busspannung der
Busleitung 1 aufladbar ist. Eine Sperrdiode 25 verhindert dabei die Entladung der
Pufferkapazität, sobald der Schalttransistor sich im niederohmigen Zustand befindet.
Spannungsschwankungen an der Pufferkapazität werden durch den Spannungsreg
ler 26 ausgeglichen, so daß an dem Anschluß VCC zur Leistungsversorgung weite
rer Bauteile eine konstante Spannung anliegt. Zur Spannungsversorgung der übrigen
Schaltung wird an dem Anschluß VDD, beispielsweise über den Anschluß VCC, eine
konstante Spannung angelegt.
Ein aus einem Differenzverstärker 27 bestehender Pegelwandler wandelt die Signale
auf der Busleitung 1 in ein auswertbares Pegelformat an dem Anschluß RXD um.
Hierzu wird die Differenzspannung zwischen der Spannung an dem Spannungsteiler
der Widerstände 28, 29 und dem Spannungsteiler der Widerstände 32, 33 gebildet.
Der Kondensator 30 in Verbindung mit der Diode 31 stellt dabei sicher, daß bei kurz
zeitigen Pegelschwankungen auf der Busleitung 1 die Spannung an dem Span
nungsteiler 28, 29 erhalten bleibt. Gemäß dem Ausgang RXD am Pegelwandler 27
liegt demnach an der Busleitung 1 ein High-Pegel oder ein Low-Pegel vor.
Zusätzlich enthält die Treiberschaltung 40 eine Überlastsicherung, wobei eine Über
last durch den Komparator 35 erkannt wird. Der Anschluß OVL ist dabei low-aktiv
und zeigt an, wenn eine Überlastbedingung im Schaltkreis existiert. Bei einem zu
hohen Schaltstrom durch den Schalttransistor 20 übersteigt die durch den Span
nungsteiler des Schalttransistors 20 und den niederohmigen Widerstand 38 gebilde
te Spannung die Spannung an dem Spannungsteiler der Widerstände 36 und 37, so
daß der Logikschaltkreis 34 den Schalttransistor 20 deaktiviert und den Ausgang
OVL auf 0 setzt. Die Überlastsicherung wird selbständig wieder zurückgesetzt, wenn
das Signal am TXD-Anschluß wieder auf einen High-Pegel geht, so daß der Aus
gang OVL wieder auf 1 gesetzt wird.
Fig. 4 zeigt eine Prozessorankopplung gemäß Fig. 3 mit Spannungsversorgung über
die Busleitung 1. Die Treiberschaltung 40 gemäß Fig. 3 ist dabei durch einen ent
sprechenden Block dargestellt, aus dem die jeweiligen Anschlüsse herausgeführt
sind. Die Anschlüsse sind zum einen mit der Busleitung 1 und der Masseleitung 2
und zum anderen mit einem Mikroprozessor 50 verbunden. Desweiteren ist an den
Anschluß CL eine Pufferkapazität 51 angeschlossen, die in der gemäß Fig. 3 be
schriebenen Weise die Spannungsversorgung der Treiberschaltung 40 und des Mi
kroprozessors 50 im Kurzschlußzustand der Busleitung 1 sicherstellt. Im Sendebe
trieb erfolgt seitens des Mikroprozessors 50 eine Ansteuerung des TXD-Anschlusses,
wodurch in der obenbeschriebenen Weise ein aus High-Pegeln und
Low-Pegeln bestehendes digitales Datenprotokoll auf der Busleitung 1 erzeugbar ist.
Umgekehrt kann ein derartiges Protokoll über den RXD-Anschluß seitens des Mikro
prozessors 50 detektiert werden. Desweiteren ist der OVL-Anschluß an einen Inter
rupt-Eingang des Mikroprozessors 50 angeschlossen. Sobald eine Überlastbedin
gung durch die in der Treiberschaltung 40 enthaltene Überlastsicherung erkannt
wird, wird in dem Mikroprozessor 50 ein Interrupt ausgelöst, woraufhin eine spezielle
Routine zur Behandlung des Überlastfalles im Mikroprozessor 50 gestartet wird.
Fig. 5 zeigt eine Prozessorankopplung der Treiberschaltung 40 gemäß Fig. 3 mit
externer Spannungsversorgung. Gegenüber der Prozessorankopplung gemäß Fig. 4
unterscheidet sich die Prozessorankopplung gemäß Fig. 5 dadurch, daß die Span
nungsversorgung der Treiberschaltung 40 und des Mikroprozessors 50 durch eine
externe Spannungsversorgung 52 erfolgt. Die Pufferkapazität 51 kann dabei entfal
len, so daß die Anschlüsse CL und VCC nicht beschaltet sind.
Fig. 6 zeigt eine Prozessorankopplung der Treiberschaltung 40 gemäß Fig. 3 mit
galvanischer Trennung zwischen der Treiberschaltung 40 und dem Mikroprozessor
50. Aufgrund der galvanischen Trennung kann lediglich die Treiberschaltung 40 von
der Busschaltung 1 mit Spannung versorgt werden, so daß zur Spannungsversor
gung des Mikroprozessors 50 eine externe Spannungsversorgung 63 vorgesehen ist.
Die galvanische Trennung der Anschlüsse RXD und TXD erfolgt durch Optokoppler
61 und 62. Ansonsten gleicht die Funktionsweise der Prozessorankopplung gemäß
Fig. 6 derjenigen gemäß Fig. 4.
Fig. 7 zeigt ein Pegeldiagramm einer Busleitung zur Detektion von einem High-Pegel
bzw. einem Low-Pegel. Da ein Low-Pegel durch einen Kurzschluß auf der Busleitung
erzeugt wird, entstehen auf der Busleitung in diesem Zustand nicht zu vernachlässi
gende ohmsche Leitungsverluste. Aus diesem Grund wird die Unterscheidungs
schwelle 70 zwischen einem High-Pegel und einem Low-Pegel nicht in die Mitte der
beiden Maximalpegel, sondern auf 213 der Leerlaufspannung Ubus der Busleitung
gelegt. Dies ergibt einen höheren Störabstand beim dominanten Low-Pegel. Der
High-Pegel paßt sich der Leerlaufspannung der Busleitung an, die beispielsweise
zwischen 18 V und 36 V liegen kann. Durch Festlegung der maximalen Übertra
gungslänge und des maximalen Kurzschlußstromes muß entsprechend sichergestellt
werden, daß die ohmschen Leitungsverluste nicht über den Verlustpegel 72 anstei
gen, der auf 113 der Leerlaufspannung Ubus der Busleitung festgelegt wird. Schließ
lich kann noch eine Hystereseschwelle 71 von beispielsweise 4 V vorgesehen sein,
um eine erhöhte Störsicherheit zur Erkennung des Low-Pegels zu erreichen.
Fig. 8 zeigt ein Blockschaltbild einer möglichen Buskonfiguration gemäß der Erfin
dung. Das Netzwerk besteht aus drei Mastereinheiten M0, M1 und M2 sowie sechs
Slave-Einheiten S3 bis S8. Die Busleitung 1 und eine rückführende Masseleitung 2
sind mit einem Netzteil 3 in Baumstruktur mit den Mastereinheiten und den Slave-Einheiten
verbunden. Jede Mastereinheit stellt jeweils einen Speicherblock für die
einzelnen Mastereinheiten zur Verfügung, wobei alle Speicherblöcke gleich groß
sind.
An die Slave-Einheiten sind beispielsweise Sensoren angeschlossen, wobei die von
den Sensoren aufgenommenen Meßdaten in regelmäßigen Abständen von den Ma
stereinheiten abgefragt werden. Jede Mastereinheit kommuniziert dabei nur mit
denjenigen Slaveeinheiten, von denen er entsprechende Meßergebnisse benötigt.
Dies ist in der Fig. 8 durch entsprechende Pfeilbeziehungen angedeutet. Demnach
kommuniziert die Mastereinheit M0 mit den Slaveeinheiten S3, S4, S5, die Ma
stereinheit M1 mit allen Slaveeinheiten und die Mastereinheit M2 nur mit den Slave
einheiten S7 und S8.
Außerdem ist es möglich, daß externe Prozeßdaten in das Bussystem eingespielt
werden. Beispielsweise erhält der Master M2 von einer externen Recheneinheit 83
Prozeßdaten 84, die in seinem Speicherblock abgelegt werden. Die Mastereinheit
M0 kann daraufhin über den Bus den kompletten Speicherblock der Mastereinheit
M2 anfordern und diesen in ihrem internen Speicherblock ablegen. Somit kann also
auch der Hostrechner der Mastereinheit M0 auf die externen Prozeßdaten des
Hostrechners der Mastereinheit M2 zugreifen.
Fig. 9 zeigt die Struktur eines Protokollheaders zur erfindungsgemäßen Erzeugung
eines variablen Datenprotokolls. Je nach Art des zu übertragenden Protokolls wird
dem Protokoll dabei ein 3-Bit-Protokollheader vorangestellt, wie sich dieser aus dem
Strukturbaum gemäß Fig. 9 ergibt. In Abhängigkeit von dem Codewort in dem Pro
tokollheader folgt dem Protokollheader dabei ein Protokoll-Datenwort. Eine Untertei
lung der zu übertragenden Nachrichten erfolgt dabei zunächst nach Sendeprotokol
len und Antwortprotokollen. Bei Sendeprotokollen findet schließlich eine weitere Un
terscheidung nach einem nachfolgenden Protokoll-Datenwort mit variabler Länge
und mit fester Länge statt. Das dritte Bit bei einem Protokollheader eines Sendepro
tokolls wird danach codiert, ob eine Rückantwort erfolgen soll oder nicht. Bei einem
Antwortprotokoll erfolgt dementsprechend eine Unterscheidung nach einer Mehr-Bit-Antwort
und einer Ein-Bit-Antwort. Die Mehr-Bit-Antwort kann wiederum ein Protokoll-Datenwort
variabler Länge oder konstanter Länge mit 16 Bit aufweisen. Handelt es
sich dagegen um eine Ein-Bit-Antwort, so wird in dem dritten Bit des Protokollheaders
direkt die entsprechende Bit-Information codiert.
Die Übertragungsprotokolle sind demnach so konzipiert, daß für die verschiedenen
vernetzten Funktionseinheiten ein möglichst effizientes Übertragungsverfahren je
nach Datenumfang gewährleistet ist. Hierbei ist es möglich, daß weniger zeitkritische
Anwendungen über ein universelles Protokoll mit variabler Länge abgewickelt wer
den können. Weiterhin sind die Protokolle während des laufenden Abfragebetriebs
auf einen möglichst effizienten Datenaustausch ausgelegt.
Claims (22)
1. Vorrichtung zur zeitmultiplexen Übertragung von Informationen zwischen örtlich
verteilten Funktionseinheiten, insbesondere zwischen Funktionseinheiten auf
einem Kraftfahrzeug oder einem Kran,
mit mindestens einer die Funktionseinheiten verbindenden Busleitung, über die ein aus High-Pegeln und Low-Pegeln bestehendes digitales Datenprotokoll übertragbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß für jede Busleitung ein Netzteil vorgesehen ist, wobei eine einzelne Buslei tung mit einem ersten Pol des zugehörigen Netzteils verbunden ist, und
daß jede Busleitung durch mindestens ein von einer Funktionseinheit ansteuer bares Schaltelement gegenüber einem zweiten Pol des zugehörigen Netzteils kurzschließbar ist.
mit mindestens einer die Funktionseinheiten verbindenden Busleitung, über die ein aus High-Pegeln und Low-Pegeln bestehendes digitales Datenprotokoll übertragbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß für jede Busleitung ein Netzteil vorgesehen ist, wobei eine einzelne Buslei tung mit einem ersten Pol des zugehörigen Netzteils verbunden ist, und
daß jede Busleitung durch mindestens ein von einer Funktionseinheit ansteuer bares Schaltelement gegenüber einem zweiten Pol des zugehörigen Netzteils kurzschließbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzteil eine
kurzschlußfeste Spannungsquelle ist, die einen vorgegebenen Kurzschlußstrom
abgibt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzteil eine
Stromquelle ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
als gemeinsame Masse das Gehäuse des Fahrzeugs vorgesehen ist, wobei
das Gehäuse mit dem zweiten Pol des entsprechenden Netzteils verbunden ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
für jede Busleitung eine parallele Leitung vorgesehen ist, die mit dem zweiten
Pol des zugehörigen Netzteils verbunden ist und über die die jeweilige Buslei
tung kurzschließbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß genau eine Buslei
tung mit einem zugehörigen Netzteil vorgesehen ist, die zusammen mit der pa
rallelen Busleitung vom Netzteil abgehend in Baumstruktur mit den verschiede
nen Funktionseinheiten vernetzt ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
an der Busleitung im kurzgeschlossenen Zustand ein Low-Pegel anliegt und
daß im anderen Fall an der Busleitung ein High-Pegel an liegt.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens eine Funktionseinheit einen Energiespeicher aufweist, der durch
die High-Pegel an mindestens einer der Busleitungen derart aufladbar ist, daß
die Energieversorgung ausschließlich durch die über die jeweilige Busleitung
übertragene Energie seitens des zugehörigen Netzteils erfolgt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespei
cher ein Kondensator ist, der zusammen mit einer Diode parallel zu dem
Schaltelement geschaltet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zu der
Diode und dem Kondensator ein Strombegrenzer geschaltet ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß
parallel zu dem Schaltelement eine Schutzdiode (Z-Diode) geschaltet ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ansteuerung des Schaltelements durch einen in der jeweiligen Funktions
einheit integrierten Mikroprozessor erfolgt.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß
in einer Funktionseinheit eine Überlastschaltung vorgesehen ist und daß das
Schaltelement deaktivierbar ist, sobald die Überlastschaltung eine Überlastbe
dingung erkennt.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß
ein an einer Funktionseinheit anliegender High-Pegel und/oder Low-Pegel auf
grund der Potentialdifferenz zwischen einer zu der Funktionseinheit hinführen
den Busleitung und einer von der Funktionseinheit wegführenden Busleitung
detektierbar ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein High-Pegel
vorliegt, sobald die detektierte Potentialdifferenz oberhalb einer vorgegebenen
High-Pegel-Schwelle liegt.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Low-Pegel
vorliegt, sobald die detektierte Potentialdifferenz unterhalb einer vorgegebenen
Low-Pegel-Schwelle liegt.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Low-Pegel-Schwelle
eine Hysterese mit einer vorgegebenen Hysteresebreite aufweist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß
als Funktionseinheiten Master-Einheiten und Slave-Einheiten vorgesehen sind,
wobei an die Slave-Einheiten Sensoren und/oder Aktoren anschließbar sind,
die von den Master-Einheiten auswertbar und/oder ansteuerbar sind.
19. Verfahren zur Erzeugung eines Datenprotokolls für eine Vorrichtung nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1,
gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
- a) den zu übertragenden Daten wird ein Protokollheader vorangeschickt, der aus einem Protokolldatenwort konstanter Länge besteht,
- b) in das Protokolldatenwort wird zumindest die Information kodiert, ob der nachfolgende Datenblock ein Datenblock konstanter Länge oder variabler Länge ist,
- c) falls ein Datenblock variabler Länge zu übertragen ist, wird in das Protokolldatenwort zusätzlich die zu übertragende Länge kodiert und
- d) die empfangenen Daten werden in Abhängigkeit des Protokolldatenwortes ausgewertet.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß in das Protokollda
tenwort zusätzlich die Information kodiert wird, ob ein Sendeprotokoll oder ein
Antwortprotokoll vorliegt.
21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß in das
Protokolldatenwort zusätzlich die Information kodiert wird, ob eine Rückantwort
seitens der empfangenen Funktionseinheit von der sendenden Funktionseinheit
erwartet wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß
als konstante Länge eines Datenblocks 8 Bit vorgegeben werden.
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