Ansteuerung von Verbraucher-Stationen in

Kraftfahrzeugen

Die Erfindung richtet sich auf eine Multiplex-Schal- tungsanordnung, insbesondere für die Ansteuerung von Verbraucher-Stationen in Kraftfahrzeugen, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Eine solche gattungsgemäße Schaltungsanordnung ist z.B. aus der DE 37 3o 468 AI bekannt. Diese Schal¬ tungsanordnung weist eine Sternstruktur auf, wobei sich der eigentliche Sternpunkt aber über praktisch die ganze Fahrzeuglänge erstreckt. Hieraus resultiert ein wesentlicher Nachteil, weil eine Beschädigung der zentralen Datenleitung zu einem Totalausfall des Systems führen.kann. Die große örtliche Erstreckung des Sternpunkts wurde in dieser Druckschrift auch

bereits als problematisch erkannt. Ein weiterer Nach¬ teil der vorbekannten Anordnung ist darin zu sehen, daß ein großer schaltungstechnischer Aufwand für die einzelnen Stationen erforderlich ist. Es sind dort jeweils Steuergeräte mit Microprozessoren und entspre¬ chender Software, Datenumsetzer, Datenaufbereiter und Busübertrager erforderlich, wobei die Funktion dieser Teilnehmerstationen letztendlich nur darin besteht, eine Entkopplung der einzelnen Schnittstelleneinheiten zu realisieren.

Aus der DE 31 49 142 AI ist eine Schaltungsanordnung mit einer relativ komplizierten, mit zwei Rechnern bestückten Zentralstation bekannt. Diese Schaltungsan¬ ordnung arbeitet nach dem Master-Slave-Prinzip, worin auch ihr hauptsächlicher Nachteil zu sehen ist. Bei neuzeitlichen Anordnungen wird nichts mit einer Zen¬ tralelektronik, sondern mit einem gleichberechtigten Verbund (Multi-Master-Prinzip) gearbeitet. Außerdem wird bei diesem Stand der Technik jede Unterverteilung sternförmig mit einer separaten Leitung angefahren, was nachteilig ist, da im Kraftfahrzeugbereich davon auszugehen ist, daß es eine Mehrzahl von Untervertei¬ lungen z.B. für die vier Türen, die vier Fahrzeug¬ ecken, die Klimaanlage, die Sitzverstellung, das Schiebedach, an verschiedenen Stellen des Motorraums, an der Mittelkonsole usw. geben wird. Gemäß dem vor¬ bekannten System dürfen keine zwei derartige Unter¬ verteilungen an eine Datenleitung geschaltet werden, wenn deren gegenseitige Entkopplung gewährleistet sein soll. Müssen Daten zwischen zwei Unterverteilungen ausgetauscht werden, kann dies nur über einen Zwi-

schenstop in der Zentraleinheit geschehen, also z.B. bei einer Übertragung von Bedientasten im Rücksitz¬ bereich zur Betätigung eines Türfensters.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu¬ grunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genann¬ ten Art so auszugestalten, daß eine günstige Vertei¬ lung der Lastleitungen erzielt wird, welche über einen zentralen Sicherungskasten abgesichert werden können, wobei bei Realisierung einer Sternstruktur der Zen¬ tralbereich örtlich begrenzt realisierbar sein soll. Weiterhin soll eine Ankopplung an jede vorhandene Datenleitung über ein Netzwerk möglich sein, ohne daß hierdurch Einbußen bei der Entkopplung bedingt sind. Jede Station soll mit jeder anderen ohne Umschaltvor¬ gänge und ohne Datentransfer über einen Microprozessor kommunizieren können, wobei jeweils die Nachricht mit der höchsten Priorität übertragen wird. Letztlich soll es noch möglich sein, weitere Teilnehmerstationen ohne Auswirkung auf das Restsystem an das Netzwerk unter Zuteilung von Adressen an jede einzelne Station an¬ zuschalten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des kennzeich¬ nenden Teils von Anspruch 1.

Durch die danach vorgesehene Lösung wird erreicht, daß bei einem Kurzschluß einer Datenleitung gegen Masse oder Plus ebenso wie beim Ausfall einer Treiberstation nicht das gesamte System funktionsunfähig wird, da jeder Zweig des Netzes entkoppelt ist. Der passive

Zustand des Netzwerkes kann der Low-Pegel sein, wobei ein an einer Stelle angelegter High-Pegel an alle andere Stationen vermittelt wird. Durch den endsei- tigen Abschluß jeder Datenleitung wird das Abstrahl¬ verhalten minimiert. Das gesamte System weist ein Tiefpaßverhalten mit veränderbarer Eckfrequenz auf, wodurch einer HF-Einstrahlung entgegengewirkt werden kann.

Die erfindungsgemäß vorgesehene zentrale Busverteiler¬ anordnung ermöglicht es, diesen Zentralbereich bei einer Sternkonfiguration örtlich stark zu beschränken und damit dessen Anfälligkeit gegen Beschädigungen und damit gegen Störungen des Gesamtsystems wesentlich zu reduzieren.

Erfindungsgemäß kann also eine freilaufende, bidirek¬ tionale Verteilerstation aufgebaut werden, ohne daß eine zentrale Steuerlogik für Empfangen bzw. Senden notwendig ist, wohingegen bei herkömmlichen digitalen Bustreibern stets zwischen Empfang und Senden umge¬ schaltet werden muß.

Jede Datenleitung ist an beiden Enden hinsichtlich ihres Widerstandes anpaßbar. Es kann ein gewünschter leitungsspezifischer Widerstand eingestellt werden, was sich beim Abstrahlverhalten vorteilhaft bemerkbar macht. Die Sendeverstärker können mit einem definier¬ ten Ausgangswiderstand aufgebaut werden.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß sich eine erfin¬ dungsgemäße Schaltungsanordnung insbesondere für eine

Sternstruktur eignet. Im Prinzip und unter Wahrung de grundsätzlichen Vorteile kann auch ein ringförmiges oder T-förmiges Netzwerk aufgebaut werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist für den Fall einer Sternstruktur die Ausgestaltung nach An¬ spruch 2 vorgesehen, welche die Unterbringung der Schmelzsicherungen in einem zentralen Sicherungskaste ohne erheblichen zusätzlichen Leitungsaufwand ermög¬ licht.

Die Ausgestaltung der Leitungen nach Anspruch 3 trägt dem Umstand Rechnung, daß die Datenleitung einen nur erheblich kleineren Querschnitt aufzuweisen braucht als die Lastleitung.

Eine gemäß Anspruch 4 vorgesehene Unterverteilungs-An ordnung kann bis zu 3o m entfernt vorgesehen sein und übernimmt beispielsweise die Daten-Last-Verteilung im Heck eines Kraftfahrzeugs.

Die Ansprüche 5 bis 7 geben vorteilhafte schaltungs¬ technische Ausgestaltungen an, welche in Verbindung mit der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels noch erläutert werden.

Nachfolgend wir die Erfindung anhand eines Ausfüh¬ rungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung nähe beschrieben. Dabei zeigen

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Fig. 2 eine Datenleitung mit an beiden Enden angeord¬ neten Busankopplungsnetzwerken gemäß dem Aus¬ schnitt II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt durch ein in der Schaltungsan¬ ordnung nach Fig. 1 verwendetes Kabel und

Fig. 4 eine detailliertere Darstellung des Schaltungs¬ ausschnitts nach Fig. 2.

Eine erfindungsgemäße Multiplex-Schaltungsanordnung umfaßt eine Mehrzahl von Verbraucherstationen VS1 - VS8 umfassend jeweils einen Hardware-Prozessor zum schnellen seriellen Datenaustausch (CAN), welche über Leitungen Ll - L6 mit einer zentralen Busverteiler¬ anordnung ZVA verbunden sind. Ein derartiger Hardware- Microprozessor (CAN) wird z.B. in der Zeitschrift "Elektronik-Informationen" 3, 88, Seiten 46 f.f., näher beschrieben.

An den Enden der Leitungen Ll - L8 sind jeweils Bus¬ ankopplungsnetzwerke vorgesehen, und zwar auf Seiten der Verbraucherstationen VS1 - VS8, Stationsnetzwerke SN1 - SN8 und seitens der zentralen Verteileranordnung ZVA Verteilernetzwerke VN1 - VN9. Die Stationsnetz¬ werke SN und die Verteilernetzwerke VN, welche als Busankopplungsnetzwerke verwendet werden, sind analog aufgebaut. Die Verteilernetzwerke VN7 - VN9 sind als Unterverteilungsanordnung UVA zusammengefaßt, welche z.B. für die Signal-Last-Verteilung im Heck eines Kraftfahrzeugs sorgen kann.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist eine sternför¬ mige Netzstruktur dargestellt, bei welcher der Stern¬ knotenpunkt umfassend die Verteilernetzwerke VN1 - VN6 in einem kleinen räumlichen Bereich, z.B. auf einer Platine, angeordnet werden kann. Die Lastleitungen L-. sind vor ihrer Einmündung in den Sternkreuzpunkt mit den Ringleitungen 1 und 2 über Schmelzsicherungen Sl - S6 abgesichert, welche in einem zentralen Siche¬ rungskasten 4 untergebracht sind.

Jede der Leitungen Ll - L8 ist als in Fig. 3 im Schnitt dargestelltes zweiadriges Kabel umfassend eine im Querschnitt größere Lastleitung L, und eine im Querschnitt kleinere Datenleitung L_ ausgebildet.

Jedes in Fig. 2 bzw. 4 im einzelnen dargestellte Sta¬ tionsnetzwerk SN bzw. Verteilernetzwerk'VN umfaßt zwei gegensinnig geschaltete Analogverstärker 0P1 bzw. OP2. Dem Analogverstärker OP1 ist ausgangsseitig ein Aus¬ gangswiderstand Rl nachgeschaltet, der mit seiner an¬ deren Seite über einen Widerstand R6 am Eingang (+) des Analogverstärkers 0P2 liegt. Der Eingang (-) des Analogverstärkers OP2 ist über einen Widerstand R5 mit Masse und über einen Widerstand R4 mit dem Ausgang des Analogverstärkers OP2 bzw. über einen weiteren Wider¬ stand R3 mit dem Ausgang R zu der Verbraucherstation VS verbunden.

Der Eingang (-) des Analogverstärkers 0P1 ist direkt mit dem Ausgang verbunden. Der Eingang (+) ist über einen Widerstand R2 einerseits mit Masse, über eine in Sperr-Richtung-geschaltete Diode Dl mit dem Ausgang

des Analogverstärkers OP2 und mit dem Eingang T zu der Verbraucherstation VS verbunden.

Über die insoweit übereinstimmende Ausgestaltung abge¬ sehen von der Verbindung mit der Verbraucherstation hinaus ist bei den Verteilernetzwerken VN vorgesehen, daß an der Ausgangsseite des Analogverstärkers OP2 zwischen dessen Ausgang und der Diode Dl zwei in Reihe geschaltete Widerstände R7,R8 vorgesehen sind, zwi¬ schen welchen die Leitung zu dem Eingang (-) des Ana¬ logverstärkers 0P2 über den Widerstand R4 mündet, wo¬ bei ein Transistor Tl vorgesehen ist, welcher über die Kollektor-Emitter-Strecke zwischen dem Widerstand R8 und der Diode Dl einerseits und über eine Leuchtdiode D3 andererseits an Masse liegt, und dessen Basis ei¬ nerseits über den Widerstand R9 und andererseits über den Widerstand Rio und die Diode D2 mit dem Ausgang des Analogverstärkers 2 sowie über einen Kondensator Cl mit Masse verbunden ist. Die Verbindung mit der Ringleitung 2 des Sternpunktes erfolgt über eine Lei¬ tung 3, welche zwischen der Diode Dl und dem Eingang (+) des Verstärkers 0P1 mündet. Die Datenleitung L-. mündet am freien Ende des Widerstandes Rl bzw. R6. Die Widerstände R7 - Rio und der Kondensator Cl bilden ein RC-Glied, welches den Schaltpunkt des Transistors Tl festlegt.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung arbeitet wie folgt:

Im Ruhezustand liegt an allen Ein- und Ausgängen T , R , E/A Low-Signal, was dem passiven Pegel entspricht.

Die Schleifenverstärkung der Schaltung T -0P1-R1-R6-0P2-D1 ist kleiner als 1. Der Sendeaus- gang Tx der Verbraucherstation VS bzw. des dort vorge¬ sehenen Hardware-Prozessors weist eine Open-Drain- Schaltung (Open-Kollektor) auf.

Die Diode Dl sorgt für eine sogenannte "Wired-Or- Struktur" des Netzwerkes, d.h. nur der High-Pegel (dominant bit) wird aktiv eingekoppelt. Der Verstär¬ kungsfaktor des Analogverstärkers OP2 wirkt einer zu großen Dämpfung durch die Diode Dl entgegen, so daß sich eine Schleifenverstärkung von knapp kleiner als 1 einstellen läßt, welche erforderlich ist.

Der Sendevorgang läuft wie folgt ab:

Über den Open-Drain-Ausgang T wird niederohmig ein High-Pegel 5V angelegt. Vom Ausgang des Analogverstär¬ kers OPl (Impedanzwandler) gelangt das Signal über den Anpaßwiderstand Rl auf die Datenleitung L _D und gleich¬ zeitig über den Analogverstärker 0P2 zurück auf den Empfängereingang Rx. Sendet der Ausgang Tx ein Low- Signal, d.h. wird Tx hochohmig, bricht auch die Span¬ nung im Netzwerk zusammen (Schleifenverstärkun ^1).

Der Empfangsvorgang läuft wie folgt ab:

Ausgehend von der Umkehrung des vorstehend beschrie¬ benen Sendevorgangs wird angenommen, daß ein High-Sig- nal von der Datenleitung L _D über E/A kommend auf das Verbraucher-Stationsnetzwerk SN gelangt. Der Analog¬ verstärker OPl führt zu diesem Augenblick noch

Low-Signal, d.h. die Signalspannung fällt über Rl ab. Diese Spannung wird über den Analogverstärker 0P2 auf den Eingang des Analogverstärkers OPl zurückgeführt. Dessen Ausgang wird hochgesteuert, was zu einem weite¬ ren Anstieg der Signalspannung am Eingang des Empfän¬ gers, d.h. des Analogverstärkers 0P2 führt. Ein- und Ausgangsverstärker 0P2 bzw. OPl schieben sich also gegenseitig hoch, sobald auf der Datenleitung ein an¬ steigendes Signal liegt. Die Anstiegsgeschwindigkeit der Signale ist durch die "Slew Rate" der Analogver¬ stärker OPl bzw. 0P2 definiert. Fällt das Signal wie¬ der ab, bricht auch die Spannung im Netzwerk SN zusam¬ men (Schleifenverstärkung<l) . Die Dynamik der abfal¬ lenden Flanke hängt außer von der Schleifenverstärkung auch noch von der RC-Charakteristik des Netzwerkes ab, welche durch den Widerstand R2 beeinflußt werden kann.

Aufgrund des analogen Aufbaus funktioniert jedes Ver¬ teilernetzwerk VN entsprechend. D.h. ausgehend von dem Ausgang Tx und über den Analogverstärker OPl gelangt das Signal zum Verteilernetzwerk VN, welches als Empfänger arbeitet und das Signal in die Leitung 2 im Kernbereich der Sternstruktur einkoppelt. Alle anderen Verteilernetzwerke VN der zentralen Verteileranordung ZVA wirken dann als Sender und leiten das Signal wei¬ ter zu den übrigen Verbraucherstationen VS. Dort fun¬ gieren die jeweiligen Stationsnetzwerke SN wieder als Empfänger.

Zur Anpassung der Datenleitungen L _D ist jeweils ein niederohmiger Impedanzwandler Ra kleiner als lo Ohm auf beiden Seiten der Datenleitung L- vorgesehen, der

zusammen mit dem Widerstand Rl für eine genaue Anpas¬ sung sorgt.

Hinsichtlich der Entkopplung des Bussystems muß man zwischen zwei möglichen Fehlerarten unterscheiden:

Kurzschlüsse gegen Masse sind im Hinblick auf den Grundaufbau bzw. die Grundfunktion des Systems unkri¬ tisch. Die Diode Dl im Verteilernetzwerk VN blockt jedes Massesignal aus der zugehörigen Zweigleitung L vom restlichen Bussystem ab.

Hinsichtlich möglicher Kurzschlüsse gegen Plus ist der durch die Widerstände R7 - Rio, den Kondensator Cl, die Diode D2, den Transistor Tl und die Diode Dl ge¬ bildete Schaltungsteil in den Verteilernetzwerken VN vorgesehen.

Dieser Schaltungsteil funktioniert so, daß ein steti¬ ges High-Signal an der Anode der Diode Dl, hervorgeru¬ fen durch einen Kurzschluß der Datenleitung L _D gegen Plus, einen defekten Analogverstärker oder einen zer¬ störten Hardware-Prozessor (CAN) das Bussystem an sich außer Funktion setzen würde. Dem wirkt nun der Transi¬ stor Tl mit Hilfe des Integrators umfassend den Wider¬ stand R9 und den Kondensator Cl entgegen. Entsprechend der Integrator-Zeitkonstante wird der Transistor Tl leitend und schließt damit das statische High-Signal gegen Masse kurz. Entkoppelt durch die Diode Dl kann das restliche Bussystem ungestört weiterarbeiten. Die Kombination des Widerstands Rio mit der Diode D2 sorgt für ein schnelles Zuschalten des Zweiges, falls ein

derartiger Fehler nur kurzzeitig auftritt. Die Wider¬ stände R7 und R8 schützen bei einem derartigen Stör¬ fall den Analogverstärker 0P2 vor Überlastung und wir¬ ken einer Schwingneigung entgegen.

Eine vorstehend beschriebene Schaltungsanordnung wird vorzugsweise so betrieben, daß ein Start-Stop-Modus vorgesehen ist, d.h. das Bussystem soll im Parkzustand abgeschaltet und beim Betätigen irgendeiner Fahrzeug¬ funktion wieder gestartet werden.

In Fig. 4 ist die im Zusammenhang mit Fig. 2 oben näher beschriebene Schaltungsanordnung in erweiterter Form dargestellt:

Mit Hilfe eines Spannungsteilers gebildet durch die Widerstände R2.R14 und R15 wird der Spannungspegel für das Low-Signal auf 1,5 V angehoben. Diese Spannung wird über den Widerstand R17 durch den Transistor T3 überwacht. Der Transistor T2 wird von dem Transistor T3 durchgeschaltet, und damit wird das Netzwerk mit Strom versorgt.

Soll das Bussystem abgeschaltet werden, müssen alle Verbraucherstationen VS gleichzeitig ein Stop-Signal anlegen. Das Potential für das Low-Signal wird dann über den Widerstand R16 auf Masse gezogen, die Tran¬ sistoren T2 und T3 sperren die Stromversorgung und schalten damit das Netzwerk ab.

Ein analoger Vorgang findet in allen anderen Verbrau¬ cherstationen VS statt, so daß die Versorgungsspannung

der zentralen Verteileranordnung ZVA über die Wider¬ stände Rll ebenfalls abgeschaltet wird. Das gesamte Bussystem ist damit spannungslos, d.h. die Wegnahme des Stop-Signals hat keine Auswirkung.

Jede Verbraucherstation VS kann durch einen Start-Be¬ fehl das gesamte Bussystem wieder wecken. Dabei wird zuerst über die Diode D5 und den Widerstand R13 das eigene Netzwerk eingeschaltet und praktisch gleich¬ zeitig über die Diode D4 und den Widerstand R12 ein High-Signal ausgesendet. Dieses Signal startet über den Widerstand Rll die Stromversorgung der zentralen Verteileranordnung ZVA, wird sodann zu allen anderen Verbraucherstationen VS weitergeleitet und bewirkt über den Widerstand R17 den Start aller Stationen.