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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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1. Gebiet
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Steuersystem nach Anspruch 1
für ein
Fahrzeug.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Aus
US-A-5,475,818 (Präambel
von Anspruch 1) ist ein auf einem Mikroprozessor basierendes Datenkommunikations-Controller
Board bekannt, das mindestens einen Mikrorechner einschließt und der
Steuerung von Kommunikationsabläufen über eine
Vielzahl von Bussen mit unterschiedlichen elektrischen Bestimmungsgrößen, die verschiedene
Kommunikationsverfahren nutzen, dient. Das Board schließt eine
erste Schnittstelle ein für
die Verbindung des auf einem Mikroprozessor basierenden Datenkommunikations-Controller
Boards mit einem ersten Kommunikationsbus, der ein serielles Master/Slave-SDLC-Mehrpunkt-Kommunikationssystem
bereitstellt. Das Board schließt
außerdem eine
zweite Schnittstelle ein, um das auf einem Mikroprozessor basierende
Datenkommunikations-Controller Board mit mindestens einem zweiten Kommunikationsbus
zu verbinden, der ein Manchester-kodiertes HDLC-Master/Slave-Mehrpunkt-Kommunikationssystem
bereitstellt. Dieses bekannte Board schließt auch eine dritte Schnittstelle ein,
um das auf einem Mikroprozessor basierende Datenkommunikations-Controller
Board mit einem dritten Kommunikationsbus zu verbinden, der ein
paralleles Nachrichtenaustausch-Kommunikationssystem von Prozessor
zu Prozessor bereitstellt.
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Auf
einem einfachen Niveau kann die Kommunikation zwischen zwei Agenten
physikalisch von den Kommunikationen, die zwischen anderen Agenten
stattfinden, getrennt gehalten werden. Wo zwei oder mehr Signale
nicht den gleichen physikalischen Raum nutzen, besteht keine Notwendigkeit,
die Signale zeitlich oder nach Träger wellenfrequenz zu trennen.
Diese Art von Kommunikationsschema wird manchmal als physisches
bzw. physikalisches Multiplexen (physical division multiplexing)
bezeichnet, obwohl der Ausdruck Multiplexen üblicherweise für Verfahren
reserviert ist, bei denen mehrere Signale einem einzigen Medium
oder physischen Raum zugeordnet sind. Das sogenannte physikalische
Multiplexen beschreibt, wie Kraftfahrzeuge traditionell verkabelt
werden. Die Verwendung einzeln zugeordneter Drähte, um jeden Schalter und
jede Lampe zu verbinden, ist eine Art des physikalischen Multiplexens. Es
ist offensichtlich, daß das
physikalische Multiplexen, obwohl von der Idee her einfach, zur
Verwendung vieler Drähte
(dem klassischen Kraftfahrzeug-Kabelbaum) führt, die während der Herstellung schwierig
einzubauen und im Einsatz schwer zu warten sind.
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Anordnungen,
die es ermöglichen,
daß eine Reihe
von Agenten über
eine gemeinsame physikalische Schicht oder ein gemeinsames Medium
miteinander kommunizieren, bieten eine größere Einfachheit des Aufbaus.
Die intelligente Kommunikation zwischen zwei oder mehr Geräten aus
einer größeren Zahl
von Geräten,
jeweils über
ein gemeinsames Medium, hängt
davon ab, ob die Kommunikationsgeräte in der Lage sind, an sie
gerichtete Nachrichten von anderen Nachrichten, die sie ebenfalls
empfangen, die aber nicht an sie gerichtet sind, zu unterscheiden
und zu verstehen. Der Prozeß des
Unterscheidens von Nachrichten hängt
davon ab, daß der Übermittler
der Nachricht der Nachricht irgendwelche Attribute zuordnet, welche
diese für
den beabsichtigten Empfänger
identifizierbar macht. Bei der Unterhaltung zwischen Personen können die
meisten Menschen ohne Weiteres Worte, die an sie gerichtet sind,
anhand der unterscheidenden Merkmale der Stimme der Person, die
mit ihnen redet, von den daneben hörbaren Sprechgeräuschen einer
Menge unterscheiden Wenn es sich bei den Gruppenmitgliedern um elektrische
Komponenten handelt, beinhaltet das Problem ebenfalls die Identifizierung
eines unterscheidenden Merkmals des Signals. Geeignete Attribute
für Signale
können
verschiedene Formen haben.
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Eine
Leitung, die ein Signal von einem entfernten Schalter zu einer Lampe überträgt, um diese ein-
oder auszuschalten (dadurch, daß ein
zweiter Schalter, der sich an der Lampe befindet, seinen Zustand ändert, um
die Verbindung der Lampe zwischen einem Leistungsbus und der Masse
zu ändern),
wird nur selten geschaltet. Bei einer typischen Fahrt tritt solch
eine Zustandsänderung
nur ein- oder zweimal auf, falls überhaupt. Wenn eine solche
Leitung nicht dafür
da ist, die Lampe mit Energie zu versorgen, und einfach Änderungen
des Zustands des lokalen Schalters, der die Lampe steuert, anweist, hat
die Leitung die Kapazität,
viel mehr Daten zu bewältigen
als die gelegentlichen Anweisungen zum Ein- und Ausschalten einer
Lampe. Das Ziel, die Einfachheit der Herstellung und Wartung aufrechtzuerhalten,
wird vorzugsweise dadurch erreicht, daß man zuläßt, daß Kommunikationen zwischen
einer Reihe von Komponenten in einem einzigen Medium stattfinden,
oder zumindest in so wenig Kommunikationsleitungen wie möglich. Die
Leitung, die verwendet wird, um den Schalter und die Lampe zu verbinden,
kann eine Reihe von Komponenten miteinander verbinden, indem sie
Nachrichten zwischen beliebigen Gruppierungen von Elementen überträgt, wenn
sie nicht dafür
benötigt
wird, eine Anweisung zum Einschalten an eine Lampe zu übermitteln.
Ein Weg, dieses Ziel zu erreichen, ist ein Art der Kommunikation, bei
der die Zeit in Scheiben aufgeteilt wird, in denen spezielle Kombinationen
von Komponenten eine Signalleitung benutzen können. Solche Verfahren sind
in der Technik gut bekannt und sind Beispiele für Zeitmultiplex-Verfahren (TDM).
In Kraftfahrzeugen bieten Zeitmultiplex-Verfahren und verwandte
Multiplextechniken eine wesentliche Vereinfachung der physikalischen
Schicht, die erforderlich ist, um die Steuerung von Fahrzeugaufgaben
zu unterstützen.
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Starre
Zeitmultiplex-Kommunikationen scheinen Datensignale über ein
einziges physikalisches Medium in ein einziges serielles Signal
zu verschachteln. Multiplex-Kommunikationssysteme
bieten auch die umgekehrte Funktion (Demultiplexen) der Aufteilung
eines einzigen Signals in mehrere, nicht synchrone digitale Signale.
Wo die Anforderungen an die Kapazität des Datenübertragungsmediums nicht besonders
hoch sind, kann jede Einheit das Medium in Anspruch nehmen, vorausgesetzt,
es ist eine Kollisionserkennung bereitgestellt und andere Hinweise,
wie Adreßheader,
zeigen das Ziel des Signals an.
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Wenn
sie in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, stellen Multiplex-Kommunikationen über serielle Datenbahnen
eine wirksame Methode dar, um die Zahl der reservierten Kommunikationsbahnen
zwischen den zahlreichen Schaltern, Sensoren, Geräten und
Instrumenten, die in den Fahrzeugen eingebaut sind, zu reduzieren.
Mit jedem Zuwachs an Zahl und Art von Zubehörteilen und Funktionen, die
in jedem Fahrzeug installiert sind, wird der Vorteil der Verwendung
einer einzigen seriellen Mulitplex-Nachrichtenverbindung zum Übertragen
von Befehlen an und Empfangen von Informationen von Fahrzeuggeräten, die
so verschieden sind wie Fahrzeugleuchten und Hinterachs-Temperatursensoren,
größer. Das
Multiplexen der Signale zu und von lokalen Steuereinrichtungen und
Schaltern für
Fahrzeugsysteme verspricht eine größere physikalische Einfachheit
durch den Wegfall eines großen
Teils des Fahrzeug-Kabelbaums, eine Reduzierung der Herstellungskosten, eine
Erleichterung des Verbraucher-Managements und eine verbesserte Zuverlässigkeit
des Systems.
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Die
spezielle Art und Weise der Implementierung von Multiplex-Kommunikationsabläufen liegt
außerhalb
des Bereichs der vorliegenden Erfindung, welche ein definiertes
Protokoll, das SAE J1939-Protokoll, anwendet. Die Entwicklung der
J1939-Serie von
Standards für
Multiplex-Kommunikationsabläufe durch
die Society of Automotive Engineers bezeugt den Fortschritt bei
der Anwendung von Multiplex-Kommunikationsabläufen in Fahrzeugen. Es werden
oder wurden Standards entwickelt bezüglich des Kommunikationswegs,
der Übertragungskollisionserkennung,
von Diagnoseports und Datenprotokollen und anderen Themen. Das J1939-Protokoll
liefert ein offenes Protokoll und eine offene Definition der Leistungsanforderungen
an das Medium der physikalischen Schicht, ermöglicht aber auch die Entwicklung von
proprietären
Protokollen. Das SAE J1939-Protokoll ist eine spezialisierte Anwendung
eines Controlled Area Network (CAN) und kann ohne weiteres unter
Verwendung von handelsüblichen
integrierten Schaltkreisen implementiert werden, wie dem integrierten
Schaltkreis C167 von Siemens, Deutschland.
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Ein
serielles Kommunikationssystem, das ein Multiplexschema nutzt, kann
mehrere digitale Fernsteuereinrichtungen, die über ein Fahrzeug verteilt sind,
mit einer Steuereinrichtung für
das elektrische System (electrical System controller, ESC) für die Zweiwegkommunikation
verknüpfen.
Digitale Fernsteuereinrichtungen sind adressierbar, wodurch sie
fähig sind,
auf Signale zu antworten, aufgrund derer sie bestimmte Funktionen
initialisieren sollen. Sie können
auch eine Programmierung einschließen, die es dem Gerät ermöglicht,
auf lokale Gegebenheiten zu reagieren ebenso wie die zustandsanzeigenden Signale,
die von der Steuereinrichtung bereitgestellt werden, zu konditionieren.
Die ESC kann Anforderungen und Befehle weitergeben, die sie für die Betätigung verschiedener
Geräte
empfangen hat und die an die korrekte Fern-Steuereinrichtung adressiert sind,
und zwar so, daß Zeitpunkt
und Dauer der Antworten auf Anfragen konditioniert werden, um die Verbrauchssituation
des Fahrzeugs insgesamt besser zu bewältigen.
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Das
US-Patent 4,809,177, Windle et al., das dem Inhaber dieses Patents übertragen
ist, betrifft ein Multiplex-Kommunikationssystem, in dem eine zentrale
Steuereinrichtung Signale für
verschiedenen Aufgaben zugeordnete Steuereinrichtungen, die in einem
Fahrzeug verteilt sind, organisiert. Die verteilten Steuereinrichtungen
wiesen die Fähigkeit
zur internen Datenverarbeitung und Programmierungen auf. Unter diesen
Steuereinrichtungen waren Motor-, Innenraum- und Fahrwerksteuerungen.
Das Umfeld von Windle et al. ist ein beschränktes Multiplex-Umfeld, wo
ein großer
Teil der Verantwortung für
den Betriebsablauf auf die lokalen, spezialisierten Steuereinrichtungen
verteilt ist.
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Windle
et al. lehren eine Steuereinrichtung, die einem einzigen physikalischen
Design folgt, das sich sowohl für
die Verwendung als Fahrwerksteuerung als auch als Innenraumsteuerung
eignet. Die Fahrwerksteuerung bedient die Motorbremsen, die Zündung, den
Klimaanlagenkompressor und einige Außenlichter, während die
Innenraumsteuerung andere Außenlichter,
den Klimaanlagenkompressor, den Scheibenwischermotor und andere
Funktionen bedient. Die zweifunktionale Steuereinrichtung ist ein auf
einem Mikrorechner basierendes System, das Programme ausführt, die
im lokalen Speicher hinterlegt sind. Die Steuereinrichtung ist in
der Lage, unterschiedliche Funktionsgruppen zu bewältigen,
je nach Programmierung für
diese Funktionsgruppen und durch verschiedene Eingaben an das Gerät. Das Umprogrammieren
schließt
das Überschreiben
des nicht-flüchtigen
Speichers oder das Ersetzen von programmierbaren Festwertspeicher-Einheiten
ein.
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Windle
et al. erkannten, daß es
von Vorteil wäre,
wenn eine Steuereinrichtung für
verschiedene Aufgaben gestaltet werden könnte, die einem einzigen physikalischen
Design folgt, und zwar im Hinblick auf geringere Entwicklungs- und
Herstellungskosten und eine zu erwartende höhere Zuverlässigkeit. Trotz dieser Erkenntnis
liefert die Lehre des Windle-Patents keine Lehre zu einer generalisierten
physikalischen Schicht, in der zahlreiche spezialisierte Funktionen
durch Programmierung implementiert sind. Windle et al. versuchten
nicht, die Idee einer Steuereinrichtung mit nur einem Design über eine
Umgebung hinaus anzuwenden, wo die Anforderungen an die Steuereinrichtung
völlig
vorhersehbar waren, noch versuchten sie, die verteilten Steuereinrichtungen
von spezialisierten Programmen zu befreien.
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Es
würden
sich zahlreiche Vorteile ergeben, wenn ein Hersteller in die Lage
versetzt würde,
ein Fahrwerk mit einer generalisierten physikalischen Steuerungsschicht
bereitzustellen, auf der eine Programmierung eine erweiterte Funktionalität bereitstellen
kann. Beispielsweise stellen die Hersteller von Luxus-Reisebussen,
Feuerwehrautos und Krankenwägen
jeweils hoch spezielle Anforderungen an das elektrische System eines
Fahrzeugs, die dem Fahrwerkhersteller nicht immer bekannt sein müssen. In
einigen Fällen
können
diese Anforderungen sogar spezifisch für ein bestimmtes Fahrzeug sein. Beispielsweise
kann ein Hersteller von Reisebussen wünschen, ein maßgeschneidertes,
zonenaktiviertes Luftkühlungssystem
in einem Fahrzeug zu installieren. Solche spezialisierten Systeme
oder Fahrzeugaufgaben haben bisher die Unterstützung komplexer, maßgeschneiderter
Verdrahtungssysteme erfordert. Wenn ein Reisebushersteller in der
Lage wäre,
serielle Kommunikationssysteme an die Funktionalitätsanforderungen
verschiedener Karosserien anzupassen, und er außerdem in der Lage wäre, die
Funktionalität
von Zubehörteilen
zu spezifizieren, ohne daß diese
Funktionalität
eine Verdrahtung in dem Fahrzeug erfordert, könnten erhebliche Vorteile hinsichtlich
der physikalischen Einfachheit und der Verläßlichkeit erzielt werden.
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Erhebliche
Massenproduktionsvorteile könnten
erzielt werden, wenn eine standardisierte Komponente für verschiedene
Aufgaben in marktüblichen Fahrzeugen
eingesetzt würde.
Die Fähigkeit,
ein solches Gerät
zu unterstützen,
würde auch
die Montage erleichtern und kleinere Einbauteile ermöglichen,
wie teilweise von Windle et al. erreicht. Eine solche generische
Steuerungsweise würde
eine größere Differenzierung
in Fahrzeugen ökonomisch
möglich
machen.
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Windle
et al. faßten
die Verwendung von voll programmierbaren lokalen Steuereinrichtungen
ins Auge, die durch Umprogrammieren an eine definierte Gruppe von
Aufgaben angepaßt
werden können.
In jüngerer
Zeit haben die Hersteller von Haupt-Antriebsstrangkomponenten eine reservierte
Steuereinrichtung unter Verwendung des offenen Protokolls des J1939-Standards
aufgenommen. Diese Hersteller erlauben eine begrenzte Art der Konfigurationsprogrammierung
der Steuereinrichtungen, um die Werte bestimmter Fahrzeug-Betriebsparameter
zu ändern.
Konfigurationsdaten werden verwendet, um die Werte bestimmter Regelungsparameter
zu ändern,
wie die Leistungskurven der PS-Zahl/des Motormoments, die Kraftstoffverbrauchsraten,
die Fahrgeschwindigkeits-Regelleistung; jedoch wurden die funktionellen
Definitionen der Eingangs- und Ausgangsschnittstellen der Steuereinrichtungen
nicht geändert,
und die Konfigurationsprogrammierung bleibt weiterhin bei der lokalen
Steuereinrichtung.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Aufgabe
der Erfindung ist die Bereitstellung eines Fahrzeug-Kommunikations- und Steuersystems,
das einheitliche physikalische Schichten über Fahrzeuggruppen mit zunehmend
differenzierten Aufgabenstellungen unterstützt.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Minimierung der
Zahl und der Varietät
der lokalen Steuereinrichtungen, die in der physikalischen Schicht
benötigt
werden, um die Fahrzeugaufgaben zu implementieren.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
einer physikalischen Schicht für ein
Kommunikations- und Steuersystem, das durch die Verwendung von in
großen
Stückzahlen
herstellbaren, in ihrer Funktion generischen lokalen Steuereinrichtungen,
die das Kommunikations- und Steuersystem von Eingabe- und Ausgabebeschränkungen befreien,
kostengünstig
herzustellen ist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die obige Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden
Teils von Anspruch 1 gelöst.
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Verbesserte
Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Steuersystems
resultieren aus den Unteransprüchen.
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Gemäß der Erfindung
wird ein Fahrzeug bereitgestellt, das eine Vielzahl von elektrischen
Verbrauchern aufweist, die sich untereinander bezüglich der
benötigten
Spannung, des Stromverbrauchs, der Verbrauchsdauer und der Variationsmöglichkeit
der Erregungspegel unterscheiden. Das Fahrzeug schließt üblicherweise
eine Vielzahl von Antriebsstrangkomponenten ein, wie Motoren, Getriebe
und Antiblockiersysteme, die einer elektrischen Steuerung unterliegen.
Jede Hauptantriebsstrang-Komponente weist ihre eigene autonome Steuereinrichtung auf,
die ein lokales Programm ausführt,
die aber auf Anforderungen reagiert, welche die Steuereinrichtung
von einem Steuernetz empfängt.
Jede autonome Steuereinrichtung schließt ein Mittel ein, um Anforderungen
zu empfangen, die sich auf eine Antriebsstrang-Komponente beziehen,
sowie ein Mittel zum Überwachen
des Antriebsstrang-Komponentenstatus, um Statusmitteilungen über das
Netzwerk, das einen ersten seriellen Datenbus einschließt, an eine
Steuereinrichtung für
das elektrische System zu liefern.
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Die
Erfindung schließt
ferner mindestens eine abhängige
Steuereinrichtung für
Zubehörkomponenten
ein. Die abhängige
Steuereinrichtung schließt
eine Vielzahl von Ports ein, die für die Funktionsdefinition zur
Verfügung
stehen. Die abhängige Steuereinrichtung
schließt
einen Rechner ein, der einer Fernsteuerung unterliegt, um alle Funktionen
der abhängigen
Steuereinrichtung zu spezifizieren. Ein zweiter serieller Datenbus
verbindet die abhängige Steuereinrichtung
und die Steuereinrichtung für
das elektrische System.
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Die
Steuereinrichtung für
das elektrische System schließt
einen Speicher ein zum Hinterlegen eines Kernprogramms, von Definitionsdaten
für die abhängige Steuereinrichtung
und von Statusanzeigen, die sowohl von den autonomen als auch den
abhängigen
Steuereinrichtungen erhalten werden. Das Kernprogramm und die Definitionsdaten
werden vorzugsweise in einem nicht-flüchtigen Speicher hinterlegt,
können
aber überschrieben
werden, falls erforderlich. Die Steuereinrichtung für das elektrische System
beruht auf einem zentralen Rechner, der über einen Bus mit dem Speicher
verbunden ist, um auf das Kernprogramm zuzugreifen und um dieses mit
den Definitionsdaten und den Statusanzeigen auszuführen. Spezifische
Eingaben für
die abhängigen
Steuereinrichtungen werden erzeugt, sowohl um Funktionsdefinitionsbefehle
an die abhängigen
Steuereinrichtungen auszugeben als auch um bestimmte Aktionen durchzuführen. Die
Steuereinrichtung für das
elektrische System schließt
ferner Steuereinrichtungen für
den seriellen Bus ein, welche für
das Multiplexen von Funktionsdefinitionsbefehlen über den zweiten
seriellen Datenbus sorgen.
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Zusätzliche
Wirkungen, Merkmale und Vorteile werden aus der nachfolgenden Beschreibung deutlich.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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Die
neuartigen Merkmale, die als kennzeichnend für die Erfindung angesehen werden,
werden in den beigefügten
Ansprüchen
ausgeführt.
Die Erfindung selbst jedoch, ebenso wie eine ihrer bevorzugten Anwendungsweisen,
ihre weiteren Ziele und Vorteile, werden am besten mit Bezug auf
die folgende detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels verstanden,
wenn diese in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung betrachtet
wird, worin:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines elektrischen Fahrzeugsystems ist;
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2 ein
High Level-Blockdiagramm des Steuernetzes eines Fahrzeugs ist;
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3 eine
schematische Darstellung der Anordnung von Datenschnittstellen für die erfindungsgemäße Steuereinrichtung
des zentralen elektrischen System sist;
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4 ein
detailliertes Blockschema des Steuernetzes der vorliegenden Erfindung
ist; und
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5 eine
schematische Darstellung der Anordnung des Steuernetzes der vorliegenden
Erfindung in einem Lastwagen ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 ist
eine perspektivische Darstellung eines elektrischen Fahrzeugsystems 10,
das in einem Fahrzeug 13 installiert ist. Das Fahrzeug-Steuersystem 10 schließt eine
Steuereinrichtung für
das elektrische System (ESC) (30) ein, wobei es sich um
die Hauptkomponente eines elektrischen Fahrzeugsystems handelt.
Die ESC 30 verwaltet eine Reihe von funktionalen Steuereinrichtungen,
die im Fahrzeug 13 angeordnet sind, und führt ein
Verbraucherverwaltungsprogramm aus, welches den Gesamtverbrauch, der
an das elektrische System und den Antriebsstrang des Fahrzeugs durch
zahlreiche in dem Fahrzeug eingebaute Zubehörteile angelegt wird, überwacht.
Die aktivsten Komponenten werden direkt von einer Gruppe autonomer
funktionaler Steuerungen gesteuert, welche einen Instrumenten-Cluster 14, eine
Motorsteuerung 20, eine Getriebesteuerung 16, eine
Hilfsinstrumenten- und Schalterbank 12 und ein Antiblockiersystem
(ABS) 22 einschließen,
die alle über
einen seriellen Datenbus 18 mit der ESC 30 verbunden
sind. Die autonomen Steuereinrichtungen beinhalten die lokale Datenverarbeitung
und Programmierung und werden in der Regel durch den Hersteller
der gesteuerten Komponente bereitgestellt. Die serielle Datenverbindung 18 ist
ein verdrehtes Kabelpaar, das gemäß dem SAE J1939-Standard aufgebaut
ist und von außen über einen
Diagnoseport 36 zugänglich
ist. Obwohl die autonomen Steuereinrichtungen zahlreiche Funktionen
lokal bewältigen
und komplizierte Funktionen ohne Bezug auf die ESC durchführen, liefern
sie Daten an die ESC 30 und können Operationsanforderungen
von der ESC 30 empfangen.
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Eine
zweite serielle Datenverbindung 42 verläuft von der ESC 30 zurück zu einem
Fernschnittstellen-Modul 40. Das Fernschnittstellen-Modul 40, ähnlich wie
die autonomen Steuereinrichtungen, liefert lokale Steuersignale
an elektrische Geräte,
die im Fahrzeug 13 eingebaute elektrische Verbraucher darstellen
oder solche steuern. Obwohl das Fernschnittstellen-Modul 40 zur
Datenverarbeitung fähig ist,
beinhaltet es in der Regel eine minimale lokale Programmierung und
ist bezüglich
seiner Operation von Signalen abhängig, die es von der ESC 30 über die
zweite serielle Datenverbindung empfängt, und wird durch diese funktional
spezifiziert. Somit werden die RIMs 40 hierin als abhängige Steuereinrichtungen
bezeichnet.
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Bei
den auf die Systeme des Fahrzeug 13 wirkenden Verbrauchslasten
handelt es sich in der Regel um elektrische Verbraucher, sie können jedoch auch
elektronisch gesteuerte Verbindungen von mechanischen Geräten mit
dem Antriebsstrang des Fahrzeugs 13 einschließen. Die
Gangwahl in einem Automatikgetriebe wäre ein Beispiel für solch
eine Anordnung. Andere elektronisch gesteuerte nicht-elektrische
Verbraucher können
die Steuerung einer Kupplung für
einen Klimaanlagenkompressor oder die Betätigung von Pumpen, die vom
Fahrzeug-Antriebsstrang angetrieben werden, einschließen. Das
Verbrauchsverwaltungsprogramm kann, je nach den Leistungsanforderungen
durch die Komponenten, einschließlich von Zubehörteilen,
die von einem RIM 40 gesteuert werden, über die Motorsteuerung 20 eine
erhöhte
Leistungsabgabe vom Motor verlangen.
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Der
Meßgeräteblock 14,
die Getriebesteuereinrichtung 16 und die Motorsteuereinrichtung 20 kommunizieren
jeweils mit der Steuereinrichtung 30 des elektrischen Systems,
die ebenso die Eingaben überwacht,
die über
die serielle Kommunikationsverbindung im Kabelbaum 18 von
der Hilfsinstrument- und Schalterbank 12 empfangen werden.
Die Steuereinrichtung 30 für das elektrische System kann
so programmiert werden, daß sie
die normalen Antwortcharakteristiken des Meßgeräteblocks 14, der Getriebe-Steuereinrichtung 16 und
der Maschinensteuereinrichtung 20 außer Kraft setzt, falls die
elektrischen und mechanischen Belastungen die Kapazität des Fahrzeugs überschreiten
sollten, falls die Anforderungen miteinander im Konflikt stehen
oder unter andern Umständen.
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Ein
RIM 40 ist eine universelle Funktionssteuerungs-Schnittstelle,
welche das Anbringen von verschiedenen Zubehörgeräten am Fahrzeug 13 erlaubt.
Der RIM 40 stellt eine Vielzahl von Ports bereit, die jeweils
folgendes ermöglichen:
analoge Eingaben; analoge Ausgaben; digitale Eingaben und digitale
Ausgaben. Die Bezeichnung eines speziellen Ports als beispielsweise
Ausgangsport bedeutet nicht unbedingt, daß er ausschließlich als
Ausgangsport funktioniert. Ein Ausgangsport kann beispielsweise
Spannungsabfall-Erfassungselemente, Stromfluß-Erfassungselemente oder beides
einschließen, welche
es der ESC 30 ermöglichen
festzustellen, ob beispielsweise ein Leuchtmittel in einer Lampe,
die mit dem Ausgangsport verbunden ist, funktionsfähig ist,
oder ob ein Kurzschluß in
einem angeschlossenen Gerät
vorliegt.
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2 ist
eine schematische Darstellung des Fahrzeug-Steuersystems 10.
Die Steuervorrichtung 30 für das elektrische System kommuniziert
mit den lokalen aufgabengebundenen Steuereinrichtungen über eine
von zwei seriellen SAE J1939-Haupt-Datenverbindungen 18 und 42.
Der J1939-Standard liefert sowohl ein offenes Protokoll als auch
ein proprietäres
Protokoll, die sich hinsichtlich der Formatierung der Informationen,
die über
die seriellen Datenverbindungen übermittelt
werden, unterscheiden. Somit können
die seriellen Datenverbindungen 18 und 42 gleiche
oder unterschiedliche Kommunikationsprotokolle verwenden. Steuereinrichtungen
für im
wesentlichen gemeinsame Fahrzeugkomponenten, wie Getriebe, Motoren
und dergleichen, kommunizieren mit der ESC 30 über die
serielle Datenverbindung 18, für die ein offenes Protokoll
verwendet wird. Eine Diagnoseverbindungseinrichtung 36 schaltet
sich in die serielle Datenverbindung 18 ein, über die
Teile der Programmierung der ESC 30 überschrieben werden können. In
der dargestellten Ausführungsform
sind durch die ESC 30 drei Fern-Schnittstellenmodule über die
serielle Datenverbindung 42 definiert, um als Fern-Netzschalter 40(A),
Fern-Motorsteuereinrichtung 40(B) und Fern-Luftsteuereinrichtung 40(C) zu fungieren.
Die genauen Funktionen der verschiedenen Fern-Schnittstellenmodule
sind hier nicht wichtig und lediglich als Beispiele angegeben. Die
Anordnung der Steuerung der Hauptantriebsstrang-Komponenten des
Fahrzeugs, des Fahrzeug-Meßgeräteblocks
und des Diagnoseports 36 auf der seriellen Datenverbindung 18 und
die Bereitstellung einer zweiten seriellen Datenverbindung 42,
um die Kommunikation zwischen den definierbaren, abhängigen Steuereinrichtungen
(Fernschnittstellen-Modulen 30) zu transportieren, trennt
die Haupt-Fahrzeugelemente in einer geschützten Partition über die
Verbindung 18 ab, welche von der vom Bediener definierten Funktionalität isoliert
ist, die über
die serielle Datenverbindung 42 implementiert wird.
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Die
ESC 30 sorgt auch für
die Überwachung von
mehreren Zweizustands-Schaltern
aus einer Reihe von Schalterbänken 51 über eine
SAE J1708-Datenverbindung 52 mit relativ niedriger Baudrate.
Die ESC 30 kann auch direkt mit mehreren Geräten und
Sensoren verbunden werden, die als diskrete Ausgänge 53 und diskrete
Eingänge 55 gruppiert
sind.
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3 ist
ein Blockschema der verschiedenen Elemente der ESC 30.
Die ESC 30 schließt
eine feste Zahl von Schnittstellenverbindungen zum Lesen von Zweizustands-(d.h. Ein/Aus-)Schaltern
ein. Diese Eingänge
sind zum Lesen von Warnlichtsensoren geeignet, die üblicherweise
für eine
Erdung des Fahrzeugs sorgen, um anzuzeigen, daß der Sensor aktiv ist. Eine
Offenschaltungsverbindung wird von dem Sensor bereitgestellt, um
den inaktiven Zustand anzuzeigen. Eine weitere Zusammenstellung
von Eingängen
wird als analoge Eingänge
bezeichnet. Diese Eingänge
werden einer Erkennung, einer Analog-zu-Digital-Umwandlung und einer
Speicherung als repräsentativer
Binärwert
im flüchtigen
RAM-Abschnitt des Speichers 60 für die weitere Verarbeitung unterzogen.
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Eine
Vielzahl von diskreten Ausgangsschnittstellen kann leistungsarme
Relais-Treiberverbindungen
einschließen,
die in der Lage sind, eine elektro-mechanische Re laiseinrichtung,
die an anderer Stelle im Fahrzeug angeordnet ist, und in das Fahrzeug-Energieverteilungssystem
(nicht dargestellt), zu aktivieren. Die ESC 30 liefert
auch leistungsstarke Festzustands-Ausgangskanäle. Die leistungsstarken Festzustands-Ausgangskanäle der Netzschalter
können
bis maximal zehn bis zwanzig Ampere bei einem Batteriespannnungspegel
von 14 Volt bewältigen
Die direkten Eingangs- und Ausgangskanäle können funktional durch Konfigurationsprogrammierung
der ESC 30 definiert werden. Falls die Zahl der Kanalschnittstellen
nicht ausreicht, werden der seriellen Datensonderverbindung 42 eine oder
mehrere RIMs 40 hinzugefügt.
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Die
ESC 30 weist drei serielle Datenschnittstellen auf, die
diejenigen der beiden seriellen J1939-Datenverbindungen 18 und 42 einschließen. Die
seriellen J1939-Datenverbindungen arbeiten bei Baudraten von 250
K und sorgen, wie oben beschrieben, für eine Datenübertragung
zwischen und unter den autonomen Steuergeräten der Haupt-Antriebsstrangkomponenten
und der ESC 30 auf der Verbindung 18 und zwischen
den abhängigen
Steuereinrichtungen und der ESC 30 auf der Verbindung 42. Die
integrierte Siemens-Schaltung C167 liefert zwei J1939-Ports, die
unabhängig
voneinander zugänglich
sind, und von denen eine mit der J1939-Datensonderverbindung 42 verbunden
ist. Die J1939-Standardverbindung 18 sorgt für eine Verbindung
mit den autonomen Steuereinrichtungen. Auf diese Weise werden die
definierbaren RIMS 40 von den autonomen Steuereinrichtungen
getrennt, wodurch die autonomen Steuereinrichtungen vor Programmierfehlern
oder -ausfällen
mit Bezug auf RIMs 40 geschützt werden.
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Der
Programmspeicher 69 und der größte Teil der Adressen des Konfigurationsdatenspeichers 65 sind
vorzugsweise als Flash-Speicher konstruiert, was eine Umprogrammierung
der ESC 30 über
den Diganoseport 36 ermöglicht,
falls notwendig. Der Programmspeicher 69 benötigt vorzugsweise
höhere Eingangsspannungen
zum Umschreiben oder ist anderweitig im Vergleich zu dem Konfigurationsdatenspeicher 65 relativ
geschützt.
Die ESC 30 dient auch als Daten-Gateway zwischen der seriellen
Datenverbindung 18 und der seriellen Datenverbindung 42. Die
serielle Datenverbindung 52 ist eine 9600-Baud-Verbindung
nach dem SAE 1708-Protokoll. Der flüchtige Arbeitsspeicher 63 liefert
einen Notizblock für
Daten von abhängigen
Steuereinrich tungen und Sensoreingaben. Ein Kernanlaufspeicher 67 lädt das Kernbetriebsprogramm
und die Konfigurationsdaten. Eine zentrale Rechnereinheit kann den Systemspeicher
adressieren, um das Kernprogramm auszuführen und die Konfigurationsdaten
zu nutzen. Das Programm, das im Programmspeicher 69 hinterlegt
ist, wird nicht üblicherweise
verändert,
um die Funktionsdefinitionen der ESC 30-Ports oder der RIM 40-Ports
anzupassen. Das Programm ist ein durch Ereignisse unterbrechbarer
Schleifenalgorithmus, der vollkommen auf Tabellendaten angewiesen ist,
die im Konfigurationsdaten-Speicherabschnitt 65 hinterlegt
sind, um einer physikalisch nicht definierten Schnittstelle oder
einem Port der ESC 30 oder einem RIM 40 eine spezifische
Funktionalität
zu verleihen. Die Tabellendaten können für ein bestimmtes Fahrzeug einzigartig
sein und Portadressen mit besonderen Funktionen in Verbindung bringen
oder für ein
Ansprechen des Fahrzeugs unter bestimmten Bedingungen sorgen.
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Ein
RIM 40 kann mittels digitaler Signalprozessoren oder gleichwertiger
Schaltungselemente konstruiert werden. Die Verfahren zum Programmieren
des digitalen Signalprozessors, um eine beliebige Zahl von Schaltungselementen
zu implementieren, ist in der Technik gut bekannt. Die ESC 30 muß zuverlässig verschiedene
Funktionen an speziellen Ports des RIM 40 implementieren,
und dementsprechend wird ein standardisiertes, erweiterbares Adressierschema
für jeden
abhängigen
Controller und seine jeweiligen I/O-Schnittstellen bereitgestellt.
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4 ist
eine detaillierte schematische Darstellung einer physikalischen
Schicht der Erfindung. Die ESC 30, die an der Innenraumseite
einer Firewall 92 bereitgestellt ist, kommuniziert mit
der Motorsteuerung 20, der Getriebesteuerung 16 und
dem Antiblockiersystem 22 und der Meßinstrumentenanzeige 14 primär über eine
serielle Datenverbindung 18. Ausgewählte Zweizustandsschalter in
der Motorsteuerung 20, der Getriebesteuerung 16 und
dem ABS 22 können über eine
serielle Datenverbindung 52 gesteuert oder überwacht
werden. Die serielle Datenverbindung 42 sorgt für die Kommunikation
zwischen vier abhängigen
Steuergeräten
oder Fernschnittstellen-Modulen, auf denen die ESC 30 einen
Luftmagnetantrieb 40(D), einen Hydraulikmagnetantrieb 40(E),
ein nicht spezifiziertes Steuergerät 40(F) und ein Fernsteuergerät für Lampen 40(G) implementiert. Die
ESC 30 ist direkt mit Heizsteuerungen 75, Lenkradschaltern 71 und
einem Antriebssteuermodul 73 verbunden, das eine Vielzahl
anderer Schalter bedient. Die von der ESC 30 implementierten
direkten Schnittstellen werden ebenfalls durch Konfigurationsprogrammierung
funktional definiert.
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5 stellt
eine mögliche
physikalische Schicht für
ein Fahrzeug-Steuersystem dar, das eine ESC 30, eine Vielzahl
von RIMs 40 und eine Vielzahl von autonomen Steuereinrichtungen
im hinteren Teil eines Lastwagens 13 einschließt. Ein
Hersteller von Bus- oder Lastkraftwagenkarosserien kann die Schnittstellen
definieren, um eine Vielzahl von optionalen oder zusätzlichen
Geräten
zu steuern. Der Hersteller von Bus- oder Lastkraftwagenkarosserien nutzt
Programmspezifikationen, um eine Konfigurationsdatenbank zu erstellen,
um den abhängigen Steuereinrichtung
eine Funktion zuzuweisen. Ein zweiter RIM 40 kann vor der
Firewall 92 im Fahrzeug 13 angeordnet sein. So
angeordnet, hat der zweite RIM 40 eine zweckmäßige Lage
für Geräte, die
im vorderen Teil des Fahrzeugs hinzugefügt werden, wie spezielle Lampen
oder einen positionierbaren Pflug.
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Die
Erfindung ermöglicht
die Implementierung eines Fahrzeugkommunikations- und -steuersystems mit einer einheitlichen
aber skalierbaren physikalischen Schicht. Autonome Steuergeräte, abhängige Steuergeräte, Steuergeräte des zentralen elektrischen
Systems und Datenvernetzungsleitungen können über Fahrzeuggruppen mit zunehmend differenzierten
Funktionsanforderungen hinweg von einem Fahrzeug zum anderen physikalisch
identisch sein. Der einzige konkrete Unterschied ist in vielen Fällen die
eigentliche physikalische Position im Fahrzeug, das vom Standpunkt
der Elektronik aus von Fahrzeug zu Fahrzeug eine im Wesentlichen
einheitliche physikalische Schicht bereitstellt. Einheitlichkeit und
Skalierbarkeit der abhängigen
Steuergeräte
tragen dazu bei, die Zahl und die Varietät der lokalen Steuergeräte, die
zur Implementierung der Fahrzeugfunktionen in der physikalischen
Schicht erforderlich sind, zu minimieren. Die skalierbare Implementierung
durch die Verwendung von skalierbaren, funktional wählbaren
bzw. generischen lokalen Steuergeräten und von definierbaren Schnittstellen
auf der Steuerung des elektrischen Systems erleichtern Eingabe-
und Ausgabe- Resourcenbeschränkungen des
Kommunikations- und Steuersystems. Die Skalierbarkeit wird weiter
verbessert durch Bereitstellen eines Kernprogramms, das mit skalierbaren
Tabellendaten ausführbar
ist, welche die Funktionalität
der I/O-Ports definieren.
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Obwohl
die Erfindung nur in einer ihrer Ausführungsformen dargestellt wurde,
wird sie dadurch nicht beschränkt,
sondern kann verschiedenen Änderungen
und Modifikationen unterzogen werden, ohne vom Gedanken und Bereich
der Erfindung abzuweichen.