Datenübertragungssystem, Steuergerät und Verfahren zur Datenübertragung

Die Erfindung betrifft ein Datenübertragungssystem, ein Steuergerät sowie ein Verfahren zur Datenübertragung.

Die technologische Entwicklung innerhalb von Automobilen schreitet rasant voran, wodurch sich die Anzahl von elektrischen und elektronischen Systemen in Automobilen drastisch erhöht: Systeme Control Area Networks (CAN), Sicherheitssysteme, Kommunikation, Mobile Media, Infotainment-Systeme einschließlich drahtlose Kopfhörer, DC-Motoren und Steuerungen um nur einige zu nennen. Die extremen Größen- und Gewichtsbeschränkungen im Automobil-Design fordern, dass diese Systeme einen sehr kleinen (physikalischen) Formfaktor aufweisen. Dies bedeutet aber nicht zwangsläufig, dass auch die elektromagnetische Emission (EME) geringer ist. Platziert man nun eine große Anzahl von elektrischen und elektronischen Systemen in den sehr begrenzten Raum (eines Automobiles), steigt das Problem der elektromagnetischen Interferenz (EMI) aufgrund wechselseitiger Störungen durch Leitungs- und

Strahlungsemissionen. Das Phänomen der elektromagnetischen Interferenz wird auch als Übersprechen (Crosstalk) bezeichnet. Wird dieses nicht entsprechend im Rahmen der

Systemauslegung berücksichtigt, kann es zu wechselseitigen Störungen bis hin zu

Systemausfällen führen. Aufgrund der Elektrifizierung des Automobils ist die Notwendigkeit, EMI einzugrenzen, wichtiger denn je.

Die Vernetzung der einzelnen Baugruppen im Automobil oder Nutzfahrzeug basiert in Zukunft auf elektrischen Transceivern des (automotive) IEEE Standards 1000Base-T1. Dieser Standard verwendt pro Kanal eine einzige unshielded Twisted-Pair Leitung (UTP) zur Übermittlung von bis zu 1 Gbit/s Daten. Durch elektromagnetische Interferenz koppeln unter anderem andere UTP Leitungen in den Übertragungskanal ein und beeinflussen/verfälschen sowohl den Common- Mode (Gleichtakt-Anteil) als auch den Differenz-Mode der übertragenen Datensignale.

Dementsprechend werden z. B. zur Common-Mode Unterdrückung sehr komplexe

Eingangsfilter verwendet, (u.a. Common-mode Choke etc). Das oben beschriebene Problem ist für den vorhergehenden Standard 100Base-T1 (OABR) nahezu kein Problem aufgrund der sehr geringen Signalbandbreite von 66MHz.

Für den neuen Standard 1000Base-T1 mit ca. 350-500MHz Bandbreite ist dieses ein signifikantes Problem, so das EMI den Signal-Rauschabstand (SNR) des Empfängers reduziert und folglich Bit-Error Rate erhöht.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Datenübertragungssystem zu schaffen, das das Problem der elektromagnetischen Interferenz umfassender beseitigt. Ein weiteres technisches Problem ist die Schaffung eines geeigneten Steuergerätes sowie das Zurverfügungstellen eines geeigneten Verfahrens zur Datenübertragung.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein Datenübertragungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , ein Steuergerät mit den Merkmalen des Anspruchs 8 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Hierzu weist das Datenübertragungssystem ein erstes Steuergerät und ein zweites Steuergerät auf, wobei die Übertragungsstrecke zwischen den beiden Steuergräten mindestens teilweise durch eine Zwei-Drahtleitung gebildet wird. Über die Zwei- Drahtleitung wird zwischen dem ersten Steuergerät und dem zweiten Steuergerät ein Nutzsignal als Differenzsignal übertragen, wobei das erste Steuergerät einen Transceiver und das zweite Steuergerät einen Receiver aufweist. Vor dem Receiver des zweiten Steuergerätes ist eine Messschaltung angeordnet, die derart ausgebildet ist, einen Gleichtakt-Anteil im Nutzsignal zu erfassen. Weiter ist eine Fehler- Korrekturschaltung vorgesehen, die derart ausgebildet ist, dass in Abhängigkeit vom erfassten Gleichtakt-Anteil ein Korrektursignal erzeugt wird. Weiter ist eine Kompensationsschaltung hinter dem Receiver angeordnet, die derart ausgebildet ist, dass das durch den Receiver empfangene Nutzsignal mittels des Korrektursignals korrigiert wird. Erfindungsgemäß wird also nicht primär versucht, den Gleichtakt-Anteil vor dem Receiver zu unterdrücken. Vielmehr wird der negative Einfluss durch den Gleichtakt-Anteil bestimmt und hinter dem Receiver korrigiert. Dies erlaubt eine erheblich umfassendere Kompensation von Störeinflüssen, was später noch weiter erläutert wird. Die Datenübertragung zwischen dem ersten Steuergerät und dem zweiten Steuergerät ist vorzugsweise bidirektional, sodass die Ausführungen für das erste Steuergerät auch für das zweite Steuergerät gelten und umgekehrt. Das Datenübertragungssystem ist vorzugsweise ein Ethernet-Übertragungssystem. Die Zwei-Drahtleitung ist vorzugsweise eine ungeschirmte verdrillte Doppelader UTP. Vorzugsweise werden die Fehler-Korrekturschaltung und die Kompensationsschaltung in einen gemeinsamen Chip des Receivers integriert. Dies reduziert die Bauteile-Varianz und erlaubt eine sehr kompakte Bauform mit wenig Bauteilen. Auch die Messschaltung kann in den Chip des Receivers integriert sein.

Insbesondere im Kraftfahrzeugbereich werden durch Schaltvorgänge in Motoren große

Störsignale erzeugt. Die dabei induzierten Spannungen auf der Zwei-Drahtleitung können dabei sehr hoch sein und zu Problemen auf dem Chip führen. Daher wird in einer Ausführungsform vor dem Receiver ein Gleichtakt-Filter angeordnet. Der Gleichtakt-Filter kann dabei ein diskretes oder integriertes passives Netzwerk sein oder aber als Gleichtakt-Drossel (Common- mode Choke) ausgebildet sein.

In einer weiteren Ausführungsform ist der Gleichtakt-Filter in dem Chip des Receivers integriert, beispielsweise als LC-Netzwerk oder aber als aktives Bauelement, beispielsweise als

Differenzverstärker mit hoher Gleichtaktunterdrückung. Dies erlaubt eine kompakte Bauform und eine geringe Anzahl von Bauelementen.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Messschaltung vor oder in dem Gleichtakt-Filter angeordnet. Der Vorteil gegenüber einer grundsätzlich möglichen Bauform hinter dem

Gleichtakt-Filter ist, dass das zu erfassende Gleichtakt-Signal größer ist und einfacher zu erfassen ist.

In einer weiteren Ausführungsform sind die Fehler-Korrekturschaltung und/oder die

Kompensationsschaltung derart ausgebildet, dass ein Differenz-Signalfehler im Nutzsignal aufgrund eines Gleichtakt-Anteils zu kompensieren. Derartige Fehler entstehen durch

Unsymmetrien im Übertragungskanal, beispielsweise weil die beiden Drahte der Zwei- Drahtleitung nicht exakt lang sind. Derartige Fehler sind durch eine reine Gleichtakt- Unterdrückung, wie aus dem Stand der Technik bekannt, nicht zu korrigieren. Erfindungsgemäß kann dies jedoch erfolgen, da der Gleichtakt-Anteil messtechnisch erfasst wird.

Dabei ist zu beachten, dass dieser Differenz-Signalfehler aufgrund von Gleichtakt-Anteilen frequenzabhängig ist. Vorzugsweise wird daher die Übertragungsstrecke ausgemessen und eine Übertragungsfunktion bestimmt. Diese gibt dann an, was für einen Differenz-Signalfehler ein Gleichtakt-Anteil in Abhängigkeit von Frequenz verursacht.

Grundsätzlich ist es somit möglich, vorab diese Übertragungsfunktion zu bestimmen und diese Differenz-Signalfehler anhand der erfassten Gleichtakt-Anteile zu bestimmen und zu korrigieren. In einer weiteren Ausführungsform ist der Differenz-Signalfehler in Abhängigkeit mindestens eines Parameters festgelegt. Ein solcher Parameter ist beispielsweise die Temperatur. So können beispielsweise für unterschiedliche Temperaturen Übertragungsfunktionen hinterlegt sein oder aber der Parameter geht als Korrekturfaktor in die Bestimmung des Differenz- Signalfehlers ein.

Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass während des Betriebes diese

Übertragungsfunktion ermittelt oder überprüft wird. Hierzu ist das erste Steuergerät derart ausgebildet, dass in einem Kalibriermodus mindestens ein Gleichtakt-Signal zum weiteren Steuergerät übertragen wird, wobei ein aufgrund des Gleichtakt-Signals erzeugtes Differenz- Signal erfasst und zur Einstellung der Fehler-Korrekturschaltung und/oder der

Kompensationsschaltung verwendet wird. Dabei ist zu berücksichtigen, dass im Regelfall der Ort der Gleichtakt-Einkopplung im Betriebsfall nicht das erste Steuergerät ist, sondern irgendwo auf der Zwei-Drahtleitung ist. Dies ist aber vernachlässigbar bzw. gegebenenfalls durch Korrekturterme zu kompensieren.

Hinsichtlich der Ausbildung des Steuergerätes sowie des Verfahrens kann vollinhaltlich auf die vorangegangenen Ausführungen Bezug genommen werden.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist der Einsatz in einem Ethernet- Übertragungssystem in einem Kraftfahrzeug.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Fig. zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Datenübertragungssystems in einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 ein Teil-Blockschaltbild eines Steuergerätes,

Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild eines Datenübertragungssystems in einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 4 ein Teil-Blockschaltbild eines Steuergerätes und

Fig. 5 ein schematisches Blockschaltbild eines Datenübertragungssystems gemäß dem

Stand der Technik. Bevor die Erfindung näher erläutert wird, soll zunächst kurz der Stand der Technik anhand der Fig. 5 erläutert werden. Das Datenübertragungssystem 1 weist ein erstes Steuergerät 2 und ein zweites Steuergerät 3 auf, über die eine bidirektionale Punkt-zu-Punkt-Kommunikation realisierbar ist. Vor jedem Steuergerät 2, 3 ist ein diskreter erster Gleichtakt-Filter 4 angeordnet, der beispielsweise als Common-Mode-Choke ausgebildet ist, wo die zwei Drähte einer Zwei- Drahtleitung 5 gegensinnig um einen gemeinsamen Ferrit-Kern bzw. -Ring gewickelt sind. Die Zwei-Drahtleitung 5 ist an ihren Enden mit Verbindern bzw. Steckern 6 verbunden. Zwischen dem Stecker 6 und dem Gleichtakt-Filter 4 kann dabei noch eine galvanische Trennung in Form eines Transformators 7 angeordnet sein. Alternativ kann der Transformator 7 auch durch eine kapazitive Kopplung ersetzt werden. Die Nutzsignale zwischen den beiden Steuergeräten 2, 3 werden durch Differenz-Signale übertragen, wobei durch elektromagnetische Interferenz EMI verursachte Gleichtakt-Anteile durch die Gleichtakt-Filter 4 herausgefiltert werden.

In der Fig. 1 ist nun ein Datenübertragungssystem 1 in einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform dargestellt. Dabei wurde der Gleichtakt-Filter 4 in das Steuergerät 3 integriert, genauer in den Chip für einen Receiver 8 und einen Transceiver 9 des Steuergerätes 3, wobei die nachfolgenden Ausführungen für das zweite Steuergerät 3 auch für das erste Steuergerät 2 gelten. Das Steuergerät 3 weist weiter eine Messschaltung 10 auf, die vor dem Gleichtakt- Filter 4 angeordnet ist und den Gleichtakt-Anteil erfasst. Weiter weist das Steuergerät 3 eine Fehler-Korrekturschaltung 11 auf, die ein Korrektursignal F ausgibt und an eine

Kompensationsschaltung 12 übermittelt. In der Kompensationsschaltung 12 wird dann von dem vom Receiver 8 empfangenen Nutzsignal das Korrektursignal F abgezogen, wobei das

Korrektursignal F insbesondere Differenz-Fehler aufgrund von Gleichtakt-Signalen

berücksichtigt. Dabei können Receiver 8, Transceiver 9, Messschaltung 10, Fehler- Korrekturschaltung 11 und Kompensationsschaltung 12 auf einem Chip realisiert sein. Dabei kann zusätzlich ein weiterer Gleichtakt-Filter 4' vor dem Steuergerät 3 angeordnet sein, was gestrichelt dargestellt ist. Dieser Gleichtakt-Filter 4' hat die Funktion, die Gleichtakt-Anteile soweit wie möglich herauszufiltern, insbesondere jedoch die Gleichtakt-Anteile auf ein

Spannungsniveau zu reduzieren, das besser im Steuergerät 3 verarbeitet werden kann. Weiter sei angemerkt, dass der Transformator 7 optional ist. Des Weiteren sei angemerkt, dass die Fehler-Korrekturschaltung 1 1 derart ausgebildet ist, dass die Laufzeit des Korrektursignals F auf das Nutzsignal derart abgestimmt ist, dass diese synchron an der Kompensationsschaltung 12 anliegen. Dabei kann die Fehler-Korrekturschaltung 1 1 auch derart ausgebildet sein, dass vorangegangene Signale bei der Ermittlung des Korrektursignals F berücksichtigt werden, beispielsweise um Umladevorgänge von Kapazitäten zu berücksichtigen. In der Fig. 2 ist beispielhaft eine mögliche präzisierte Ausführungsform eines Teils des zweiten Steuergerätes 3 dargestellt. Im Gegensatz zur Darstellung gemäß Fig. 1 liegt die

Messschaltung 10 nicht vor sondern im Gleichtakt-Filter 4 . Des Weiteren wird hinter dem Receiver 8 und einem Verstärker 13 der Fehler-Korrekturschaltung 1 1 jeweils ein A D-Wandler 14, 15 angeordnet, wobei dann die Kompensationsschaltung 12 als digitaler Filter ausgebildet sein kann.

In der Fig. 3 ist eine alternative Ausführungsform für ein Datenübertragungssystem 1 dargestellt. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist der Gleichtakt-Filter 4 extern angeordnet und die Messschaltung 10 in den Gleichtakt-Filter 4 integriert. Dabei muss das Steuergerät 3 entsprechend einen weiteren Eingang für das Messgerät der Messschaltung 10 aufweisen. Ansonsten kann auf die Ausführungen zu Fig. 1 Bezug genommen werden.

In der Fig. 4 ist schließlich ein Teil eines ersten Steuergerätes 2 dargestellt. Dabei weist das Steuergerät 2 einen Mikroprozessor 16 auf, der die Nutzsignale erzeugt. Das Nutzsignal wird durch einen ersten Verstärker 17 verstärkt und durch einen invertierenden Verstärker 18 invertiert, so dass das Nutzsignal als Differenz-Signal an einen Multiplexer 19 anliegt.

Des Weiteren wird das nun verstärkte Nutzsignal an einen weiteren Eingang des

Multiplexers 19 geschaltet. Über ein Steuersignal S kann der Mikroprozessor 16 entweder das Differenz-Signal oder ein Gleichtakt-Signal der beiden verstärkten Nutzsignale zum Transceiver 9 durchschalten. Mittels des Gleichtakt-Signals kann dann die Übertragungsfunktion der Übertragungsstrecke bestimmt werden, insbesondere der Differenz-Fehler aufgrund eines Gleichtaktsignals. Dabei sei noch einmal angemerkt, dass die Ausführungen für das erste Steuergerät 2 auch für das zweite Steuergerät 3 gelten und umgekehrt.