DE19705365A1

DE19705365A1 - Vorrichtung zur zeitmultiplexen Übertragung von Informationen

Info

Publication number: DE19705365A1
Application number: DE1997105365
Authority: DE
Inventors: Walter Mayer; Herbert Hoefelsauer
Original assignee: Autoliv Development AB
Current assignee: Autoliv Development AB
Priority date: 1997-02-12
Filing date: 1997-02-12
Publication date: 1998-08-20

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur zeitmultiplexen Übertragung von Informa tionen zwischen einer Steuereinheit und mehreren Slave-Einheiten, mit einem Zwei- Draht-Bus, der die Slave-Einheiten mit der Steuereinheit in Parallelschaltung verbin det.

Derartige Vorrichtungen sind hinreichend bekannt und werden beispielsweise in der Automatisierungstechnik oder der Kraftfahrzeugtechnik eingesetzt. Bei einem Ein satz in der Kraftfahrzeugtechnik dient eine derartige Vorrichtung vor allem dazu, um Informationen zwischen einem zentralen Steuergerät und den im Fahrzeug verteilten Sensoren auszutauschen. Bei den Sensoren kann es sich dabei beispielsweise um Drehzahlsensoren eines ABS-Systems oder um einen Crash-Detektor eines Airbag- Systems handeln.

Zur Übertragung der Informationen auf dem Zwei-Draht-Bus bietet sich ein span nungsgesteuerter Bus oder ein stromgesteuerter Bus an. Bei einem spannungsge steuerten Bus werden die Spannungspegel auf dem Bus seitens des Empfängers ausgewertet, während bei einem stromgesteuerten Bus entsprechend die Strompe gel ausgewertet werden. Da im Gegensatz zu einem stromgesteuerten Bus bei ei nem spannungsgesteuerten Bus eine bidirektionale Übertragung problemlos möglich ist, werden für die oben genannten Anwendungsfälle in der Regel spannungsge steuerte Bussysteme verwendet. Zur Abfrage von Sensorinformationen verteilter Sensoren auf einem Kraftfahrzeug sendet dabei zunächst die Steuereinheit an die jeweiligen Sensoren unter deren Adresse ein Anforderungssignal. Dieses Anforde rungssignal wird von den Sensoren mit der angesprochenen Adresse empfangen, von den anderen Sensoren dagegen verworfen. Als Antwortsignal erhält das Steuer gerät daraufhin das momentan aktuelle Meßergebnis des jeweiligen Sensors.

Ein Problem bei spannungsgesteuerten Bussystemen besteht allerdings darin, daß diese verhältnismäßig empfindlich gegenüber elektromagnetischer Störstrahlung sind. Insbesondere auf einem Kraftfahrzeug ist die elektromagnetische Störstrahlung aufgrund von Zündimpulsen sehr intensiv, so daß spannungsgesteuerte Bussysteme durch diese Störstrahlung in unerwünschter Weise beeinflußt werden. Demgegen über sind stromgesteuerte Bussysteme wesentlich unempfindlicher gegenüber elek tromagnetischen Störeinflüssen, allerdings weisen diese den bekannten Nachteil auf, daß zwischen den einzelnen Einheiten nur ein unidirektionale Verbindung möglich ist. Hier wäre es deshalb erforderlich für jeden Sensor, einen getrennten Eingang an der Steuereinheit vorzusehen, damit seitens der Steuereinheit die einzelnen Senso ren noch getrennt ansprechbar und unterscheidbar sind. Dies bedingt allerdings ei nen erhöhten Leitungs- und Montageaufwand, was ebenfalls unerwünscht ist.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine gattungsgemäße Vorrichtung zu schaf fen, die unter Beibehaltung eines Zwei-Draht-Busses weitgehend unempfindlich ge genüber elektromagnetischen Störungen ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die erfin dungsgemäße Lösung besteht darin, daß jede Slave-Einheit ein Zeitverzögerungs glied aufweist, mit dem der Sendezeitpunkt eines Antwortsignals einer einzelnen Slave-Einheit um eine vorgegebene Verzögerungszeit verzögerbar ist, nachdem ein seitens der Steuereinheit gesendetes Anforderungssignal empfangen wurde und daß jede Slave-Einheit eine Modulationseinheit aufweist, mit der zur Übertragung des Antwortsignals seitens der Slave-Einheit Strompegel vorgegebenen Betrages auf den Zwei-Draht-Bus einprägbar sind. Aufgrund der Tatsache, daß jede Slave-Einheit ein Zeitverzögerungsglied aufweist, ist es möglich, daß die Slave-Einheiten ihre Da ten von einem bestimmten Referenzzeitpunkt an zu unterschiedlichen, vorher festge legten Zeiten senden. Es ist somit nicht mehr erforderlich, daß jede Slave-Einheit unter ihrer eigenen Adresse von der Steuereinheit angesprochen wird - vielmehr reicht ein einfaches, für alle Slave-Einheiten gleiches Anforderungssignal seitens der Steuereinheit aus, um Informationen von den Slave-Einheiten anzufordern. Die Un terscheidung der von den Slave-Einheiten gesendeten Signale kann sodann durch deren zeitliche Zuordnung erfolgen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung verbindet die Vorteile eines stromgesteuerten Bussystems mit den Vorteilen eines bidirektionalen Bussystems, das normalerweise nur als spannungsgesteuertes Bussystem ausgeführt werden kann. Da der Zwei- Draht-Bus stromgesteuert betrieben wird, ist dieser gegenüber elektromagnetischen Störungen im Vergleich zu einem spannungsgesteuerten Bus wesentlich unempfind licher und damit störsicherer. Dies soll an dem folgenden Zahlenbeispiel verdeutlicht werden: Eine Forderung in der Kraftfahrzeugtechnik besteht darin, daß bei 9 Volt sämtliche elektrischen Geräte noch funktionieren müssen. Für die Strombegrenzung, die Spannungsmessung und dem EMV-Schutz muß ein Spannungsabfall in der Steuereinheit von mindestens 2 Volt angesetzt werden. Damit steht am Eingang der Steuereinheit nur noch eine Spannung von 7 Volt zur Verfügung. Ein Sensor benötigt für die Versorgung der Logik und für den EMV-Schutz eine Eingangsspannung von mindestens 5 Volt. Somit verbleiben 2 Volt für den Spannungsabfall auf dem Kabel baum. Da diese 2 Volt bereits für die Kompensierung des Masseversatzes und für die Erreichung der erforderlichen Störsicherheit bei EMV-Einstrahlung aufgebraucht sind, kann unter diesen Bedingungen ein Zwei-Draht-Bus nur noch mit einer Span nungspumpe, d. h. mit einer die Spannung erhöhenden Vorrichtung, in der Steuer einheit realisiert werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann dagegen unter den genannten Randbedingungen noch ohne Spannungspumpe arbeiten, da bei gleicher Spannungsversorgung unterschiedliche Ströme über den Bus fließen.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Antwortsignale der Slave-Einheiten eine vorgegebene Sendezeit nicht überschreiten. In diesem Fall kann die Verzögerungszeit für jede Slave-Einheit derart vorgegeben sein, daß sich die Antwortsignale der einzelnen Slave-Einheiten nicht überschneiden. Eine mögli che Berechnungsvorschrift zur Berechnung einer Verzögerungszeit für jede Slave- Einheit kann darin bestehen, daß sich die Verzögerungszeit einer einzelnen Slave- Einheit aus der fortlaufenden Adresse der Slave-Einheit multipliziert mit einer Zeit konstanten berechnet. Die Verzögerungszeit für die Slave-Einheit Nr. 2 würde sich dann beispielsweise berechnen durch "2* Zeitkonstante".

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform besteht darin, daß das Anforderungs signal der Steuereinheit aus einem Power-Up-Signal besteht, durch das die Slave- Einheiten angeschaltet werden. Dies hat den Vorteil, daß die Slave-Einheiten zu Zeiten, in denen keine Informationen von den Slave-Einheiten benötigt werden, ab geschaltet sind und damit keinen Strom verbrauchen. Der Einschaltvorgang seitens der Steuereinheit kann damit gleichzeitig als Referenzzeitpunkt dienen, ab dem der Sendezeitpunkt der jeweiligen Slave-Einheit verzögert wird. Zweckmäßigerweise er folgt dabei die Leistungsversorgung der einzelnen Slave-Einheiten durch eine zentra le, in der Steuereinheit untergebrachten Spannungsquelle. Damit sich auf dem Zwei- Draht-Bus ein konstanter Strompegel ausbildet, wird die Stromaufnahme seitens je der Slave-Einheit durch einen am Eingang befindlichen Strombegrenzer konstant gehalten. Handelt es sich bei dem Datenprotokoll zwischen den Slave-Einheiten und der Steuereinheit um ein digitales Datenprotokoll, so kann der derart konstant gehal tene Strompegel auf dem Zwei-Draht-Bus den Low-Strompegel darstellen. Demge genüber wird ein High-Pegel seitens einer Slave-Einheit dadurch erzeugt, daß sei tens der in der Slave-Einheit befindlichen Modulationseinheit ein zusätzlicher Strom pegel additiv auf den Zwei-Draht-Bus eingeprägt wird. Selbstverständlich ist es aller dings auch möglich, daß der Low-Strompegel und der High-Strompegel durch zwei verschiedene Stromquellen erzeugt werden.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß das Antwort signal jeder Slave-Einheit als zusätzliche Information die Adresse der Slave-Einheit enthält. Hierdurch kann sichergestellt werden, daß das empfangene Signal tatsäch lich von der momentan zugeordneten Slave-Einheit gesendet wurde.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines in der Zeich nung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In dieser zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild mit dem grundsätzlichen Aufbau der erfindungs gemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Steuereinheit,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Slave-Einheit,

Fig. 4 den zeitlichen Ablauf aller Signale auf dem Bus und

Fig. 5 den zeitlichen Ablauf für ein Datenpaket einer Slave-Einheit.

Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung am Beispiel einer zentralen Steuereinheit mit mehreren daran angeschlossenen Senso ren. Die zentrale Steuereinheit 1 ist dabei über den Zwei-Draht-Bus 2 mit mehreren Sensoren 3 verbunden. Die Sensoren 3 erfüllen in der Regel verschiedene Funktio nen, weisen allerdings gegenüber der Steuereinheit 1 bzw. dem Zwei-Draht-Bus 2 eine einheitliche Schnittstelle auf.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild der Steuereinheit 1 gemäß Fig. 1. Die Steuereinheit umfaßt einen Mikrocontroller 10, der mit einer Interface-Logik 11 kommuniziert. Die Interface-Logik steht mit einem Schalter 12 in Wirkverbindung. Durch Schließen des Schalters 12 wird die Spannung 13 auf den Zwei-Draht-Bus aufgeschaltet. Eine Strombegrenzung 14 schützt die Steuereinheit dabei vor Kurzschlüssen und ein EMV-Schutz 15 die Steuereinheit vor äußeren elektromagnetischen Störungen. Ein Stromsensor 16 dient schließlich dazu, die Strompegel auf dem Zwei-Draht-Bus 2 auszuwerten, wobei der Stromsensor 16 seitens des Mikrocontrollers 10 über die Interface-Logik 11 abfragbar ist.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild eines Sensors 3 gemäß Fig. 1. Das eigentliche Sen sorelement 20 liefert Sensorsignale zu einer Modulationseinheit 21, die aus den Sensorsignalen ein digitales Datenprotokoll generiert. Eine Steuerleitung 22 steht in Wirkverbindung mit einem Schalter 23, der in Reihe zu einem Strombegrenzer 24 geschaltet ist. Parallel dazu ist ein weiterer Strombegrenzer 25 geschaltet, wobei beide Strombegrenzer über den EMV-Schutz 26 an den Zwei-Draht-Bus 2 ange schlossen sind.

Die Gesamtfunktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird in Verbindung von Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 3 beschrieben. Sobald die Steuereinheit 1 ein Anforderungssignal an die Sensoren 3 senden soll, wird der Schalter 12 in der Steuereinheit aufgrund eines entsprechenden Befehls des Mikrocontrollers 10 geschlossen. Hierdurch wird die Spannung 13 auf den Zwei-Draht-Bus 2 aufgeschaltet, so daß jeder Sensor über den Strombegrenzer 25 mit Strom versorgt wird. Tatsächlich werden die Sensoren dabei eine gewisse Zeit benötigen, um in den arbeitsfähigen Zustand zu gelangen. Sobald ein einzelner Sensor in den arbeitsfähigen Zustand gelangt ist, wird das Zeit verzögerungsglied 27 gestartet, wobei jedes Zeitverzögerungsglied eine individuelle, vorgegebene Verzögerungszeit aufweist. Nach Ablauf der Verzögerungszeit modu liert die Modulationseinheit 21 das Ausgangssignal des Sensorelements 20 in ein digitales Datenprotokoll, wobei über die Steuerleitung 22 der Schalter 23 entspre chend angesteuert wird. Ist der Schalter 23 geöffnet, stellt sich auf dem Zwei-Draht- Bus 2 ein konstanter Strompegel ein, der durch die parallel geschalteten Strombe grenzer 25 vorgegeben wird. Ist dagegen der Schalter 23 geschlossen, erhöht sich der auf dem Zwei-Draht-Bus befindliche Strompegel entsprechend der Strombegren zung des Strombegrenzers 24. Seitens der Steuereinheit 1 können dabei beide Strompegel durch den Stromsensor 16 detektiert und über die Interface-Logik 11 durch den Mikrocontroller 10 eingelesen werden.

Fig. 4 zeigt den zeitlichen Ablauf aller Signale auf dem Bus. Solange der Schalter 12 geschlossen ist, können Signale von den Sensoren 3 zu der Steuereinheit 1 übertra gen werden ("Sensor ein"). Als Einschwingzeit ist dabei die Zeit bezeichnet, die sei tens der Sensoren benötigt wird, um nach Schließen des Schalters 12 in den arbeits fähigen Zustand zu gelangen. Der tatsächliche Sendezeitpunkt der einzelnen Senso ren berechnet sich sodann aus der Adresse jedes einzelnen Sensors multipliziert mit einer Zeitkonstanten, die in der Fig. 4 als "Twartezeit" bezeichnet ist.

Fig. 5 zeigt den zeitlichen Ablauf für ein Datenpaket eines einzelnen Sensors. Vor und nach dem Senden des Datenpakets sendet der Sensor einen dauernden Low- Strompegel. Ein Datenpaket beginnt immer mit einem High-Strompegel als Startbit. Anschließend folgen 1 bis N Datenbits. Soll beispielsweise der Zustand eines Gurt schloßsensors in einem Kraftfahrzeug übertragen werden, so beinhaltet das Daten paket zweckmäßigerweise den Schaltzustand des Gurtschlosses sowie ein Prüfbit, ein Fehlerbit und noch weitere Adressbits. Selbstverständlich können aber auch be liebig andere Kombinationen von Daten über diese Schnittstelle übertragen werden.

Claims

1. Vorrichtung zur zeitmultiplexen Übertragung von Informationen zwischen einer Steuereinheit und mehreren Slave-Einheiten, mit einem Zwei-Draht-Bus, der die Slave-Einheiten mit der Steuereinheit in Parallelschaltung verbindet,
dadurch gekennzeichnet,
daß jede Slave-Einheit ein Zeitverzögerungsglied aufweist, mit dem der Sende zeitpunkt eines Antwortsignals einer einzelnen Slave-Einheit um eine vorgege bene Verzögerungszeit verzögerbar ist, nachdem ein seitens der Steuereinheit gesendetes Anforderungssignal empfangen wurde, und
daß jede Slave-Einheit eine Modulationseinheit aufweist, mit der zur Übertra gung des Antwortsignals seitens der Slave-Einheit Strompegel vorgegebenen Betrages auf den Zwei-Draht-Bus einprägbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antwortsignale der Slave-Einheiten eine vorgegebene Sendezeit nicht überschreiten.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungs zeit für jede Slave-Einheit derart vorgegeben ist, daß sich die Antwortsignale der einzelnen Slave-Einheiten nicht überschneiden.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungszeit einer einzelnen Slave-Einheit sich in Abhängigkeit von der fortlaufenden Adresse der Slave-Einheit multipliziert mit einer Zeitkonstante berechnet.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Anforderungssignal der Steuereinheit aus einem Power-Up-Signal besteht, durch das die Slave-Einheiten angeschaltet werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Slave- Einheiten bei Power-Up seitens der Steuereinheit mit einer Spannung zur Lei stungsversorgung beaufschlagbar sind, wobei der durch die Slave-Einheiten aufgenommene Strom seitens jeder Slave-Einheit derart konstant gehalten wird, daß sich auf dem Zwei-Draht-Bus ein konstanter Strompegel ausbildet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Antwortsignal aus High-Strompegeln und Low-Strompegeln besteht, wobei der konstante Strompegel auf dem Zwei-Draht-Bus den Low-Strompegel darstellt und wobei die durch die Modulationseinheit additiv eingeprägten Strompegel den High- Pegel darstellen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strompegel durch zwei verschiedene Stromquellen erzeugbar sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit ein Sicherheitssystem auf einem Kraftfahrzeug steuert.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Slave-Einheiten Sensoren zum Detektieren von Positionen und/oder Zu ständen umfassen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Antwortsi gnal die von dem jeweiligen Sensor abgegebene Information enthält.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Antwortsi gnal jeder Slave-Einheit als zusätzliche Information die Adresse der Slave- Einheit enthält.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Sensor in einem Gurtschloß eines Kraftfahrzeugs zur Erkennung des Gurtzu standes integriert ist.