EP1859560A1 - Datenübertragungsverfahren mit pulsbreitenmodulation, sender und empfänger dafür - Google Patents

Datenübertragungsverfahren mit pulsbreitenmodulation, sender und empfänger dafür

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Publication number
EP1859560A1
EP1859560A1 EP06724909A EP06724909A EP1859560A1 EP 1859560 A1 EP1859560 A1 EP 1859560A1 EP 06724909 A EP06724909 A EP 06724909A EP 06724909 A EP06724909 A EP 06724909A EP 1859560 A1 EP1859560 A1 EP 1859560A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
data
pulse
digital
bits
data word
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06724909A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dieter Thoss
Jens Boettcher
Andreas Kneer
Michael Besemer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1859560A1 publication Critical patent/EP1859560A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L25/00—Baseband systems
    • H04L25/38—Synchronous or start-stop systems, e.g. for Baudot code
    • H04L25/40—Transmitting circuits; Receiving circuits
    • H04L25/49—Transmitting circuits; Receiving circuits using code conversion at the transmitter; using predistortion; using insertion of idle bits for obtaining a desired frequency spectrum; using three or more amplitude levels ; Baseband coding techniques specific to data transmission systems
    • H04L25/4902—Pulse width modulation; Pulse position modulation

Definitions

  • the present invention relates to a method for the serial data transmission from a transmitter to a receiver as well as transmitters and receivers which are suitable for carrying out the method.
  • pulse width modulation Another known method of transmitting data that is inexpensive to implement and less susceptible to electromagnetic interference is so-called pulse width modulation.
  • a pulse duration proportional to the binary numerical value of the data word is determined for a digital data word to be transmitted, a pulse with the defined duration is transmitted from a transmitter to a receiver, and the data word is reconstructed on the basis of the pulse duration detected at the receiver.
  • This known method has two major disadvantages. On the one hand, it is not possible to transmit a pulse representing the numerical value 0, since its duration would be 0. On the other hand, the time required to transmit a data value increases exponentially with the resolution (ie, the number of bits) of the data value.
  • the duration of the shortest pulse that can be transmitted from the transmitter to the receiver is determined by the structure of the transmitter, the receiver and a transmission medium connecting both, so that a magnification tion of accuracy by one bit in each case brings a doubling of the pulse duration with it.
  • a method for data transmission by pulse width modulation and a suitable transmitter are provided, which also allow the transmission of the value 0 by the pulse duration in each case proportional to a through the data word to be transmitted nonnegative integer plus a constant positive markup.
  • the duration of the transmitted pulse when transmitting the value 0 corresponds only to the numerical value of the surcharge, and a detectable pulse of non-disappearing duration arrives at the receiver.
  • the supplement contains a first term corresponding to a number between 0 and 1, preferably 0.5. If this term is neglected when reconstructing the data word at the receiver, the data word will nevertheless be correctly returned.
  • the pulse to be transmitted is obtained by a digital-time conversion of an extended data word whose bits on the one hand comprises the original data word to be transmitted and at least one bit representative of the first term whose significance is lower than that of the bits of the specified data word is.
  • the addition preferably also contains a term whose numerical value corresponds to the largest integer plus 1 represented by the original data word. This ensures that the minimum duration of each transmitted pulse is at least equal to this largest representable integer, and extremely short pulses, the transmission of which requires a high bandwidth of the transmission medium, are avoided.
  • Such a pulse is easily obtainable by digital-to-digital conversion of an extended data word whose bits comprise, on the one hand, the original data word to be transmitted and, in addition, one bit of value 1 whose significance is higher than that of the bits of the original data word ,
  • Very fast transmission of data values with very high resolution can be achieved by first dividing the bits of the digital data value to be transmitted into several data words and carrying out the transmission by pulse width modulation as described above one after the other for each of the data words thus obtained. This is only possible because the inventive method also allows the transmission of a data word with the value 0.
  • a receiver suitable for this purpose is the subject of claim 16.
  • a time window of predefined length can be provided for each data value in which the data value, divided into an odd number of data words, is transmitted.
  • a fill signal Ü is transmitted whose level is equal to the pulse used to transmit the second data word, so that the same level can be used for the first data words of different data values.
  • the first pulses of successive data values are transmitted at alternating levels.
  • Fig. 1 is a block diagram of a transmitter according to the invention.
  • FIG. 2 shows an exemplary course of a transmission signal of the transmitter from FIG. 1,
  • Fig. 3 is a block diagram of a receiver complementary to the transmitter of Fig. 1;
  • FIG. 4 is a block diagram of a transmitter according to a second embodiment
  • FIG. 5 shows an exemplary course of a transmission signal according to a second embodiment of the method
  • Fig. 6 is a block diagram of a receiver complementary to the transmitter of Fig. 4;
  • FIG. 8 shows a block diagram of a transmitter according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 9 shows an exemplary course of a transmission signal of the transmitter of FIG. 8;
  • FIG. and 10 shows an exemplary course of a transmission signal according to a further modification of the method.
  • the transmitter shown schematically in FIG. 1 comprises a sensor, in the present case a pressure sensor 1, which is attached to a combustion chamber of a motor vehicle internal combustion engine to detect its internal pressure, and an analog-to-digital converter 2 which generates an output signal of the pressure sensor 1 converts into a digital data value with a resolution of 12 bits.
  • the bits are labeled in order of increasing significance with a 0 , ai, ..., an.
  • a multiplexer 3 has three inputs 3-H, 3-M, 3-L and an output 3-0 of 7-bit width.
  • the four most significant bits of each of the three inputs 3-H, 3-M, 3-L are connected to bits on, aio to a 8 , a 7 to a 4 and a 3 to a 0 from the converter 2.
  • the bit of next low significance at the three inputs is in each case permanently connected to the level Logic 1, the two bits of lowest significance to Logical 0.
  • the wiring of the individual bits, designated i 0 to i ⁇ in the order of increasing significance, of the three inputs is summarized shown in Table 1 below.
  • the three bits I 2 , ii and i 0 represent a penalty of 0.5.
  • a 2-bit control signal present at a control input 3-C of the multiplexer 3 determines which one of its inputs 3-H, 3-M, 3-L and 3-N is switched through to the output 3-0.
  • a digital-to-time converter 4 which serves to provide output pulses whose duration is linearly proportional to the numerical value represented by the 7-bit word output by the multiplexer 3, respectively.
  • the digital-time converter 4 comprises a 7-bit counter which counts clocks of a clock generator 5 and a comparator which compares the contents of the counter with the data value input to the converter 4 and a positive one Output level on a transmission line 6, as long as the count value is smaller than the input data value and goes to 0, when the count value is larger.
  • the clock generator 5 also supplies the 2-bit control signal to the control input 3-C which changes its value every 128 clock cycles. The change in the value of the control signal is in each case synchronized with the overflow of the counter of the converter 4 recurring every 128 cycles.
  • FIG. 2 shows by way of example the transmission signal output at the output of the digital-time converter 4 in the course of time t.
  • Time windows FH, FM, FL of 128 clock periods duration are each symbolized by dashed rectangles.
  • Each of the timeline The FH, FM, FL contains a pulse IH, IM, IL whose duration is equal to the clock period multiplied by the 7-bit binary number applied to the input 3-H, 3-M or 3-L of the multiplexer 3 ,
  • one period of the clock generator 5 of 50 ns (corresponding to a clock frequency of 20 MHz)
  • Transducer 2 to send.
  • a receiver for the signal shown in FIG. 2 is shown in FIG. It comprises a clock generator 11 whose clock frequency must match that of the clock generator 5 with sufficient accuracy to avoid errors in restoring the output of the analog-to-digital converter 2 on the receiver side, although the requirements for the accuracy of the period match are not all that high are high, as will become clear in the following.
  • a time-to-digital converter 12 receives on the one hand the pulses supplied by the transducer 4 of the transmitter and on the other hand, the clock signal from the clock generator 11 and counts each during the continuation of a pulse, the clock periods.
  • the count result is a binary value of 7 bits wide.
  • the four most significant bits of the count result are recorded in a shift register 13 having three memory locations 13H, 13M, 13L of 4 bits each.
  • the 3 least significant bits of the count result are discarded.
  • the counting result of the converter 12 must therefore be from the corresponding input value of the converter 4 without transmission errors occur, so that deviations between the clock periods of the clock generators 5 and 11, which lead to deviations only in these three bits, can be allowed.
  • the memory locations 13H, 13M, 13L of the shift register 13 contain the bits at to a 8 , a 7 to a 5 and a 3 to a 0 of the same output value of the analogue output.
  • Digital converter 2 By simultaneously reading out all 3 memory locations, this 12-bit data value is restored on the receiver side.
  • an empty time window is transmitted between time slots FL and FH associated with successive data values, the receiver of which reacts by deleting the shift register 13 , This ensures that the content of the shift register 13 read after the reception of each free pulse belongs to the same data value.
  • the empty time window can be transmitted after every single data value or only after a larger number of data values.
  • FIG. 4 shows a second embodiment of a transmitter according to the invention. It differs from the embodiment of FIG. 1 in that the 2 supplied to the control input 3-C of the multiplexer 3 Bit control signal is generated by the digital-to-time converter 4 and its value changes whenever the output of a pulse is completed, and that the pulses of a data value are generated directly in succession with alternating signal levels.
  • the pulse IM ends at the time t 2 , the control signal at the input 3-C changes again, and the bits (a 3 , a 2 , ai, a 0 , 1, 0, 0) from the converter 4 in the pulse IL with the level logical 1 implemented.
  • the end of this pulse at the time t 3 the transmission of the entire output data of the analog-to-digital converter 2 is completed, and during the remaining duration of the time window F provided for the transmission of this value, the output signal of the converter 4 remains at the value 0.
  • the receiver shown schematically in Fig. 6 is additionally provided with a counter 14 which receives the input signal from the transmission line 6 and the clock signal from the clock generator 1 and triggered by a rising edge of the input signal, the number of clocks to the next but one rising edge of the input signal counts.
  • a register 15 is connected, each of which stores the count 14 output by the counter 14 after completion of a counting cycle.
  • Two inputs of a comparator 16 are connected to the output of the counter 14 and the register 15, respectively, so that the comparator 16 compares respectively the last and the penultimate count. Since the rising edges at the beginning of the pulses IH of successive time windows have a fixed time interval of 3 x 128 clock periods, the counts applied to the inputs of the comparator 16 are always identical when the rising edge triggering the counter 14 is that of the pulse IH is.
  • the comparator 16 If the counter has been triggered by the rising edge of the pulse IL, coincidence may possibly occur at the comparator 16; however, once a non- is detected, which must therefore belong to a pulse IL as the last received rising edge, the comparator 16 provides an output signal to the counter 14 and the Schieberegis- ter 13, which resets the counter 14 and clears the contents of the shift register 13. When the counter 14 is triggered again by the subsequent rising edge of the input signal, it can only be the rising edge of a pulse IH and synchronization is established.
  • synchronization can also be achieved if, as assumed above, three consecutive pulses do not encode a data value, but rather a larger odd number of pulses; in the latter case, only several reset operations may be required before synchronization is established.
  • the data rate is higher than in the explained with reference to FIG. 2 transmission method.
  • the required length of the time window F corresponds to the sum of the lengths of the time windows FH, FM, FL from FIG. 2, no empty time window is required for synchronization here.
  • FIG. 7 shows the time profile of a transmission signal resulting from such a decomposition in the case of a Decomposition into two data words, each of which is implemented in Impulse IH or IL.
  • Each of the three time windows Fl, F2, F3 shown contains a pulse IH whose length represents the more significant of the two data words, a pulse IL whose level is different from that of the pulse IH and which represents the less significant data word, and a fill pulse R, which fills the remaining time of the window and has the same level as the pulse IH.
  • the levels of identical pulses in successive time windows are different in each case.
  • Fig. 8 is a block diagram of a third embodiment of a transmitter according to the invention.
  • Sensor 1, analog-to-digital converter 2 and clock generator 5 are the same as described with reference to FIG. 1 and will not be explained again.
  • the multiplexer 3 in Fig. 8 differs from that of Fig. 1 in that its inputs 3-H, 3-M, 3-L are each 8 bits wide, the assignment of the bits i ⁇ to i 7 of the three inputs in summarized in Table 2 below.
  • Fig. 9 illustrates the resulting waveform of the transmit signal: each block IH, IM, IL has a fixed length portion of 128 periods and a variable portion whose length represents the actual information to be transmitted.
  • a receiver suitable for processing the transmission signal of Fig. 9 has substantially the structure shown in Fig. 6; only the width of the output of the time-to-digital converter 12 is increased from 7 to 8, wherein the most significant bit as well as the three least significant bits of this output is not connected to the shift register 13, because the memory cells here only four Bits are wide.
  • the width-modulated pulses IH, IM, IL were transmitted in a time window F of fixed duration.
  • An increase in the data rate can be achieved by using time windows without a fixed duration, as shown in FIG. 10.
  • This is followed by the three pulses IH, IM, IL of a time window F which code an output value of the analog-to-digital converter 2 a filling pulse R with a fixed length which is greater than the maximum possible length of each of the pulses IH, IM, IL, that is, for example, 128 clock periods in the present case.
  • the filling pulse can easily be recognized as such on the receiver side, so that a synchronization of the transmitter to the first pulse ICH of each window F does not cause any difficulties.

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Abstract

Ein Verfahren für die serielle Datenübertragung von einem Sender zu einem Empfänger hat die Schritte: a) Zerlegen eines zu übertragenden Datenwertes in mehrere Datenwörter; b) Festlegen jeweils einer Impulsdauer, die einer durch das jeweilige Datenwort repräsentierten nichtnegativen ganzen Zahl zuzüglich eines konstanten positiven Zuschlags proportional ist und Erzeugen entsprechender Impulse,- c) Senden der Impulse (IH, IM, IL) mit der jeweils festgelegten Impulsdauer vom Sender zum Empfänger; und d) Erfassen der jeweiligen Impulsdauer am Empfänger und daraus Rekonstruieren des jeweiligen Datenwortes und anschliessend des Datenwertes.

Description

ROBERT BOSCH GMBH, 70442 STUTTGART
Datenübertragungsverfahren, Sender und Empfänger dafür
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für die serielle Datenübertragung von einem Sender zu einem Empfänger sowie Sender und Empfänger, die zur Durchführung des Verfahrens geeignet sind.
In modernen Kraftfahrzeugen kommen mehr und mehr digitale datenverarbeitende Schaltungen zum Ein- satz, insbesondere zum Erfassen und Steuern oder Regeln von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Digitale Datenleitungen, die in der Nähe der Brennkraftmaschine verlaufen, sind starken elektromagnetischen Störungen durch den Betrieb der letzteren, insbesondere durch die Zündfunken, ausgesetzt. Besonders schwerwiegend ist dieses Problem, wenn ein Parameter wie etwa der Brennkammerdruck unmittelbar an der Brennkammer mit hoher Bandbreite erfasst werden soll. Es sind zwar Standards für die digitale Datenübertragung in Kraftfahrzeugen wie etwa CAN bekannt, doch ist deren Implementierung noch ziemlich kostspielig. Es wäre zwar denkbar, eine zu erfassende Messgröße in einer stark mit elektromagnetischen Störungen belasteten Umgebung zunächst als analoge Größe zu ü- bertragen und eine Digitalisierung und digitale Verarbeitung in größerer Entfernung von der Stö- rungsquelle vorzunehmen, doch ist eine solche Vorgehensweise inhärent ungenau und ermöglicht höhere Übertragungsraten nur dann, wenn kurze Messzeiten des übertragenen analogen Signalpegels und damit wiederum eine erhöhte Störempfindlichkeit in Kauf genommen werden.
Ein weiteres bekanntes Verfahren zum Übertragen von Daten, das preiswert implementierbar und wenig empfindlich gegen elektromagnetische Störungen ist, ist die sog. Pulsdauermodulation. Bei diesem Verfahren wird zu einem zu übertragenden digitalen Datenwort eine zum binären Zahlenwert des Datenworts proportionale Pulsdauer festgelegt, ein Impuls mit der festgelegten Dauer wird von einem Sender zu ei- nem Empfänger übertragen, und anhand der am Empfänger erfassten Impulsdauer wird das Datenwort rekonstruiert .
Dieses bekannte Verfahren hat zwei wesentliche Nachteile. Zum einen ist es nicht möglich, einen den Zahlenwert 0 repräsentierenden Impuls zu übertragen, da dessen Dauer 0 wäre. Zum anderen nimmt die zum Übertragen eines Datenwerts benötigte Zeit exponentiell mit der Auflösung (d.h. der Bitzahl) des Datenwerts zu. Die Dauer des kürzesten Impulses, der vom Sender zum Empfänger übertragen werden kann, ist nämlich durch die Struktur des Senders, des Empfängers und eines beide verbindenden Übertragungsmediums festgelegt, so dass eine Vergröße- rung der Genauigkeit um ein Bit jeweils eine Verdopplung der Impulsdauer mit sich bringt.
Vorteile der Erfindung
Durch die vorliegende Erfindung, wie in den Ansprüchen 1 und 12 definiert, werden ein Verfahren für die Datenübertragung durch Impulsdauermodulation sowie ein hierfür geeigneter Sender geschaffen, die auch die Übertragung des Werts 0 ermöglichen, indem die Impulsdauer jeweils proportional zu einer durch das zu übertragende Datenwort repräsentierten nichtnegativen ganzen Zahl zzgl. eines konstanten positiven Zuschlags festgelegt wird. So entspricht die Dauer des übertragenen Impulses bei Übertragung des Wertes 0 lediglich dem Zahlenwert des Zuschlags, und ein erfassbarer Impuls von nichtver- schwindender Dauer trifft am Empfänger ein.
Vorzugsweise enthält der Zuschlag einen ersten Term, der einer Zahl zwischen 0 und 1, vorzugsweise 0,5, entspricht. Wenn dieser Term beim Rekonstruieren des Datenworts am Empfänger einfach vernachläs- sigt wird, wird das Datenwort dennoch korrekt zurück erhalten.
Vorzugsweise wird der zu sendende Impuls erhalten durch eine Digital-Zeit-Umwandlung eines erweiter- ten Datenworts, dessen Bits einerseits das ursprüngliche, zu übertragende Datenwort sowie wenigstens ein für den ersten Term repräsentatives Bit umfasst, dessen Signifikanz niedriger als die der Bits des festgelegten Datenworts ist. Alternativ oder zusätzlich enthält der Zuschlag vorzugsweise ferner einen Term, dessen Zahlenwert der größten durch das ursprüngliche Datenwort dar- stellbaren ganzen Zahl zzgl. 1 entspricht. Dadurch ist gewährleistet, dass die Mindestdauer jedes ü- bertragenen Impulses wenigstens dieser größten darstellbaren ganzen Zahl entspricht, und extrem kurze Pulse, zu deren Übertragung eine hohe Bandbreite des Übertragungsmediums erforderlich ist, werden vermieden .
Ein solcher Impuls ist auf einfache Weise erhältlich durch eine Digital-Zeit-Umwandlung eines er- weiterten Datenworts, dessen Bits einerseits das ursprüngliche, zu übertragende Datenwort und zusätzlich ein Bit mit Wert 1 umfassen, dessen Signifikanz höher als die der Bits des ursprünglichen Datenworts ist.
Eine sehr schnelle Übertragung auch von Datenwerten mit sehr hoher Auflösung kann dadurch erreicht werden, dass zunächst die Bits des digitalen zu übertragenden Datenwerts in mehrere Datenwörter aufge- teilt werden und die Übertragung durch Pulsweitenmodulation wie oben beschrieben nacheinander für jedes der so erhaltenen Datenwörter ausgeführt wird. Dies ist nur möglich, weil das erfindungsgemäße Verfahren auch die Übertragung eines Daten- worts mit dem Wert 0 ermöglicht. Ein hierfür geeigneter Empfänger ist Gegenstand des Anspruchs 16.
Um bei der Übertragung der mehreren Datenwörter nacheinander Zeit zu sparen, ist es zweckmäßig, diese unmittelbar aufeinander folgend mit alternierenden Pegeln zu übertragen.
Dabei kann für jeden Datenwert ein Zeitfenster vor- gegebener Länge vorgesehen werden, in welchem der Datenwert, aufgeteilt in eine ungerade Zahl von Datenwörtern, übertragen wird. Daraus resultiert, dass am Ende jedes Zeitfensters ein Füllsignal ü- bertragen wird, dessen Pegel gleich dem zur Über- tragung des zweiten Datenworts verwendeten Impulses ist, so dass für die ersten Datenwörter verschiedener Datenwerte jeweils der gleiche Pegel verwendet werden kann.
Bei Übertragung eines in eine gerade Zahl von Datenwörtern aufgeteilten Datenwerts in einem Zeitfenster vorgegebener Länge werden die ersten Impulse von aufeinanderfolgenden Datenwerten - die jeweils deren ersten Datenwörtern entsprechen - je- weils mit alternierenden Pegeln übertragen.
Aus der Verwendung eines Zeitfensters fester Dauer für jeden Datenwert resultiert, dass die Anfangszeitpunkte der ersten Impulse jedes Datenwerts ei- nen der Dauer des Zeitfenster entsprechenden festen Zeitabstand haben. Ein Empfänger ist daher anhand der periodischen Wiederkehr des Beginns der ersten Impulse in der Lage, diese zu erkennen und sich so zu synchronisieren.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Senders;
Fig. 2 einen exemplarischen Verlauf eines Sende- Signals des Senders aus Fig. 1,
Fig. 3 ein Blockdiagramm eines zum Sender der Fig. 1 komplementären Empfängers;
Fig. 4 ein Blockdiagramm eines Senders gemäß einer zweiten Ausgestaltung;
Fig. 5 einen exemplarischen Verlauf eines Sendesignals gemäß einer zweiten Ausgestaltung des Verfahrens;
Fig. 6 ein Blockdiagramm eines zum Sender der Fig. 4 komplementären Empfängers;
Fig. 7 einen exemplarischen Verlauf eines Sendesignals gemäß einer Abwandlung des Verfahrens;
Fig. 8 ein Blockdiagramm eines Senders gemäß ei- ner dritten Ausgestaltung der Erfindung;
Fig. 9 einen exemplarischen Verlauf eines Sendesignals des Senders aus Fig. 8; und Fig. 10 einen exemplarischen Verlauf eines Sendesignals gemäß einer weiteren Abwandlung des Verfahrens .
Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Sender um- fasst einen Sensor, im vorliegenden Fall einen Drucksensor 1, der an einer Brennkammer einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine angebracht ist, um deren Innendruck zu erfassen, und einen Analog- Digital-Wandler 2, der ein Ausgangssignal des Drucksensors 1 in einen digitalen Datenwert mit einer Auflösung von 12 Bit umsetzt. Die Bits sind in der Reihenfolge zunehmender Signifikanz mit a0, ai, ..., an bezeichnet. Ein Multiplexer 3 verfügt über drei Eingänge 3-H, 3-M, 3-L und einen Ausgang 3-0 von je 7 Bit Breite. Die vier signifikantesten Bits jedes der drei Eingänge 3-H, 3-M, 3-L sind mit Bits an, aio bis a8, a7 bis a4 bzw. a3 bis a0 vom Wandler 2 beschaltet. Das Bit nächstniedriger Signifikanz an den drei Eingängen ist jeweils fest mit dem Pegel Logisch 1 beschaltet, die zwei Bits niedrigster Signifikanz mit Logisch 0. Die Beschaltung der einzelnen Bits, bezeichnet mit i0 bis iε in der Reihenfolge zunehmender Signifikanz, der drei Eingänge ist zusammenfassend in der nachfolgenden Tabelle 1 dargestellt .
Tabelle 1
Wenn man den Zahlenwert des niedrigstsignifikanten mit einem Bit vom Wandler 2 beschalteten Eingangsbits des Wandlers 4 als 1 annimmt, so repräsentieren die drei Bits I2, ii und i0 einen Zuschlag von 0,5.
Ein an einem Steuereingang 3-C des Multiplexers 3 anliegendes 2-Bit-Steuersignal bestimmt, welcher von dessen Eingängen 3-H, 3-M, 3-L und 3-N zum Aus- gang 3-0 durchgeschaltet wird. An den Ausgang 3-0 ist ein Digital-Zeit-Wandler 4 angeschlossen, der dazu dient, Ausgangsimpulse zu liefern, deren Dauer linear proportional ist zu dem Zahlenwert, der durch das jeweils vom Multiplexer 3 ausgegebene 7- Bit-Wort repräsentiert ist. Zu diesem Zweck umfasst der Digital-Zeit-Wandler 4 einen 7-Bit-Zähler, der Takte eines Taktgenerators 5 zählt, und einen Kom- parator, der den Inhalt des Zählers mit dem in den Wandler 4 eingegebenen Datenwert vergleicht und ei- nen positiven Ausgangspegel auf eine Übertragungsleitung 6 ausgibt, solange der Zählwert kleiner als der eingegebene Datenwert ist und auf 0 geht, wenn der Zählwert größer wird. Der Taktgenerator 5 liefert auch das 2-Bit-Steuersignal an den Steuerein- gang 3-C, das alle 128 Takte seinen Wert ändert. Die Änderung des Werts des Steuersignals ist jeweils mit dem alle 128 Takte wiederkehrenden Überlauf des Zählers des Wandlers 4 synchronisiert.
Fig. 2 zeigt exemplarisch das am Ausgang des Digi- tal-Zeit-Wandlers 4 ausgegebene Sendesignal im Laufe der Zeit t. Zeitfenster FH, FM, FL von jeweils 128 Taktperioden Dauer sind jeweils durch gestrichelte Rechtecke symbolisiert. Jedes der Zeitfens- ter FH, FM, FL enthält einen Impuls IH, IM, IL, dessen Dauer gleich der Taktperiode, multipliziert mit der am Eingang 3-H, 3-M bzw. 3-L des Multiple- xers 3 anliegenden 7-Bit-Binärzahl ist. Wenn bei- spielsweise eine Periode des Taktgenerators 5 von 50 ns (entsprechend einer Taktfrequenz von 20 MHz) angenommen wird, sind dreimal 128 x 50 ns = 19,2 μs erforderlich, um einen 12-Bit-Ausgangswert des Ana- log-Digital-Wandlers 2 zu senden. Für eine herkömm- liehe Pulsdauermodulationsübertragung des gleichen Datenwerts wären 212 x 50 ns = 4096 x 50 ns = 204,8 μs, also ca. das 30fache, erforderlich.
Ein Empfänger für das in Fig. 2 gezeigte Signal ist in Fig. 3 dargestellt. Er umfasst einen Taktgenerator 11, dessen Taktfrequenz mit der des Taktgenerators 5 hinreichend genau übereinstimmen muss, um Fehler beim Wiederherstellen der Ausgabe des Ana- log-Digital-Wandlers 2 auf der Empfängerseite zu vermeiden, wobei allerdings die Anforderungen an die Genauigkeit der Periodenübereinstimmung nicht allzu hoch sind, wie im folgenden deutlich wird. Ein Zeit-Digital-Wandler 12 empfängt einerseits die vom Wandler 4 des Senders gelieferten Impulse und andererseits das Taktsignal vom Taktgenerator 11 und zählt jeweils während des Andauerns eines Impulses die Taktperioden. Das Zählergebnis ist ein Binärwert von 7 Bit Breite. Die vier signifikantesten Bits des Zählergebnisses werden in ein Schiebe- register 13 mit drei Speicherplätzen 13H, 13M, 13L von je 4 Bit aufgenommen. Die 3 niedrigstsignifi- kanten Bits des Zählergebnisses werden verworfen. In diesen 3 Bits darf sich das Zählergebnis des Wandlers 12 daher von dem entsprechenden Eingabe- wert des Wandlers 4 unterscheiden, ohne dass Übertragungsfehler auftreten, so dass Abweichungen zwischen den Taktperioden der Taktgeneratoren 5 und 11, die zu Abweichungen nur in diesen drei Bits führen, zugelassen werden können.
Jeweils nach dem Empfang von 3 Impulsen durch den Zeit-Digital-Wandler 12 enthalten die Speicherplätze 13H, 13M, 13L des Schieberegisters 13 die Bits an bis a8, a7 bis a5 bzw. a3 bis a0 desselben Ausgabewerts des Analog-Digital-Wandlers 2. Durch gleichzeitiges Auslesen aller 3 Speicherplätze wird dieser 12-Bit-Datenwert empfängerseitig wieder hergestellt .
Um dem Empfänger die Unterscheidung zwischen den unterschiedlich signifikanten Impulsen desselben Datenwerts zu ermöglichen, kann vorgesehen werden, dass jeweils zwischen zu aufeinanderfolgenden Da- tenwerten gehörenden Zeitfenstern FL und FH ein leeres Zeitfenster übertragen wird, auf dessen Eintreffen der Empfänger mit einem Löschen des Schieberegisters 13 reagiert. So ist gewährleistet, dass der nach dem Empfang von jeweils frei Impulsen aus- gelesene Inhalt des Schieberegisters 13 zu einem gleichen Datenwert gehört. Das leere Zeitfenster kann nach jedem einzelnen Datenwert oder auch nur jeweils nach einer größeren Zahl von Datenwerten übertragen werden.
Fig. 4 zeigt eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Senders. Sie unterscheidet sich von der Ausgestaltung der Fig. 1 dadurch, dass das dem Steuereingang 3-C des Multiplexers 3 zugeführte 2- Bit-Steuersignal von dem Digital-Zeit-Wandler 4 erzeugt wird und immer dann seinen Wert wechselt, wenn die Ausgabe eines Impulses beendet ist, und dass die Impulse eines Datenwerts unmittelbar auf- einander folgend mit alternierenden Signalpegeln erzeugt werden.
Fig. 5 zeigt exemplarisch den zeitlichen Verlauf des Ausgangssignals des Senders aus Fig. 4 während der Übertragung eines Ausgabedatenwerts des Analog- Digital-Wandlers 2. Die Übertragung des den signifikantesten 4 Bits an bis a8 dieses Ausgabedatenwerts entsprechenden Impulses IH dauert von Zeitursprung 0 bis ti; der Impuls IH hat den Pegel Lo- gisch 1. Zum Zeitpunkt ti ändert das Steuersignal am Eingang 3-C seinen Wert, so dass der Multiplexer 3 die 7 Bits a7, a6, a5, a4, 1, 0, 0 ausgibt und der Wandler 4 beginnt, diesen Wert in den Impuls IM, nun mit Pegel Logisch 0, umzusetzen. Der Impuls IM endet zum Zeitpunkt t2, das Steuersignal am Eingang 3-C ändert sich erneut, und die Bits (a3, a2, ai, a0, 1, 0, 0) werden vom Wandler 4 in den Impuls IL mit dem Pegel Logisch 1 umgesetzt. Mit Ende dieses Impulses zum Zeitpunkt t3 ist die Übertragung des gesamten Ausgabedatenwerts des Analog-Digital- Wandlers 2 beendet, und während der verbleibenden Dauer des für die Übertragung dieses Werts vorgesehenen Zeitfensters F bleibt das Ausgangssignal des Wandlers 4 auf dem Wert 0.
Die Dauer des Zeitfensters F braucht nicht größer zu sein als 3 x 27 = 384 Taktperioden des Taktgenerators 5, da die maximal mögliche Länge der Impulse IH, IM, IL jeweils binär „1111100" = 124 Taktperio- den ist und folglich gegen Ende des Zeitfensters F mindestens 12 Taktperioden mit Signalpegel Logisch 0 übrig bleiben, die den Impuls IL vom Impuls IH s des nachfolgenden Zeitfensters trennen.
Um die Impulse am Empfänger korrekt auswerten zu können, muss dieser in der Lage sein, den jeweils ersten Impuls aus einer Gruppe, die gemeinsam einen Datenwert codieren, hier also den Impuls IH, zu i- dentifizieren. Zu diesem Zweck ist der schematisch in Fig. 6 dargestellte Empfänger zusätzlich mit einem Zähler 14 versehen, der das Eingangssignal von der Übertragungsleitung 6 und das Taktsignal vom Taktgenerator 1 empfängt und jeweils getriggert durch eine ansteigende Flanke des Eingangssignals, die Zahl der Takte bis zur übernächsten ansteigenden Flanke des Eingangssignals zählt. An den Ausgang des Zählers 14 ist ein Register 15 angeschlossen, das jeweils nach Abschluss eines Zählzyklus den vom Zähler 14 ausgegebenen Zählwert speichert. Zwei Eingänge eines Komparators 16 sind mit dem Ausgang des Zählers 14 bzw. des Registers 15 verbunden, so dass der Komparator 16 jeweils das letzte und das vorletzte Zählergebnis vergleicht. Da die ansteigenden Flanken zu Beginn der Impulse IH von aufeinanderfolgenden Zeitfenstern einen festen Zeitabstand von 3 x 128 Taktperioden haben, sind die an den Eingängen des Komparators 16 anliegenden Zählwerte immer identisch, wenn die ansteigende Flanke, die den Zähler 14 triggert, die des Impulses IH ist. Falls der Zähler durch die ansteigende Flanke des Impuls IL getriggert worden ist, kann allenfalls zufällig eine Übereinstimmung am Komparator 16 auftreten; sobald jedoch eine Nichtüber- einstimmung festgestellt wird, die als letzte empfangene ansteigende Flanke also zu einem Impuls IL gehören muss, liefert der Komparator 16 ein Ausgangssignal an den Zähler 14 und das Schieberegis- ter 13, welches den Zähler 14 zurücksetzt und die Inhalte des Schieberegisters 13 löscht. Wenn der Zähler 14 von der darauf folgenden ansteigenden Flanke des Eingangssignals erneut getriggert wird, kann es sich bei dieser nur um die ansteigenden Flanke eines Impulses IH handeln, und die Synchronisation ist hergestellt.
In gleicher Weise ist eine Synchronisation auch erreichbar, wenn nicht wie oben angenommen drei auf- einander folgende Impulse einen Datenwert codieren, sondern eine größere ungerade Zahl von Impulsen; in letzterem Fall können lediglich mehrere Rücksetzvorgänge erforderlich sein, bevor die Synchronisation hergestellt ist.
Die mit dieser Ausgestaltung erreichbare Datenrate ist höher als bei dem mit Bezug auf Fig. 2 erläuterten Übertragungsverfahren. Zwar entspricht die erforderliche Länge des Zeitfensters F der Summe der Längen der Zeitfenster FH, FM, FL aus Fig. 2, doch ist zur Synchronisation hier kein leeres Zeitfenster erforderlich.
Anstatt einen zu übertragenden Datenwert in drei jeweils in einem Impuls umzusetzende Datenwörter zu zerlegen, ist auch eine Zerlegung in eine gerade Zahl von Datenwörtern möglich. Fig. 7 zeigt den zeitlichen Verlauf eines bei einer solchen Zerlegung resultierenden Sendesignals für den Fall einer Zerlegung in zwei Datenwörter, die jeweils in Impulse IH bzw. IL umgesetzt werden. Jedes der drei gezeigten Zeitfenster Fl, F2, F3 enthält einen Impuls IH, dessen Länge das signifikantere der zwei Datenwörter repräsentiert, einen Impuls IL, dessen Pegel von dem des Impulses IH verschieden ist und der das weniger signifikante Datenwort repräsentiert, sowie einen Füllimpuls R, der die verbleibende Zeit des Fensters auffüllt und denselben Pe- gel wie der Impuls IH hat. Um den Füllimpuls R eines Zeitfensters vom Impuls IH des darauf folgenden unterscheiden zu können, sind die Pegel gleicher Impulse in aufeinander folgenden Zeitfenstern jeweils unterschiedlich.
Fig. 8 ist ein Blockdiagramm einer dritten Ausgestaltung eines Senders gemäß der Erfindung. Sensor 1, Analog-Digital-Wandler 2 und Taktgenerator 5 sind dieselben wie mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben und werden nicht erneut erläutert. Der Multiplexer 3 in Fig. 8 unterscheidet sich von dem der Fig. 1 dadurch, dass seine Eingänge 3-H, 3-M, 3-L jeweils 8 Bit breit sind, wobei die Belegung der Bits iθ bis i7 der drei Eingänge in folgender Tabelle 2 zu- sammengefasst ist.
Tabelle 2:
Der Digital-Zeit-Wandler 4 empfängt somit vom MuI- tiplexer 3 Datenwörter von 8 Bit Breite, deren Wert zwischen binär 10000100 = 132 und binär 11111100 = 252 betragen kann, so dass die Länge der vom Wandler 4 ausgegebenen Impulse jeweils zwischen 132 und 252 Taktperioden beträgt. Die Erzeugung von Impul- sen mit wenigen Taktperioden Dauer, die evtl. von der Übertragungsleitung 6 zwischen Sender und Empfänger stark gedämpft werden und deshalb am Empfänger möglicherweise fehlerhaft ausgewertet werden, wird auf diese Weise vermieden.
Fig. 9 veranschaulicht den resultierenden Verlauf des Sendesignals: jeder Block IH, IM, IL hat einen Anteil mit einer festen Länge von 128 Perioden und einen variablen Anteil, dessen Länge die eigentlich zu übertragenden Information repräsentiert.
Ein zur Verarbeitung des Sendesignals von Fig. 9 geeigneter Empfänger hat im wesentlichen die in Fig. 6 gezeigte Struktur; lediglich die Breite des Ausgangs des Zeit-Digital-Wandlers 12 ist von 7 auf 8 vermehrt, wobei das Bit mit der höchsten Signifikanz genauso wie die drei niedrigst signifikanten Bits dieses Ausgangs nicht an das Schieberegister 13 angeschlossen ist, weil die Speicherzellen auch hier nur vier Bit breit sind.
Bei allen bisher betrachteten Ausführungsbeispielen wurden die breitenmodulierten Impulse IH, IM, IL in einem Zeitfenster F von fester Dauer übertragen. Eine Steigerung der Datenrate ist erreichbar durch Verwendung von Zeitfenstern ohne feste Dauer, wie in Fig. 10 dargestellt. Hier folgt auf die drei einen Ausgabewert des Analog-Digital-Wandlers 2 codierenden Impulse IH, IM, IL eines Zeitfensters F ein Füllimpuls R mit einer festen Länge, die größer ist als die maximal mögliche Länge jedes der Impulse IH, IM, IL , also beispielsweise im vorliegenden Fall 128 Taktperioden. Aufgrund seiner großen Länge ist der Füllimpuls empfängerseitig leicht als solcher erkennbar, so dass eine Synchronisierung des Senders auf den ersten Impuls ICH jedes Fensters F keine Schwierigkeiten bereitet. Unter der Annahme, dass die Impulse IH, IM, IL jede mögliche Länge mit gleicher Wahrscheinlichkeit annehmen, ergibt sich im vorliegenden Fall, dass die Dauern zwischen vier und 124 Taktperioden betragen können, ein Erwartungswert für ihre Länge von 64 Taktperioden und damit ein Erwartungswert für die Länge des ganzen Fensters F von 3 * 64 + 128 = 320 Taktperioden, im Gegensatz zu einer Mindestlänge des Fensters F von 384 Taktperioden im Falle der Fig. 5.

Claims

- IT -Patentansprüche
1. Verfahren für die serielle Datenübertragung von einem Sender zu einem Empfänger mit den Schritten: a) Festlegen wenigstens eines für einen zu übertragenden Datenwert repräsentativen digitalen Datenworts ( (a0, ai, a2, a3) ; (a4, ..., a7) ; (a8, ... , an) ) ; b) Festlegen einer Impulsdauer, die einer durch das Datenwort repräsentierten nichtnega- tiven ganzen Zahl zuzüglich eines konstanten positiven Zuschlags proportional ist; c) Senden eines Impulses (IH, IM, IL) mit der festgelegten Impulsdauer vom Sender zum Empfänger; und d) Erfassen der Impulsdauer am Empfänger und Rekonstruieren des Datenworts .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuschlag einen ersten Term enthält, der einer Zahl zwischen 0 und 1, vorzugsweise 0,5, entspricht.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Impuls (IH, IM, IL) erhal- ten wird durch eine Digital-Zeit-Umwandlung eines erweiterten Datenworts (i0, ... iε) ι das das in Schritt a) festgelegte Datenwort ( (a0, ai, a2, a3) ; (a4, ..., a7) ; (a8, •••, an)) und wenigstens ein für den ersten Term repräsenta- tives Bit (i2) als Bit von niedrigerer Signifikanz als die Bits des festgelegten Datenworts umfasst.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuschlag einen Term enthält, der der größten durch das in Schritt a) festgelegte Datenwort darstellbaren ganzen Zahl zuzüglich 1 entspricht .
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Impuls erhalten wird durch eine Digital-Zeit-Umwandlung eines erweiterten Datenworts (i0, ... i7) , das das in Schritt a) festgelegte Datenwort ( (a0, ai, a2, a3) ; (a4, ..., a7) ; (a8, ..., an)) und ein Bit (i7) mit Wert 1 und höherer Signifikanz als die Bits des festgelegten Datenworts umfasst.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) die Bits (a0, β-i, a2, ..., an) des digitalen zu übertragenden Datenwerts in mehrere Datenwörter ( (a0, β-i, a2, a3) ; (a4, ..., SL1) ; (a8, ..., an)) aufgeteilt werden und die Schritte b) bis d) für jedes der so erhaltenen Datenwörter ausgeführt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die den mehreren Datenwörtern ( (ao, 3-ir a2, SL3) ; (a4, ... , a7) ; (a8, ... , an) ) entsprechenden Impulse (IH, IM, IL) unmittel- bar aufeinanderfolgend mit alternierenden Pegeln übertragen werden.
8. Verfahren nach Anspruch 6, 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Datenwert in einem Zeitfenster (F) vorgegebener Länge, aufgeteilt in eine ungerade Zahl von Datenwörtern, übertragen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Datenwert in einem Zeitfenster (Fl, F2, F3) vorgegebener Länge, aufgeteilt in eine gerade Zahl von Datenwörtern, übertragen wird, und dass die ersten Im- pulse (IH) von aufeinanderfolgenden Datenwerten jeweils mit alternierenden Pegeln übertragen werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Impuls
(IH) jedes Datenwerts jeweils zu Beginn des dem Datenwert entsprechenden Zeitfensters (F) zu übertragen begonnen wird, und dass der Empfänger den ersten Impuls (IH) von nacheinander übertragenen Datenwerten an der periodischen Wiederkehr seines Beginns erkennt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ü- bertragenen Datenwerte Druckmesswerte, insbesondere Messwerte des Brennraumdrucks in einer Brennkraftmaschine sind.
12. Sender für das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Digital-Zeit- Wandler (4) zum Umsetzen eines digitalen Datenworts ( (a0, SL1, SL2, SL3); (SL4, ..., SL1); (SL8, ••-, SL11)) in einen Impuls (IH, IM, IL), dessen Dauer für den Zahlenwert des Datenworts repräsentativ ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer des Impulses, der dem Zahlenwert 0 entspricht, größer als 0 ist.
13. Sender nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Digital-Zeit-Wandler (4) eine Eingangs-Bitzahl verarbeitet, die größer als die Bitzahl des digitalen Datenworts ist, wo- bei Eingangsbits (I1, i2, ii, io) , die nicht mit Bits des Datenworts ( (a0, SL1, SL2, SL3) ; (a4, ..., SL1) ; (a8, ..., an)) beschaltet sind, mit einem konstanten Wert beschaltet sind, der bei wenigstens einem dieser Bits 1 ist.
14. Sender nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsbits (i7, i2, ii, io) des Digital-Zeit-Wandlers, die nicht mit den Bits des Datenworts beschaltet sind, entweder sig- nifikanter oder weniger signifikant als alle Bits des Datenworts sind.
15. Sender nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Schaltung (3) zum Zerlegen eines digitalen Datenwerts (a0, SL1, SL2, ..., an) in eine Mehrzahl von jeweils Bits unterschiedlicher Signifikanz des Datenwerts enthaltende Datenwörter ( (a0, SL1, a.2, a3) ; (a4, ..., SL1) ; (a8, ..., an)) umfasst.
16. Empfänger für das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Zeit- Digital-Wandler (11) zum Umsetzen eines emp- fangenen Impulses (IH, IM, IL) in ein digitales Datenwort, das einen der Zeitdauer des Impulses proportionalen Datenwert repräsentiert, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Verkettungsschaltung (13) zum Verketten von vorgege- benen Bits nacheinander vom Zeit-Digital- Wandler (11) ausgegebener Datenwörter zu einem digitalen Datenwert umfasst, wobei wenigstens ein Bit niedrigster Signifikanz der ausgegebenen Datenwörter von der Verkettungsschaltung (13) vernachlässigt wird.
17. Empfänger nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ferner wenigstens ein Bit höchster Signifikanz der ausgegebenen Daten- Wörter von der Verkettungsschaltung (13) vernachlässigt wird.
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