DE4306361A1 - Datenkommunikationssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Datenkommunikationssystem, ins­ besondere in Kraftfahrzeugen.

Ein in Kraftfahrzeugen gebräuchliches Datenkommunikations- System zur Kontrolle, Verknüpfung und Steuerung einer Mehrzahl von Funktionen ist beispielsweise das CAN-BUS-Sy­ stem. Die an das BUS-System als Endstellen angeschlossenen mehreren Steuergeräte enthalten jeweils eigene Einrichtun­ gen (Spannungsregler) zur Erzeugung einer Betriebsspannung aus der höheren Batteriespannung des Bordnetzes. Die Spannungen auf den Datenleitungen liegen im regulären Be­ trieb innerhalb des Betriebsspannungsbereichs, der mitt­ lere Gleichspannungs­ pegel ist über Widerstandsnetzwerke auf ungefähr die halbe Betriebsspannung eingestellt. Durch Kurzschluß einer Da­ tenleitung gegen Bezugspotential (Masse) oder Batteriepo­ tential oder durch Lösen der Masseverbindung eines End­ stellengeräts kann die gesamte Datenkommunikation unter­ brochen werden.

Das Lösen der Masseverbindung an nur einem Endstellengerät kann durch Verschieben des Gleichspannungspegels auf den Datenleitungen zum Ausfall der gesamten Datenkommunikation führen, obwohl das Kommunikationssystem auch ohne diese eine Endstelle noch mit ausreichender Betriebssicherheit des gesamten Systems einsatzbereit wäre.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Daten­ kommunikationssystem anzugeben, welches auch beim Lösen der Masseverbindung eines Endstellengeräts noch eine Da­ tenkommunikation erlaubt, ohne die Beständigkeit des Sy­ stems gegen einen Kurzschluß mit einem Bordpotential zu beeinträchtigen.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Un­ teransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Die Erfindung ermöglicht auch bei Lösen der Masseverbin­ dung einer Endstelle noch die Datenkommunikation zwischen den übrigen Endstellen, indem das BUS-Potential auf einen noch in den Endstellen verarbeitbaren Wert begrenzt wird. Für den Fall, daß ein Kurzschluß der Datenleitung gegen das Versorgungspotential auftritt, bleibt der Strom durch die Schutzschaltung begrenzt, so daß diese nicht zerstört wird. Eine Datenkommunikation ist in einem solchen Kurz­ schlußfall i.a. nicht mehr möglich. Die Erfindung ist be­ sonders vorteilhaft bei einem symmetrischen BUS-System, insbesondere dem CAN-BUS-System, durch Anordnung der Schutzschaltung in einem für Datensignale im regulären Be­ trieb neutralen Punkt.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch einge­ hend veranschaulicht. Dabei zeigt

Fig. 1 ein symmetrisches BUS-System in Sternstruktur

Fig. 2 eine Anordnung mit einer von Masse gelösten End­ stelle

Fig. 3 die prinzipielle Kennlinie einer Schutzschaltung

Fig. 4 eine erste Ausführungsform einer Schutzschaltung

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer Schutzschaltung.

Das in Fig. 1 skizzierte BUS-System enthält mehrere End­ stellengeräte E1, E2, E3, E4 die mittels symmetrischer Datenleitungen mit Einzelleitern H (11, 21, 31, 41) und L (12, 22, 32, 42), die in einem Netzknoten 10 zusammenlau­ fen, miteinander zum Datenaustausch verbunden sind.

Der Netzknoten enthält eine Lastimpedanz aus zwei in Serie liegenden gleich großen Widerständen 101, 102, die die Einzelleiter H und L der symmetrischen Datenleitung ver­ binden. Der Verbindungspunkt P der beiden Widerstände ist als Mittelabgriff der Lastimpedanz ein für Datensignale neutraler Punkt. Der Kondensator 103 leitet in aus der Pa­ tentanmeldung P 41 35 436 bekannter Weise hochfrequente Gleichtaktstörungen gegen das Bezugspotential Masse ab. Aus Anpassungsgründen kann zu dem Kondensator 103 noch ein niederohmiger Widerstand in Serie liegen.

In Fig. 2 sind die Endstellengeräte in einem für ein CAN- BUS-System typischen Aufbau detaillierter dargestellt. Jede Endstelle besitzt eine eigene Einrichtung 50 zur Ab­ leitung einer Betriebsspannung UB, beispielsweise 5V, aus einer Versorgungsspannung UO, insbesondere der Batterie­ spannung eines KFZ-Bordnetzes. Über Widerstandsnetzwerke 66 wird die Spannung der Datenleitungen H und L im Ruhezu­ stand des BUS-System eingestellt, vorzugsweise auf die halbe Betriebsspannung. Die Transistorenpaare 61, 62 bil­ den die Sendeendstufen der Endstellengeräte und sind über Vorwiderstände 63, 64 mit den BUS-Leitungen H bzw. L ver­ bunden. Die Endstufen einer sendenden Endstelle sind durch komplementäre Steuersignale so angesteuert, daß beim Sen­ den eines rezessiven Bits die Endstufe stromlos und die BUS-Leitungen im Ruhezustand bleiben, während beim Senden eines dominanten Bits ein Strom durch die Endstufe und die Lastimpedanz fließt und durch den Spannungsabfall an der Lastimpedanz eine BUS-Differenzspannung in den Empfänger­ stufen 65 der angeschossenen Endstellen detektierbar ist. Die im regulären Betrieb auf den BUS-Leitungen auftreten­ den Spannungen liegen innerhalb des Bereichs der Betriebs­ spannung.

Bei Auftrennen der Masseverbindung 51 der Endstelle E1 liegt die gesamte Endstelle im wesentlichen auf den Poten­ tial der Versorgungsspannung UO und über das Widerstands­ netzwerk 66 dieser Endstelle wird das Potential der Daten­ leitungen im Ruhezustand auf einen Wert angehoben, der we­ sentlich über dem Gleichtaktbereich der als Empfängerstu­ fen 65 beispielsweise vorgesehenen Komparatoren liegen kann, so daß keine Datenkommunikation zwischen den übrigen Endstellen mehr möglich ist.

Gemäß der Erfindung ist nun eine Schutzschaltung S vorge­ sehen, welche die Datenleitung mit Masse verbindet und im wesentlichen drei deutlich unterscheidbare Bereiche a, b und c der Strom-Spannung-Kennlinie (s. Fig. 3) aufweist.

In einem ersten Bereich a der bis zu einer Schwellspannung US reicht, fließt kein Strom von der Datenleitung durch die Schutzschaltung nach Masse. Die Schwellspannung liegt höher, vorzugsweise nur geringfügig höher, als die im re­ gulären Betrieb auf der Datenleitung maximal auftretende Spannung. Der Datenverkehr im ungestörten Zustand wird so­ mit durch die Schutzschaltung nicht beeinträchtigt.

Im Bereich b oberhalb der Schwellspannung US bis zu einer Eckspannung UE zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinie der Schutzschaltung einen steilen Anstieg des Stroms über der Spannung entsprechend einem niedrigen differentiellen Wi­ derstand. Bei der in Fig. 2 beispielhaft skizzierten Auf­ trennung der Masseverbindung der Endstelle E1 fließt dann ein Strom durch das Widerstandsnetzwerk 66 dieser End­ stelle, der im Ruhezustand des BUS-Systems im wesentlichen durch die Schutzschaltung nach Masse abgeleitet wird. Die Schutzschaltung ist unter Berücksichtigung des Aufbaus der Endstellen so zu dimensionieren, daß der Pegel der BUS- Leitungen in diesem Zustand noch im Gleichtaktbereich der Empfängerstufen 65 liegt. Bei Senden eines dominanten Bits durch eine der vollständig angeschlossenen anderen End­ stellen wird der Pegel auf den Leitungen L durch den ge­ genüber den Netzwerken 66 niederohmigen Vorwiderstand 64 weiter deutlich abgesenkt und die daraus resultierende Differenzspannung zwischen den BUS-Leitungen H und L kann in den Empfängerstufen korrekt detektiert werden. Selbst­ verständlich kann die Dimensionierung der Schutzschaltung in besonderen Fällen durch andere Eckstromwerte IE auch berücksichtigen, den Ausfall mehr als einer Endstelle zu tolerieren.

Im dritten Kennlinienabschnitt c der Schutzschaltung steigt der Strom nur noch gering über der Spannung an ent­ sprechend einem hohen differentiellen Widerstand. Der Ab­ leitstrom durch die Schutzschaltung kann daher auch bei Kurzschluß der Datenleitung gegen die Versorgungsspannung auf Werte begrenzt werden, die eine Zerstörung der Schutz­ schaltung ausschließen. Die Steuergeräte mit den Endstel­ len sind so ausgelegt, daß sie einen Kurzschluß gegen die Versorgungsspannung unbeschadet überstehen.

Die Schutzschaltung ist vorzugsweise an den neutralen Punkt P am Mittelabgriff der Lastimpedanz angeschlossen.

In Fig. 4 ist eine erste Ausführungsform einer gemäß der Erfindung vorgesehenen Schutzschaltung skizziert.

Die Basis eines Leistungstransistors ist über die Paral­ lelschaltung eines Widerstands 115 und eines spannungsbe­ grenzenden Elements, im skizzierten Fall einer Leuchtdiode 116, mit dem ersten Pol I der zweipoligen Schutzschaltung und über die Reihenschaltung einer Zenerdiode 114 und ei­ nes Widerstands 113 mit dem Kollektor des Transistors 111 und dem zweiten Pol II der Schutzschaltung verbunden. Der Emitter des Transistors 111 ist über einen weiteren Wider­ stand 112 an den ersten Pol I angeschlossen. Der erste Pol I der Schutzschaltung ist für die Funktion der Schutz­ schaltung innerhalb des Kommunikationssystems mit Masse, der zweite Pol mit der Datenleitung, vorzugsweise nach Fig. 2 mit dem neutralen Punkt P des symmetrischen BUS-Sy­ stems verbunden.

Solange die Spannung zwischen II und I, d. h. die Spannung der Datenleitung gegen Masse, kleiner als die Summe aus Durchbruchspannung der Zenerdiode und Basis-Emitterspan­ nung von Transistor 111 ist, sperrt der Widerstand 115 den Transistor und es fließt kein Strom von II nach I. Dies entspricht dem Bereich a der Kennlinie nach Fig. 3. Mit zunehmender Spannung zwischen II und I öffnet der Transi­ stor 111 und der Strom steigt über der Spannung schnell an entsprechend dem Kennlinienbereich b. Der differentielle Widerstand der Schutzschaltung wird in diesem Bereich im wesentlichen durch den Widerstand 112 bestimmt. Aufgrund der Begrenzung der Basisspannung durch die Durchlaßspan­ nung der Leuchtdiode 116 bleibt im dritten Bereich der Kennlinie der Ableitstrom durch die Schutzschaltung annä­ hernd konstant. Der differentielle Widerstand in diesem Bereich ist durch den Widerstand 113 geprägt. Der mit zu­ nehmender Spannung noch geringfügig ansteigende zusätzli­ che Strom durch die Reihenschaltung des Widerstands 113 und der Zenerdiode 114 wird über die Leuchtdiode 116 abge­ leitet.

Die in Fig. 5 skizzierte Ausführungsform einer Schutz­ schaltung ist gegenüber der in Fig. 4 gezeigten Form vor­ teilhafterweise monolithisch integrierbar. Die Zenerdiode ist durch einen als Diode in Sperrichtung geschalteter Transistor 124 mit definierter Durchbruchspannung, die Leuchtdiode durch die Reihenschaltung 126 mehrerer als Di­ oden in Durchlaßrichtung geschalteter Transistoren reali­ sierbar. Im übrigen gelten die Ausführungen zur Funktions­ weise wie bei Fig. 4.

Die Erfindung ermöglicht mit geringem Aufwand die Weiter­ führung der Datenkommunikation bei Lösen der Masseverbin­ dung bei einem Steuergerät bei gleichzeitiger Sicherheit gegen Zerstörung für den Fall eines Kurzschlusses gegen die Versorgungsspannung.

Claims (6)

1. Datenkommunikationssystem, insbesondere in Kraftfahr­ zeugen, mit BUS-Struktur, gekennzeichnet durch eine zwi­ schen Datenleitung und Bezugspotential liegende Schutz­ schaltung mit drei Strom-Spannungs-Kennlinienbereichen a, b und c wobei

• a) unterhalb einer Schwellspannung, die über der re­ gulären Spannung der Datenleitung liegt, zwischen Datenleitung und Bezugspotential kein Ableitstrom durch die Schutzschaltung fließt
• b) oberhalb der Schwellspannung unterhalb einer Eck­ spannung ein steiler Anstieg des Stromes über der Spannung erfolgt und
• c) oberhalb der Eckspannung der Strom durch die Schutzschaltung begrenzt ist.

2. Datenkommunikationssystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Datenleitung als Doppelleitung eines symmetrischen BUS-Systems ausgeführt ist und eine zwischen den beiden Leitungen liegende Lastimpedanz an einem Mit­ telabgriff einen für Datensignale neutralen Punkt auf­ weist, und daß die Schutzschaltung zwischen den Mittelab­ griff und Bezugspotential gelegt ist.

3. Datenkommunikationssystem nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß parallel zu der Schutzschaltung ein Kon­ densator angeordnet ist.

4. Datenkommunikationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um ein CAN-BUS- System in Sternstruktur handelt und die Schutzschaltung im neutralen Punkt des Sternknotens angeschlossen ist.

5. Datenkommunikationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschaltung als Kombination eines Konstantspannungsquerreglers und einer Konstantstromquelle ausgeführt ist.

6. Datenkommunikationssystem nach Anspruch 5, gekenn­ zeichnet durch eine Konstantstromquelle mit einem Transi­ stor, in dessen Basiskreis eine Reihenschaltung aus einer Zenerdiode und einem Widerstand angeordnet ist, durch die die Schutzschaltung bis zu dem maximalen Fehlstrom im we­ sentlichen als Konstantspannungsquerregler arbeitet.