Bitübertragungschicht eines Kfz-tauglichen Sensor-Aktor-Busses

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1 chnisch Univrsität Münchn Lhrstuhl für Rlzit-Computrsystm Univ.-Prof. Dr.-Ing. G. Färbr Bitübrtrgungschicht ins Kfz-tuglichn Snsor-Aktor-Busss Brnd Pfffndr Vollständigr Ausdruck dr von dr Fkultät für Elktrotchnik und Informtionstchnik dr chnischn Univrsität Münchn zur Erlngung ds kdmischn Grds ins Doktor-Ingniurs gnhmigtn Dissrttion. Vorsitzndr: Univ.-Prof. Dr. rr. nt. hbil. Brnhrd Wolf Prüfr dr Dissrttion:. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Gorg Färbr. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Frnndo Punt Lón Di Dissrttion wurd m bi dr chnischn Univrsität Münchn ingricht und durch di Fkultät für Elktrotchnik und Informtionstchnik m ngnommn.

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3 Zusmmnfssung Zusmmnfssung Zil disr Arbit ist s, in Bitübrtrgungsschicht für inn Snsor-Aktor-Bus im Kfz zu ntwrfn. Di Rndbdingungn lutn hirbi kostngünstig Rlisirbrkit bi hohn Stückzhln, Stndrdisirbrkit und gut Adption n di Umwltbdingungn in Hinblick uf Störmissionn und Störfstigkit. Bi dm hm EMV stllt sich zurst di Frg, ob di Dtnübrtrgung lktrisch odr optisch rfolgn soll. Im Brich dr Snsor-Aktor-Kommuniktion bitt di lktrisch Dtnübrtrgung Vortil ggnübr dr optischn. Di Gründ hirfür sind di höhrn Kostn ins optischn Systms, di wsntlich ufwändigr Hndhbung dr Lichtwllnlitr bim Einbu in ds Kfz sowi di höhr mprturbständigkit und di infchr Rlisirung von Y-Stlln dr lktrischn Lösung. Ebnso könnn drzit nur shr gring Enrgimngn übr optisch Mdin übrtrgn wrdn, so dss uch infch Slv-ilnhmr nicht usrichnd dmit vrsorgt wrdn könnn. Ds wsntlich bssr Störvrhltn dr optischn Übrtrgung wigt dis Nchtil drzit nicht uf. Di Untrsuchung stzt bi dr ktrückgwinnung n, d di Präzision dr Oszilltorn von dn Umwltbdingungn mprtur, Vibrtion bhängig ist und shr strkn Einfluss uf dn Gsmtpris ht. Um in ffizints Protokoll vrwndn zu könnn, ist s notwndig, kurz Zitn zwischn dm Zugriff zwir vrschidnr ilnhmr zu rmöglichn. Di drzit im Kfz ingstztn Kommuniktionssystm UAR, LIN odr CAN bitn nicht di Möglichkit, kostngünstig Oszilltorn, für hoh Dtnübrtrgungsrtn zu vrwndn. Zunächst wurd dr Anstz inr Bit-wisn ktrückgwinnung wi bi dr Mnchstr-Codirung vrfolgt. Di Untrtilung ins Mnchstr-Symbols in zwi Siglzuständ rzugt höhr Frqunzntil im Listungsdichtspktrum. Dis bdingn llrdings Nchtil bi dr Störmission im Kfz. Hirus ntstnd di Fordrung nch inr NRZ-Codirung, bi wlchr nch jdm Bit in Synchronstion ds kts möglich ist. Durch di Vrwndung ins drittn Signlzustnds konnt in rnär-codirung ingstzt wrdn, wlch in Bit-wis ktrückgwinnung rmöglicht. Di trnärn Bustribr wurdn prototypisch durch zwi ntiprlll vrschltt CAN-rnscivr rlisirt. Vrglichsmssungn sowi di Bstimmung dr Listungsdichtspktrn dr Codirungn rgbn, dss ds EMV-Vrhltn dr rnär-codirung nicht schlchtr ls ds dr NRZ- odr dr Mnchstr-Codirung ist. Witr wurd in Anstz ntworfn, durch wlchn di Kurzschlussfstigkit inr dr bidn Litungn nch Fhrzugmss odr nch Bttrispnnung ohn Vrwndung von Übrtrgrn rmöglicht wrdn knn. Dis Erwitrung ht llrdings ngtivn Einfluss uf di ktbwichungstolrnz ds Kommuniktionstilnhmrs. Für di Rlisirung dr Bitübrtrgungsschicht gibt s mhrr Möglichkitn di Einzlkomponntn zu intgrirn. Dis hängn strk von dr Mrktdurchdringung, dr Stückzhlntwicklung sowi dn Strtgin dr Hlblitrhrstllr b. Wi bi ndrn Kommuniktionssystmn, wlch in Sri vrfügbr sind, wird dr Grd dr Intgrtion inzlnr Komponntn mit dr Höh dr Stückzhln stign. 3

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5 Abstrct Abstrct h trgt of this thsis is to dvlop physicl lyr for snsor-ctutor-bus in complinc with low cost rliztion t high volum, possibl stndrdiztion nd good doption to nvironmnt in rgrd to intrfrnc mission nd rdio intrfrnc. Bcus of th EMC th qustion for dt trnsmission systms is: whthr to us lctricl or opticl dt trnsmission. h lctricl dt trnsmission in th vhicl offrs dvntgs comprd to th opticl dt trnsmission. h rsons thrfor r, th highr pric for th opticl dt trnsmission, th complx hndling of th wiring hrnss nd th intgrtion in th vhicl s wll s th low tmprtur complinc. Also it is not possibl to rliz opticl Y -splits in th cr. Opticl cbls r bl to distribut only littl powr, so tht smrt snsors or ctutors cn not b supplid with nough nrgy. h bttr EMI immunity of th opticl trnsmission systm is not rson nough to intgrt this tchnology into th vhicls. h focus of th rsrch is th clock rcovry, bcus th prcision of th oscilltors hs grt impct on th pric of n intllignt snsor. And th prcision is strongly influncd by th nvironmnt. o instll n fficint communiction protocol it is ncssry to rliz short intr frm tims by th physicl lyr. Currnt vhicl communiction systms lik UAR, LIN or CAN do not offr th possibility to us vry chp oscilltors for high dt trnsmission rts. h first im ws th pproch of bit-wis clock-rcovry, s usd within th Mnchstr-coding. h division of Mnchstr bit into two signl-conditions lds to highr frquncy shrs in th spctrum of th Mnchstr coding. hs high frqunt shrs gnrt highr EMI-missions. Bcus of ths frquncy rquirmnts n NRZ-coding with clock synchroniztion ftr ch Bit is ndd. By using third signl condition trnry coding could b nhncd to ths dmnds. h trnry bus-drivr hs bn stblishd prototypiclly with two rvrs-prlll CAN-trnscivrs. Comprison msurmnts nd clculting th powr distribution spctrum of diffrnt codings showd tht th EMC bhvior of th trnry coding is not wors thn th othrs lik NRZ or Mnchstr. Furthrmor possibility hs bn dvlopd to ris th short circuit prformnc of th bus-systm. h tolrnc to short on of th bus-lins to vhicl ground or to bttry voltg could b stblishd without using trnsformrs. But this xtnsion hs ngtiv influnc on th communiction prticipnt s clock dvition tolrnc. For th rliztion thr r svrl possibilitis to intgrt th singl componnts. hy dpnd vry strongly on th mrkt sitution, th volum nd on th strtgis of th smiconductor mnufcturrs. Lik othr communiction systms vilbl on th mrkt, th intgrtion of componnts improvs with incrsing volum. 5

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7 Dnksgung Dnksgung Für di ttkräftig Untrstützung bi dr prktischn und thortischn Anfrtigung disr Doktorrbit und di gut Zusmmnrbit mit minn Btrurn möcht ich mich n disr Stll rcht hrzlich bdnkn. Disr Dnk gilt vor llm minm Doktorvtr, Hrrn Prof. Dr. Färbr, dm Btrur dr Firm Simns VDO Rgnsburg, Hrrn Dml, sowi minm Frund und Projktprtnr n dr U Münchn, Hrrn Dr. Robrt Hubr. Außrdm möcht ich mich bi lln Mitrbitrn und Diplomndn dr Abtilung SV C RS G, insbsondr Hrrn Dr. Hosp, für di Mithilf und di Bntwortung llr Frgn bdnkn. Ebnso möcht ich mich bi Sbin Figg bdnkn, di mir durch ihr präziss Korrkturlsn shr gholfn ht. Gnz bsondrn Dnk möcht ich n min Fru Sbin und min bidn öchtr L und Emm richtn, wlch ich in disr Zit shr vrnchlässigt hb. Brnd Pfffndr Rgnsburg, im Juli 3 7

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9 Inhltsvrzichnis Inhltsvrzichnis Zusmmnfssung... 3 Abstrct... 5 Dnksgung... 7 Inhltsvrzichnis... 9 Abbildungsvrzichnis... bllnvrzichnis... Vrzichnis dr Akronym... 5 List dr Formlzichn... 6 Einlitung... 7 Stnd dr chnik Signlübrtrgung.... Codirung / ktrückgwinnung ktrückgwinnung bi dr UAR-Einhit..... ktrückgwinnung mit Hilf ds Bitstuffing-Vrfhrns Bitorintirt ktrückgwinnung Störvrhltn dr Bitübrtrgungsschicht Bussystm im Kfz Anfordrungn n di Bitübrtrgungsschicht im Kfz Intrfc dr Kommuniktionstilnhmr Zitbsis Qurz Krmik-Rsontorn RC-Oszilltorn Anfordrungn n di Bitübrtrgungsschicht Bsisbndübrtrgung EMV Elktromgntisch Vrträglichkit Potnziluntrschid Frmdschluss-Sichrhit Bus-opologi Enrgiübrtrgung übr di Buslitungn... Konzption inr Snsor-Aktor-Bitübrtrgungsschicht.... Zil.... HW-SW-Struktur ds Kfz-Kommuniktionssystms Clock-rnär-Codirung CC Funktion ds Clock-rnär-Cod Entschidungsghlt H Störbstnd Bus-Idl-Zustnd Bitübrtrgungsschicht Fhlrtolrnz dr Bitübrtrgungsschicht Fhlrtolrnz dr Codirung Listungsmrkml bsthndr Kommuniktionsprotokoll bi Vrwndung dr CC Rlisirung dr Clock-rnär-Codirung Grundstruktur

10 Inhltsvrzichnis 5. Intrfc Codirung Dcodirung Bitübrtrgungsschicht nch ISO 898 CAN Einfluss uf dn Dt Link Lyr Übrtrgungsfhlr / Störfiltrung Rlisirung dr fhlrtolrntn Clock-rnär-Codirung FCC stppliktion Kommuniktionsprotokoll P/A Mximl Oszilltorbwichung dr CC Bwrtung dr Clock-rnär-Codirung im Vrglich mit ndrn Knlcodirungn Störfstigkit Störfstigkit bi Nnntktfrqunz Störfstigkit bi Oszilltorvrstimmung Einfluss dr opologi und dr Bustribr uf ds Störvrhltn Ergbnis Störussndung Listungsdichtspktrum ds NRZ-Signls Listungsdichtspktrum ds Mnchstrsignls Listungsdichtspktrum dr Clock-rnär-Codirung CC Ggnübrstllung dr Listungsdichtspktrn FF-Mssungn dr Spktrn Impulsformung Fhlrtolrnt Clock-rnär-Codirung FCC Glichtkt-Signlntil... Ergbnis...7 Ausblick...8 Litrtur...9 Anhng Histori dr Kfz-Zündbuss...3 Bstimmung ds Listungsdichtspktrums dr Clock-rnär-Codirung mit kurzn Impulsfolgn...3 Bstimmung ds Listungsdichtspktrums dr fhlrtolrntn Clock-rnär-Codirung mit kurzn Impulsfolgn...33 Gschlossn Bstimmung ds Listungsdichtspktrums...38 Numrisch Bstimmung ds Listungsdichtspktrums us dr Autokorrltionsfunktion...3 Softwr-bsirt Mnchstr-Codirung und -Dcodirung...7 Konzption und Rlisirung ins Snsor-Kommuniktions-Systms uf Bsis ds SURFS-Physicl Lyr...9 Microcontrollr C65 von Infinon...56 EIA/IA-85 Physicl Lyr...58 Rlisirung FCC-Codirr...59

11 Abbildungsvrzichnis Abbildungsvrzichnis Abb. OSI-Schichtn und... 9 Abb. Asymmtrisch Übrtrgung obn und symmtrisch Übrtrgung untn. Abb. 3 Signlvrläuf bi vrschidnn Codirungn... Abb. UAR-Frm... 5 Abb. 5 Bitstuffing bi CAN... 6 Abb. 6 ktbwichung bi dr Mnchstr-Dcodirung... 7 Abb. 7 Übrsicht Codirungn... 8 Abb. 8 Störinfluss bi symmtrischr und symmtrischr Übrtrgung... 9 Abb. 9 Aufbu K-Bus... 3 Abb. CAN Übrtrgungssystm... 3 Abb. UAR-Frm...33 Abb. Übrtrgungsfunktion...36 Abb. 3 Dämpfungsvrluf inr typischn Kfz-CAN-Bus-Litung...37 Abb. Übrsicht dr EMV-Erprobungn Abb. 5 Dtn-, kt- und Enrgiuskopplung... 3 Abb. 6 Erzugung inr Busstruktur durch Bustrnscivr... Abb. 7 Clock-rnär-Codirung...9 Abb. 8 Bispil inr trnärn Diffrnzcodirung... 9 Abb. 9 Zusmmnhng Störbstnd S/N und Signldynmik... 5 Abb. Zusätzlichr ktimpuls im Dcodirr durch Idl-Umschltung... 5 Abb. Stop-Bit-Folg, obn 3 Bit lng, untn Bit lng... 5 Abb. Zitlichr Vrluf ins inzlnn Bit Abb. 3 Erstzschltung dr Übrtrgungslitung Abb. Signl mit Msspotnzil...55 Abb. 5 Unipolrs diffrnzills Signl Abb. 6 Bipolrs diffrnzills Signl Abb. 7 Aufbu CAN-rnscivr Abb. 8 Frmdschlüss dr Buslitungn Abb. 9 Fhlrbhndlung in dr Bitübrtrgungsschicht Abb. 3 Codirung bi Frmdschluss inr Buslitung...59 Abb. 3 Hrdwr-Struktur Abb. 3 Zustz-Sndwich-Bord ds Snsorknotns... 6 Abb. 33 SPI-Signl...6 Abb. 3 SPI-Einhit dr C6x-Controllr Abb. 35 Systmufbu Clock-rnär-Codirung Abb. 36 Codirschltung...67 Abb. 37 Zustndsgrph ds Clock-rnär-Dcodirrs Abb. 38 Clock-rnär-Dcodirung dr Dtn Abb. 39 EXOR-Gttr mit D-Flip-Flop Abb. Kompltt ktrückgwinnung us RxA und RxB Abb. Rltiv und bsolut Buspgl bi CAN... 7 Abb. Physiklischr Lyr dr CC mit CAN-rnscivrn... 7 Abb. 3 Buszuständ ds Clock-rnär-Signls... 7 Abb. Busspnnungn CC uf Bsis ds zughörign CAN-Physicl-Lyrs... 7

12 Abbildungsvrzichnis Abb. 5 Signlzusmmnhäng xa, xb, Busdiffrnzspnnung... 7 Abb. 6 Übrbtstung und Störfiltrung Abb. 7 Digitlschltung dr -us-3-auswrtung... 7 Abb. 8 Hystrs im Bus-Rcivr... 7 Abb. 9 FC-Codirr Abb. 5 ktrückgwinnung dr FCC-Dcodirung Abb. 5 Signlzuordnung FCC-Dcodirung Abb. 5 Blockschltbild ds FCC-Dcodirrs Abb. 53 Kommuniktion zwischn zwi ilnhmrn Abb. 5 Signl im Fll ins Frmdschlusss dr Litung Bus_H n GND... 8 Abb. 55 stppliktion Dmonstrtor Schwbnd Kugl... 8 Abb. 56 P/A-Zitpln... 8 Abb. 57 Oszilltorfrqunz MHz - 3 % Abwichung von MHz... 8 Abb. 58 Oszilltorfrqunz 5 MHz 5 % Abwichung von MHz... 8 Abb. 59 Bit-Abtstung bi UAR Abb. 6 Mssufbu zur Bstimmung dr Störfstigkit Abb. 6 Mssufbu NRZ und NRZ mit Bitstuffing Abb. 6 Mssufbu Mnchstr- und Clock-rnär-Codirung Abb. 63 Einkopplschltung Abb. 6 Störbinflussung bi kpzitivr Störinkopplung kbit/s Dtnrt9 Abb. 65 Störvrhltn bi Oszilltorvrstimmung... 9 Abb. 66 Störvrhltn mit m unbgschlossnr Stichlitung... 9 Abb. 67 Rchtckimpuls... 9 Abb. 68 Spktrum G ds Rchtckimpulss nch Abb Abb. 69 Einzl-Mnchstrimpuls,b; Einhitsimpuls c Abb. 7 Möglich Impulsfolg us zwi Einzlimpulsn Abb. 7 Autokorrltionsfunktion dr zufällign, clock-trnär codirtn Zichnfolg... Abb. 7 Gwichtungsfunktion C... Abb. 73 Zichnfolg, 8 Bit Nchrichtn, Bit Pus... Abb. 7 Gwichtungsfunktion C bi 8 Bit Nchrichtn und Bit Pus... Abb. 75 Gwichtungsfunktionn C dr inzlnn Brchnungn...3 Abb. 76 Listungsdichtspktrn dr NRZ-, dr Mnchstr- und dr Clock-rnär-Codirung in linrr [links] und logrithmischr Drstllung [rchts]... Abb. 77 Listungsdichtspktrum NRZ-Codirung links und Mnchstr-Codirung rchts...5 Abb. 78 Listungsdichtspktrum Clock-rnär-Codirung...5 Abb. 79 rpzimpuls...6 Abb. 8 rpzimpuls mit normirtr Impulsläng...7 Abb. 8 rpzimpulsfolg...7 Abb. 8 Spktrn dr rpzimpuls...8 Abb. 83 Spktrum Clock-rnär-Codirung mit Rchtck- und Drickimpulsn.9 Abb. 8 Gmssn Spktrn dr NRZ-Codirung mit Rchtckund rpzimpulsn %...9 Abb. 85 Gmssn Spktrn dr Clock-rnär-Codirung mit Rchtck- und rpzimpulsn %...9

13 Abbildungsvrzichnis Abb. 86 Clock-rnär-Codirung im Fhlrfll... Abb. 87 Numrisch bstimmts Spktrum 5/5 dr Clock-rnär-Codirung im Fhlrfll... Abb. 88 Gmssns Spktrum dr Clock-rnär-Codirung im Fhlrfll... Abb. 89 Ntzwrk zur Auskopplung dr Störbstrhlung... Abb. 9 Glichtktntil ds Bussignls, Einschlt- und Ausschltvorgng... 3 Abb. 9 Wchslntil ds diffrnzilln Bussignls bim Einschltvorgng... 3 Abb. 9 Nullmssung... Abb. 93 NRZ und NRZ mit Flnknsturung 65 kbit/s... Abb. 9 Clock-rnär-Codirung links ohn und rchts mit Flnkn-Sturung bi MBit/s... 5 Abb. 95 Mnchstr-Codirung links ohn, rchts mit Flnknsturung...5 Abb. 96 Physicl Lyr SURFS-Systm... Abb. 97 Disy-Chin-Struktur...5 Abb. 98 Unsymmtrisch obn und symmtrisch Disy-Chin-Struktur untn... 6 Abb. 99 Vir Buspgl ds ASRB... 6 Abb. Physicl Lyr ASRB... 7 Abb. RZ-Codirung... 8 Abb. Dri Spnnungszuständ ds DSI-Busss... 8 Abb. 3 Möglich Impulsfolg us zwi Einzlimpulsn... 3 Abb. Zustndsübrgäng dr Clock-rnär-Codirung... 3 Abb. 5 Zichnfolg mit zwi Einzlzichn dr F-Codirung im Fhlrfll 33 Abb. 6 Zichnfolgn mit dri Einzlimpulsn Abb. 7 Numrisch bstimmts Spktrum 5/5 Clock-rnär-Codirung im Fhlrfll... 6 Abb. 8 NRZ-Signl blockwis codirt... 7 Abb. 9 Mnchstr-Dcodirr... 8 Abb. Buszuständ SURFS-Systm... 5 Abb. Gsmtstruktur SURFS-Snsorbus... 5 Abb. Kommuniktion Mstr zu Slv... 5 Abb. 3 Kommuniktions-Frm... 5 Abb. Kommuniktion Slv zu Mstr... 5 Abb. 5 Gsmtufbu Snsorbus mit SURFS Physicl Lyr... 5 Abb. 6 SURFS-Mstr-ribr... 5 Abb. 7 SURFS-Slv... 5 Abb. 8 Kommuniktionsbluf Abb. 9 Stromdtktion im Mstr... 5 Abb. Aufbu Appliktion Schwbkörpr...5 Abb. Frm-Aufbu Appliktion Schwbkörpr...55 Abb. Rgistr ds srilln Intrfc ds C Abb. 3 SSC Intrfc ds C Abb. Rltiv und bsolut Buspgl bi RS Abb. 5 Fhlrtolrntr Clock-rnär-Codirr FCC

14 bllnvrzichnis bllnvrzichnis bll Vrglich konvntionll Vrkblung Busvrkblung... 8 bll UAR ds Microcontrollrs C67 mit MHz ktung... 3 bll 3 Signlformn... 7 bll Kostnvrglich LIN, P/A, CAN... 6 bll 5 Whrhitstbll Clock-rnär-Codirung bll 6 Whrhitstbll Clock-rnär-Dcodirr bll 7 Whrhitstbll dr -us-3-auswrtung... 7 bll 8 Vorschrift FC-Codirung bll 9 FCC-Dcodirungsvorschrift bll ktbwichungn dr Bustilnhmr bi FCC... 8 bll Codirungn im Vrglich... 85

15 Vrzichnis dr Akronym Vrzichnis dr Akronym ACK AM ASC AWG CAN CPLD CPU CRC CC DIN EMV FCC IEC ISO ISR LIN LSB MSB NRZ RR RX SPI SSC DMA EM X Acknowldg Amplitudnmodultion Asynchronous/Synchronous Sril Controllr Arbitrry Wvform Gnrtor Controllr Ar Ntwork Complx Progrmmbl Logic Dvic Cntrl Procssing Unit Cyclic Rdundncy Chck zyklischr Rdundnzcod Clock-rnär-Codirung Dutsch Industri-Norm Elktromgntisch Vrträglichkit Fhlrtolrnt Clock-rnär-Codirung Intrntionl Elctrotchnicl Commission Intrntionl Stndrdistion Orgnistion Intrrupt Srvic Routin Locl Intrconnct Ntwork Lst Significnt Bit Most Significnt Bit Non Rturn to Zro Rmot rnsmission Rqust Rciv Empfngn Sril Priphrl Intrfc Synchronous Sril Controllr im Division Multipl Accss rnsvrsl-elktromgntisch rnsmit Sndn 5

16 List dr Formlzichn List dr Formlzichn cm C C K C D gt G Kτ Yτ S S K S D f Six W n P λ δx Autokorrltionsfolg Gwichtungsfunktion kontinuirlichr Antil dr Gwichtungsfunktion diskrtr Antil dr Gwichtungsfunktion Zitfunktion Fourir-rnsformirt ds Grundimpulss gt Autokorrltionsfunktion Autokorrltionsfunktion ds Grundimpulss gt Listungsdichtspktrum dr Zitfunktion gt kontinuirlichr Antil ds Listungsdichtspktrums diskrtr Antil ds Listungsdichtspktrums Frqunz Krisfrqunz Si-Funktion sinx/x Dur ins Zichns Enrgi Zufllsfolg Whrschinlichkitsmtrix Eignwrt dr Whrschinlichkitsmtrix P Dlt-Funktion 6

17 Einlitung Einlitung Di Vrntzung von Elktronikkomponntn und Moduln im Kfz stigt zunhmnd n und rfordrt nu Lösungn. Um ll Anfordrungn uch in Zukunft rfülln zu könnn, wird im Kfz in Kommuniktion uf mhrrn Ebnn notwndig wrdn. Sturgrät wrdn hut mist mit CAN Controllr Ar Ntwork vrntzt. Dnbn ntsthn Systm wi LIN Locl Intrconnct Ntwork für infch Sturungn z.b. von Fnstrhbrn, Lmpn odr uch für di Anbindung lngsmr Snsorn n Sturinhitn. Schnll Snsorn wi z.b. Bschlunigungs- odr Drucksnsorn für Rückhlt-Systm im Kfz rbitn untr Rlzit-Bdingungn mit Updt-Rtn von inign khz. Es wrdn Rohdtn übrtrgn, d.h. di Airbg-Sturinhit wrtt ständig di von dn Snsorn übrtrgnn Dtn us und ntschidt innrhlb von wnign Milliskundn übr di Zündung ins Airbgs odr Gurtstrffrs. In Zukunft wrdn zunhmnd Insssnsnsirungssystm in ds Fhrzug intgrirt. Ein witr zukünftig Funktion wird dr ktiv Fußgängrschutz sin. Kontktsnsorn und spätr uch kontktlos Snsorn z.b. Rdr wrdn in di Fhrzugfront intgrirt wrdn, um Fußgängr rknnn und ntsprchnd Aktorn für ds Anhbn dr Motorhub ktivirn zu könnn. Dis und ndr nu Funktionn spzill im Brich dr Rückhltsystm rfordrn inn hohn Grd dr Vrntzung von vrtiltn Einzlkomponntn. Di Anfordrungn in Richtung Stndrdisirung, Sklirbrkit und Erwitrbrkit tribn di Entwicklung von Kfz-Snsorbussystmn vorn. Allrdings ist dr Kostndruck, wlchr im Vrglich mit bsthndn Systmn ntstht, norm. Für in htrogns Systm listungsfähigr Mstr, infchr Smrt-Snsor bitt sich in Mstr-Slv-Struktur n. Im Kfz-Brich dr Rückhltsystm stigt di Anzhl dr Snsorn rpid n, bishr ist noch kin Bussystm vrfügbr, wlchs di Anfordrungn dr Rlzitfähigkit rfüllt. Witr Aspkt für in Kommuniktionssystm im Kfz sind: - Vrkürzung dr Entwicklungszit im to Mrkt - Enrgirsprnis durch Slp- und Wk-up-Funktionlität - Kostngünstig Rlisirung durch Vrwndung von COS Componnts of th shlf - Hoh Sichrhit, Zuvrlässigkit und Vrfügbrkit - Zusmmnfügbrkit und Erwitrbrkit - Gwichtsrduktion durch Kblinsprung - Qulitätsstigrung durch Stckkontktrduzirung An folgndm Rchnbispil ins Systms mit srillr Zwidrhtübrtrgung bi fünf ilnhmrn und inm mittlrn Abstnd von m zwischn dn ilnhmrn wird dutlich, dss sich ds Kblmtril um c. 6 % und, ws noch vil wichtigr ist, di Anzhl dr Stckkontkt um c. 37,5 % rduzirn lssn bll. Di 7

18 Einlitung Rduzirung disr Anzhl ist shr ntschidnd, d sich jdr witr Stckkontkt ngtiv uf di Sichrhit und di Qulität ds Systms uswirkt. Diskrt Vrkblung: Kommuniktion übr Bus: Anzhl dr Stckkontkt: x6 Kontkt 5x Kontkt Kblufwnd: Schätzung: mittl. Abstnd dr ilnhmr untrinndr m m8mm6mm mmmm6m bll Vrglich konvntionll Vrkblung Busvrkblung Für di Kommuniktion lktronischr Einhitn übr di Grätbn hinwg ignt sich in srills Vrfhrn. In dism Brich wird zwischn synchronr und synchronr Übrtrgung untrschidn. Im Brich dr Computrpriphri ist ds srill Intrfc m witstn vrbritt. Es rbitt synchron und rlubt Dtnrtn von bis zu 5 kbit/s. Bi dn synchronn Vrfhrn knn hutzutg c. ds fch rricht wrdn. Stndrd-Ethrnt-PC-Einhitn rrichn MBit/s mit synchronn Übrtrgungsvrfhrn. Spzill UAR-ICs rrichn bi MHz ktung,5 MBit/s, odr bi 8 MHz ktung 3 MBit/s Brutto-Dtnübrtrgungsrt. Mit Stndrd-Microcontrollrn für dn Automotiv-Brich könnn nur Dtnrtn bis tw kbit/s rlisirt wrdn. Dis ligt drn, dss bi dr synchronn Übrtrgung di inzlnn Zichn mit inr vil höhrn Auflösung bgtstt wrdn müssn, ls dis bi dr synchronn Übrtrgung dr Fll ist. An dism Bispil ist zu shn, dss bzüglich dr Dtnrt in wsntlich höhr Listungsfähigkit in dn synchronn Vrfhrn vorligt. 8

19 Stnd dr chnik Stnd dr chnik ISO/OSI-Schichtnmodll Diss Schichtnmodll Intrntionl Stndrdiztion Orgniztion / Opn Systms Intrconnct stllt in intrntionl kzptirt forml Mthod dr, um di Funktionlität von komplxn Kommuniktionssystmn uf dr Bsis ins hirrchisch gschichttn Anstzs zu bschribn [Lw97]. Drin wrdn di Aufgbn disr Systm in sibn hirrchisch gglidrt Ebnn untrtilt. Di inzlnn Schichtn stlln dr nächst höhrn Ebn Dinst brit und nutzn Dinst dr druntrligndn Schicht. Durch dis Auftilung wrdn komplx Systm lichtr bhrrschbr. ypisch Fldbussystm spzifizirn di rstn bidn Schichtn, Physicl und Dt Link sowi tilwis di Anwndungsschicht Appliction, Schicht 7. LLC Logicl Link Control Accptnc Filtring Ovrlod Notifiction Rcovry Mngmnt MAC Mdium Accss Control Dt Encpsultion/Dcpsultion Frm Coding Mdium Accss Mngmnt Error Dtction Error Signlling Acknowldgmnt Sriliztion/Dsriliztion OSI Lyr Dt Link PLS Physicl Signlling Bit Encoding/Dcoding Bit iming Synchroniztion PMA Physicl Mdium Attchmnt Drivr/Rcivr Chrctristics MDI Mdium Dpndnt Intrfc Connctors OSI Lyr Physicl Abb. OSI-Schichtn und Lässt mn bi dr Btrchtung dr vrschidnn Bussystm Untrschid bi dr Implmntirung dr physiklischn Schicht ußr Acht, so bitt sich ls Mrkml zur Diffrnzirung n, wi dr Zugriff uf ds Busmdium grglt wird Lyr, MAC. Mn untrschidt dri grundsätzlich Formn dr Multiplx- Zugriffstchnikn: Zitmultiplx Frqunzmultiplx Codmultiplx 9

20 Stnd dr chnik Für di im Witrn btrchttn Systm wird dbi ds Prinzip ds Zitmultiplx vorusgstzt, d. h. di Bustilnhmr nutzn zur Dtnübrtrgung idntisch Frqunz- und Amplitudnbrich ds Busmdiums, wobi zu lln Zitpunktn jwils nur in ilnhmr ktiv Dtn nlgn drf. Dfinition Bitrt / Budrt Untr dm Bgriff Bitrt vrstht mn di Anzhl dr übrtrgnn binärn Einhitn binry digit Bit pro Zit. Di Budrt gibt di Anzhl dr Schritt pro Zitinhit n. Wnn in inm Schritt nur in Bit übrtrgn wird, ist di Bitrt glich dr Budrt. Wnn in inm Schritt nicht zwi, sondrn z.b. vir Zuständ dfinirt sind, wrdn zwi Bit innrhlb ins Schritts drgstllt, somit ist di Bitrt in dism Fll dopplt so groß wi di Budrt [Dri9].. Signlübrtrgung Di Übrtrgung dr digitln Signl knn lktrisch odr optisch gschhn. Di Übrtrgung von optischn Signln bitt dn Vortil dr gringrn Störbrkit und dr gringrn Störussndung. Es wrdn wdr lktromgntisch Fldr mittirt, noch hbn frmd Fldr Einfluss uf di Übrtrgung. Dr Aufwnd für in solch Übrtrgungsstrck ist llrdings größr ls für in lktrischs Systm. Lichtwllnlitr und Stckr sind turr, und Lichtwllnlitr sind nicht so bigsm wi lktrisch Kbl, so dss nur größr Bigrdin rlisirbr sind. Optisch rnscivr sind hutzutg noch dutlich turr ls lktrisch. Aus disn Gründn ist drzit di lktrisch Übrtrgung für di Snsor-Aktor-Anwndung im Kfz bssr gignt. Für in Systm, bi wlchm mhr ls zwi ilnhmr mitinndr kommunizirn, ist s sinnvoll, dis übr inn Bus zu vrbindn. Ddurch knn jdr ilnhmr mit jdm ndrn kommunizirn. Nchrichtnübrtrgung mit Hilf von lktrischn Signln Innrhlb disr Obrmng gibt s zhlrich Möglichkitn Signl zu übrtrgn: z.b. durch di Spnnung odr dn Strom. Innrhlb disr Größn könnn di Signl durch Amplitud, Phs, Frqunz odr in Kombintion drus drgstllt wrdn. Di Signlübrtrgung durch Strom ht dn Vortil ggnübr dr Spnnung, dss si störsichrr ist. Wnn llrdings mhrr ilnhmr übr in Mdium kommunizirn solln, muss dis bi dr Stromübrtrgung innrhlb inr Msch gschhn. Dr Nchtil diss Vrfhrns ist, dss di Kommuniktion zum Erlign kommt, wnn in disr Msch in Kontkt göffnt wird. Aufgrund disr Zusmmnhäng wrdn di Signl im Kfz mist durch Spnnungn drgstllt. Durch Prlllschltung dr Bustilnhmr ist dis Spnnung von jdm ilnhmr mssbr. Um Abstrhlungsffkt bi Flnknstilhitn größr, V/µs zu rduzirn, wrdn di Signl nicht symmtrisch übr Mss, sondrn diffrntill ohn Mssbzug übrtrgn Abb.. Di Litungn wrdn hirbi vrdrillt, um di Fläch dr ntsthndn Litrschlif klin zu hltn. Dr Schltungsufwnd ist ddurch höhr [Sch9], [My98].

21 Stnd dr chnik U Bus t Bus High Bus Low t Abb. Asymmtrisch Übrtrgung obn und symmtrisch Übrtrgung untn Signlübrtrgung im Bsisbnd Um di bgstrhlt Enrgi gring zu hltn, ist s sinnvoll, Bsisbndsignl diffrnzill zu übrtrgn. Bi dr Dtnfrnübrtrgung bstht di Fordrung, di Signl impulsgformt untr Einhltung dr Nyquistbdingungn zu übrtrgn. Durch dis Impulsformung wird ds Spktrum ds Signls uf nidrfrqunt Frqunzntil rduzirt. Auf in Impulsformung wird vrzichtt, d di Übrtrgung im Kfz nur im Bsisbnd stttfindt und di höhrn Frqunzbändr inr Buslitung nicht gnutzt wrdn. Hir wrdn di Signl hrt, d.h. mit dr mximl möglichn Flnknstilhit gtstt. Um Rflxions- und Abstrhlungsproblm zu rduzirn, müssn inig Rndbdingungn inghltn wrdn. Stil Signlflnkn sind zu vrmidn, dnn si rzugn mhr Rflxionsproblm. D bdingt durch di opologi im Kfz Stichlitungn ntsthn, wlch ufgrund dr Glichstromblstung ds ribrs nicht mit Widrständn bgschlossn wrdn könnn, müssn dis Rflxionn n disn fhlngpsstn Litungsndn vom Systm tolrirt wrdn. Buszugriffsvrfhrn Bim Zugriff uf ds Busmdium untrschidt mn zwi Huptprinzipin, dn kontrollirtn Buszugriff und dn Buszugriff mit konkurrirndr Arbitrirung. In dr Litrtur wird uch untrschidn zwischn rignisgsturtr konkurrirndr Zugriff und zyklischr Dtnübrtrgung kontrollirtr Zugriff. Kontrollirtr Buszugriff ligt bi folgndn Implmntirungn vor: Mstr/Slv Systm im Polling-Btrib Commnd Rspons okn-vrfhrn okn Pssing, okn Ring DMA-Vrfhrn mit dfinirtn Sndzitschlitzn für di Sttionn Bi dn konkurrirndn Systmn, di untr dm Bgriff CSMA Crrir Sns Multipl Accss bknnt sind, bobchtn ilnhmr mit Sndwunsch dn Signlvrluf uf dm Busmdium Crrir Sns und vrsuchn, flls dr Bus im Ruhzustnd ist, xklusivn Zugriff uf ds Busmdium zu rhltn. Dbi gibt s vrschidn Ansätz zur Vrmidung bzw. Auflösung von uftrtndn

22 Stnd dr chnik Kollisionn. Auf CSMA-Vrfhrn bsirn zum Bispil Ethrnt IEEE 8.3 odr CAN. Als wichtigsts Untrschidungskritrium disr Systm ist dbi ds dtrministisch Vrhltn zu nnnn. In Systmn, bi dnn dr Buszugriff durch in Kommuniktionsprotokoll gsturt wird, knn sichrgstllt wrdn, dss jdr dr Bustilnhmr in inm bstimmtn Zitrum xklusivn Zugriff uf ds Mdium rhält. In konkurrirndn Systmn, di dn Zugriff z. B. durch Prioritätn rgln CAN, ist diss Vrhltn nicht gwährlistt. Dhr ist für Systm, di dtrministischs Vrhltn fordrn, dr kontrollirt Buszugriff di Vorusstzung. Di Systmstruktur ds vrtiltn Systms bstimmt mßgblich di Struktur ds Busss. Bi inm homognn Systm, bi wlchm ll ilnhmr ähnlich Listungsmrkml bzüglich Rchnlistung und Hrdwrvorusstzungn ds ntsprchndn Intrfcs bsitzn, ist in Multimstr-Struktur günstig. Dr Buszugriff wird durch in Zitsturung odr durch Arbitrirung gsturt. Es gibt zhlrich Arbitrirungsmchnismn, wlch hir nicht ll ufgführt wrdn. Zu rwähnn sind CSMA-CA Crrir Sns Multipl Accss, Collision Avoidnc z.b. CAN-Bus und CSMA-CD Collision Dtction z.b. Ethrnt [Fär87], [Hüt97], [El9], [Bus96], [Lw97]. Dis sind vnt-gtribn Vrfhrn, d.h. s gibt kin übrgordnt Instnz, wlch dn Buszugriff sturt. Konträr dzu ist ds DMA-Vrfhrn im Division Multipl Accss zu nnnn, bi wlchm dr Buszugriff übr di Zit gsturt wird [Kop], [Kop97]. Bi htrognn Systmn wi inm Snsor-Aktor-Sturungssystm ist di Prformnz dr ilnhmr shr untrschidlich. Di Sturinhit ht hoh Rchnlistung mit qurzgnur ktung, währnd di Snsorn und Aktorn shr infch usgführt sind und mit kostngünstign RC-Oszilltorn uskommn müssn. Bi disr Grundlg bitt sich ds Mstr-Slv- odr ds Zit-Mstr- Slv-Vrfhrn n. Mstr-Slv-Struktur Dr Mstr fordrt Nchrichtn von dn Slvs mit Hilf von Rqust-Frms b. Dis ntwortn dnn mit inm Rspons-Frm [Pho97]. Durch di riggrung ds Mstrs rbitn di Slvs mit dr qurzpräzisn Zitbsis ds Mstrs. DMA Jdr ilnhmr rhält inn fstn Zitschlitz, in wlchm r sndn drf. Dis stzt vorus, dss ll ilnhmr nch dr slbn Uhr rbitn. Di Uhr knn zntrl durch inn Mstr odr, wi bi P/C, durch spzill Synchronistionsmchnismn dzntrl synchronisirt wrdn. Zit-Mstr-Slv-Vrfhrn Bi dism Vrfhrn sturt dr Mstr dn Kommuniktionsbluf, br nur sofrn r in Rund strtt, in wlchr di Slvs priori wissn, zu wlchr Zit si Mn spricht von dtrministischm Zitvrhltn, wnn dr Zitrum, in dr in Nchricht übrtrgn wird, grntirt wird [Kop97].

23 Stnd dr chnik slbstständig sndn müssn, ohn in dirkt Adrssirung zu rhltn [Kop]. Bispil hirfür ist ds P/A-Protokoll Kp CSMA/CD Wnn in ilnhmr sndn will, übrwcht r dn Bus und sndt rst, wnn disr fri ist LB Listn bfor tlking. Er übrprüft ständig ob sin Nchricht gstört wird. Bi Störung bricht r b und rzugt in Jm -Signl uf dm Bus, durch wlchs dn ndrn ilnhmrn mitgtilt wird, dss di Nchricht zrstört wurd. Er vrsucht, nch inr zufällig gwähltn Zit innrhlb ins Zitrhmns widr zu sndn. CSMA/CA Bi dr Collision Avoidnc wird dr Zugriff übr Prioritätn gsturt. Grundlg ist in Wird-or-Prinzip, bi dm sich in dominnts Zichn ggnübr dm rzssivn Zichn durchstzt. Diss Vrfhrn wird bi dm CAN-Bus vrwndt. Ein witr Möglichkit ist di Dfinition dr Prioritätn durch di Wrtzit, wlch zwischn dm Sync-Signl und dm Bginn dr Nchricht ligt. Jdr ilnhmr ht in ndr Wrtzit, so wrdn Kollisionn vrhindrt. Dr ilnhmr mit dr gringstn Wrtzit knn sin Nchricht zurst bstzn. Diss Vrfhrn wird bi dm Bytflight-Protokoll [Byt] ngwndt. okn-ring logischr Ring, physiklischr Ring s gibt fr- und busy-okn ilnhmr mit Sndwunsch wrtt uf fr-okn und bstzt s mit dn zu sndndn Informtionn busy-okn. Wird diss bstzt okn, nchdm s durch dn Ring lif, widr vom Sndr mpfngn, so gibt r s widr fri. wnn ds okn vrlorn ght, muss ds Systm nu initilisirt wrdn okn-bus logischr Ring, physiklischr Bus Multimstr-Prinzip dr ilnhmr, wlchr dn okn bsitzt, drf sndn Eignschftn dr Vrfhrn mit okn: s drf nur in okn im Umluf sin Hndling bi Ausfll von ilnhmrn odr bi Vrlust von okn ist ufwändig und muss bi dr Bstimmung dr mximln Übrtrgungszit brücksichtigt wrdn. Codirung / ktrückgwinnung Wi brits rwähnt, gibt s zwi Artn dr Digitlübrtrgung, di synchron und di synchron. Bi dr synchronn Übrtrgung ligt di Synchronistionsinformtion im Nchrichtnrhmn. Di inzlnn Bit inr Nchricht wrdn synchron übrtrgn. Dr Empfängr synchronisirt sich uf ds 3

24 Stnd dr chnik Synchronistionszichn und tstt so, mit sinr frilufndn ktung, di inzlnn Zichn b. Bi dr synchronn Übrtrgung wird ds ktsignl ntwdr us dn inzlnn Bit dr Nchricht zurückgwonnn, odr s wird gtrnnt übrtrgn. Mit Hilf ds ktsignls wird ds Dtnsignl bgtstt. Bispil für in synchron Übrtrgung ist ds SPI-Intrfc, bi wlchm Dtn und kt gtrnnt übrtrgn wrdn. Signlvrläuf binärr Zichn NRZ RZ Biphs Abb. 3 Signlvrläuf bi vrschidnn Codirungn Bi dr NRZ Non Rturn to Zro stllt nur di Signlmplitud di Informtion dr. Es ist kin zusätzlich Informtion übr dn Abtstzitpunkt nthltn. Bi dr RZ-Codirung Rturn to Zro ist di Informtion in dr Amplitud dr rstn Hälft ds Bits und in dr zwitn Hälft ist ds Bit widr null. Di Biphs Codirung bstht us zwi Phsn, wlch bid nicht glich null sind. Ddurch ntstht in Signlwchsl, wlchr im Empfängr ls Zitinformtion für di Abtstung ds Signls vrwndt wird. Durch di untrschidlich Polrität ist dr Glichspnnungsntil bi disr Codirung null. Es gibt mhrr Möglichkitn, dn kt us dm Empfngssignl zurück zu gwinnn. Di Vrfhrn hbn untrschidlich Listungsmrkml bzgl. mximlr kttolrnz und Rlisirungsufwnd. Bi dr Übrtrgung müssn in Bit-, in Zichn- und in Blocksynchronistion durchgführt wrdn... ktrückgwinnung bi dr UAR-Einhit Bi dm UAR-Vrfhrn Univrsl Asynchronous Rcivr rnsmittr wird dr kt mit jdm Zichn synchronisirt. Di nominl Übrtrgungsrt ist dm Empfängr priori bknnt. Di Synchronistion gschiht zu Bginn ins Zichns, odr Frms, ds us sibn, cht odr nun inzlnn Bit bstht. Ds UAR-Signl ht inn dfinirtn Idl-Pgl. Wnn in ilnhmr zu sndn bginnt, wird dis durch in Strt-Bit inglitt. Ds Strt-Bit ht inn ndrn Pgl ls dr Idl-Zustnd. Dr Empfängr knn ddurch dn Pglwchsl dtktirn und sin ktinhit synchronisirn. Dm Strt-Bit folgn in dr Rgl 7-9 Bit Dtn im NRZ-Formt. Dis könnn noch durch in Prity-Bit rgänzt wrdn.

25 Stnd dr chnik Strtbit Stopbit Bus Idl D D D D3 D D5 D6 D7 Bus Idl Abb. UAR-Frm Nch dm Dtktirn dr fllndn Flnk ds Strtbit muss dr Empfängr bis zum ltztn Bit sinn kt so gnu hltn, dss diss noch richtig bgtstt wird. Es knn kin Zwischnsynchronistion rfolgn, d z.b. bi inm Null-Frm kin Zustndswchsl in dr Bit-Folg vorhndn ist. Zwischnsynchronistion durch Strt-Stop-Bit-Kombintion Bi nicht slbstsynchronisirndn Cods wi dm NRZ Cod knn in Synchronistion in inm längrn Dtnstrom rzugt wrdn, indm Synchronistionszichn ingfügt wrdn. Wnn dr Empfängr wiß, n wlchr Stll in solchs Zichn kommt, knn r sich druf synchronisirn. Um di Empfngszit diss Zichns zu dtktirn, muss diss durch inn Zustndswchsl dfinirt sin. Dis wär z.b. in und in, so dss hir in stignd Flnk zwischn dn bidn Bits ntstht. Disr Anstz wird im Bytflight-Protokoll dr F. BMW vrwndt. Es wrdn hir 8 Bit lng Dtn- Frms durch in - und in -Bit gtrnnt, uf wlch sich dr Empfängr synchronisirn knn. D dr Empfängr priori wiß, wnn in Sync-Zichn rfolgn muss, knn innrhlb ins gwissn Zitfnstrs in Nchsynchronistion durchgführt wrdn... ktrückgwinnung mit Hilf ds Bitstuffing-Vrfhrns Diss Vrfhrn wird bi dm CAN-Bus ngwndt. Di inzlnn Bit wrdn hir mit dr NRZ-Codirung übrtrgn. Nch inm Block von mximl 5 Bit rfolgt in Signlwchsl. Dr Empfängr knn sich uf di Flnk ins Signlwchsls synchronisirn. Wnn llrdings in lng Folg von glichwrtign Zichn mpfngn wird, bstht in disr Zit kin Flnk für di Synchronistion. Aus dism Grund wird bi dism Vrfhrn in sognnnts Stuffbit odr Stopfbit in in solch Folg von glichwrtign Zichn ingfügt. Di Vorschrift bi dm CAN-Bus lutt folgndrmßn: Wnn fünf glichwrtig Zichn übrtrgn wrdn, wird in ndrwrtigs Stuffbit ingfügt. Somit ist di mximl Läng glichwrtigr Bit uf fünf bgrnzt. Di Oszilltorn für di ktrückgwinnung hbn inn olrnzbrich, dr dis Zitbdingung rfülln knn. Bi dm CAN-Bus wird ds Bitstuffing drübr hinus noch dzu vrwndt, Informtion durch gzilt Vrltzung dr Stuffbit-Rgl zu übrtrgn [Lw97]. 5

26 Stnd dr chnik ungstopft gstopft Stopf-Bit Stopf-Bit Abb. 5 Bitstuffing bi CAN In Abb. 5 ist in gstopft und in ungstopft Bit-Squnz drgstllt. Ein Stopfbit wird nch fünf glichwrtign Bit ingfügt. Di Frm-Läng ist ddurch vribl. HDLC-Protokoll Ds HDLC-Vrfhrn High Lvl Dt Link Control vrwndt zur Synchronistion in 8-Bit-Kombintion, wlch uch Flg gnnnt wird. Wnn dr Empfängr diss Flg rknnt, synchronisirt r sinn Oszilltor uf diss Zichn. Diss Flg drf nicht innrhlb dr Nutzdtn vorkommn, d sich sonst dr Empfängr druf synchronisirn würd. Um br trotzdm di voll Nutzdtnbrit inschlißlich Flg zu rhltn, rbitt ds HDLC-Vrfhrn nch folgndr Rgl: Wird ds Synchronistionszichn ls Nutzzichn und nicht zur Synchronistion vrwndt, wird s im Sndr durch in Stuffbit für di ktrückgwinnungsinhit unknntlich gmcht, dmit si sich nicht uf diss Zichn synchronisirt. Vor dr Auswrtung dr mpfngnn Dtn muss ds Bitstuffing llrdings in dm Intrfc ds Empfängrs rückgängig gmcht wrdn. Dbi wird us dr übrtrgnn, rwitrtn Bit-Kombintion durch Rduzirn ds Stuffbit widr di ursprünglich Bit-Folg ds Flgs, ws in Nutzinformtion drstllt. Flls im ursprünglichn Dtnblock ttsächlich di Kombintion ds durch Bitstuffing rwitrtn Flgs übrtrgn wrdn soll, muss dis vor dr Rduktion durch dn Empfängr gschützt wrdn. Auch si muss brits im Sndr durch in witrs Bit rgänzt sin [Sch9]. Ein wird durch inn Zustndswchsl, in durch glichblibndn Zustnd drgstllt. Ein -Folg lifrt somit kin ktinformtion. BSC-Protokoll Im BSC-Protokoll Binry Synchronous Communiction ist im Ggnstz zum HDLC in Zichn us dm Zichnvorrt für di Synchronisirung rsrvirt. Ds Protokoll dint dzu, ASCII-Zichn zu übrtrgn. Ds SYN-Zichn ht dn Wrt Hx 6. Es wird in lln Sndpusn übrtrgn, mindstns nch Abschluss ins Dtnblocks. D diss Protokoll nur für dn zu übrtrgndn Zichnstz vrwndt wird, knn in Zichn ls Synchronistionszichn rsrvirt wrdn. Diss Zichn wird nicht innrhlb ins Dtnblocks vrwndt, somit ist in Fhlsynchronistion usgschlossn [Sch9]. Es gibt uch inn sognnntn rnsprnt-mod, in wlchm ll Zichn, inschlißlich ds SYN-Zichns, zur Dtnübrmittlung vrwndt wrdn. Um ds SYN-Zichn ls Dtnzichn zu idntifizirn, wird s zwiml gsndt. 6

27 Stnd dr chnik..3 Bitorintirt ktrückgwinnung Mnchstr-Codirung Bi dr Mnchstr-Codirung wird in Bit durch zwi vrschidnwrtig Einzlzuständ drgstllt. Dis bdutt, dss sich di Übrtrgungsbndbrit bi inr - odr -Folg vrdopplt. Bi inr Bit-Folg von z. B. kbit/s ist di mximl Grundfrqunz f ½ nicht 5 khz, wi dis bi inr NRZ-Codirung wär, sondrn khz. Ein Bit wird durch di Einzlzustndsfolg, ds ndr durch drgstllt Abb. 7. D in Bit immr inn Wchsl dr bidn Zuständ zur Folg ht, ntstht in dr Bit-Mitt immr in Flnknwchsl, wlchr zur ktrückgwinnung vrwndt wird. Dr Dcodirr muss sich zunächst durch in vordfinirts Strtzichn uf di Zichnfolg inrstn. Nun wird dr kt us dr Flnk in dr Bit-Mitt zurückgwonnn. Dr Dcodirr drf nicht dn Flnknwchsl, wlchr zwischn zwi Bit ntsthn knn, ls ktsignl intrprtirn. Ds Dtnsignl knn us dm Eingngssignl untr Vrwndung ds zurückgwonnn kts rkonstruirt wrdn. Ausblndung dr nicht signifikntn Flnk signifiknt Flnk ktbwichung % ktbwichung < 33% ktbwichung < 33% Abb. 6 ktbwichung bi dr Mnchstr-Dcodirung In Abb. 6 ist zu shn, dss bi inr ktbwichung von wnigr ls - 33 % grd noch di nicht signifiknt Flnk usgblndt wird und bi inr ktbwichung von wnigr ls 33 % grd nicht di signifiknt Flnk usgblndt wird. Drus rsultirt di thortisch mximl Oszilltorbwichung zwischn Sndr und Empfängr von wnigr ls odr - 33 % [Hi]. MFM-Codirung Di MFM-Codirung ist uch bknnt untr dr Bzichnung Millr-Codirung. Di Ursprüng stmmn us dr Mgntspichrtchnik z.b. bi Fstplttn. Bi dr MFM Modifid Frquncy Modultion lutt di Codirvorschrift: Ein wird durch inn Zustndswchsl in dr Bit-Mitt, in durch inn durchgängign Signlpgl währnd ds gsmtn Bit drgstllt [Kop97]. Witr gilt di Vorschrift, dss zwischn zwi ufinndrfolgndn -Zichn in Zustndswchsl zwischn dn Zichn stttfindt. Dis ist notwndig, um di Dis rgibt sich, wnn in Wchslfolg übrtrgn wird 7

28 Stnd dr chnik ktrückgwinnung bi inr -Bit-Folg zu gwährlistn. Bi inr -Bit- Folg ist in ktrückgwinnung rst nch dr Dur von zwi Bit möglich Abb. 7. Bi dr MFM-Codirung wird, wi bi dr Mnchstr-Codirung, in Bit in zwi Bit-il untrtilt. Durch di Codirvorschriftn wird vrmidn, dss di bidn il ins Bit ständig ltrnirn. Di mximl Grundfrqunz ist hir nicht glich dr Bit-Frqunz, wi bi dr Mnchstr-Codirung, sondrn nur hlb so groß, wi im Fll dr NRZ-Codirung. Wnn, wi obn bschribn, di inzlnn Bit in zwi il untrtilt wrdn, ist di längst glichwrtig Zichnfolg vir Bit-il lng. Di nächst Bit-Folg ht dri glichwrtig il. Di härtst zitlich Anfordrung ist, dss ds Systm somit zwischn dri und vir Zitinhitn untrschidn könnn muss. Drus rgibt sich im Empfängr in mximl ngtiv ktbwichung 3 von:,75 5%. Di mximl positiv ktbwichung ds Empfängrs rgibt sich durch dn Fll, dss dri Bit-il nicht ls vir idntifizirt wrdn. NRZ Mnchstr MFM Abb. 7 Übrsicht Codirungn.3 Störvrhltn dr Bitübrtrgungsschicht Symmtrisch und symmtrisch Übrtrgung Di symmtrisch Übrtrgung wird uch diffrntill Übrtrgung gnnnt. In Abb. 8 ist drgstllt, wi in Glichtktstörung uf in symmtrisch und in symmtrisch Übrtrgung inwirkt. Bi dr symmtrischn wird dr Störimpuls ls Dtnsignl intrprtirt, bi dr symmtrischn nicht, d di bidn symmtrischn Potnzil glichmäßig von dr Störung binflusst wrdn. Di Diffrnzspnnung blibt null [x95], [Mx95]. 8

29 Stnd dr chnik U U U symmtrisch Übrtrgung Störinfluss t U t diffrnzill Übrtrgung U U Abb. 8 Störinfluss bi symmtrischr und symmtrischr Übrtrgung Schirmung dr Litungn Schirm rhöhn mist di Btribskpzität. Si wirkn bi Emissionn und Immissionn tw glichrtig. Im Kfz ist in Litungsschirm unrwünscht, d di Kostn dr Kbl hoch sind. Dzu kommt, dss di Konfktion dr Stckr, di witghnd durch Hndrbit gschiht, turr wird. Gurding Ds Mitführn inr odr mhrrr Msslitungn nbn dn Signllitungn ht in gringr Schirmwirkung ls in gschlossnr Schirm. Es ist llrdings wsntlich kostngünstigr und infchr hrzustlln und zu vrrbitn. Diss Vrfhrn wird tilwis von Kfz-Hrstllrn wi z.b. BMW bi dr CAN- Vrkblung ngwndt.. Bussystm im Kfz K-Bus ISO 9: Dr K-Bus, uch Krossri-Bus gnnnt, ist uf dr Grundlg ds srilln Intrfc UAR Univrsl Asynchronous Rcivr rnsmittr ntstndn. Ein solch UAR-Einhit ist hut fst in lln Controllrn nthltn. Wnn dr Kommuniktionsbluf von dr Softwr gsturt wird, ist kin witrr Kommuniktionscontrollr notwndig. Dr K-Bus wird im Kfz mist für di Dignoskommuniktion vrwndt. Di Übrtrgung dr Dtn findt symmtrisch ggnübr dr Fhrzug-Mss sttt. Dshlb und ufgrund dr 9

30 Stnd dr chnik Oszilltortolrnzn wird im Kfz di Kommuniktion nur bis c. kbit/s vrwndt sih Kp. 3.. Di Bitübrtrgungsschicht ist in dr ISO9-Spzifiktion [ISO9] bschribn. Im Vrglich zum RS3-Stndrd wrdn hir kin ngtivn Spnnungn rzugt, sondrn nur und V. Di Zuordnung ist V -> log., V -> log.. ilnhmr V ilnhmr K X RX X RX K-Lin Abb. 9 Aufbu K-Bus Ds UAR-Intrfc bsitzt di bidn Litungn Rx und x für ds synchron Sndn und Empfngn von Dtn. Di bidn Litungn wrdn durch dn Bustribr n in Potnzil gbrcht Crrir Sns. Ds Intrfc knn im Vollduplxbtrib rbitn, d.h. s knn glichzitig untrschidlich Dtn sndn und mpfngn. Durch di Buskommuniktion, wi in Abb. 9 drgstllt, ght di Vollduplxfunktion vrlorn. Es knn immr nur in ilnhmr zu inr Zit sndn. Dr gsndt Wrt knn n Pin Rx zurückglsn wrdn. LIN Dr LIN-Bus Locl Intrconnct Ntwork stzt uf dm Physicl Lyr ds K-Bus uf. Es wird kin Kommuniktions-Controllr bnötigt. Ds Protokoll wird mit in dr Controllr-Softwr implmntirt. Um ilnhmr mit tktungnun RC- Oszilltorn vrwndn zu könnn, gibt s in jdm Nchrichtn-Frm in Synchronistionsfld, uf wlchs sich dr ungnu Slv-ilnhmr synchronisirn knn. Ohn Vrwndung diss Modus bträgt di mximl Oszilltortolrnz dr ilnhmr /- %. Durch dis Mßnhm knn si bis zu /- 7 % btrgn. Dis Einrichtung rduzirt di Effizinz ds Protokolls grundsätzlich, d diss Fld fstr Bstndtil ins jdn Frms ist. Di mximl Dtnrt bträgt kbit/s. Dr Buszugriff gschiht nch dm Mstr-Slv- Vrfhrn. Ein Nchrichtn-Frm bstht us inm Sync.-Brk, dm Sync.- Pttrn, dm ID-Fld,, odr 8 Dtnbyt und dm CRC-Chcksummn-Fld. CAN Di CAN-Kommuniktion Controllr Ar Ntwork ist in dm ISO Stndrd 898 fstglgt. Di hoh Komplxität ds Protokolls rfordrt inn ignständign Kommuniktions-Controllr. Di Dtnrt knn bis zu MBit/s btrgn. Im Kfz wrdn mist 83,3 bzw. 5 Low-spd odr 5 kbit/s Highspd vrwndt. Di Litungsläng hängt von dr Dtnübrtrgungsrt b. Bi MBit/s knn si m btrgn. Wnn di Dtnübrtrgungsrt nur kbit/s ist, 3

31 Stnd dr chnik knn di mximl Läng bis zu m btrgn. Es hndlt sich hir um inn Multimstrbus, d.h. jdr ilnhmr knn uf ign Inititiv Nchrichtn bsndn. Di Orgnistion ist vnt-gsturt. Ein ilnhmr, dr in Nchricht sndn will, kontrollirt, ob dr Bus fri ist, und sndt dnn di Nchricht b. Wnn zwi ilnhmr glichzitig nfngn, in Nchricht zu sndn, wird durch in Einzl-Bit-Arbitrirung ntschidn, wlchr ilnhmr di nidrprior Nchricht bsitzt und di Nchricht bbrchn muss. Es wrdn nicht ilnhmr drssirt, sondrn s wrdn Nchrichtn-Frms idntifizirt. Ein Nchrichtn-Frm wird durch in 5-Bit-CRC-Prüfsumm gsichrt. Di CAN-Kommuniktion ist für in homogns Systm gignt, d.h. di ilnhmr hbn tw di glich Rchnlistung [Wl97]. Di CAN-Kommuniktion stllt in rltiv hoh Anfordrung n di Listungsfähigkit ds Controllrs und di Präzision ds Oszilltors. Für in htrogns Snsor-Aktor-Systm ist si ufgrund disr hohn Systmnfordrungn wnigr gignt [Lw97]. R 6Ω R 6Ω CAN H C nf C nf R 6Ω CAN L R 6Ω Sndr Empfängr Abb. CAN Übrtrgungssystm P/C Dr P/C-Bus ist in Multimstrbus und im Ggnstz zum CAN-Bus nicht vntsondrn zitgtriggrt. Er ht zwi Knäl und rfüllt di SAE Clss C Anfordrungn. Er rbitt nch dm DMA-Vrfhrn im Division multipl Accss. Di Übrtrgungsrt knn mhrr MBit/s btrgn. Di Bitübrtrgungsschicht knn lktrisch, für hoh Dtnrtn bis zu 5 MBit/s uch optisch rlisirt wrdn. Bytflight Diss Bussystm wurd von BMW für Sichrhitsnwndungn ntwicklt. Es wird in optischr Physicl Lyr vrwndt. Di Dtnrt knn bis zu MBit/s btrgn. Di Bustopologi ist in Strn mit ktivm Strnkopplr. Dr Buszugriff wird drübr gsturt, dss di Nchrichtn gmäß ihrn Prioritätn untrschidlich Wrtzitn bsitzn, nch wlchn si uf dn Bus zugrifn. Disr Bus ist drzit bi BMW-Fhrzugn im Brich dr Rückhltmittl im Einstz. 3

32 Stnd dr chnik Flxry Dr Flxry-Bus ist wi dr P/C zitgsturt. Er bitt uch di Möglichkit, in inm dfinirtn Zitfnstr vnt-gsturt Nchrichtn zu übrtrgn. Für di Bitübrtrgungsschicht solln lktrisch ls uch optisch Lösungn ngbotn wrdn. Most-Bus Dr Most-Bus ist für Multimdi-Anwndungn im Kfz ntwicklt wordn. Er ist in inr Ringtopologi usgbildt und kommunizirt nch dm okn-prinzip. Di Bitübrtrgungsschicht wird mit Lichtwllnlitr LWL rlisirt. Di Dtnübrtrgungsrt rricht drzit bis zu 3 MBit/s. 3

33 Anfordrungn n di Bitübrtrgungsschicht im Kfz 3 Anfordrungn n di Bitübrtrgungsschicht im Kfz An di Bitübrtrgungsschicht wrdn innrhlb ds Kfz vrschidn Anfordrungn gstllt. Dis hängn oft uch von dr Appliktion b. In dism Kpitl wrdn nur di gnrlln Anfordrungn bschribn. 3. Intrfc dr Kommuniktionstilnhmr Zum Dtnustusch ist in Ein-/Ausgbwrk, uch Intrfc gnnnt, notwndig. Bi digitln Systmn sind di Signl zit- und wrtdiskrt. Es bstht di Möglichkit, di Zichn glichzitig n mhrrn Knäln prlll odr in zitlichr Abfolg nchinndr übr inn Knl srill zu übrtrgn. Bi größrn Entfrnungn bitt sich di srill Kommuniktion ufgrund ds gringrn Vrkblungsufwnds n. Es hbn sich zwi Intrfc-Stndrds im Brich dr Ein-Chip-Computr Controllr durchgstzt. Ds UAR-Intrfc, oft uch ls srills Intrfc bzichnt, und ds SPI -Intrfc Sril Priphrl Intrfc. Disr Bgriff stmmt von dr Firm Motorol und ht sich im Sprchgbruch für diss Intrfc durchgstzt. Im Konsumlktronikbrich ht sich ds I²C-Intrfc, wlchs dm SPI-Intrfc ähnlich ist, wit vrbritt [Sch9]. UAR-Intrfc In dr Histori dr Kfz-Elktronik wird schon shr lng ds srill Intrfc UAR von Microcontrollrn zur Kommuniktion ingstzt z.b. K-Bus. Es wird für Zwck dr Dignos ohn Rlzitnfordrungn ingstzt Kp... Strtbit Stopbit Bus Idl D D D D3 D D5 D6 D7 Bus Idl Abb. UAR-Frm Ein UAR-Frm bstht us Strtbit, 7-9 Dtnbit und inm Stoppbit Abb.. Di Dtnbits könnn noch durch in Prity-Bit rgänzt wrdn. Dr Empfängr synchronisirt sich uf di fllnd Flnk ds Strtbit und muss dnn bis zum 7. bzw. bis zum. Bit sinn kt so gnu hltn, dss diss noch richtig, d.h. im Mittlbrich, bgtstt wird. Di nominl Abtstrt knnt dr Empfängr priori. Di Abwichung drf nur so groß sin, dss dr kt bim ltztn Bit um wnigr ls in hlb Bitzit vom Nnntkt bwicht. Drus rgibt sich in mximl Abwichung von: Bit,8 Strtbit 7Bit Bit Dis ntspricht /-5,9 %. 33

34 Anfordrungn n di Bitübrtrgungsschicht im Kfz Ein größrs Problm bi dr Vrwndung ds UAR ist di Grnulrität dr Budrtninstllung. Di Budrt knn nicht gnu ingstllt wrdn, nämlich ntwdr tws zu klin odr zu groß sih Abwichung in bll. Di Abwichung hängt von dr Dtnrt, dr ktrt ds Controllrs und von dm vrwndtn Controllr slbst b und nimmt bi höhrn Dtnrtn shr strk zu. Dis ist durch di Auslgung dr kttilr innrhlb dr Controllr bgründt. Budrt [Bud] Abwichung [%] 6, -, 8, -,6 96, -, 9,7 -, 38,7 -, 5 8,7 -, bll UAR ds Microcontrollrs C67 mit MHz ktung In bll sind di ktbwichungn von dn Stndrd-Budrtn ins Infinon C67 Controllrs bi MHz ufglistt. Bi 38 Bit/s ist di Grnulrität,7 %, % 3, %, d.h. dr Oszilltor knn nur mit 3, % grobn Schrittn ingstllt odr nchjustirt wrdn. Bi 5 Bit/s ist di Grnulrität 9, %, somit knn nicht mhr in ds olrnzfnstr /- 5,9 % gtroffn wrdn. Wnn dvon usggngn wird, dss ilnhmr mit untrschidlichn Controllrn und untrschidlichn ktfrqunzn übr in Mdium mitinndr kommunizirn müssn und dis nicht mit Qurzoszilltorn rbitn, wird dutlich, dss dis nur bis c. kbit/s, wi bi LIN spzifizirt, funktionirn knn. SPI-Intrfc Ds SPI-Intrfc wird für di srill Kommuniktion innrhlb ins Gräts vrwndt. Es bsitzt kin Mchnismn zur Dtnsichrung wi z.b. CRC- Prüfsummn. Dr Dtnustusch gschiht mittls inr kt- und inr Dtnlitung. Dr Mstr gibt dn kt vor, nch wlchm dr Slv di Dtnsignl btstt. Di Dfinition ds Dtnformts untrligt dr Appliktion. Mittls Chip-Slct-Litungn knn in Zugriffsturung zwischn mhrrn ilnhmrn bwrkstlligt wrdn. Mit dm SPI-Intrfc ist in bidirktionl Kommuniktion im Vollduplxbtrib möglich. Di mximl Dtnrt knn j nch Controllr bis zu mhrrn MBit/s btrgn Kp. 5., Anhng H. 3. Zitbsis Dmit zwi synchron Einhitn mitinndr kommunizirn könnn, ist s notwndig, dss dr Empfängr di synchronn Empfngsdtn übrnhmn knn. Dis Aufgb wird von dr Dcodirung rfüllt. Si stllt ntsprchnd Fordrungn n di Zitinhit. Dis Zitinhit wird in dr Rgl durch Qurz, durch Krmik-Rsontorn odr durch RC-Oszilltorn rlisirt. 3

35 Anfordrungn n di Bitübrtrgungsschicht im Kfz 3.. Qurz Ihr Abwichung von dr Nnnfrqunz ligt im Brich von,5 %. Disr Wrt binhltt di Altrungs- und mprturinflüss. In dr Kfz-Elktronik sind di Qurz in shr kostnintnsivs Elmnt. Dr Pris hängt strk von dr Buform b. SMD-Qurz, wlch dr Automobilspzifiktion ntsprchn, kostn zwischn 5 und 5 Euro Cnt. 3.. Krmik-Rsontorn Si sind bi glichr Buform c. um dn Fktor billigr ls Qurz. Ihr Abwichung von dr Nnnfrqunz ligt im Brich von,5 bis,8 %. Dis Wrt stzn sich us dr Grund- odr Frtigungstolrnz, dr mprturbhängigkit, dr Vrändrung übr di Lbnsdur und dm Vrhltn ggnübr strkn Bschlunigungn zusmmn. Di Stbilität ggnübr strkn Bschlunigungspulsn ist bsondrs im Brich dr Crsh-Snsorik wichtig, d dis Snsorn huptsächlich untr dm Einfluss von strkn Bschlunigungspulsn zuvrlässig rbitn müssn. Di Frtigungstolrnz ligt im Brich von, bis,7 %, di olrnz dr mprturbhängigkit und di dr Vrändrung übr di Lbnsdur ligt im Brich, bis,7 %. Di Bschlunigungsschockfstigkit ligt im Brich, bis,9 %. Di Kostn disr Rsontorn blufn sich j nch Buform uf miniml Fktor ½ drr ins Qurzs RC-Oszilltorn Ein intgrirtr RC-Oszilltor fällt für di Prisklkultion nicht ins Gwicht, währnd in Qurz bi inr klinn Snsorinhit mit inm Low-Cost-Controllr c. 5 % dr Gsmtkostn usmchn knn. Um kostngünstig RC-Oszilltorn instzn zu könnn, muss di Frqunzstbilität btrchtt wrdn. Dis tilt sich in dri Untrbrich: Mn spricht von Lngzitstbilität bi inm Msszitrum von gn, Montn bis zu inm Jhr. Di Mittlzitstbilität bschribt dn Brich Minutn und Stundn, di Kurzzitstbilität bschribt ds Vrhltn in dm Brich untr inr Skund [Kur9]. Für di Lngzitstbilität ist vor llm di Altrung ds Oszilltors vrntwortlich. Si knn durch Vorltrung vrbssrt wrdn. Für di Mittlzitstbilität sind di mprtur, di Btribsspnnungsschwnkungn und di Lstzustndsändrungn vrntwortlich [Nüh89], [Gr97], [Kur88]. Di Kurzzitstbilität hängt huptsächlich von dm Ruschn b. Es bwirkt in Störmodultion ds Oszilltors in Amplitud und Frqunz nch Forml, wo αt und ϕt di Störgrößn drstlln [Kur9]. u t U α tcos t ϕ t ypisch Wrt dr Zittolrnzn für Onchip-RC-Oszilltorn: Si bträgt /- 5 % übr mprturn von - bis 5 C und übr di gsmt Lbnsdur. Durch rimmung dr Oszilltorn ist in Lngzittolrnz /- 8 % möglich, llrdings uf Kostn ds Flächnbdrfs, d für dis Einhit j nch 35

36 Anfordrungn n di Bitübrtrgungsschicht im Kfz chnologi c.,3 mm² Fläch uf dm Silizium bnötigt wird. Mit noch ufwändigrr chnik sind /- 3 % zu rrichn. Di Kurzzittolrnz Jittr bträgt j nch rlisirtr PLL c.,5 %. Dr mittlr olrnzbrich wird durch lokl Erwärmung ds Silizium-Chips bstimmt, wlch z.b. durch Schltn von bnchbrtn Ausgngstribrtrnsistorn ntsthn knn. Ohn zusätzlich Mßnhmn mcht dis mittlr olrnz tw di Hälft dr Gsmttolrnz us,5 %. Mit mprturkompnstion knn c. /- % Gsmttolrnz rricht wrdn. 3.3 Anfordrungn n di Bitübrtrgungsschicht 3.3. Bsisbndübrtrgung Im Kfz bstht di Anfordrung, Dtn zwischn mhrrn Systmn uszutuschn, wlch sich n vrschidnn Stlln im Kfz bfindn. Di Entfrnungn sind uf inig Mtr bgrnzt. Di Anfordrung dr Nchrichtntchnik, vil Dtn übr in Litung übr wit Entfrnungn zu trnsportirn, bstht hir nicht. Hir gilt di Rhmnbdingung, mit gringm Aufwnd in bgrnzt Mng n Dtn durch ds Kfz zu trnsportirn, wozu di Signl im Bsisbnd übrtrgn wrdn. Ds Bndbritnngbot dr Litung rfordrt nicht, durch Modultion ins rägrs im Sinn dr Nchrichtntchnik di gsmt Bndbrit möglichst ffktiv und homogn uszunutzn Kp... Im Bsisbnd stht dm Signl di gsmt Bndbrit dr Litung zur Vrfügung. Di inzig Bgrnzung ist durch di frqunzbhängig Dämpfung gstzt. D di Frqunz ds Nutzsignls shr vil klinr ist ls di Übrtrgungsgrnzfrqunz dr vrwndtn Litung, ist in Impulsformung zur Erfüllung dr rstn und zwitn Nyquist-Bdingung wnig sinnvoll. Vilmhr ligt ds Intrss drn, di Übrtrgungsfrqunzn gring zu hltn, um stil Flnkn zu vrmidn, wlch lktromgntisch Abstrhlungsffkt rzugn [Boc83]. Übrtrgungsvrhltn dr Litungn Auf dr Litung wrdn Signl im Bsisbnd übrtrgn, ihnn wird di gsmt Bndbrit zur Vrfügung gstllt. Bndbritninschränkungn gschhn us Gründn dr EMV. Di Fourir-rnsformirt dr Ausgngssignls ist glich dm Produkt von dr Fourir-rnsformirtn ds Eingngssignls und dr Übrtrgungsfunktion Gl.. A H E E H A Abb. Übrtrgungsfunktion 36

37 Anfordrungn n di Bitübrtrgungsschicht im Kfz Ds Übrtrgungsvrhltn inr typischn Kfz-CAN-Kommuniktionslitung ist untn bgbildt. Es ist zu shn, dss bis zu Frqunzn von mhrrn MHz unwsntlich Dämpfungn uftrtn. Att [db/m] 8 6 Abb f [MHz] Dämpfungsvrluf inr typischn Kfz-CAN-Bus-Litung D di Bndbrit ds Nutzsignls klin ggnübr dr nutzbrn Bndbrit dr Litung ist Abb. 3, kommt s nur zu unwsntlichn Impulsvrformungn dr übrtrgnn Signl EMV Elktromgntisch Vrträglichkit EMV-Mssung Einkopplung Immission Auskopplung Emission gstrhlt Antnn litungsgbundn Kopplntzwrk gstrhlt Antnn litungsgbundn Kopplntzwrk trnsint sinusförmig trnsint sinusförmig Abb. Übrsicht dr EMV-Erprobungn 37

38 Anfordrungn n di Bitübrtrgungsschicht im Kfz Di EMV ist untrtilt in di Störbinflussung und di Störussndung. Di Störbinflussung wird rmittlt, indm in dr Entwicklungsphs brits dfinirt sts mit dn Prototypn untrnommn wrdn. Ein stsystm wird durch Bufschlgung von lktromgntischn Wlln sowi durch Störimpuls, wlch uf dn Kblbum kpzitiv und induktiv ingkopplt wrdn, binflusst. Ds Systm muss disn normirtn Größn ntsprchnd stndhltn, um dn Anfordrungn dr Automobilhrstllr zu gnügn. Di Anfordrungn sind zum il stndrdisirt odr uch hrstllrspzifisch [CISPR5], [ISO5-], [ISO5-5], [ISO7637-3]. Auf dis Anfordrungn hir inzughn, wär zu umfngrich. Durch di Bgrnzung dr Störussndung soll dr Einfluss uf ndr lktronisch Systm im Kfz und uch ußrhlb ds Kfz gring ghltn wrdn. Hir wrdn bnflls dfinirt Bdingungn gschffn, in wlchn di Störmissionn normirt gmssn und bwrtt wrdn könnn Potnziluntrschid Durch di witräumig Vrtilung dr Bustilnhmr innrhlb dr Kfz knn nicht gwährlistt wrdn, dss ll ilnhmr ds slb Bzugspotnzil hbn. Ds Fhrzug-Chssis us Sthl odr Aluminium bildt ds Msspotnzil ds Kfz. Es ht zwr in gut Litfähigkit, doch knn di Anbindung drn, z.b. durch Korrosion, Übrgngswidrständ binhltn. Slbst bi nidrohmigr Anbindung ntsthn Msspotnziluntrschid von bis zu V, wnn Hochstromvrbruchr wi Anlssr, Sitzhizungn odr Pumpnmotorn in dr Näh btribn wrdn. Dis Potnziluntrschid könnn bi dr Kommuniktion durch glvnisch rnnung, bispilswis durch Übrtrgr, übrwundn wrdn. Hirbi muss llrdings in glichntilfri Codirung zugrund lign. Bispil hirfür ist di bipolr Mnchstr-Codirung. Di Intgrtion ins Übrtrgrs in in lktronisch Schltung, wlch mittlrwil mist in SMD-chnik Surfc Mount Dvic gfrtigt wird, ist shr ufwändig und tur. Problmtisch ist uch di Blstung durch Vibrtionn, wlch im Kfz ntsthn könnn. Aufgrund dr großn Mss ins solchn Übrtrgrs muss di Anbindung uf di Litrpltt shr stbil usgführt sin. Spzill bi Snsorn, wlch shr klin sin müssn, ist di Vrwndung von Übrtrgrn nicht möglich. Optokopplr sind us Kostngründn bnflls nicht im Kfz vrwndbr. Di Potnziluntrschid könnn durch diffrnzill Übrtrgung usgglichn wrdn. Dr CAN-nscivr PCA8C5 von Philips knn Eingngssignl im Brich von - 7 bis V rknnn. Bi nicht diffrnzillr Übrtrgung wird dr Potnziluntrschid durch hoh Signlbständ, z.b. von V bim ISO 9 Stndrd, übrwundn Frmdschluss-Sichrhit Di Buslitungn solltn ggnübr Kurzschlüssn nch GND und Vbt gsichrt sin. Kurzschlüss zwischn dn Litungn könnn nur tolrirt wrdn, wnn dr Zwig, in wlchm in Kurzschluss stttfindt, z.b. übr Widrständ odr übr 38

39 Anfordrungn n di Bitübrtrgungsschicht im Kfz ktiv Schltungn ntkopplt wird. Dis Mßnhm ht ngtiv Einflüss uf ds Übrtrgungsvrhltn und wird us dism Grund nicht ngwndt. D ds Chssis ins Kfz di Mss bildt, ist in Schluss zu Mss GND kritisch und sollt tolrirt wrdn. Bi dm Disy-Chin-Vrfhrn wrdn di ilnhmr nicht prlll n dn Bus ngschlossn, sondrn in inr Ktt gglidrt. Dr rst Slv-ilnhmr dr Ktt knn durch Schlißn ins intrnn Schltrs di witrn ilnhmr mit dm Mstr vrbindn odr trnnn. Wnn dr ltzt ilnhmr uch n dn Mstr ngschlossn wird, ntstht in gschlossnr Ring. Wnn hir in inm Bussgmnt in Kurzschluss stttfindt, knn r durch Öffnn dr Schltr dr bidn ilnhmr diss Sgmnts isolirt wrdn. All ilnhmr sind witrhin kommuniktionsfähig. Durch dis Schltr in dn ilnhmrn ist di Bitübrtrgungsschicht diss Systms nicht symmtrisch, ws zu hohn Störmissionn führt. Diss Vrfhrn ist dshlb uf Dtnrtn von wnigr ls 5 kbit/s bgrnzt sih uch Anhng A. In inr Strnstruktur mit inm ktivn Strnkopplr ist s uch möglich, dn Fll ds Schlusss bidr Litungn ggninndr zu bhrrschn. Di Intgrtion ds ktivn Strnkopplrs und di Einschränkung uf di Strnlitungstopologi stlln in shr groß Einschränkung für di Anwndung im Kfz dr. Funktion untr Kfz-spzifischn Rndbdingungn Di Funktion muss bi vrschidnn Anwndungn untr vrschidnn Rndbdingungn rhltn blibn. Ein infch ISO 9 Kommuniktion ist bispilswis bi inm Schluss dr Signllitung nch GND odr Vbt ußr Funktion. Bi dm CAN-Physicl Lyr ist in Schluss dr CAN_H ggn Vbt und in Schluss ds CAN_L nch GND bi vollr Funktionlität möglich. Andr Schlüss, wi CAN_L n Vbt odr CAN_H n GND sowi CAN_L n CAN_H, wrdn nicht tolrirt. Es gibt llrdings CAN-rnscivr, wlch ll hir bschribnn Fhlrfäll tolrirn. Si könnn dn Schluss bidr Buslitungn ggninndr tolrirn, indm si ds Signl dnn im Vrhältnis zu GND übrtrgn. Dis rnscivr sind llrdings nur bis zu inr Dtnrt von 5 kbit/s spzifizirt. Dr rnscivr PCA8C5 von Philips binhltt dis Funktionlität. Für Kommuniktionssystm in sichrhitskritischn Appliktionn, wi Rückhltsystm, Driv-, Brk- odr Str-by-wir, ist in Kommuniktion notwndig, wlch zumindst im Fll ds Schlusss inr Litung nch GND odr Vbt witr kommunizirn knn. Bsondrs pssiv Sichrhitssystm, wlch ihr Funktion bi inm Unfll usführn, müssn im Fll ds Durchtrnnns odr Abschrns von Litungn funktionsfähig blibn. Dr Fll ds Schlusss inr Buslitung nch Fhrzugmss bi inm Unfll muss z.b. von dm Airbg- Kommuniktionssystm tolrirt wrdn Bus-opologi Aufgrund dr Rflxionn, di bi flsch bgschlossnn Litungn ntsthn, knn s zu Störungn dr Kommuniktion kommn. Dis gschiht, wnn sich vorlufnd und rücklufnd Wlln drrt übrlgrn, dss in vrfälschts Signl 39

40 Anfordrungn n di Bitübrtrgungsschicht im Kfz nkommt. Dr Buspgl dr gültign, vorlufndn Wll wird durch di störnd, rücklufnd Wll vrändrt. Diss Vrhltn ist von dr Ausbritungsgschwindigkit im Kbl bhängig. Sinnvoll ist s, wnn sich di ilnhmr nh n dr Buslitung bfindn. Durch dis Fordrung blibt dr Wllnwidrstnd rltiv homogn. Di Stichlitungn könnn dnn litungsthortisch vrnchlässigt wrdn. Stichlitungn Di Ausbritungsgschwindigkit ins Diffrnzsignls uf inr Zwidrhtlitung bträgt tw cm/ns. Bi inr Dtnrt von 5 kbit/s im Fll dr NRZ- Codirung bträgt di kürzst Impulsdur ns. Ein Impuls bnötigt somit ns, um in Strck von m zu übrwindn. Di rücklufnd Wll bnötigt witr ns. Dis Lufzit rgibt sich zu inm Antil von ns ns 3 % ns dr ggbnn Impulsdur. Di Abtstung ds Signls rfolgt llrdings nicht in dism Rndbrich. Disr Wrt ist unkritisch, sofrn kin lngn Stichlitungn vorhndn sind [Lw97]. Für di Bstimmung dr mximln Stichlitungsläng gilt folgndr Zusmmnhng: tu Lu t p t u L u t p Zwiwglufzit in dr Stichlitung Läng dr nicht bgschlossnn Litung Spzifisch Lufzit pro Längninhit Als Fustrgl gilt, dss tr 5 t u < ist, wnn t r di Anstig-/Abfllszit dr Bussignl ist. Es folgt: tr 6 Lu < t p Dshlb drf bi inr Flnknstilhit t r ns und dr typischn Signllufzit von t p 5 ns/m di nicht bgschlossn Stichlitungsläng 5 m nicht übrschritn. Bdingt durch di Flnknstilhitn bi schnlln Signln ght di Übrtrgungsrt in di mximl Stichlitungsläng in [Lw97]. Di opologi dr Einhitn ins Snsor-Kommuniktions-Systms im Kfz rfordrt, dss nicht wi bi CAN in Lininstruktur, sondrn in Bumstruktur vrwndt wird.

41 Anfordrungn n di Bitübrtrgungsschicht im Kfz Ddurch ntsthn vil inzln Stichlitungn. Dis könnn nicht bgschlossn wrdn, d dis zu inr zu großn ohmschn Blstung dr Bustribr führn würd. Somit ntstht di Fordrung, dss ds Systm ohn rminirung n dn Litungsndn störungsfri rbitt. 3. Enrgiübrtrgung übr di Buslitungn Di Snsorn könnn sich us dr Busspnnung, wlch zntrl von inr Vrsorgungsinhit Mstr ingspist wird, vrsorgn. Dr Mstr knn durch Modultion disr Busspnnung Informtion zu dn Snsorn übrtrgn. Signlübrtrgung von dn Slvs n di Vrsorgungsinhit Mstr:. Durch Modultion ds Stromvrbruchs. Hir ist s notwndig, dss zu inr dfinirtn Zit immr nur in Slv-ilnhmr dn Strom modulirt, währnd di ndrn ilnhmr kinn Strom ufnhmn, d di Vrsorgungsinhit nur dn Summnstrom mssn knn BS-Bus sih Anhng G.. Durch Modultion inr Signlspnnung uf di Vrsorgungsspnnung. Hirzu wrdn Induktivitätn odr Übrtrgr notwndig ASI-Bus, wlch für di Intgrtion in klin Snsorn ungignt sind. Durch di Nutzung dr Spnnung und ds Stroms ls Informtionsträgr knn in solchs Systm im Vollduplxbtrib ingstzt wrdn. Dis Fordrung nch dr Enrgiübrtrgung übr di Buslitungn ntstht ufgrund ds Kostndrucks, wnn vil infch Snsorn odr Aktorn n in Sturinhit im Kfz ngbundn wrdn solln. Dr Vrkblungsufwnd sinkt, dr Stckr wird klinr, ddurch rhöht sich di Sichrhit. Entsprchnd Ansätz wurdn von vrschidnn Kfz-Elktronik-Hrstllrn gmcht. Dis Systm wurdn z.b. für ds Zündn von Rückhltmittln, wi Airbgs und Gurtstrffr, ntwicklt. Di Anzhl dr Zündkris in inm Kfz-Rückhlt-Systm ht sich sit dr Einführung 985 von inm uf c. 8 Zündkris rhöht. Vorusstzung hirfür ist, dss in intllignt Zündinhit wi uch vorhr schon mit zwi Drähtn ngschlossn wird. Drus ntstht di Fordrung, dss Enrgi und Informtion übr dis zwi Dräht übrtrgn wrdn. Es gibt brits inig Ansätz für diss Problm mit folgndm Vrfhrn: Di Enrgivrsorgung dr Slv-ilnhmr währnd dr Kommuniktion vom Mstr zu dn Slvs rfolgt ddurch, dss di Slv-ilnhmr ihrn Vrsorgungsstrom us dm spnnungsmodulirtn Dtnsignl ntnhmn. In dr Phs dr Kommuniktion von dn Slvs zum Mstr gschiht di Dtnübrtrgung durch Modultion ds Stroms. Um di Enrgispichr in dn Slvs klin zu hltn, wrdn währnd dr Dtnübrtrgung vom Slv zum Mstr zyklisch kurz Phsn für di Enrgivrsorgung ingführt, d dis in dr strommodulirtn Dtnphs nicht möglich ist. Dis Enrgiphs wird ds Witrn dzu bnutzt, di ktinformtion n di Slvs zu übrtrgn. Ein dtillirt Bschribung disr Systm ist im Anhng A zu findn.

42 Konzption inr Snsor-Aktor-Bitübrtrgungsschicht Konzption inr Snsor-Aktor-Bitübrtrgungsschicht. Zil. Vrwndung kostngünstigr und stndrdisirtr Komponntn Um ds Systm kostngünstig rlisirn zu könnn, ist s notwndig, dss di Anfordrungn n di Zitbsis bi dn Snsorn möglichst gring sind, dmit intgrirbr RC-Oszilltorn vrwndt wrdn könnn. Um di Kommuniktion mit möglichst viln vrschidnn Microcontrollrn rlisirn zu könnn, ist s rfordrlich, in Stndrd-Intrfc wi z.b. ds SPI- Intrfc zu vrwndn.. Rlzitfähigkit In viln Anwndungn bstht di Fordrung, dss di Snsorwrt dr Auswrtinhit innrhlb inr dfinirtn mximln Ltnzzit zur Vrfügung sthn. Wnn dis Rlzitfähigkit brits von dm Kommuniktionssystm grntirt wird, rduzirn sich disbzüglich di Anfordrungn n di Appliktionsschicht. 3. Hoh Effizinz dr Dtnübrtrgung Um di Anfordrungn bzüglich dr EMV und bzüglich dr großn olrnz dr Zitbsis inhltn zu könnn, sollt ds Vrhältnis Nutzdtnmng zu Gsmtdtnmng möglichst groß sin.. Hoh Störsichrhit Spzill im Brich dr Sichrhitssystm ist in shr hoh Vrfügbrkit ds Gsmtsystms notwndig. Di Störsichrhit dr Kommuniktionsschicht knn durch grundsätzlich Störsichrhit odr durch Hinzufügn von Rdundnz uf dr physiklischn Schicht, z.b. durch inn zwitn Knl, rmöglicht wrdn. Es ist uch möglich, durch Hinzufügn von Rdundnz im Dt Link Lyr, z.b. mit Prüfsummn, di Störsichrhit zu rhöhn. Einfügn von Rdundnz rzugt höhr Kostn bi dr Kommuniktionsschicht, dshlb ist ds Zil, in hoh Störsichrhit uf dr physiklischn Schicht ohn Rdundnz im Dt Link Lyr zu rzugn. Di Anfordrungn us Kp. 3 wrdn von kinm dr in Kp. brits im Kfz tblirtn Bussystmn rfüllt. Dr infch und kostngünstig K-Bus odr uch dr LIN-Bus sind nur bi Dtnrtn von bis zu c. kbit/s im Kfz instzbr. D dis synchron Vrfhrn sind und di Grnulrität dr ktinstllung bgrnzt ist Kp. 3., knn di Grnz nicht wit übrschrittn wrdn. Dr CAN-Bus trifft zwr di Anfordrung hinsichtlich dr Bndbrit, doch ist r in dr Rlisirung zu tur. Ein CAN-ilnhmr bnötigt inn utrkn CAN- Controllr sowi inn Qurz-Oszilltor. Für Low-Spd-Anwndungn, bi Dtnrtn bis zu 5 kbit/s, könnn uch Krmik-Rsontorn ingstzt wrdn.

43 Konzption inr Snsor-Aktor-Bitübrtrgungsschicht Di Kostn ins Krmik-Rsontors für Kfz-Appliktionn sind tw hlb so groß wi di ins Qurz-Rsontors. In dr Summ sind di Kostn ins CAN-Systms für di Snsor-Aktor-Kommuniktion im Kfz zu hoch. Ds Witrn ist di vntgtribn Kommuniktionssturung ds CAN-Busss ggnübr inr zitgtribnn für di Snsor-Aktor-Kommuniktion nchtilig.. HW-SW-Struktur ds Kfz-Kommuniktionssystms kt-, Dtnsignl und Enrgivrsorgung Ds Sndsignl stzt sich us dr kt- und dr Dtninformtion zusmmn. Wnn sich Bustilnhmr übr dn Bus mit Enrgi vrsorgn, ist si di dritt Größ, wlch übr dn Bus übrtrgn wrdn knn sih Kp. 3., Anhng G. Sndr Empfängr Dtn Codirr rnscivr rnscivr Dcodirr Dtn SPI µc kt kt loklr Oszilltor Enrgi Enrgi loklr Oszilltor Abb. 5 Dtn-, kt- und Enrgiuskopplung Bi dr digitln Signlübrtrgung wird in Bit mist durch inn Spnnungs- odr Stromwrt drgstllt. Di inzlnn Bit sthn in srillr Abfolg, wodurch Signlzustndswchsl zwischn ihnn ntsthn. Dmit dr Empfängr di Zichn indutig uswrtn knn, ist s notwndig, dss r ds Signl nicht in dm Zitrum ds Zustndwchsls btstt. Hirfür bnötigt r in ktsignl, wlchs zu dm Dtnsignl synchron ist. D dr Empfängr in utonoms Systm mit inm ignn Zitsystm drstllt, bnötigt r für di mpfngnn Signl di Zitbsis ds Sndrs. Dis soll glichzitig übr ds Kommuniktionssystm übrtrgn wrdn. Um in Kommuniktionsstruktur zu ntwrfn, wlch nur us inm Knl bstht, müssn di Snd- und di Empfngslitung zusmmngfsst wrdn. Ein pssiv Busstruktur knn rzugt wrdn, wnn ds Sndsignl x und ds Empfngssignl Rx uf in Potnzil gbrcht wird. Diss gminsm Potnzil uf dr Buslitung wird Crrir Sns gnnnt. 3

44 Konzption inr Snsor-Aktor-Bitübrtrgungsschicht µc Rx x rnscivr Bus Intrfc rnscivr Mstr Communiction logic Snsor Slv Abb. 6 Erzugung inr Busstruktur durch Bustrnscivr Durch dirkts Vrbindn dr Rx- und dr x-litung knn diss gminsm Potnzil rzugt wrdn. In dism Fll müsst dr Ausgng x von dm Potnzil z.b. durch in Diod ntkopplt wrdn, dmit kin Pglkonflikt bi nkommndn Signln vom Bus uftrtn. Disr Potnzilpunkt würd dnn zusmmn mit dr Mss dn physiklischn Bus drstlln. Um ndr Pgl m Bus inzustlln und in diffrnzill Übrtrgung dr Spnnungssignl zu rmöglichn, wrdn Bustrnscivr ingstzt [Dir99].

45 Konzption inr Snsor-Aktor-Bitübrtrgungsschicht Vrschidn Hrdwr-Softwr-Strukturn Codirung/Dcodirung durch Softwr-Implmntirung CPU Oszilltor µc DtLink Coding/ Dcoding SPI- Intrfc X Bus- Drivr RX I/O Bus-Lins Bi disr Struktur wird bis uf dn Bustribr lls im Microcontrollr rlisirt. Im Dt Link Lyr wrdn dr Aufbu dr Nchrichtn-Frms, dr Buszugriff und dr Abluf dr Kommuniktion gsturt. Di Codirung ist nicht zitkritisch, d hir di ign Zitbsis vrwndt wird. Problmtisch ist di Dcodirung, d hir Zitn im Brich von Bruchtiln ins Nchrichtn-Bit gmssn wrdn müssn. Ein prototypisch Rlisirung ht hir rgbn, dss bi Vrwndung ins C67 Microcontrollrs dr F. Infinon bi inr ktrt von MHz nur Dtnström bis c. 5 kbit/s dcodirt wrdn könnn. Ein Nchtil dbi ist, dss dr Controllr in dr Zit ds Nchrichtnmpfngs nicht durch inn Intrrupt untrbrochn wrdn drf. Wnn listungsfähig Controllr durch di Appliktions-Softwr nur gring usglstt sind, ist s möglich, dis Dcodirung in Softwr zu implmntirn. Im Kfz ist dis ufgrund dr Kostnsitution nicht möglich. Es gibt mittlrwil schon Microcontrollr, di komplx imr-einhitn bsitzn, wlch z.b. in dr Lg sind, in Mnchstr-Signl zu dcodirn, ohn hirbi di CPU zu blstn. Codirung/Dcodirung durch Hrdwr-Implmntirung CPU Oszilltor µc DtLink Protocol SPI- Intrfc Coding/ Dcoding Bus- Drivr I/O CLK MOSI rciv / X RX Bus-Lins trnsmit Control Bi disr Struktur wird di Dcodirung und di Codirung durch in xtrn Hrdwr rlisirt. Diss logisch Schltwrk codirt und dcodirt di Dtnström, wlch brits in Dtn-Frms zusmmngfsst wurdn. Für di Dcodirung ist ds hochfrqunt ktsignl ds Microcontrollrs notwndig. Dr Codir-/Dcodir-Bustin wurd in dr prototypischn Rlisirung ls CPLD usgführt. In dn Zilppliktionn ds Kfz wrdn ufgrund dr Kostnsitution ASIC-Lösungn notwndig sin. Dmit wird di Intrrupt-Blstung ds Microcontrollrs für di Dcodirung und für di Codirung liminirt. Di Formtirung dr Nchrichtn-Frms gschiht durch ds Softwrprogrmm ds Controllrs. Ds Frm wird dnn in inzln SPI- Dtnblöck zrlgt und dr Codirinhit übrgbn. Umgkhrt wrdn Nchrichtn-Frms dcodirt und n dn Dt Link Lyr übrgbn. 5

46 Konzption inr Snsor-Aktor-Bitübrtrgungsschicht Hrdwr-Codirr/-Dcodirr im Bustribr intgrirt CPU Oszilltor µc DtLink Protocol SPI- Intrfc Coding/ Dcoding Bus- Drivr I/O CLK MOSI rciv / Bus-Lins trnsmit Control Um ds Dsign kostnffizint und di Abmß gring zu hltn, bitt sich di Möglichkit, di Dcodir- und di Codirschltung mit dm Bustribr zu intgrirn. Di Hlblitr-chnologi diss kombinirtn Bustins wird durch dn Bustribr dfinirt. Dr Bustribr stllt in Schnittstll ds Gräts zur Außnwlt dr, somit muss r höhr Anfordrungn ls in Intrfc innrhlb ins Gräts rfülln. Dr Bustribr muss durhftn Frmdspnnungn bidr Polritätn bis zu 6,5 V widrsthn könnn. Ds Witrn muss r lktrosttischn Entldungn bis zu mhrrn kv widrsthn. Dis chnologin, z.b. Smrtmos5 bi Motorol odr SP bi Infinon, sind vom Pltzbdrf um c. dn Fktor 3 höhr. D di Dcodir- und di Codirschltung nur in gring Anzhl n Logikgttrn bnötigt, ist si uch in disr chnologi mit gringm Flächnbdrf rlisirbr. Ddurch, dss dr Bustribr in klins Butil im Vrglich zum Controllr drstllt, ist ds Vrmrktungsrisiko disr Vrint nicht so hoch wi bi dr Intgrtion ds Dcodirrs/Codirrs in dn Controllr. Hrdwr-Codirr/-Dcodirr im Microcontrollr intgrirt CPU Oszilltor µc DtLink Protocol Coding/ Dcoding X Bus- Drivr RX Bi disr Vrint wird di Dcodir- und Codirlogik in dr hoch intgrirbrn Hlblitr- chnologi ds Controllrs rlisirt. Dis Einhit bnötigt nur shr wnig Pltz uf dm Microcontrollr. Ab inr gwissn Akzptnz und inm gwissn Stndrdisirungsgrd diss Kommuniktions-Vrfhrns im Kfz-Brich ist dvon uszughn, dss solch Lösungn von Microcontrollr-Hrstllrn ngbotn wrdn. Bus-Lins 6

47 Konzption inr Snsor-Aktor-Bitübrtrgungsschicht Kommuniktions-Controllr im Microcontrollr intgrirt CPU µc Oszilltor X Comuniction Controllr DtLinkProtocol Coding / Dcoding Bus- Drivr RX Bi disr Vrint wird in utonomr Kommuniktions-Controllr in dn Microcontrollr intgrirt. Dis ist hutzutg Stndrd bi dr CAN- Kommuniktion. Dr utonom Kommuniktions- Controllr rbitt bi Kommuniktionsufgbn slbständig ohn Blstung dr CPU. Dis Spzilisirung ins Microcontrollrs stzt inn hohn Grd dr Stndrdisirung und dr Mrktkzptnz vorus. Bus-Lins Intgrtion ds Dtntkts Dr Bustkt wird in Form inr Signlignschft uf dm Bus rpräsntirt. Ds Signl wird übr in Litung hinwg durch inn lktrischn Wrt drgstllt. Ds Signl dfinirt sich durch in Amplitud übr dr Zit. Di bidn Größn Wrt und Zit könnn kontinuirlich odr diskrt ngwndt wrdn. Zit kontinuirlich, Wrt kontinuirlich Zit diskrt, Wrt kontinuirlich bll 3 Zit kontinuirlich, Wrt diskrt Zit diskrt, Wrt diskrt Signlformn Absolut Wrt könnn ufgrund von Störungn nur ungnu gmssn wrdn. Sprunghft Wrtändrungn hinggn sind bssr mssbr, wnn di Zitpunkt dr Ändrung dfinirt sind. Di ntsprchnd Frqunz muss gfiltrt wrdn. So ist s möglich, lngsmr und schnllr Wrtändrungn zu ignorirn. Durch di Clock-rnär-Codirung übrmittlt dr Mstr zusätzlich zu dr Dtninformtion uch di Zitinformtion. Si ist im Bussignl mitnthltn und soll infch hrusgfiltrt wrdn könnn. Übrtrgung dr Zit Di Zit knn in dm Signl durch in Ändrung ds Wrts drgstllt wrdn. Wnn di Zit zyklisch z.b. nch jdm Bit übrtrgn wrdn soll, ntstht drus di Fordrung, dss zwi glichwrtig Dtnbit durch inn Wrtzustndswchsl 7

48 Konzption inr Snsor-Aktor-Bitübrtrgungsschicht gtrnnt sind. Um di Grundfrqunz ds Bsisbndsignls gring zu hltn, soll in Bit innrhlb sinr Zitinhit kin Wrtändrung rfhrn sih NRZ- Codirung Kp.. Dis ist dnn möglich, wnn in logischs Bit durch zwi untrschidlich Bussignl drgstllt wrdn knn. Um dn Zichnvorrt gring und somit uch dn Ruschbstnd groß zu hltn, wurd hir in trnärs Systm gwählt..3 Clock-rnär-Codirung CC In dism Kpitl wird in spzill Codirung, sowi di Intgrtion in ds Kommuniktionssystm ls zntrls Elmnt zur Erfüllung dr Anfordrungn bschribn. Di rstn Untrkpitl zign di Funktion und di Eignschftn, wi Entschidungsghlt und Störbständ disr Codirung. Für di Intgrtion in ds Kommuniktionssystm muss ds hm Einstlln ds Bus-Idl-Zustnd m End ins Nchrichtn Frms bhndlt wrdn. Es wrdn hir vrschidn Bustribrschichtn PMA, sih Abb. vorgstllt und uf di jwilig Fhlrtolrnz bi Buslitungskurzschlüssn inggngn. Im ltztn Untrkpitl wird bschribn, wi durch in Erwitrung dr Codirung di Gsmtfhlrtolrnz vrgrössrt wrdn knn. Es gibt inig Ansätz durch Vrwndung von Multi Lvl Cods, di Systmignschftn spzill durch Erwitrung ds binärn zu inm trnärn Systm zu ändrn. Mist ght s drum, Glichspnnungsfrihit zu rzugn, um di Bustilnhmr kpzitiv odr induktiv nkoppln zu könnn. So wird z.b. bim AMI-Cod dr ktiv Signlzustnd immr ltrntiv gschltt dr pssiv Zustnd ht kinn Glichntil, so dss dr gsmt Glichntil null blibt. Bi dr Clock- rnär-codirung ght s drum, ohn Vrändrung ds Zustnds ins Einzlzichns di ktinformtion mit jdm Bit zu übrtrgn..3. Funktion ds Clock-rnär-Cod Dr Clock-rnär-Cod vrwndt dri Buszuständ. Di Buszuständ wrdn hir high, idl und low gnnnt. Mit Hilf disr dri Zuständ nsttt zwi, knn zwischn jdm Bit in Flnknwchsl rzugt wrdn, uch wnn ds nchfolgnd Bit dnslbn logischn Wrt ht. Dis gschiht durch folgnd Codirungsvorschriftn:. Ein logisch wird durch ds Bussignl low drgstllt, wnn ds vorhrghnd Bit nicht glichwrtig ist.. Ein logisch wird durch ds Bussignl high drgstllt, wnn ds vorhrghnd Bit nicht glichwrtig ist. 3. Wnn ds vorhrghnd Bit dnslbn Wrt ht und nicht brits durch dn Buszustnd idl drgstllt wird, wird ds Bit durch dn Buszustnd idl drgstllt. 8

49 Konzption inr Snsor-Aktor-Bitübrtrgungsschicht U high low idl high Buszuständ t Logisch Zuständ Abb. 7 Clock-rnär-Codirung Altrntiv Codirungsvorschriftn Es ist uch möglich, nch ndrn Vorschriftn zu codirn, wnn grntirt wird, dss nch jdm Zustnd in Zustndswchsl rfolgt. Es könnn z.b. di Zuordnungn vrtuscht wrdn. -> idl, -> high, widrholt glichwrtigs Bit-> low Ein Diffrnzcodirung ist uch möglich. Es knn z.b. in durch Inkrmntirung, in durch Dkrmntirung ds Buszustnds drgstllt wrdn. Notwndig hirfür ist di Dfinition ds ngtivn Übrlufs von low uf high und ds positivn Übrlufs von high uf low. U t Abb. 8 Bispil inr trnärn Diffrnzcodirung.3. Entschidungsghlt H Es wird in dn ntsprchndn tchnischn Nchrichtnübrtrgungssystmn in diskrt Qull mit dri Einzlzichn x, x, x 3 vrwndt. Di Qull ntschidt übr di zu sndndn Zichn. Di Snk ntschidt, wlchs Zichn vrmutlich gsndt wurd. Vorusgstzt, di Zichn trtn mit glichr Whrschinlichkit uf, so gilt für dn Entschidungsghlt H, wnn N dr Zichnvorrt ist [Roh95], [Ph], [Kli96]. H ld N bit 7 Zichn 9

50 Konzption inr Snsor-Aktor-Bitübrtrgungsschicht bit H, 58 Zichn 8 ld 3 bit Zichn Ds hißt, wnn nur in Bit-Informtion pro Zichn gnutzt wird, wrdn,58 Bit für di ktrückgwinnung bnötigt. Bi dr Mnchstr-Codirung wrdn zwi vrschidn Zichn untrschidn N. Btrchtt mn di klinstn Einhitn ohn Wrtändrungn ls Zichn so rgbn sich zwi Einzlzichn pro Mnchstrzichn. N ist glich, hirvon wrdn nur gnutzt. H ist glich, hirvon wird nur für di Dtninformtion gnutzt. Dr ndr il wird für di ktinformtion vrwndt. Bzogn uf di Dtninformtion bträgt di Rdundnz, bi dr Mnchstr-Codirung..3.3 Störbstnd Dr dritt Zustnd ght bi dr Clock-rnär-Codirung uf Kostn ds Vrhältnisss Signl zu Ruschlistung Störbstnd. Wnn dr dritt Zustnd zwischn dn bidn bsthndn Zuständn ingfügt wird, rduzirt r dn Störbstnd S/N um di Hälft, d.h. ds Systm wird störnfälligr. Ligt dr dritt Zustnd ußrhlb dr bidn bsthndn mit dmslbn Abstnd, so ändrt sich ds S/N-Vrhältnis nicht. Di Dynmik ds Systms muss in dism Fll jdoch in dr Lg sin, in dr dfinirtn Zitinhit dn größrn Zustndsbstnd zu übrwindn. U c Signl U c b b t t Abb. 9 Zusmmnhng Störbstnd S/N und Signldynmik In Abb. 9 ist zu shn, dss ds Signl links inn größrn Ruschbstnd bsitzt, doch dfür uch in größr Signldynmik bnötigt. Di Flnk, wlch durchlufn wrdn muss, ist dopplt so stil. Dr ribr bnötigt in gringr Impdnz, um disn Vrluf bi glichr Blstung zu rzugn. Di stilrn Flnkn bsitzn höhrfrqunt Spktrlntil; dis binflussn ds lktromgntisch Abstrhlvrhltn ngtiv. Di größrn Signlmplitudn bwirkn in größr Störsichrhit. Di bgstrhlt Enrgi rhöht sich ddurch llrdings bnflls, ws in inm schlchtrn lktromgntischm Abstrhlvrhltn zum Ausdruck kommt. 5

51 Konzption inr Snsor-Aktor-Bitübrtrgungsschicht.3. Bus-Idl-Zustnd Bi inm Systm, bi wlchm mhrr ilnhmr übr in Litung kommunizirn, ist s notwndig, inn Idl-Zustnd uf disr Litung zu dfinirn. Es muss in pssivr Zustnd sin, d.h. disr Zustnd stllt sich in, ohn dss in ilnhmr ktiv dn Bus tribt. Bi dm Clock-rnär-Systm ist dis sinnvollrwis dr Null-Zustnd, d.h. s ligt kin Busdiffrnzspnnung n. Mit disr Vrinbrung ist bi dr Clock-rnär-Codirung kin Strtbit notwndig, d sich ds rst Zichn odr von dm Idl-Zustnd untrschidt und in Zustndsändrung m Bus bwirkt, wlch im Empfängr dtktirt wird. Di Zuständ low und high wrdn ktiv vom jwilign Sndr ingprägt. Bi dr Clock-rnär-Codirung knn s wi bi ndrn Codirungn uch vorkommn, dss ds zultzt gsndt Bit nicht dm Idl-Zustnd ntspricht. Bi dr NRZ- odr dr Mnchstr-Codirung wird dr Zustndswchsl zwischn dm ltztn Bit und dm Idl-Zustnd ignorirt. Bi dr NRZ-Codirung wird nur ds Bit im Mittlbrich bgtstt, di Zustndsändrungn wrdn nicht usgwrtt. Bi dr Mnchstr-Codirung wrdn nur di Zustndswchsl in dr Bit-Mitt und nicht di n dn Bit-Kntn usgwrtt; folglich blibt hir dr Übrgng zu dm Idl-Zustnd ohn Bdutung. Andrs bi dr Clock-rnär-Codirung: Hir blibt dr Codirr in dm Zustnd ds ltztn Bit, uch wnn dis nicht dr Idl-Zustnd ist. Um dn Sndr in dn Bus- Idl-Zustnd zu bringn, in wlchm dr Buszugriff n inn ndrn ilnhmr übrgbn wrdn knn, gibt s folgnd Möglichkitn: Übrgng zum Bus-Idl-Zustnd Wnn sich bi dr Codirung inr Zichnktt dr Codirr im ltztn Bit nicht im Idl-Zustnd bfindt, wird in witrs Switch-Bit ngfügt, wodurch dr Codirr in dn Idl-Zustnd wchslt. Es wird im Sndr vorusbrchnt, ob ds ltzt Zichn dm Idl-Zustnd ntspricht odr nicht. Wnn nicht, wird di Zichnfolg durch in Bit rwitrt, dmit sich dr Codirr m End ds Dtn-Frms in dm Idl-Zustnd bfindt. Di Vorschriftn lutn:. Ein Switch-Bit ht di glich Wrtigkit wi ds vornghnd Bit.. Ein Switch-Bit wird ngfügt, wnn di Anzhl dr ltztn glichwrtign Bits ungrd ist. Bi disr Clock-rnär-Codirung wrdn ll Zustndswchsl usgwrtt und in ktimpuls drus gnrirt. Dis rfolgt uch nch dm ltztn Bit, wnn dis nicht dm Idl-Zustnd ntspricht. In dism Fll wird in zusätzlichr ktimpuls gnrirt Abb.. Dtn signl Idl-Umschltung t kt signl zus. Impuls durch Idl- Umschltung t Abb. Zusätzlichr ktimpuls im Dcodirr durch Idl-Umschltung 5

52 Konzption inr Snsor-Aktor-Bitübrtrgungsschicht Zitlich Idl-Umschltung Di Auswrtung inr Zitbdingung ist in witr Möglichkit, dn Bus in dn Idl-Zustnd zu bringn. Wnn sich dr Dcodirr für in dfinirt Zit in inm Zustnd ußrhlb ds Idl-Zustnds bfindt, wird in dn Idl-Zustnd gschltt. Dis bdingt, dss dis Einhit di Zitinformtion und di ktinformtion bsitzt. Di Zit, nch wlchr di Einhit in dn Idl-Zustnd schltt, muss in jdm Fll längr ls in Bitzit sin. Dis Bdingung triggrt di Einhit uf ds ltzt Zichn, d sonst Zichnändrungn stttfindn, bvor di Idl-Umschltung in Krft tritt. Switch-Bit-Untrdrückung im Empfängr Durch ds Switch-Bit odr di zitlich Idl-Umschltung wird im Empfängr in witrs Zichn durch dn zusätzlichn ktimpuls ngzigt, wlchs kin Informtion trägt. Diss Zichn muss untrdrückt wrdn. Dis rfolgt ddurch, dss dr Empfängr di Stll ds Zichns rknnt und drufhin ds Zichn untrdrückt. Er wiß, dss z.b. n- Zichn zu mpfngn sind und untrdrückt dss n t Zichn. Wnn dr Empfängr nicht priori wiss, wi vil Zichn r mpfngn wird, knn r ds Switch-Bit nicht uf dis Wis rknnn. Stop-Bit-Folg Durch Anfügn inr Stop-Bit-Folg n in Nchrichtn-Frm knn bnflls dr Idl-Zustnd m Frm-End rzugt wrdn. Im Untrschid zu dr Switch-Bit- Lösung ht ds Frm hir immr in konstnt Läng. Stop-Bit-Folg mit Bit: Di Stop-Bit-Folg bstht us zwi glichwrtign Bit, wlch invrs zu dm ltztn Dtnbit sind. Abb. untn Stop-Bit-Folg mit 3 Bit: Mit dri Bit knn unbhängig vom Wrt ds ltztn Dtn-Bit dr Bus-Idl-Zustnd rzugt wrdn. Di Stop-Bit-Folg muss odr lutn. Abb. obn 3 Bit-Folg Ltzts Dtnbit Ltzts Dtnbit Ltzts Dtnbit Bit-Folg Ltzts Dtnbit Ltzts Dtnbit Ltzts Dtnbit Abb. Stop-Bit-Folg, obn 3 Bit lng, untn Bit lng 5

53 Konzption inr Snsor-Aktor-Bitübrtrgungsschicht D di Stop-Bit-Folg odr lutn knn, ist s möglich, in Bit Informtion in dis dri Zichn inzufügn. Diss knn z.b. ls Prity-Chck- Summ odr ls witrs Informtions-, Sttus- odr Stur-Bit vrwndt wrdn..3.5 Bitübrtrgungsschicht Di Bustribr rzugn di dri Signlzuständ in Form von Spnnungn, Strömn odr Lichtimpulsn. Dr Idl-Zustnd muss in pssivr Zustnd sin, dr sich instllt, wnn kin ilnhmr m Bus sndt. Disr Zustnd knn von dn bidn ndrn Zuständn übrschribn wrdn. Dr dritt Buszustnd vorhr gnnnt muss nicht unbdingt dm Idl-Zustnd ntsprchn; r knn uch in ktivr Zustnd sin, wlchr mit nidrr Impdnz m Bus ingstllt wird Kp. 5.5, Abb., Abb. 3 und Abb.. Idl-Zustnd ist in Signlzustnd: Er knn nicht nidrimpdnt ingstllt wrdn, d r übrschribbr rzssiv sin muss. Er wird z.b. durch Widrständ ingstllt, währnd di ktivn Zuständ durch Schltn von rnsistorn nidrimpdnt ingstllt wrdn. Impdnz ds ribrs U % t Abb. Zitlichr Vrluf ins inzlnn Bit Um in Bit sichr btstn zu könnn, wird di Flnknzit jwils uf % dr Gsmtdur bgrnzt. Di Erstzschltung ds Bustribrs, dr Litung und ds Rcivrs siht folgndrmßn us: R L R I G R Rcivr C Signlqull Abb. 3 Erstzschltung dr Übrtrgungslitung 53

54 Konzption inr Snsor-Aktor-Bitübrtrgungsschicht R I ist dr Innnwidrstnd ds Bustribrs. C stllt di Gsmtkpzität dr Buslitung dr. R Rcivr ist dr Eingngswidrstnd ds Busrcivrs c. - kω, disr ist jdoch im Vrglich zu dm Innnwidrstnd ds Bustribrs vrnchlässigbr groß. R ist dr Litungswidrstnd. G ist dr Litwrt dr Litung, dr ggnübr dm ds Rcivrs klin ist und bnflls vrnchlässigt wrdn knn. Wnn di Qull in Einhitssprungsignl rzugt, gilt folgndr Vrluf dr Spnnung n C für t > : 9 u t U c t R R I C U : Amplitud dr Signlqull Mit dr Nährung, dss di Spnnung nch % dr Bitzit 98 % dr mximln Spnnung btrgn muss, rgibt sich für dn Exponntn dr obign Glichung: t 3,9 R R C I Mit inr %ign Flnknnstigszit wird, t, f und dmit gilt: R R I, 3,9 C f Mit dr typischn Litungskpzität von 5 pf/m rgibt sich C bi m Kblläng zu nf. Bi inr Übrtrgungsrt von MBit/s drf di Summ ds Litungswidrstnds R und ds Innnwidrstnds R I in dism Fll höchstns,8 Ω groß sin. b Idl-Zustnd ist nicht in Signlzustnd: Wnn di Übrtrgungsrt hoch ist, müssn di Zustndswchsl dr inzlnn Bits ntsprchnd schnll rfolgn. Um dis zu rrichn, muss uch dr -Zustnd ktiv, d.h. nidrohmig, m Bus ingstllt wrdn. Dr Idl-Zustnd muss pssiv hochohmig sin, dmit di Übrgb ds Buszugriffs von inm zu inm ndrn ilnhmr möglich ist. Disr virt Idl -Buszustnd untrschidt sich nicht spnnungsmässig von dn -Zustnd. Er untrschidt sich nur ddurch, dss r hochohmig ist. Di Zit zwischn zwi Nchrichtn-Frms Idl-Zustnd muss in dism Fll längr sin ls in Bit-Zit, d si nur pssiv übr hochohmig Widrständ ingstllt wrdn knn. 5

55 Konzption inr Snsor-Aktor-Bitübrtrgungsschicht.3.6 Fhlrtolrnz dr Bitübrtrgungsschicht Signl mit Msspotnzil Bi Frmdschluss dr Signllitung nch GND odr Vcc Abb. ist kin Kommuniktion möglich vgl. Abb.. rnsmittr Vcc VBt Rcivr ½ VBt - - t Signllitung Bus - Schwll - Schwll Abb. Signl mit Msspotnzil Unipolrs diffrnzills Signl Kommuniktion ist in dn Fälln möglich, wnn di high -Buslitung nch Vbt und di low -Buslitung nch GND kurzgschlossn ist. Bi dm Fll ds Frmdschlusss dr high -Buslitung nch GND ist kin Kommuniktion möglich, d di low -Buslitung uf ngtivm Potnzil ggnübr GND sin müsst. Bi dm Fll ds Frmdschlusss dr low -Buslitung nch Vcc ist kin Kommuniktion möglich, d di high -Buslitung uf inm Potnzil größr Vbt sin müsst. In dn bidn ltztn Fälln ist uch durch Umcodirung kin Kommuniktion möglich, d nur inr dr dri Zuständ drstllbr ist und di Rcivr nur positiv Spnnungn dtktirn könnn. Vcc VBt ½ VBt - - t rnsmittr low- Buslitung Bus high- Buslitung Rcivr - - Schwll Schwll Abb. 5 Unipolrs diffrnzills Signl 55

56 Konzption inr Snsor-Aktor-Bitübrtrgungsschicht Bipolrs diffrnzills Signl Kommuniktion ist in dn Fälln möglich, wnn di high -Buslitung nch Vcc und di low -Buslitung nch GND gschlossn ist. Im Fll ds Frmdschlusss dr high -Buslitung nch GND könnn nur di Zuständ und drgstllt wrdn, ohn Vrwndung von ngtivn Spnnungn. Im Fll ds Frmdschlusss dr low -Buslitung nch Vcc könnn nur di Zuständ und drgstllt wrdn, ohn Vrwndung von ngtivn Spnnungn. Durch di Vrwndung inr frmdschlusstolrntn Codirung Kp..3.7 ist di Kommuniktion möglich. Vcc VBt ½ VBt - - t rnsmittr Rcivr low- Buslitung Bus high- Buslitung - - Schwll Schwll CAN- rnscivr I CAN- rnscivr II Abb. 6 Bipolrs diffrnzills Signl Durch di Vrwndung von ngtivn Spnnungn und Spnnungn größr Vcc knn uch in Frmdschlusssichrhit rricht wrdn. Di Problmtik hirbi ist di Britstllung bzw. di Erzugung disr Spnnungn. Es gibt sichrlich Anwndungn, bi dnn brits solch Spnnungn zur Vrfügung sthn, doch bi infchn Snsorn im Kfz ist disr Aufwnd nicht zu rchtfrtign. Di Lösung ds Problms durch Erzugung inr glvnischn rnnung mit Hilf von Übrtrgrn ist im Kfz ufgrund dr Kostnsitution nicht nwndbr. Mit Hilf nur Hlblitrtchnologin wi z.b. dr SOI-chnologi ist s möglich, ngtiv Spnnungn ggnübr dm Substrt zu bhrrschn. Dis chnologi wird drzit nur von wnign Hlblitrhrstllrn bhrrscht und ist uch dutlich turr zu frtign. Vrfügbr Lösungn Im Gschwindigkitsbrich bis 5 kbit/s sind fhlrtolrnt rnscivr vrfügbr. Bispil hirfür sind dr PCA8C5 von Philips und dr LE 65 von Infinon. Dis rnscivr rlubn s, jd dr Buslitungn nch GND odr nch Vbt odr ggninndr kurzzuschlißn. Bi dn High-Spd-CAN-rnscivrn mx. MBit/s ist s nicht möglich, di Kommuniktion ufrchtzurhltn, wnn di Litung CAN_H ggn GND odr di Litung CAN_L ggn Vbt gschlossn wird. Ddurch, dss in dr prototypischn Rlisirung zwi rnscivr vrwndt wrdn, ntstht in rnsmittrschltung gmäß Abb. 6, wlch bi inm Frmdschluss immr noch zwi dr dri Zuständ übrtrgn knn. Ds 56

57 Konzption inr Snsor-Aktor-Bitübrtrgungsschicht Kommuniktionssystm knn so bi Dtnrtn bis zu Mbit/s ggnübr lln Fhlschlüssn dr Buslitungn nch GND odr nch Vbt gsichrt wrdn. Gmäß Spzifiktion sih Abb. wrdn di Signl m Bus rpräsntirt und uch intrprtirt. rnscivr, wlch di Spzifiktionn gmäß dn Automotiv- Anfordrungn rfülln, rmöglichn s bi vollr Kommuniktionsfunktion, di bidn Bussignl ohn glvnisch rnnung zwischn - 3 und V zu vrschibn. Ein rnscivr ist gmäß Abb. 7 ufgbut. 5V xd RxD CAN_H CAN_L Abb. 7 GND Aufbu CAN-rnscivr Dis ribrstruktur rlubt s nicht, CAN_H uf GND odr CAN_L uf Vbt zu lgn. In disn Fälln knn kin usrichnd Busdiffrnzspnnung rzugt wrdn, di Kommuniktion fällt us. Dr Schluss von CAN_L uf GND odr von CAN_H uf Vbt wird tolrirt. Bi dm Clock-rnär-Signl wirkt sich in Schluss inr Litung nch GND odr Vbt folgndrmßn us. Rcivr rknnt: high low high low low high rnsmittr sndt: high low high low high low high low high low Busdiffrnz -spnnung V V 3,5V,5V,5V Busspnnungn Bus_H Bus_L ohn Fhlschluss Bus_L n GND Bus_L n V Bus_H n GND Bus_H n V Abb. 8 Frmdschlüss dr Buslitungn In lln vir Frmdschlussfälln könnn Zichn vom Rcivr nicht korrkt rknnt wrdn. 57

58 Konzption inr Snsor-Aktor-Bitübrtrgungsschicht.3.7 Fhlrtolrnz dr Codirung Mit folgndm Anstz könnn di vir Fhlrfäll tolrirt wrdn: Di rzssiv knn grundsätzlich in lln vir Fälln übrtrgn wrdn. Bi dn ndrn bidn dominntn Zichn high und low vrglicht dr Sndr ds gsndt xa und xb mit dm mpfngnn Signl RxA und RxB. Im Fhlrfll sind dis untrschidlich. Di Sndlogik rknnt dis und stllt in dism Fll uf in Art binär Mnchstr-Codirung um, bi wlchr nur dr rzssiv und dr dominnt Buszustnd, wlchr nicht m Bus gstört ist, vrwndt wrdn. Zusätzlich muss ds Zichn durch in Zitbdingung klssifizirt wrdn. Rcivr rknnt: high low high low high low high low high low rnsmittr Sndt: high low high low high low high low high low Busdiffrnzspnnung V V 3,5V,5V,5V Busspnnungn Bus_H Bus_L ohn Fhlschluss Bus_L n GND Bus_L n V Bus_H n GND Bus_H n V Abb. 9 Fhlrbhndlung in dr Bitübrtrgungsschicht Dr Empfängr knn untr Brücksichtigung dr Zitbdingung di bidn dominntn Zichn high und low odr in dominnts von inm rzssivn untrschidn. Codirung bi Frmdschluss inr Buslitung Dr Sndr rknnt, dss in dominnts Signl nicht m Bus rpräsntirt wrdn knn und schltt nch dr hlbn Bit-Zit uf di ndr, dominnt Polrität um. Im folgndn Fll si ds Buszichn low durch Frmdschluss gstört: 58

59 Konzption inr Snsor-Aktor-Bitübrtrgungsschicht XA RXB XB XB Busdiffrnzspnnung Codirung ohn Frmdschluss m Bus Abb. 3 Codirung bi Frmdschluss inr Buslitung Nchdm di nicht durch dn gstört low -Zustnd drgstllt wrdn knn, wird nch dr hlbn Bitzit uf dn high -Zustnd umgstllt. Wird nun rnut in -Zichn gsndt, tritt widrum di Übrwchung ds Bussignls in Krft und nch dr hlbn Bit-Zit wird widr uf dn high -Zustnd gschltt. In dism Fll muss dr Empfängr uf di,5 Bit-Zitn zwischn dn Flnkn rgirn könnn und so ds Bit dcodirn. D bi jdm rnut gsndtn Bit di Bussignl gprüft wrdn, stllt sich bi Bndigung ds Schlusss sofort widr di norml Clock-rnär-Codirung in. Dcodirung bi Frmdschluss inr Buslitung Im Dcodirr wird dr kt us dn bidn Eingngssignln RxA und RxB zurückgwonnn. Dis rfolgt durch di Dtktion dr Flnkn. Zusätzlich muss noch di Zitbdingung übrprüft wrdn. Es muss di Zit zwischn zwi uftrtndn Flnkn gmssn wrdn. Ist dis klinr ls ds,75- odr größr ls,5 fch dr Bit-Zit, wird ds Zichn untr dr Bdingung ins Frmdschlusss intrprtirt. Systmnfordrungn und -ignschftn dr fhlrtolrntn Clock rnär Codirung FCC Aufgrund dr zusätzlichn Zitbdingung dr FCC ntstht in größr Anfordrung n di Zitinhit. Wi bi dr Mnchstr-Codirung muss di Zitinhit in thortisch olrnz von klinr /- 33 % rfülln. In rln Vrhältnissn muss dis olrnz noch klinr sin Kp Dr Vortil dr großn ktbwichungstolrnz dr Clock-rnär-Codirung ght uf Kostn dr Fhlrtolrnz bi dr FCC vrlorn. Ds lktromgntisch Abstrhlvrhltn ist bi dr FCC ufgrund dr Zichn- Frqunzrhöhung schlchtr. Dis tritt br nur im Fll ins Frmdschlusss uf. D.h. im normln Btribsfll ht di FCC dsslb EMV-Vrhltn wi di CC. In dr Notfllsitution ins Frmdschlusss knn dis rduzirt EMV- Eignschft im Kfz tolrirt wrdn. Ddurch, dss di Codir- und di 59

60 Konzption inr Snsor-Aktor-Bitübrtrgungsschicht Dcodirinhit dn Frmdschluss rknnn könnn, ist disr Fhlr dignostizirbr und knn dm Systm mitgtilt wrdn. Witr Systmrktionn, wi z.b. ds Einschltn inr Wrnlmp odr dr Eintrg in inn Fhlrspichr, könnn vorgnommn wrdn. Durch di witr Funktion dr Dtnübrtrgung knn ds Fhrzug j nch Sichrhitsnfordrung bis zum Errichn dr nächstn Wrksttt btribn wrdn. Di Erknnung ins Frmdschlusss von dr Codir- ls uch von dr Dcodirinhit gschiht Bit-wis, ohn Zitvrzug, so dss uch in schurnds Kbl, wlchs nur inn tmporärn Frmdschluss rzugt, tolrirt wrdn knn.. Listungsmrkml bsthndr Kommuniktionsprotokoll bi Vrwndung dr CC Im Kfz findt mn drzit mist dn CAN-Bus für di Intr-Sturgrät- Kommuniktion und dn LIN-Bus Kp.. für di Kommuniktion mit infchn Snsor-Aktor-Einhitn. Ds Listungsmrkml hinsichtlich dr Übrtrgungsrt disr bidn Systm ligt wit usinndr. Dr CAN rbitt mit Dtnrtn von 5 bis kbit/s, dr LIN-Bus nur bis kbit/s. Dr Buszugriff ist bnflls untrschidlich. Dr LIN rbitt nch dm Mstr-Slv-Vrfhrn, währnd dr CAN in Multimstrbus ist. Dr Bitübrtrgungsschicht wird bi dm LIN durch in Eindrhtschnittstll, bi dm CAN durch in diffrnzill Übrtrgung gbildt. Mit dn Erknntnissn us Kp.. knn in physiklisch Übrtrgungsschicht für in Bussystm gschffn wrdn, wlchs im Brich von kbit/s btribn wird und z.b. nch dm P/A odr dm LIN-Protokoll rbitt. Durch Vrwndung ds SPI-Intrfc könnn di Grnzn, wlch bi dm LIN bdingt durch di UAR-Einhit Kp. 3. ntsthn, übrwundn wrdn. Zum CAN-Bus hin grnzt sich disr Anstz ddurch b, dss hir kin Qurz odr Krmik-Rsontor ls Oszilltor für di Slv-ilnhmr notwndig ist. Dis ist durch di vrwndt Codirung möglich. Ds DMA- odr Mstr-Slv- Busprotokoll knn durch Softwr in dm Controllr rlisirt wrdn, so dss kin zusätzlichr Kommuniktions-Controllr notwndig ist. Bi dm CAN-Bus wird ds CSMA/CA- Vrfhrn ngwndt, bi wlchm in ufwändig Busrbitrirung durchgführt wrdn muss. Dis Aufgb knn nicht durch Softwr uf inm infchn Controllr rldigt wrdn, d hirbi Rktionn im Zitbrich ins Übrtrgungs-Bits usgführt wrdn müssn. 6

61 Konzption inr Snsor-Aktor-Bitübrtrgungsschicht Kostnbschätzung ds Hrdwr-Aufwnds für inn Kommuniktionstilnhmr: Protokoll LIN P/A odr LIN 3 CAN Codirung NRZ Clock-rnär NRZ mit Bitstuffing Dtnrt [kbit/s] 5 Mx. MBit/s Pris in ribr [ ], xcan-ribr,35,35 Kommuniktions- Controllr [ ] - - mist intgrirt uf Microcontrollr,5 Stnd lon,5 Oszilltor [ ] RC Osz.,5 RC Osz.,5 Qurz,5 Gsmtkostn [ ],5,75, bll Kostnvrglich LIN, P/A, CAN Ds Kommuniktionssystm uf P/A LIN-Bsis knn für c. 75 Cnt pro Slv- ilnhmr rlisirt wrdn. Durch Intgrtion zwir CAN-ribr in in Ghäus knn bi Grossrinnwndung in Pris von c. 5 Euro Cnt ngnommn wrdn. Ddurch würd sich in Pris von 5 Euro-Cnt pro Slv-ilnhmr rziln lssn. Di Kostn lign somit dutlich untr dnn ds CAN-Systms, ws im Wgfll ds Qurzs und ds Kommuniktions-Controllrs bgründt ist. Zum hrkömmlichn LIN-Bus grnzt sich ds Systm durch in wsntlich höhr Übrtrgungsbndbrit b. Di Bruttoübrtrgungsrt knn inig Hundrt kbit/s btrgn, im Ggnstz zu kbit/s bim LIN-Bus. Effizinz dr Codirungn Am Bispil ds LIN-Protokolls wird di Effizinz dr NRZ- und dr Clock-rnär- Codirung vrglichn. Ein LIN-Frm bstht us mhrrn inzlnn UAR-Frms. Zurst wird in Strt-Frm, dnn in Sync-Frm gsndt. Ds Strt-Frm bsitzt dn Wrt. D di dominnt ist, wrdn ddurch ndr möglich Kommuniktionn untrbrochn. Ds Sync-Frm bstht us inm -Bitmustr, durch wlchs sich di Slv-ilnhmr ufsynchronisirn könnn, indm si ihr Oszilltorn klibrirn. Dnch folgt in Rqust-Frm ds Mstrs. Di Slv- ilnhmr ntwortn mit zwi, vir, schs odr cht Dtn-Frms und inm CRC- Frm. Ein UAR-Frm bstht us inm Strt-Bit, cht Dtn-Bit, inm Prity- Bit und inm Stop-Bit. Ds Prity-Bit trägt bnso wi in Dtn-Bit Informtion. Es ist für di Dtnsichrung vorhndn und wird hir wi in Dtn-Bit gwrtt. Es rgibt sich in Ovrhd von zwi Bit pro Frm. 3 Di Bzichnung LIN stllt ds Konzpt dr, bi wlchm dr LIN-Dt Link Lyr mit ndrn Bitübrtrgungsschichtn kombinirt wird. Durch Intgrtion zwir CAN-ribr in in Ghäus knn bi Grossrinnwndung in Gsmtpris von c. 5 Euro Cnt ngnommn wrdn 6

62 Konzption inr Snsor-Aktor-Bitübrtrgungsschicht Effizinz m Bispil ins 8 Byt lngn Dtnrhmns: NRZ-Codirung LIN: Nutzdtn Ovrhd 8 Dtn-Byt 8 x 8 Bit x 8 Bit Rqust-Byt - Bit CRC-Prüfsumm - Bit Sync-Frm - Bit Strt-Frm - Bit Summ 6 Bit 6 Bit 6 Di Effizinz bträgt, ,6% Bi dr Clock-rnär-Codirung wird kin Strt- und kin Sync-Frm bnötigt. Stttdssn gibt s in Intr-Frm-Gp und zwi Switch-Bit. Clock-rnär-Codirung: Nutzdtn Ovrhd 8 Dtn-Byt 8 x 8 Bit - Rqust-Byt - 8 Bit CRC-Prüfsumm - 8 Bit Intr-Frm-Gp - Bit Switch-Bit - Bit Summ 6 Bit Bit 6 Di Effizinz bträgt, ,% Durch di Intgrtion dr ktinformtion in jds Zichn könnn di zusätzlichn Mßnhmn, wi si bi dr LIN-Kommuniktion vrwndt wrdn, ntflln. Di Effizinz knn ddurch gstigrt wrdn. 6

63 Rlisirung dr Clock-rnär-Codirung 5 Rlisirung dr Clock-rnär-Codirung 5. Grundstruktur Di Grundstruktur ist in Abb. 3 drgstllt. Für di prototypisch Rlisirung wurd in 6-Bit-Microcontrollr ds yps C65 dr F. Infinon vrwndt. Dr Microcontrollr bfindt sich zusmmn mit RAM, Flsh-Spichrlmntn und Priphri-Bschltung uf inr Litrpltt. Dr C65-Controllr bsitzt, wi fst jdr ndr disr Art, in SPI-Intrfc. Drübr hinus wird noch ds CPU- ktsignl für di ktung ds konfigurirbrn Hrdwr-Bustins CPLD Complx Progrmmbl Logic Dvic bnötigt. Ds CPLD binhltt dn Codirr und dn Dcodirr und bildt di Vrbindung zu dn Bus-rnscivrn. Für di Umschltung zwischn Dcodirung und Codirung wird noch in Signllitung Sndmpf Abb. 3 vom Controllr zu dm CPLD bnötigt. Für Entwicklungszwck ist ds CPLD übr in Sturrgistr vom Controllr us konfigurirbr. Di ktung sowi di Art dr Codirung knn übr diss Rgistr ingstllt wrdn. Codirr und Dcodirr sind mit dn rnscivrn vrbundn. Dis stlln ds Snsorbus-Intrfc ds ilnhmrs dr. Ds CPLD mit dn rnscivrn ist zusmmn mit inign strn, Schltrn und Luchtdiodn für di Ein- und Ausgb uf inr zwitn Litrpltt untrgbrcht Abb. 3. Dis bidn Litrplttn wrdn in Sndwich-chnik vrbundn. Für di Progrmmirung ds CPLD ist in JAG-Intrfc vorhndn. CPU-Clock µc SPI MRS MSR CLK Dcodr CPLD kttilung rnscivr A Bus Snd Empf Codirr Sturrgistr rnscivr B Dtnbus Abb. 3 Hrdwr-Struktur 63

64 Rlisirung dr Clock-rnär-Codirung Abb. 3 Zustz-Sndwich-Bord ds Snsorknotns 5. Intrfc Dr Codirr ht di Aufgb, us inm binärn Dtnstrom Eingngssignl gmäß dn Codirungsvorschriftn inn trnärn Dtnstrom zu rzugn. Ds Eingngssignl knn z.b. in srills NRZ-Signl odr uch in prllls Signl sin. Andr Signlcodirungn könnn ntsprchnd umcodirt wrdn. Für di Umcodirung ist in srills NRZ-Signl mit inm zughörign ktsignl günstig. Ein solchs Signl knn z.b. mit Hilf dr SPI-Einhit ins Controllrs rzugt wrdn. Diss Signl siht folgndrmßn us Abb. 33: U Dtnsignl MSR bzw. MRS t ktsignl SCLK t Abb. 33 SPI-Signl SPI-Intrfc Ds SPI-Intrfc Kp. 3. wird für di synchron Dtnübrtrgung vrwndt. Es ist uf dn mistn gängign Microcontrollrn nthltn und rbitt mit Dtnrtn von inign kbit/s bis zu mhrrn MBit/s. Krninhit dr SPI ist ds Schibrgistr. Bi dm C65 ist s 6 Bit brit. Di Rciv- und rnsmit-puffr dinn dr Dtnin- bzw. dr Dtnusgb. Si sind bi dism yp bnflls 6 Bit brit. Ds Intrfc rbitt in zwi Modi. Mstr-Mod: Di intrn ktinhit sturt di Kommuniktion Mstr Clock, Abb. 3. Ds Schibrgistr wird durch dn slbst rzugtn kt gtriggrt. Di Snddtn lign m Port MSR Mstr trnsmit Slv rciv n. Glichzitig könnn 6

65 Rlisirung dr Clock-rnär-Codirung Dtn, di von dm ndrn ktivn SPI-ilnhmr gsndt wrdn, n dm Port- Pin MRS Mstr rciv Slv trnsmit in dsslb Schibrgistr us dr ndrn Richtung synchron inglsn wrdn. Bi inm Crrir-Sns-Bus knn di gsndt Nchricht widr zurückglsn wrdn. Es ist dort nicht möglich, glichzitig Dtn zu sndn und Dtn ins ndrn ilnhmrs zu mpfngn. Ds Crrir-Sns-Systm rbitt nur im Hlbduplxbtrib. Slv-Mod: In dism Mod rgirt dr ilnhmr uf Signl n dr ktlitung. Di riggrung knn mit dr stigndn odr mit dr fllndn Flnk rfolgn. Mit dr ktflnk, di n dm Port SCLK mpfngn wird, wird ds Schibrgistr witr gtktt. Dr zu sndnd Wrt ligt n Port MRS n, dr n Port MSR nlignd Wrt wird von dm Schibrgistr übrnommn [Pf/]. Abb. 3 SPI-Einhit dr C6x-Controllr Wnn di vordfinirt Anzhl n ktn bglufn ist, wird in Rciv-Intrrupt rzugt, in wlchm ds Rciv-Rgistr usglsn wrdn knn. Durch Puffrung ds Schibrgistrs mit Rciv- und rnsmit-puffr könnn Dtnström lücknlos gsndt und inglsn wrdn. Es gibt mist noch Fhlrrknnungsinhitn, wlch Snd-, Empfngs- und Budrtnfhlr dtktirn und ntsprchnd Intrrupts gnrirn könnn [Si96]. Prlll Port Wnn im vrwndtn Controllr kin SPI-Einhit vorhndn ist, knn in prlllr Port ls Intrfc vrwndt wrdn. Di Codir- und Dcodirinhit bnötigt hir in Schibrgistr, wlchs mit dm Prlll-Port vrbundn ist. Mittls Rd-, Writ- und Chipslct-Signln knn dr Port vom Controllr bdint wrdn. 65

66 Rlisirung dr Clock-rnär-Codirung 5.3 Codirung Um ds Clock-rnär-Signl für di Ansturung dr Bustribr zu rzugn, wrdn intrn zwi Knäl xa und xb vrwndt. Dis ist notwndig, d di vrwndtn Bustribr kin trnärn Signl vrrbitn könnn. Controllr S MSR Codirr xa xb Bustribr A Bus HIGH Bus LOW P I SCLK Dcodr RxA RxB Bustribr B Bus HIGH Bus LOW CLK Abb. 35 Systmufbu Clock-rnär-Codirung Durch di zwi binärn Signl xa und xb ntsthn vir Zuständ, von wlchn nur dri bnötigt wrdn. x in Abb. 35 ls MSR drgstllt ist di Eingngsvribl. Dr Codirr bfindt sich in inm dr dri Zuständ, wlchr durch di Vribln xa und xb usgdrückt wird. Dr virt Zustnd xa, xb wird nicht bnötigt. Dr vorhrig Zustnd wird in dn Vribln xalt und xblt gspichrt. Dr Codirr muss folgnd Zustndstbll rfülln: vorhrigr Zustnd x x xalt Zustnd xblt xa Zustnd xb xa Zustnd xb high low high low low high bll 5 Whrhitstbll Clock-rnär-Codirung Di dri Buszuständ wrdn durch di Vribln xa und xb drgstllt. Aus dr obign bll ntsthn folgnd Glichungn, di in dr untn bgbildtn Logikschltung rlisirt sind: 3 xa x xa xb x xa lt lt xb xb lt lt Dr Codirr knn mit Gl. 3 durch in infchs Schltwrk mit zwi D-Flip- Flops rlisirt wrdn. 66

67 Rlisirung dr Clock-rnär-Codirung x CLK xb xa Abb. 36 Codirschltung ktung ds Codirrs Di ktung ds Codirrs rfolgt durch di ktsignl SCLK ds Microcontrollrs, wlch vorgbn, zu wlchr Zit di Signl ds Controllrs vom Codirr übrnommn wrdn solln. 5. Dcodirung Di Dcodirung ht di Aufgb, us dm nkommndn Signl Dtn und kt zurückzugwinnn. Di Dtninformtion ligt in dr Amplitud, di ktinformtion im Zustndswchsl ds Signls. Folglich bstht dr Dcodirr us dn zwi iln kt- und Dtnrückgwinnung. Um ds Clock-rnär-Signl in inm binärn Empfngssystm drzustlln, wrdn zwi Signl RxA und RxB vrwndt. Zwi Bus-Rcivr A und B lifrn di Signl RxA und RxB, wodurch in Zichn innrhlb inr Zitinhit ohn Zustndswchsl drstllbr ist. Dtnrückgwinnung Ds Vrhltn disr Einhit ist durch folgndn Zustndsgrphn fstglgt. S und S sind di logischn Zuständ ds Signls, wlch durch di Vribl Q in dr bll 6 drgstllt sind [Bc]. S RxA*NORxBRxA*RxB NORxA*NORxB NORxA*NORxB RxA*NORxB NORxA*RxB RxA*RxBNORxA*RxB S Abb. 37 Zustndsgrph ds Clock-rnär-Dcodirrs 67

68 Rlisirung dr Clock-rnär-Codirung Q Q * RxA RxB bll 6 Whrhitstbll Clock-rnär-Dcodirr Dr virt Zustnd ist hir gru mrkirt drgstllt. Er knn nicht uf dm Bus rlisirt wrdn Kp Di Bustribr könnn inn rzssivn und inn dominntn Buszustnd instlln. D si ntiprlll vrbundn sind Abb., ist s nicht möglich, dss bid ribr ihrn dominntn Zustnd instlln. In dism Fll würdn di Ausgngsstufn ggninndr tribn. Disr Zustnd ist vrbotn. Aus dr Whrhitstbll lässt sich mit Hilf ins Krnugh-Digrmms folgnd Zustndsglichung ntwickln: Rx nu RxA RxB Rx Dis Glichung wird durch folgnds Schltwrk rlisirt. Dr Eingng CLK wird von dr ktrückgwinnungsinhit rzugt. RxA RxB Rxnu Rx CLK Abb. 38 Clock-rnär-Dcodirung dr Dtn ktrückgwinnung Durch Diffrnzirn ds Eingngssignls wrdn di Zustndswchsl dtktirt. Jdr Zustndswchsl ds Knls RxA und ds Knls RxB wird usgwrtt und zu inm Summnsignl zusmmngfsst. Ein Zustndswchsl lässt sich durch in 68

69 Rlisirung dr Clock-rnär-Codirung D-Flip-Flop und in EXOR-Gttr rlisirn. Untrschidt sich ds ktull von dm vorhrghndn Bit, ntstht m EXOR-Ausgng in, sonst in. Ds D-Flip-Flop wird mit dm Systmtkt, wlchr in Vilfchs dr Budrt usmcht, gtktt. Out CLK Dtningng Rx D Q Systmtkt C Abb. 39 EXOR-Gttr mit D-Flip-Flop Di Flnkndtktionsschltung bidr Signlpfd wird mit inm ODER Gttr zu inm ktsignl vrinigt. Ds ktsignl dr bidn Eingngssignl RxA und RxB wird um mximl inn Systmtkt vrzögrt. Dis Vrzögrung ist nicht von Bdutung, d dr Systmtkt in Mhrfchs ds Dtntkts bträgt. Dtningng RxA D Q C CLK Dtningng RxB D Q Systmtkt C Abb. Kompltt ktrückgwinnung us RxA und RxB ktung ds Dcodirrs Bus-synchron Bi dr Bus-synchronn ktung ds Dcodirrs wird ds us dm Bussignl zurückgwonnn ktsignl zur Sturung ds Schltwrks vrwndt. Ddurch bstht kin zitlich Rstriktion bzüglich ds Bussignls. Es wird jds richtig codirt Bussignl unbhängig von dr Dtnrt rknnt. Dr Dcodirr knn ohn ignn Oszilltor btribn wrdn. b Bus-synchron Bi disr Vrint wird ds Schltwrk von dm lokln Oszilltor innrhlb ds Empfängrs gtktt. Einzig Bdingung hirbi ist, dss disr kt nicht klinr ls dr Bustkt ist. In dr Prxis ht sich in dri- bis virfch Übrbtstung ls 69

70 Rlisirung dr Clock-rnär-Codirung sinnvoll rwisn. Di Übrbtstung ds Empfngssignls ht Einfluss uf di Eingngsfiltrung ds Dcodirrs Kp Bitübrtrgungsschicht nch ISO 898 CAN Für di rst Rlisirung wird di CAN-Bitübrtrgungsschicht nch ISO 898 vrwndt und ntsprchnd uf dri Buszuständ rwitrt. Di Übrtrgung nch dism Stndrd rmöglicht Dtnrtn von bis zu MBit/s. Si wurd spzill für Kfz-Appliktionn ntwicklt und widrstht dn Umwltbdingungn im Kfz. Dis Bitübrtrgungsschicht wurd spzill für ds CAN-Protokoll ntwicklt, d hir in rzssivr und in dominntr Buszustnd für di Busrbitrirung bnötigt wrdn. Dr rzssiv Zustnd wird pssiv, dr dominnt ktiv m Bus ingstllt. Bis dto wurdn übr hundrt Millionn CAN- ilnhmr produzirt, von dnn sich di mistn in Krftfhrzugn bfindn. Mit dm rzssivn Zustnd wird dr Bus-Idl-Zustnd dfinirt. Hirbi knn jdr ilnhmr sndn, ohn dss r fri gschltt wrdn muss. Durch di Arbitrirung muss sichrgstllt sin, dss kin gültigs Zichn ins ndrn ilnhmrs übrschribn wird. CAN-rnscivr sind mist nch dr ISO-Norm 898 implmntirt. Si spzifizirt di lktrischn Eignschftn inr Zwidrhtvrbindung mit Diffrnzsignln bis zu inr Dtnrt von MBit/s und inr Litungsläng von m bi mx. 3 ilnhmrn. Di Impdnz dr Buslitung bträgt c. Ohm; ls Litungsbschluss ist n jdm End in Widrstnd vorgschribn. Di Abschlusswidrständ solln bnflls inn Widrstndswrt von c. Ohm bsitzn. Di Mindstblstbrkit bträgt mw. Es wird in rzssivr Zustnd dfinirt, wlchn di ilnhmr rknnn, wnn di Diffrnzspnnung zwischn CAN_H und CAN_L wnigr ls,5 Volt bträgt. Ist di Spnnung n CAN_H mindstns,9 Volt höhr ls n CAN_L, wird dr dominnt Zustnd rknnt. Dr logisch Wrt wird durch dn rzssivn, dr logisch Wrt durch dn dominntn Pgl rpräsntirt. U diff U bs V,,5, rnsmittr,5v Rcivr,9V V 5,, 3,, rzssivr "-Pgl",5V dominntr "-Pgl" 3,5V U diff rzssivr "-Pgl" CAN_H CAN_L,5 5mV,5V,,5V t -,5 -,5V Abb. Rltiv und bsolut Buspgl bi CAN Bustin nch ISO 898 sind z. B. di ypn PCA8C5 von Philips, LE 65 von Infinon odr UC535 von xs Instrumnts. 7

71 Rlisirung dr Clock-rnär-Codirung Erwitrung uf in trnär Bustribrschicht Um us dr binärn in trnär Bustribrschicht zu ntwrfn, wird hir in zwitr rnscivr ingstzt, mit dssn Hilf in witrr ktivr Zustnd m Bus ingstllt wrdn knn. Durch ntiprllls Zusmmnschltn dr Bustrnscivr Abb. knn in trnärs Signl rzugt wrdn Abb. 3, Abb. 5. xa CAN_H Bus_H RxA CAN_L Bus_L xb CAN_L RxB CAN_H Abb. Physiklischr Lyr dr CC mit CAN-rnscivrn Busspnnung null high null low high 3.5V.5 V.5 V t Abb. 3 Buszuständ ds Clock-rnär-Signls Bus-Zuständ Mit zwi ntiprlll vrschlttn CAN-rnscivrn nch ISO 898 wrdn di dri Buszuständ rzugt Abb. 3, Abb.. 7

72 Rlisirung dr Clock-rnär-Codirung High Lvl 3,5V Bus_H IDLE Lvl,5V Low Lvl,5V High Lvl 3,5V Bus_L IDLE Lvl,5V Low Lvl,5V Bitbrit Abb. Busspnnungn CC uf Bsis ds zughörign CAN-Physicl-Lyrs Es gibt di dri Buszuständ high, low und null. Dr Zustnd high ist dr dominnt Zustnd ds rnscivrs A und dr rzssiv Zustnd ds rnscivrs B, low ist dr dominnt Zustnd ds rnscivrs B und dr rzssiv Zustnd ds rnscivrs A, und null ist dr rzssiv Zustnd bidr rnscivr. Bi dm vrbotnn Zustnd xa und xb uf low würd jdr dr bidn ntiprlll vrschlttn rnscivr vrsuchn, in untrschidlich Busdiffrnzspnnung zu rzugn. Ds Rsultt ist in dism Fll undfinirt. xa, RxA xb, RxB Busdiffrnzspnnung Abb. 5 Signlzusmmnhäng xa, xb, Busdiffrnzspnnung 5.6 Einfluss uf dn Dt Link Lyr Bus-Idl-Erknnung Um sichrzustlln, dss kin Nchrichtn von ndrn ilnhmrn übrschribn wrdn, ist s notwndig, dss jdr ilnhmr dn Bus-Idl-Zustnd übrprüft, bvor r in Nchricht bsndt. Di Übrprüfung rfolgt bi dr Clock-rnär- Codirung durch di Dtktion ds Zustnds RxA und RxB und durch Mssn dr Zit zwischn dn Zustndsändrungn m Bus. Ist dis Zit größr ls di 7

73 Rlisirung dr Clock-rnär-Codirung mximl möglich Dur ins Bit, knn uf dn Idl-Zustnd ds Busss gschlossn wrdn. Di Zitbdingung stllt sich so dr, dss in Frm-Zwischnzit IFG Intr- Frm-Gp dutlich längr ndurt ls in Bit, z.b. x Bit. Ddurch knn in ilnhmr nch jdm Nchrichtn-Frm sichr ds IFG rknnn. Infrm-Rspons Dis Mthod wird vrwndt, um dm Sndr innrhlb sins Snd-Frms in Rücksignl zu sndn. Bi dm CAN-Protokoll wird dis zur Quittirung ds Empfängrs für dn korrktn Empfng ins Frms vrwndt. Mit dr Clock-rnär-Codirung knn in Infrm-Rspons in dm Buszustnd null rlisirt wrdn. Ein Empfängr inr Nchricht knn innrhlb ds dfinirtn Bus- null -Zustnds in low - odr high Signl drübr schribn und dm Sndr ds Frms so in Antwort zukommn lssn. Disr Rspons knn uch mhrr Bit lng sin, sofrn dis im Dt Link Lyr vorgshn ist und di kttolrnzn ds Slv-ilnhmrs dis rlubn. 5.7 Übrtrgungsfhlr / Störfiltrung Bitfhlr ntsthn durch Störungn, wlch ds Signl so vrändrn, dss s im Rcivr flsch intrprtirt wird. Si ntsthn durch Störungsinflüss uf dn Litungn, uf dm rnsmittr, dm Rcivr odr durch Mssvrstz zwischn dn ilnhmrn, wnn dis nicht glvnisch ntkopplt sind. Im Kfz sind di ilnhmr ufgrund dr Kostnsitution nicht glvnisch ntkopplt. Ungünstig Kblbumtopologi mit lngn Stichlitungn odr flsch bzw. nicht bgschlossn Litungsndn könnn bnso Bitfhlr rzugn. Störfiltrung durch -us-3-entschidung Auf dr digitln Sit knn mit inr -us-3-entschidung in infchr Störfiltr ufgbut wrdn. Di Abtstrt ds Eingngssignls muss dnn br mindstns driml so groß sin wi di Dtnrt. Es wrdn immr dri ufinndr folgnd Eingngssignlwrt ddurch usgwrtt, dss in -us-3-entschidung gtroffn wird. Ein Störung, wlch nur inn Abtstwrt btrifft, knn so hrusgfiltrt wrdn. D di Abtstrt nur c. driml größr ls di Signlrt ist, muss in Störung, wlch zwi Abtstwrt btrifft, mindstns in Drittl dr Priodndur btrgn. In dism Fll knn di Filtrung dn Fhlr nicht liminirn. Ds Signl muss dnn br mindstns drifch übrbgtstt wrdn. Signl nch us 3 Entschidung Abtstzitpunkt Eingngssignl t Abb. 6 Übrbtstung und Störfiltrung Rlisirung: Di zwi vorhrign Abtstwrt wrdn durch zwi D-Flip-Flops gspichrt. Di ntsprchndn Zuständ sind in bll 7 drgstllt. 73

74 Rlisirung dr Clock-rnär-Codirung Q - Q - Q S bll 7 Whrhitstbll dr -us-3-auswrtung In Abb. 7 ist di ntsprchnd Digitlschltung dr -us-3-auswrtung zu shn. D Q D Q Eingng C C kt & & & Ausgng Abb. 7 Digitlschltung dr -us-3-auswrtung Störfiltrung im rnscivr durch Hystrs ds Eingngssignls In dn üblichn CAN-Rcivrn sind Schmitt-riggr vorhndn, wlch in Hystrs rzugn Abb. 8. Wnn sich di Amplitud ds Eingngssignls im Brich dr Entschidungsschwll bfindt, könnt s zu inm Schwingn ds Ausgngssignls kommn. Durch di Hystrs wird dis vrhindrt [Fär87], [Sch9]. U Rx U U U Bussignl Abb. 8 Hystrs im Bus-Rcivr 7

75 Rlisirung dr Clock-rnär-Codirung 5.8 Rlisirung dr fhlrtolrntn Clock-rnär-Codirung FCC Für di fhlrtolrnt Codirung ist zusätzlich di Vrwndung inr Zitbdingung notwndig Kp..3. Ein Bit wird wi bi dr Mnchstr-Codirung mit inr Flnk in dr Bitmitt drgstllt. Durch dis Zitbdingung stigt di Anfordrung n di Bustilnhmr bzgl. ktoszilltortolrnz. Wi bi dr Mnchstr- Codirung kommt s zu inr Erhöhung dr Übrtrgungsgrundfrqunz, wodurch sich ds lktromgntisch Abstrhlvrhltn im Fll ins Frmdschlusss vrschlchtrt. Dis Vrschlchtrung ist llrdings in dr Ausnhm ins Busfrmdschlusss kzptbl. Fhlrtolrnt Codirung Di Codirung knn pr Softwr in inm µc odr uch in Hrdwr rlisirt wrdn. Dr fhlrtolrnt Codirr übrprüft ständig ds Snd- mit dm Empfngssignl. Wnn hir in Untrschid fstzustlln ist, wird ds Signl Fhlr_A FA odr Fhlr_B FB rzugt Abb. 9. x ist ds Eingngssignl ds Codirrs, xa und xb sind di Ausgngssignl ds Codirrs. ohn Frmdschluss: FA und FB RxA xa und RxB xb vorhrigr Zustnd x x xalt Zustnd xblt xa Zustnd xb xa Zustnd xb high null low null high low low high null mit Frmdschluss: FA odr FB RxA xa odr RxB xb vorhrigr Zustnd x x xalt Zustnd xblt xa Zustnd xb xa Zustnd xb high null low null x high x x low x low high null Dr Zustnd x knn nicht uftrtn, d im Buszustnd null ds Fhlrsignl FA und FB nicht sin knn. bll 8 Vorschrift FC-Codirung Aus dr Zustndstbll rgbn sich folgnd Ausgngsglichungn: xa x xa xb x xa lt lt xb xb lt lt FA xa FB xa lt lt xb xb lt lt FA FB 75

76 Rlisirung dr Clock-rnär-Codirung Dis Glichungn sind in dr FC-Codir-Logik Abb. 9 rlisirt. FA EXOR RxA Bus HIGH Bus x xa Bustribr A Bus LOW CLK FC- Codir-Logik xb Bus HIGH FB EXOR RxB Bustribr B Bus LOW Abb. 9 FC-Codirr Di Sndsignl xa und xb wrdn ständig mit dn Empfngssignln RxA und RxB durch zwi EXOR-Glidr vrglichn. Ist xa glich und RxA glich, wird rknnt, dss di Litung Bus_H uf GND odr di Litung Bus_L uf Vbt ligt. Dr Bustribr A knn sin Signl nicht übrtrgn. Bi ktivm Signl FA wird xb high und xa low, bi ktivm FB wird xa high und xb low. Dis gschiht nch 5 % inr Bit-Dur. Di dtillirt FC-Codirlogik- Schltung ist in Anhng J zu findn. Fhlrtolrnt Dcodirung Im Dcodirr wird dr kt us dn bidn Eingngssignln RxA und RxB zurückgwonnn. Dis rfolgt durch Dtktion dr Flnkn. Zusätzlich muss noch di Zitbdingung übrprüft wrdn; dzu wird di Zit zwischn zwi uftrtndn Flnkn gmssn. Ist dis klinr ls ds,75- odr größr ls,5 fch dr Bitzit, wird diss Bit untr dr Bdingung ins Frmdschlusss intrprtirt. 76

77 Rlisirung dr Clock-rnär-Codirung ktrückgwinnung xa RxB xb xb Busdiffrnzsignl ktflnkndtktion ->Flnknimpuls Ausblndn dr Flnkn in dr Bit-Mitt mittls Fnstr Signl um in Zichndur vrzögrt und ddirt, rgbn ds ktsignl Aus dm ktsignl wird in Abtstsignl rzugt, mit wlchm di Signl RxA und RxB bgtstt wrdn. Abb. 5 ktrückgwinnung dr FCC-Dcodirung Di Flnk dr bidn Signl RxA und RxB wird dtktirt ktflnkndtktion Abb. 5. Es sind nur di Flnkn n dn Bit-Kntn und nicht di in dr Bit-Mitt rlvnt. Dshlb wrdn nch dm Auftrtn dr rstn Flnk für di Zit von 75 % dr Nnn-Bit-Dur di folgndn Flnknimpuls usgblndt. Di druf folgnd Flnk m End ins Bits muss widr dtktirt wrdn. Dmit di ktrückgwinnung richtig inrstt, ntstht di Strtbdingung, dss m Anfng ds rstn Bit ins Frms in Buszustndswchsl vorlign muss. Nch dr Ausblndung dr mittlrn Flnknimpuls lign nur noch äquidistnt Flnknimpuls vor. D llrdings di Bit-Folg low, low-high, high uftrtn knn, ntstht u.u. in Lück in disr Flnknimpulsfolg. Um dis zu fülln, wird di ktflnknfolg slbst um 36 vrzögrt und zu dmslbn Signl ddirt. Mit dm so gwonnnn ktsignl könnn di bidn Eingngssignl RxA und RxB us Abb. 5 bgtstt wrdn. Dis Signl wrdn nch folgndr bll 9 durch in Logik dm Ausgngswrt Rx zugordnt: 77

78 Rlisirung dr Clock-rnär-Codirung RxA RxB Frmdschluss logischr Zustnd Busdiffrnzspnnung high F-low null F-low / / / / / / / / Buszustnd RxA / RxA RxB / RxB Abb. 5 Signlzuordnung FCC-Dcodirung RxA RxA RxB RxB Rx Buszustnd F-low F-high high low wnn Rx lt null wnn Rx lt bll 9 FCC-Dcodirungsvorschrift Aus bll 9 wird durch Vrinfchung folgnd Ausgngsglichung gwonnn: 5 Rx RxA RxBRxB RxA RxBRx lt Dr gsmt FCC-Dcodirr ist in Abb. 5 drgstllt. Durch di schs Flip- Flops wird di Vrzögrung dr Signl RxA und RxB rzugt, wlch für di Bstimmung ds Ausgngswrts SPI-Dt Rx notwndig sind. 78

79 Rlisirung dr Clock-rnär-Codirung xt. ktung Dtntkt x RxA D-FF D-FF D-FF ktrückgwinnung Entschidungslogik SPI-Dt Rx SPI-CLK RxB D-FF D-FF D-FF Abb. 5 Blockschltbild ds FCC-Dcodirrs stsystm mit zwi ilnhmrn Für di Rlisirung wird jwils in Sndr und in Empfängr us dn bsthndn Prototypn Abb. 3 rzugt. Durch ntsprchnd Progrmmirung ds CPLD knn ds fhlrtolrnt Vrhltn ohn Hrdwr-Ändrungn rlisirt wrdn Abb. 53. In Abb. 5 sind di Signlvrläuf im Fll ins Litungsfrmdschlusss drgstllt. Sndr S P I Dt SCLK F- Codirr xa xb CAN Bustin A ISO 898 CAN Bustin B ISO 898 CAN HIGH CAN LOW CAN HIGH CAN LOW Empfängr S P I Dt SCLK CLK F-Dcodirr RxA RxB CAN Bustin A ISO 898 CAN Bustin B ISO 898 CAN HIGH CAN LOW CAN HIGH CAN LOW Bus_H Bus_L Abb. 53 Kommuniktion zwischn zwi ilnhmrn 79

80 Rlisirung dr Clock-rnär-Codirung Kommuniktionsbluf FCC Es wird in NRZ-Dtnfolg übr ds SPI-Intrfc n dn Codirr Knl, Abb. 5 gsndt. Er vrsucht, dis Bit-Folg in in Clock-rnär-Signl xa, xb umzuwndln. Aufgrund ds Litungsschlusss knn nur in binärs Signl rzugt wrdn Knl. Nch,5 Bit-Zitn wird im FC-Codirr rknnt, dss in Fhlschluss vorligt, und di Codirschltung rbitt nch dm fhlrtolrntn Prinzip. Ein logisch Knl wird hir durch in -Signl Knl übrtrgn. Ein logisch Knl wird hir ntwdr durch in odr in -Signl Knl übrtrgn. Diss Signl knn trotz Litungsschluss unvrfälscht übrtrgn wrdn, d s nur us dn bidn nutzbrn Buszuständn bstht. Dr fhlrtolrnt Dcodirr rzugt drus in ktsignl Knl 3 und ds Dtnsignl Knl. Dtnrt: kbd Knl Bussignl Knl Dt-Signl Sndr Knl 3 kt-signl Empfängr Knl Dtn-Signl Empfängr Abb. 5 Signl im Fll ins Frmdschlusss dr Litung Bus_H n GND Durch Mssungn n dr Rlisirungsschltung rgbn sich di mximln Oszilltortolrnzn bi fhlrfrir Übrtrgung wi in bll drgstllt. Nnntktfrqunz:,6 MHz ohn Frmdschluss mit Frmdschluss mx. Frqunz,75 MHz,7 MHz min. Frqunz, MHz,56 MHz olrnz 7,9 % 8,88 % -,5 % 5-5,88 % bll ktbwichungn dr Bustilnhmr bi FCC 5 Di gring möglich Abwichung ohn Frmdschluss ligt n dr nicht optimirtn Dcodirschltung dr FCC. Di rlisirt Dcodirschltung dr CC ohn Fhlrtolrnz rricht in Abwichung von mhr ls / 3 % sih Kp. 5.9., Abb. 57 und Abb

81 Rlisirung dr Clock-rnär-Codirung Dis Wrt wurdn ohn Optimirung dr Rlisirungn ufgnommn. Di mximl zulässign ktbwichungn us bll sind im Vrglich zu dn thortischn Wrtn wsntlich klinr. Di thortisch mximl ktbwichung dr FCC ist im Fll ins Frmdschlusss /- 33 %, ohn Frmdschluss - 33 % und. Dr Untrschid zwischn dn thortischn und dn rln Wrtn ist durch di infch und nicht optimirt Rlisirung bgründt, d dr Schwrpunkt disr prototypischn Rlisirung uf dm Nchwis dr Funktionlität ligt. Ds Logikschltungsdsign ds F-Dcodirrs ht shr strk Auswirkung uf dn ktjittr und somit uch uf di mximl kttolrnz. 5.9 stppliktion Di Clock-rnär-Codirung wird in inm Dmonstrtor, wlchr us schs Busknotn bstht, rlisirt Abb. 55. str binärr Snsor Slv Slv Blinkr binärr Aktor LCD Mstr Slv 5 Sollwrt digitl Istwrt-Erfssung nlogr Snsor Slv Slv 3 Photolmnt Elktromgnt Rglr Stllgröß nlogr Aktor Konstntlichtqull Schwbkörpr Abb. 55 stppliktion Dmonstrtor Schwbnd Kugl Mit dism Dmonstrtor wird in Rglung untr Rlzit-Bdingungn nbn ndrn Sturungsufgbn übr inn Bus rlisirt. Übr dn Snsor-Aktor-Bus wird in Snsorsignl, wlchs di Position inr Kugl drstllt, zum Mstr übrtrgn. Er sndt disn Digitlwrt zu dm Aktor, wlchr drus dn Stllstrom ds Mgntn brchnt und instllt. Disr Vorgng gschiht mit dr Widrholfrqunz von khz. Durch di Zitsturung ds P/A-Protokolls ist s möglich, zwischn dn Rlzitrglungsdtn uch noch witr Informtionn zu übrtrgn. Dis wrdn hir durch Ein- bzw. Ausschltn ins Kfz-Blinkrs drgstllt. Auch Vrändrungn dr Rglprmtr und in Onlin-Dignos wrdn übr inn rminl-slv drgstllt. Di gnu Bschribung ds Dmonstrtors ist in dr Dissrttion [Hub] zu findn. 8

82 Rlisirung dr Clock-rnär-Codirung Dr Dmonstrtor wurd im rstn Schritt mit inr UAR-Kommuniktion btribn. Als Bitübrtrgungsschicht wurd hirbi dr RS 85-Stndrd. Ds P/A-Protokoll wurd von Hrrn Dr. Hubr [Hub] n dr U Münchn rlisirt. Im zwitn Schritt wurd in Clock-rnär-Übrtrgungsschicht intgrirt. Dnk dr modulrn Progrmmirung knn ds Systm infch von dr UAR/ RS 85 uf di SPI-Clock-rnär-Bitübrtrgungsschicht gändrt wrdn Kommuniktionsprotokoll P/A Bi Snsor-Aktor-Kommuniktionn im Kfz stht di Rlzitfähigkit im Vordrgrund. Dis ist dr Huptgrund für di Vrwndung ds zitgsturtn P/A-Protokolls. Es hndlt sich um in Zit-Mstr-Slv-Kommuniktion. Diss Protokoll rbitt nch dm DMA-Vrfhrn. Dr Kommuniktionsbluf ist in Rundn orgnisirt. Dr Mstr synchronisirt di Bustilnhmr durch Sndn ins Firworksfrms. Diss Firworksfrm strtt in Rund. In ihm ist di Nummr dr ntsprchndn Rund nthltn. Jdm ilnhmr sind dis Rundnbläuf priori bknnt und in Form inr List RODL Round Dscriptor List ingspichrt. Er sndt dmntsprchnd sin Frm b [Kop]. Vrschidn Kommuniktions-Modi. Mstr-Slv-Rund: Dr Mstr drssirt inn Slv, wlchr druf ntwortt.. Multiprtnr-Rund: Dr Mstr initiirt in Rund durch in Firworksfrm. Di Slvs sndn utonom in dn übr di RODL zugwisnn Zit-Slots. Knotn im-mstr strtt Rund Slot Multiprtnr-Rund Mstr-Slv-Rund Multiprtnr-Rund t Abb. 56 P/A-Zitpln Abluf Dr Mstr sndt in Firworksfrm mit 8-Bit-Nutzdtn. Anhnd diss Frms wrdn ll Slvs vrnlsst, gmäß ihrr RODL di Nchrichtn zu sndn. 8

83 Rlisirung dr Clock-rnär-Codirung Di Slv-ilnhmr solltn hoh kttolrnzn bsitzn. Für ds P/A- Protokoll hißt dis, dss di Slvs in inr Rund nicht di Zit mssn, bis si n dr Rih sind, sondrn dss si di Frms zähln, wlch vor ihrm Snd-Slot gsndt wrdn müssn. Diss Vrfhrn stzt vorus, dss dr Mstr mit Hilf inr imout-bdingung in Psudo-Frm bsndt, flls inr dr ilnhmr nicht plnmäßig sin Frm bsndt [Hub], [Pf/]. Um di Frms sichr bzähln zu könnn, ist s notwndig, dss di Frms und di Pusn IFG sichr rknnt wrdn. Dis ist bi dr NRZ-Codirung nur sichr möglich, indm für in Dur, wlch längr ls in Frm ist, z.b. dr Idl -Zustnd ingstllt wird. Di Dur dr IFG ist lso mindstns so lng wi di ins Frms, ws di Effizinz ds Protokolls dutlich rduzirt. Mit inr Bit-Orintirtn Codirung z.b. CC odr Mnchstr muss di Dur dr IFG nur tws mhr ls in Bit btrgn, um sichr rknnt zu wrdn. Ein konstnt Busspnnung übr z.b. zwi Bit-Zitn vrltzt di Codirrgl und knn ls IFG rknnt wrdn. Intr-Frm-Gp-Erknnung durch di SPI-Einhit Di SPI-Einhit dr vrwndtn C6x-Controllr bitt di Möglichkit, Abwichungn von dr Nnnbudrt im Brich - 5 % und % zu dtktirn. Dis Funktionlität wird für ds Untrdrückn dr Switch-Bit Kp..3. vrwndt. Bi inr Frm-Läng von N-Bit knn, bdingt durch di Codirung, in Switch-Bit folgn. Di gsmt Bit-Anzhl ist dnn N. Wnn di SPI-Einhit uf N Bit ingstllt wird, bginnt b dm Ntn Bit in nus Frm. Wnn ds Nt Bit in Switch-Bit ist, folgt dnch in Pus, di mindstns Bit lng ist. Aufgrund disr Pus dtktirt di SPI-Einhit inn Budrtnfhlr und vrwirft ds Nt Bit, wlchs in Switch-Bit ist Mximl Oszilltorbwichung dr CC Um di mximl möglich Oszilltorbwichung zu rmittln, wird inr dr schs ilnhmr ds Dmonstrtors nicht wi di ndrn von inm Qurzoszilltor, sondrn von inm justirbrn Oszilltor gtktt. Di zitlich Abwichung uf dr Bit-Ebn wird in dr Bitübrtrgungsschicht durch di Clock-rnär-Codirung usgglichn. Di zitlich Abwichung uf dr Frm-Ebn muss im Dt Link Lyr usgglichn wrdn. Ausglich dr ktdiffrnz im Dt Link Lyr Dr UM-Dmonstrtor wurd bishr mit präzisn Qurzoszilltorn btribn. Ds bishr vrwndt P/A-Protokoll knn nur gring Zitbwichungn uf dr Frm-Ebn tolrirn. Größr Zitbwichungn dr inzlnn ilnhmr führn zu inr Übrlppung dr Nchrichtn-Frms. Dmit dr vrstimmt ilnhmr in dm P/A-Systm rbitn knn, muss r sin Zitbwichung uf dr Frm-Ebn slbständig nchrgln. Dis rfolgt mit Hilf dr Synchronistions-Frms ds Mstrs. Dr Slv rwrtt in Synchronistions-Frm innrhlb ins Synchronistionsfnstrs und rglt sin ign Systmzit bi Abwichung nch, indm r dn Rlod-Wrt ds zitgbndn imrs ändrt. 83

84 Rlisirung dr Clock-rnär-Codirung Mssungn Für di Anwndung dr Codirung in dr Kfz-Snsor-Kommuniktion ist ds Vrhltn bi bwichndr Oszilltorfrqunz intrssnt. Bi dn folgndn Mssungn knn di ktung ins ilnhmrs mnull vrstimmt wrdn. Ch: IDLE-Signl Mstr Ch: IDLE-Signl Slv Ch3: SCLK-Slv Ch: ristt-signl Frm bi 3% vrstimmtm Oszilltor Abb. 57 Oszilltorfrqunz MHz - 3 % Abwichung von MHz Ch: IDLE Signl Mstr Ch: IDLE Signl Slv Ch3: SCLK Slv Ch: ristt Signl Frm bi 5% vrstimmtn Oszilltor Abb. 58 Oszilltorfrqunz 5 MHz 5 % Abwichung von MHz In Abb. 57 und Abb. 58 ist m linkn Bildrnd ds Frm ds vrstimmtn ilnhmrs zu shn. Di bidn Frms in dr Mitt und rchts sind von ndrn ilnhmrn, wlch mit MHz ktfrqunz rbitn. Durch di Mssungn konnt vrifizirt wrdn, dss ds CC-Systm Abwichungn von 3 % und 5 % ggnübr dm Nnntkt tolrirn knn. Ddurch ist s möglich, tktungnu RC-Oszilltorn ohn kostnintnsiv rimmungsprozss für di Slv-ilnhmr zu vrwndn. 8

85 Bwrtung dr Clock-rnär-Codirung im Vrglich mit ndrn Knlcodirungn 6 Bwrtung dr Clock-rnär-Codirung im Vrglich mit ndrn Knlcodirungn Di Clock-rnär-Codirung soll hir im Vrglich mit dr Mnchstr-, dr NRZund dr NRZ-Codirung mit Bitstuffing bwrtt wrdn. Di Übrtrgung dr Signl ist mit ISO 898 CAN, bi dr Clock-rnär-Codirung mit ntiprlllm CAN-Bustribr rlisirt Kp Bi dn EMV-Eignschftn wrdn di vrschidnn Codirungn dirkt ggninndr vrglichn, d.h. mit inm Aufbu Übrtrgungslitungn, Bustribrbustin wrdn ll Codirungn rlisirt und uf Störsichrhit vrmssn. Di Mssungn nch dn EMV-Normn CISPR5, ISO 5 dr Kfz- Hrstllr sind shr strk von dr Kblführung, sowi vom Aufbu Mssführung, Schirmung durch ds Ghäus ds inzlnn Gräts bhängig, dss hir vrglichnd Mssungn sinnvollr sind. Ds Störbstrhlvrhltn wird durch di Listungsdichtspktrn dr vrschidnn Codirungn vrglichn. Codirung NRZ Mnchstr NRZ-Bitstuffing Clock-rnär-Codirung µc-intrfc UAR SPI Prlll-Dtnbus SPI Bustribr-Schicht CAN CAN CAN win-can bll Codirungn im Vrglich NRZ-Codirung Si wird mit dr intgrirtn UAR-Einhit Kp.. ds Controllrs rlisirt. NRZ mit Bitstuffing Dis Codirung wird bi dm CAN-Protokoll ngwndt. Nch fünf glichwrtign Bits wird in Stuffbit ingfügt, wlchs im Empfängr widr liminirt wird Kp... Dr vrwndt Controllr C65 bsitzt kin CAN- Intrfc, dshlb wird dr C67, in Drivt us disr Controllr-Fmili, hirfür ingstzt. Mnchstr-Codirung Di Codirung wird in Softwr brchnt und übr ds SPI-Intrfc srill usggbn. Di Dcodirung knn ufgrund dr Gschwindigkitsnfordrung nicht in Softwr rfolgn. Si wird durch inn Dcodirr in Form inr Zustndsmschin uf inm CPLD rlisirt. Di dcodirtn Dtn wrdn übr ds SPI-Intrfc dm Controllr übrgbn. 6. Störfstigkit Di Bit-Fhlrrt wird im Wsntlichn von dr Umwlt ds Systms binflusst. Um vrglichbr Mssrgbniss zu rlngn, ist s notwndig, dis Umwlt gnu zu bschribn, ws in dtillirtn EMV-Spzifiktionn von dn Automobilhrstllrn vrsucht wird. Für in Vrglichsbwrtung ist s notwndig, di vrschidnn Systm bi glichn Umwltbdingungn zu vrmssn. 85

86 Bwrtung dr Clock-rnär-Codirung im Vrglich mit ndrn Knlcodirungn Di ufgführtn Codirungsvrfhrn bsitzn untrschidlich Bit- Abtstvrfhrn. Dis hbn inn Einfluss uf di Störsichrhit. Abtstvrfhrn ds UAR-Intrfc NRZ Ds Eingngssignl wird 6fch übrbgtstt. Für di Intrprttion ins Bit wrdn dr sibt, dr cht und dr nunt Abtstwrt vrwndt. Aus disn Wrtn wird in -us-3-entschidung gtroffn. Di dri Wrt bfindn sich normlrwis in dr Bit-Mitt, wo ds Signl brits ingschwungn ist Abb. 59. Strtbit D D Abtstwrt für -us-3-entschidung Abb. 59 Bit-Abtstung bi UAR Abtstvrfhrn ds SPI-Intrfc Mnchstr und CC Ds SPI-Intrfc übrnimmt dn Zustnd dr Dtnlitung bi inm dfinirtn ktrignis. Dis knn in Zustndswchsl ds ktsignls ntwdr von low nch high odr umgkhrt sin, ntsprchnd dr Konfigurtion. Ein Störimpuls uf dr ktlitung führt zu inr fhlrhftn Intrprttion ds Zustnds uf dr Dtnlitung. Durch ifpss-filtrung könnn hochfrqunt Störsignl liminirt wrdn. Einig Controllr bsitzn di Funktion dr Budrtn-Kontroll sih uch Abschnitt Intr-Frm-Gp-Erknnung in Kp Mit ihr knn übrprüft wrdn, ob di für di Übrtrgung notwndign ktsignl innrhlb ins zulässign Zitfnstrs uftrtn. Im Fhlrfll knn in Intrrupt gnrirt, und in Fhlrbhndlung gstrtt wrdn. Abtstvrfhrn ds CAN-Intrfc NRZ mit Bitstuffing Bi CAN-Controllrn wrdn di inzlnn Bits n inr zitlich dfinirtn, instllbrn Stll inml odr uch mhrmls bgtstt. Durch Angb dr Zitsgmnt vor und nch dr Abtstung knn dr Zitpunkt ingstllt wrdn [Si96]. Zu dn dri Abtstvrfhrn ist zu bmrkn, dss ds CAN- und ds UAR- Intrfc spzill uch für di Übrtrgung von Dtn übr di Grätbn hinwg optimirt wurdn, währnd ds SPI-Intrfc huptsächlich für di Kommuniktion innrhlb ins Gräts ingstzt wird und somit inn gringrn Bitrg zur Störfstigkit lifrt. 86

87 Bwrtung dr Clock-rnär-Codirung im Vrglich mit ndrn Knlcodirungn Mssufbu für Bit-Fhlrmssungn nf Sndr Controllr C6x CPLD x CAN-rnscivr 6Ω 6Ω rägrfrqunz khz Sync Einkoppl - ntzwrk AWG modulirts Sinussignl mit vriirndr Modultionsfrqunz, Modultionsgrd,8 PC CAN L CAN H RxD 6Ω 6Ω Empfängr xd Controllr C6x CPLD x CAN-rnscivr Sync RxD xt. ktgnrtor nur für CC und Mnchstr nf Abb. 6 Mssufbu zur Bstimmung dr Störfstigkit Ds Msssystm bstht us Sndr und Empfängr, jwils mit CAN-rnscivr und inr Störsignlqull, wlch in Sinussignl mit vrschidnn Frqunzn und Amplitudn rzugt. Ds Signl wird mit inr Sinusschwingung von khz und inm Modultionsgrd m,8 modulirt. Dis Einstllung ntspricht dn üblichn EMV-Spzifiktionn dr Automobilhrstllr. Ds Signl wird mittls ins Signlgnrtors rzugt. Ds Störsignl wird in di Übrtrgungsstrck ingkopplt. Dr Empfängr knnt dn Wrt ds gsndtn Signls priori. Er vrglicht disn mit dm ttsächlich mpfngnn Signl. Sind di Wrt im Fll inr Binflussung nicht idntisch, wird dis Störung im Empfängr dtktirt. NRZ-Codirung Di Dtn wrdn übr ds UAR-Intrfc ds C65 im Formt 8 Bit ohn Prity- Bit übrtrgn. Di Dtnübrtrgungsrt wird uf dn mximl möglichn Wrt von 65 kbit/s ingstllt Abb

88 Bwrtung dr Clock-rnär-Codirung im Vrglich mit ndrn Knlcodirungn NRZ-Codirung mit Bitstuffing D dr C65 kin CAN-Priphri bsitzt, wird in Controllr ds yps C67 vrwndt. Es wrdn CAN-Frms mit 8-Byt-Nutzdtn übrtrgn. Dr Widrhol-Snd-Mchnismus [Lw97] wird dktivirt, so dss in Frm uch bi inm Fhlr nur inml gsndt wird. Einn Bit-Übrtrgungsfhlr knn dr CAN-Controllr slbständig durch di CRC-Prüfsumm rknnn Abb. 6. C65 C67 bi CAN UARodr CAN- Controllr CAN ISO898 rnscivr Bus CAN ISO898 rnscivr UARodr C67 C65 CANbi Controllr CAN Abb. 6 Mssufbu NRZ und NRZ mit Bitstuffing 3 Mnchstr-Codirung Es wird ds in Kp..3 bschribn Systm vrwndt, bi dm ds Mnchstrsignl pr Softwr im Controllr codirt und durch di Logikschltung in inm CPLD dcodirt wird. Als physiklisch Übrtrgungsschicht wird dr CAN-Stndrd vrwndt Abb. 6. Clock-rnär-Codirung Hir wird bnflls ds in Kp..3 bschribn Systm vrwndt, bi dm ds Clock-rnär-Signl durch in Logik in inm CPLD codirt wird. Di Dcodirung im Empfängr findt bnflls im CPLD sttt Abb. 6. C65 SPI- Intrfc Mnch.- o. rnär- Codirr x CAN- ISO898 rnscivr Bus x CAN- ISO898 rnscivr Mnch.- o. rnär- Dcodirr SPI- Intrfc C65 Abb. 6 Mssufbu Mnchstr- und Clock-rnär-Codirung Störinkopplung X rnscivr Bus_H Bus_L Ustör-Litung rnscivr RX,7nF UStör,7nF RF Gnrtor 5Ω Abb. 63 Einkopplschltung 88

89 Bwrtung dr Clock-rnär-Codirung im Vrglich mit ndrn Knlcodirungn Di Störsignl wrdn mit obigr Kopplschltung nch Abb. 63 ls Ggntktsignl in ds Übrtrgungssystm ingkopplt. Dis Einkopplung ht folgnds Übrtrgungsvrhltn: 6 u StLitung u Stör Z Bus Z Z Bus RF Gnrtor C Aufgrund dr hohn Glichtktstörsichrhit dr diffrnzilln Übrtrgung ist s nicht möglich, mit dr mximln Amplitud dr vrfügbrn Störsignlqull, nämlich 5V ss, di Kommuniktion zu binflussn. Durch Einkopplung ls Ggntktsignl knn bi dr Mximlmplitud dr Störqull in usrichnd Binflussung rzilt wrdn. Fhlrdtktion Dr Sndr sndt zyklisch 8-Bit-Zichnfolgn mit Wrtn von bis 55, jwils um stignd. Dr Empfängr vrglicht di mpfngnn mit dn rrchntn Wrtn. Bi inm Fhlr wird di Störmplitud rduzirt, wodurch di mximl zulässig Störmplitud bi jdr Frqunz rmittlt wird. Automtisirung dr Mssungn Bi dn Mssungn wird ntwdr di Frqunz, di Amplitud odr bids vrändrt. Dis wird utomtisch durch in Progrmm im Empfängr gsturt Abb. 6. Dr Sndr sndt zyklisch 56 ufinndrfolgnd Frms mit dn Wrtn bis 55. Dnch folgt in Pus, in wlchr dr Empfängr di Störsignlqull nchstlln knn. Nch Ermittlung dr mximln Störsignlmplitud inr Frqunz wird dis um inn Schritt rhöht. Di Störsignlqull ist übr ASCII- Strms progrmmirbr. Dis wrdn übr ds srill Intrfc mit 9 Bud übrtrgn. Übr in witr Signllitung synchronisirt dr Sndr dn Empfängr. Dis ist notwndig, dmit sich dr Empfängr bi Fhlrn widr sichr uf dn Sndr synchronisirn knn. Di Msswrt wrdn im Empfängr in inm zwidimnsionln Arry gspichrt, wlchs di Fhlrzhl jdr Amplitudn- und Frqunzinstllung Fhlrnzhl [Frqunz, Amplitud] nthält. Es wird im Anschluss n di Mssung mittls Ausls-Routin n inn PC übrtrgn, ws übr ds srill Intrfc rfolgt. Mit Hilf ins PC-Progrmms wrdn di Mssrgbniss vrrbitt und drgstllt [Jun]. 6.. Störfstigkit bi Nnntktfrqunz Gmäß dm Mssufbu us Kp. 6., Abb. 6, wrdn Störsignl kpzitiv in di Übrtrgungslitung ingkopplt. Dis gschiht mit folgndn Prmtrn bi lln vir Codirungn: Litungsläng 3 m, Busbschlüss von Ω uf bidn Sitn, kin Glichtktspul, kin Stichlitungn, Oszilltorn mit Nnntkt. Es wrdn bi lln vir Codirungn ISO 988 CAN-ribr vrwndt. Dr Nnnsignlhub bträgt V. Bi dr CC wrdn nsttt inm zwi ntiprlll vrschltt ribr diss yps vrwndt. Dr Signlhub bträgt dnn j nch Zustndsübrgng odr V. 89

90 Bwrtung dr Clock-rnär-Codirung im Vrglich mit ndrn Knlcodirungn Di in Abb. 6 drgstlltn Kurvn stlln di mximl möglich, ingkopplt Störspnnung übr dr Frqunz dr, bi dr di Übrtrgung noch nicht gstört wird. 6 5 Budrt kbud / 3 m U [V] 3 CAN CC NRZ Mnchstr 6 8 f [khz] Abb. 6 Störbinflussung bi kpzitivr Störinkopplung kbit/s Dtnrt Di vir vrschidnn Codirungn wisn ll inn shr ähnlichn Vrluf dr Binflussungskurv uf. Er wird im Wsntlichn durch di vrwndtn CAN- Bustribrbustin und di Litungstopologi gprägt. Di Mssung zigt, dss di Clock-rnär-Codirung kin schlchtrn Eignschftn hinsichtlich dr Störsichrhit bsitzt ls di ndrn Codirungn. 6.. Störfstigkit bi Oszilltorvrstimmung Im Ggnstz zu dn Mssungn in Kp. 6.. wird hir di Vrstimmung dr Dtnrt nur uf dr Bitübrtrgungsschicht und nicht uch uf dm Dt Link Lyr untrsucht. Di Clock-rnär-Codirung knn ktbwichungn übr shr groß Brich tolrirn. Im Vrglich dzu wird di Mnchstr-Codirung, bnso in slbsttktnd Codirung, untrsucht. Di Msskurvn wrdn mit dn obn bschribnn Stndrdprmtrn ufgnommn. 9

91 Bwrtung dr Clock-rnär-Codirung im Vrglich mit ndrn Knlcodirungn UStör [V] 3,5 3,5 Clock-rnär Mnchstr,5 -,7 -,33 -, -,7,7,,33,7 Nnnbtstfrqunz ktbwichung Abb. 65 Störvrhltn bi Oszilltorvrstimmung Di Msskurvn us Kp. 6.. wrdn hir bi vrschidnn Abtstfrqunzn ufgnommn. Di Mittlwrt dr mximln Störmplitudn jds Mssdurchlufs sind in Abb. 65 übr dr ktbwichung ufgtrgn. Di Störbinflussbrkit dr Clock-rnär-Codirung ist übr in Abwichung von c. - 7 % bis mhr ls 33 % nnährnd konstnt. Bi dr Mnchstr-Codirung ist di mximl tolrirbr Störmplitud bi /- % schon tw hlbirt. Di NRZ-Codirung und di NRZ-Codirung mit Bitstuffing stlln shr hoh Anfordrungn n di ktgnuigkit. Dis hängn z.b. bi dm UAR von dr Läng dr Frms, bi dr NRZ-Codirung mit Bitstuffing von dm Abstnd dr Synchronistions-Bit b Kp.. und lign typischrwis im Brich von < % Einfluss dr opologi und dr Bustribr uf ds Störvrhltn Di Bustopologi ht Einfluss uf ds Störvrhltn ds Kommuniktionssystms Kp Wnn zum Bispil di Abtstung shr nh n dn Flnkn rfolgt, knn in Stichlitung durch di rzugtn Rflxionn zu Störungn führn. Es gibt Grnzwrt für vrschidn opologin. Im Witrn wird untrsucht, wi sich vrschidn opologin und uch vrschidn Bustribr uf di Störsichrhit dr untrschidlichn Codirungn uswirkn. Es wird uch di Vrwndung von Glichtktspuln untrsucht. Ein witrr Punkt ist ds Vrhltn ds Systms bi Msspotnziluntrschidn. Durch Mssungn knn vrifizirt wrdn, dss di Vrwndung inr Glichtktspul ll Systm in glichr Wis binflusst. Di Fähigkit, untrschidlich Bzugspotnzil Mss uszuglichn, ist durch di Bustribrbustin ggbn. Auch hir rgibt sich kin untrschidlichs Vrhltn bi dn inzlnn Codirungn. 9

92 Bwrtung dr Clock-rnär-Codirung im Vrglich mit ndrn Knlcodirungn Stichlitung m Litung 3 m / kbud 5,5 5,5 U in V 3,5 3,5 CAN ristt NRZ Mnchstr,5 6 8 f in khz Abb. 66 Störvrhltn mit m unbgschlossnr Stichlitung Ds Störvrhltn in Abb. 66 zigt, dss dr Einfluss dr Stichlitung bi lln Codirungn tw glich ist. Di hoh Störsichrhit zwischn und 6 MHz ligt n dr Phsndrhung ds Störsignls bi disn Frqunzn. Bi inr Ausbritungsgschwindigkit von c. m/s rgibt sich dr Khrwrt zu 5 ns/m. Di Zwiwglufzit in dr m Stichlitung bträgt ns, ws dr hlbn Priodndur dr Frqunz 5 MHz ntspricht. Di Störfrqunzn in dism Brich wrdn durch di Phsndrhung in dr Stichlitung bgschwächt. Grundsätzlich ht dis opologi in höhr Störsichrhit ls di Stndrdkonfigurtion Abb. 6. Ds ligt n dr höhrn kpzitivn und induktivn Blstung dr Bustribr durch di Kbltopologi. Dis L-C- Kombintion filtrt di Störungn. Wnn di Blstung zu groß wird, wrdn di Signl so strk vrändrt, dss di Abtstung nicht zuvrlässig funktionirt. Di Grnzwrt, wlch di Litungsläng dfinirn, sind in dr jwilign Spzifiktion dfinirt Kp... Witr Einflussfktorn dr Kbltopologi, wi z.b. ndr Stichlitungslängn und unbgschlossn Litungsndn, wirkn sich bi lln Codirungn stts glich us. 6.. Ergbnis Aus dn Mssungn ist bzulitn, dss di Clock-rnär-Codirung nnährnd dsslb Störvrhltn ufwist wi di Rfrnz-Codirungn NRZ, NRZ- Bitstuffing und Mnchstr. Dr signifiknt Vrluf dr Binflussungskurvn wird durch di vrwndtn Litungstribr und durch di Litungn slbst dfinirt. Di Clock-rnär-Codirung bitt im Vrglich zur NRZ-Codirung dn Vortil, dss si shr unmpfindlich ggnübr Oszilltorbwichungn ist. 9

93 Bwrtung dr Clock-rnär-Codirung im Vrglich mit ndrn Knlcodirungn Bi Dtnrtn größr ls 5 kbit/s wird im Kfz di diffrnzill Dtnübrtrgung vrwndt. Si bnötigt zwi Buslitungn und ggnübr dr unsymmtrischn Übrtrgung in ufwändigrs Bustribrkonzpt. Dfür ht si wsntlich bssr Eignschftn im Brich dr Störsichrhit und dr Störbstrhlung. Di Rlzit- Snsor-Kommuniktion bnötigt Dtnrtn von mhr ls 5 kbit/s. Aus dism Grund ist in Untrsuchung in Vrbindung mit inm diffrnzilln Übrtrgungsvrfhrn sinnvoll. Bishr ist im Kfz di diffrnzill Dtnübrtrgung nch ISO 898 CAN-Stndrd vrbritt. Dis chnik rlubt s, jd dr bidn Buslitungn störungsfri uf Spnnungn von - 8 bis 8 Volt zu schlißn. Auf dr Grundlg diss Übrtrgungsstndrds wird di Clock-rnär-Codirung im Vrglich zu ndrn bsthndn Codirungn, wlch im Kfz vrwndt wrdn, bwrtt. 6. Störussndung Ds Spktrum G ins Zitsignls gt gibt dssn Frqunzntil widr. Um in zitunbhängig Aussg für in nicht unndlich ndurnds Signl zu rhltn, wird di Listungsdicht inr stochstischn Dtnfolg untrsucht. Ds Listungsdichtspktrum bildt sich us dm Btrgsqudrt ds Spktrums G ². Es stllt di Vrtilung dr spktrln Enrgi übr dr Frqunz dr. Di Spnnung gt wndlt n dm Widrstnd R folgnd Enrgi um: t t g t 7 W dt g t dt R R t t Wnn dr Widrstnd uf normirt wird, gilt llgmin: 8 W g t dt Wnn gt intgrirbr ist, xistirt di Fourir-rnsformirt G zu gt. j 9 t g t G d π Dmit rgibt sich für di Enrgi jt W g t G d dt π odr jt W G g t d dt π Di Vrtuschung dr Intgrlrihnfolg führt zu jt jt W G g t dt d G g t dt d π π Ds innr Intgrl ist di Fourir-rnsformirt G- von gt. D gt rll ist, gilt G- G*. 93

94 Bwrtung dr Clock-rnär-Codirung im Vrglich mit ndrn Knlcodirungn jt 3 g t dt G G * Für di Enrgi ds Zufllsprozsss rgibt sich somit * W G G d G d g t dt π π [St89] Ds Listungsdichtspktrum wird sinnvollrwis uf inn Einhitspgl normirt, dmit di Spktrn vrschidnr Signl vrglichn wrdn könnn. Spktrum ds Einhitsrchtckimpulss -/ / t Abb. 67 Rchtckimpuls Ds Spktrum ins zur y-achs symmtrischn Rchtckimpulss mit dr Amplitud und dr Dur Abb. 67 rgibt sich zu / jt 5 g t G dt cos t / / / j sin t dt Mit dr Normirung / rgibt sich 6 G Si [St89] Ds Listungsdichtspktrum ds Einhitsrchtckimpulss ist dnn 7 S G Si Abb. 68 Spktrum G ds Rchtckimpulss nch Abb. 67 9

95 Bwrtung dr Clock-rnär-Codirung im Vrglich mit ndrn Knlcodirungn 6.. Listungsdichtspktrum ds NRZ-Signls Bi inm stochstischn, glichvrtiltn NRZ-Signl ist nch Winr-Khintchin [St89] ds Listungsdichtspktrum glich dm Btrgsspktrum ds Einzlimpulss Y. 8 G NRZ Y S NRZ Si 6.. Listungsdichtspktrum ds Mnchstrsignls Mit dr Annhm, dss in stochstisch glichvrtilts Mnchstrsignl vorligt, ist di Auftrittswhrschinlichkit jds inzlnn Impulss ½. -/ / t -/ / -/ / t Abb. 69 Einzl-Mnchstrimpuls,b Einhitsimpuls c Di bidn Impuls und b bsitzn ufgrund dr Symmtri in idntischs Listungsdichtspktrum. Ds Spktrum ds Einhitsimpulss c mit dr Amplitud / und dr Dur / Abb. 69 rgibt sich zu 9 G Si Dr Fktor ½ rgibt sich us dr Mßstbsvrändrung Dur / sttt. Mit dism Ergbnis lässt sich in Nährung ds Listungsdichtspktrums dr Mnchstr-Codirung ngbn. Mit Hilf ds Zitvrschibungsstzs [St89] dr Fourir-rnsformtion wrdn di inzlnn Spktrn brchnt und drus di Listungsdichtspktrn dr inzlnn Mnchstr-Impuls und b bstimmt. 3 j G Si j Gb Si G S Si Gb Sb Si Di linr Übrlgrung dr bidn Listungsdichtspktrn G und G b rgibt ds gnährt Listungsdichtspktrum dr Mnchstr-Codirung 3 GMnchstr S Mnchstr Si 95

96 Bwrtung dr Clock-rnär-Codirung im Vrglich mit ndrn Knlcodirungn 6..3 Listungsdichtspktrum dr Clock-rnär-Codirung CC Um diss brchnn zu könnn, muss zurst di Auftrittswhrschinlichkit dr inzlnn Impuls bknnt sin. Ds Clock-rnär-Signl bstht us dri Zuständn. Di Codirungsvorschrift vrbitt, dss zwi glich Impuls ufinndr folgn. Ddurch sind 3! 6 Zustndsübrgäng möglich. Auftrittswhrschinlichkit dr Einzlimpuls P, P und P - sin di Auftrittswhrschinlichkitn dr dri Zuständ. Somit gilt 3 P P - P Untr dr Annhm, dss di Eingngsdtnfolg zufällig und glichvrtilt ist, ist di Whrschinlichkit für inn Zustndsübrgng zu dn ndrn bidn Zuständn jwils ½, wnn dr Übrgng zum ltn Zustnd vrbotn ist. 33 P ½ P ½ P - Mit Gl. 3 und 33 rgibt sich 3 P ½ - P 35 P ½ - ½ P > P /3 Für P und P - gilt di Hrlitung nlog mit dm Ergbnis /3. In inm glichvrtiltn Eingngsdtnstrom sind di Ausgngsbussignl uch glichvrtilt. Dis gilt nur untr dm Ausschluss dr Strtbdingung, nch wlchr in Zichnfolg ni mit dm Buszustnd bginnt sih untn. Ds Listungsdichtspktrum lässt sich bi rin stochstischn Signln nch Winr-Khintchin [St89] us dm Spktrum ds Einzlimpulss odr us dr Autokorrltionsfunktion dr Signlfolg bstimmn. Bi dr Clock-rnär-Codirung ist in Einzlimpuls nicht rin stochstisch, d Abhängigkitn zwischn dn Impulsn bsthn. Di Codirungsvorschrift vrbitt, dss zwi glichwrtig Impuls ufinndr folgn. Di Einzlimpuls bildn in Mrkov-Ktt. Ds Listungsdichtspktrum knn folglich nicht us inm Einzlimpuls bstimmt wrdn. Wrdn jdoch zwi ufinndr folgnd Impuls btrchtt, wird dr Zusmmnhng, wlchr durch di Codirungsvorschrift nthltn ist, tilwis brücksichtigt. Bi dr Btrchtung drir ufinndrfolgndr Impuls wird disr Zusmmnhng stärkr brücksichtigt. Erst mit dr Ausdhnung dr Btrchtung uf N Impuls mit N wird dr Einfluss dr Codirungsvorschrift vollständig brücksichtigt. Disr Übrgng ist glichbdutnd mit dr Bstimmung ds Listungsdichtspktrums übr di Autokorrltionsfunktion inr unndlichn Autokorrltionsfolg. Einfluss dr Strtbdingung Anfngs bfindt sich dr Bus im Idl-Zustnd, wlchr glich dm -Zustnd ist. Ds rst Bit wird durch in low odr in high und ni durch in m Bus rpräsntirt. Diss Vrhltn ht Einfluss uf ds Listungsdichtspktrum. Dr Einfluss hängt von dr Läng dr Bit-Folg b und nimmt mit großr Läng b. Bi dn folgndn Brchnungn ds Listungsdichtspktrums wird dis 96

97 Bwrtung dr Clock-rnär-Codirung im Vrglich mit ndrn Knlcodirungn Strtbdingung vrnchlässigt. In Abb. 7 ist dr Einfluss dr Strtbdingung, dr Nchrichtnläng und dr Pusnläng drgstllt. Nährungsbstimmung ds Listungsdichtspktrums mit Hilf kurzr Impulsfolgn Btrchtung inr Zichnfolg mit zwi Einzlimpulsn Wnn zwi ufinndr folgnd Einzlimpuls dr Clock-rnär-Codirung drgstllt wrdn, ntsthn bi dm Wrtbrich von 3 sttt 3² 9 nur 3! 6 Möglichkitn, d kin glichn, ufinndr folgndn Impuls rlubt sind / - -/ b - c - d Abb f Möglich Impulsfolg us zwi Einzlimpulsn - Di Btrgsspktrn dr Impulsfolgn, c, d und und di dr Impulsfolgn von b und f sind ufgrund dr Linrität dr Fourir-rnsformtion [Ft96] idntisch. Ds Listungsdichtspktrum dr Impulsfolg, wlch us zwi Impulsn bstht, knn durch linr Übrlgrung dr schs inzlnn Btrgspktrn bstimmt wrdn. Di Brchnung dr Nährungslösung ist im Anhng B zu findn. Ds Ergbnis dr Brchnung lutt: 36 S' ' CC S Grundpuls cos 3 3 S Grundpuls Si Mit dm Einhitsrchtckimpuls gilt: b Di Nährungslösung us dr Impulsfolg mit dri Einzlimpulsn Anhng B lutt: 37 S ''' CC S Grundpuls cos S S C Grundpuls Nch Gl. 38 sind in Abb. 75 di Vrläuf disr gnährtn Gwichtungsfunktionn C drgstllt. Bstimmung ds Listungsdichtspktrums us dr Autokorrltionsfunktion Es wrdn hir usschlißlich isochron Signl btrchtt. Dis sind Signl mit konstntr Bit-Dur. In inm fstn Zitrstr wrdn Symbol us inm 97

98 Bwrtung dr Clock-rnär-Codirung im Vrglich mit ndrn Knlcodirungn bgrnztn Symbolvorrt übrtrgn. Es wird zwischn binärn, trnärn, qutrnärn, u.. Signln diffrnzirt. Symbol ins Übrtrgungssystms könnn durch Impuls untrschidlichn Vorzichns odr vrschidnr Amplitud diffrnzirt wrdn. Witr bstht di Möglichkit, Symbol durch vrschidn Impulsformn zu rknnn. Aufgrund dr infchn Rlisirung ist s im Kfz- Brich sinnvoll, glichförmig Impuls durch bstimmt Vorzichn zu untrschidn. Wird in digitls Signl durch in Spnnungszitfunktion bschribn, rhält mn für dn Fll ins inhitlichn Grundimpulss mit dr Dur und dr fstn Spnnung U in Zitfunktion gt ds Grundimpulss mit dr Fläch. Dr Spnnungsvrluf ds Signls rgibt sich zu 39 u t U l n g t n n l n ist di zufällig Folg us dm bzählbrn Wrtvorrt L mit l,,, M und dr Lufvribln n zur Nummrirung dr inzlnn Zichn dr Folg. Ist dr Wrtvorrt L, spricht mn von inm binärn Signl. Im Fll dr Clock-rnär- Codirung ist L3, di Elmnt dr Zufllsfolg sind -, und 3. Di Autokorrltionsfunktion ist folgndrmßn dfinirt: / K τ lim u t u t τ dt / Gl. 39 wird in Gl. ingstzt, und di Grnz N wird für di Lufvribl n mit dr Substitution N vrwndt. N U K τ lim m n g t n m n g t n τ dt N N n N n Es ist möglich, sttt wi in Gl. von / bis / zu intgrirn, di Grnzn dr Summ bi inm dr bidn Fktorn ds Intgrndn von N bis N sttt - bis zu stzn, dfür br von - bis zu intgrirn. Für di Durchführung dr Intgrtion und Summtion in Gl. wird folgndrmßn substituirt: In Gl. rgibt dis t-n t und n n m K τ lim l n g t' N U l m n g t' m τ dt' N N n N m Ändrt mn di Rihnfolg von Summn-, Intgrl- und Limszichn, rgibt sich mit dr Autokorrltionsfolg 3 N c m lim m n m n m N N n N und dr Autokorrltionsfunktion dr Zitfunktion ds Grundimpulss gt mit dr Vrschibungszit τ-m Y τ m g t' g t' m τ dt' 98

99 Bwrtung dr Clock-rnär-Codirung im Vrglich mit ndrn Knlcodirungn di folgnd Autokorrltionsfunktion ds digitln Signls 5 K τ U c m Y τ m m Di Fourir-rnsformirt dr Autokorrltionsfunktion rgibt ds Listungsdichtspktrum [Söd85]. j c m Y τ m τ dτ m 6 S U Mit dr Substitution 7 τ m t und Gl. rgibt sich jt U g t g t' t dtdt' c m m jm S Ds Dopplintgrl lässt sich mit dr Substitution j 8 t' j g t' dt' g ϑ ϑ dϑ t' t ϑ umformn in Dis Funktion ist ds Produkt dr Fourir-rnsformirtn G dr Zitfunktion ds Grundimpulss gt und ihrs konjugirt komplxn Wrts. Si stllt ds Qudrt ihrs Btrgs dr. jt' jϑ 9 G g t' dt' g ϑ dϑ G G Aus 7 und 9 rgibt sich 5 U G c m m jm S D di Autokorrltionsfunktion symmtrisch zur y-achs ist, xistirn nur cos- Antil dr Fourirrih. 5 S U G c c mcos m m Es rgibt sich 5 S G C wnn G ds Listungsdichtspktrum ds Einzlimpulss und C di Gwichtungsfunktion ist. Numrisch Bstimmung dr Autokorrltionsfunktion Es wird in zufällig Zichnfolg mit 5 Einzlzichn vrwndt. Dis Zichnfolg wird clock-trnär codirt, und drus wird di Autokorrltionsfunktion gbildt. 99

100 Bwrtung dr Clock-rnär-Codirung im Vrglich mit ndrn Knlcodirungn ϕ Abb. 7 Autokorrltionsfunktion dr zufällign, clock-trnär codirtn Zichnfolg Nch Glichung Gl. 5 stlln di Elmnt dr Autokorrltionsfunktion di Fourir-Koffizintn dr. Di Autokorrltionsfunktion ist im Brich signifiknt. Höhrwrtig Koffizintn sind nicht glich null und rzugn in Ruschn Abb. 7, d di Eingngsfolg wdr unndlich noch völlig stochstisch ist. In dism Fll wird di Eingngszichnfolg durch ds Simultionsprogrmm ins Computrs bstimmt, wlchr durch inn Algorithmus in psudo-zufällig Zhlnfolg rzugt. Dis Fourir-Rih stllt di Gwichtungsfunktion C Abb. 7 dr, wlch durch Multipliktion mit dm Listungsdichtspktrum ds Einzlrchtckimpulss Gl. 7 ds Gsmt-Listungsdichtspktrum Gl. 5 rgibt. C Abb. 7 Gwichtungsfunktion C

101 Bwrtung dr Clock-rnär-Codirung im Vrglich mit ndrn Knlcodirungn Listungsdichtspktrum inr zyklischn clock-trnär codirtn Zichnfolg mit Pusn zwischn inzlnn Nchrichtnrhmn Im Untrschid zu dm zuvor brchntn Listungsdichtspktrum inr shr lngn Zichnfolg kommn in dr zyklischn Snsorkommuniktion im Kfz nur kurz Nchrichtn mit äquidistntn Pusn vor. Im Folgndn wird ds Listungsdichtspktrum inr clock-trnär codirtn Zichnfolg bstimmt, wlch us 8 Bit lngn Nchrichtn und Bit lngn Pusn bstht Abb. 73. Ds rst Bit inr Nchricht ist ntwdr high odr low und knn ni null sin. Ddurch vrändrn sich di Auftrittswhrschinlichkitn, ws Einfluss uf ds Listungsdichtspktrum ht. Nchricht n Nchricht n.. Bit Pus.. t Abb. 73 Zichnfolg, 8 Bit Nchrichtn, Bit Pus C Abb. 7 Gwichtungsfunktion C bi 8 Bit Nchrichtn und Bit Pus Di Form dr Gwichtungsfunktion Abb. 7 ist dr Form dr kontinuirlichn Zichnfolg ähnlich. Di Amplitudn sind um c. dn Fktor /5 gringr, ws uf ds Vrhältnis 8 Zichn Dtn 53 8 Zichn Dtn Zichn Pus 5 zurückzuführn ist.

102 Bwrtung dr Clock-rnär-Codirung im Vrglich mit ndrn Knlcodirungn Gschlossn Bstimmung ds Listungsdichtspktrums dr CC Mit dr Übrgngsmtrix knn übr di Bstimmung dr Eignwrt ds Listungsdichtspktrum brchnt wrdn [Wh7]. 5 p P p p 3 p p p 3 p p p Ds Elmnt p kl gibt di Übrgngswhrschinlichkit vom Zustnd k in dn Zustnd l n. Für di Clock-rnär-Codirung siht di Mtrix P folgndrmßn us: 55 P,5,5,5,5,5,5 Di Digonllmnt sind, d pr Dfinition immr in Zustndswchsl rfolgn muss. Wnn von inr glichvrtiltn Eingngsdtnfolg usggngn wrdn knn, sind di rstlichn Übrgngswhrschinlichkitn jwils,5 Gl. 33. Di Brchnung ds Listungsdichtspktrum ist im Anhng D zu findn. Wnn G ds Spktrum ds Grundimpulss ist, stllt sich ds Listungsdichtspktrum mit τ/ U² wi folgt dr: 56 S G,75 3τ cos τ,5 Dr Vrluf ds Gwichtungstrms us Gl. 56 ist in Abb. 75 drgstllt. Ggnübrstllung dr vrschidnn Mthodn zur Bstimmung ds Listungsdichtspktrums dr CC Nbn dr Bstimmung ds Listungsdichtspktrums übr di Autokorrltionsfunktion und dr Bstimmung übr gschlossn Lösung wurd uch in Nährunglösung mit Hilf inzlnr, kurzr Impulsfolgn rmittlt Anhng B. Gmäß dn Glichungn 36 und 37 sind di Nährungslösungn für di Gwichtungsfunktion C ufgtrgn. Ein witr Gwichtungsfunktion wird durch Gl. 5 und di Autokorrltionsfolg cm inr Zufllswrtfolg mit 5 Einzlwrtn drgstllt. Gl. 56 gibt dn Vrluf dr gschlossnn Lösung widr.

103 Bwrtung dr Clock-rnär-Codirung im Vrglich mit ndrn Knlcodirungn C Abb. 75 Gwichtungsfunktionn C dr inzlnn Brchnungn Di bidn Nährungslösungn fch- und 3fch Nährung, Abb. 75 gbn dn qulittivn Vrluf dr Gwichtungsfunktion C widr, währnd di Lösung übr di Autokorrltionsfunktion mit 5 Einzlwrtn AKF 5, Abb. 75 und di gschlossn Lösung nnährnd idntisch di Gwichtungsfunktion C ds Listungsdichtspktrums dr CC widrgbn. Di Multipliktion dr Gwichtungsfunktion C mit dm Spktrum ds Einhitsimpulss rgibt ds Listungsdichtspktrum Gl. 38. Ds Listungsdichtspktrum dr gschlossnn Lösung ist in Abb. 76 mit dr Bzichunung rnär Codirung/Cod drgstllt. 6.. Ggnübrstllung dr Listungsdichtspktrn Im Folgndn wrdn di dri Listungsdichtspktrn dr Codirungn NRZ, Mnchstr und Clock-rnär-Cod ggnübrgstllt. Gl. 3 stllt ds Listungsdichtspktrum ins Mnchstr-Impulss mit drslbn Amplitud wi ds ds Clock-rnär-Impulss dr Abb. 76. Dr Vrluf ds Listungsdichtspktrums dr NRZ- und dr Clock-rnär-Codirung ist nch Glichung 8 und 56 ufgtrgn. Di Amplitudn sind in dr Einhit U² ufgtrgn, wobi di Dur ins Zichns und U di normirt Amplitud ist. 3

104 Bwrtung dr Clock-rnär-Codirung im Vrglich mit ndrn Knlcodirungn Abb. 76 Listungsdichtspktrn dr NRZ-, dr Mnchstr- und dr Clock-rnär-Codirung in linrr [links] und logrithmischr Drstllung [rchts] Di Clock-rnär-Codirung ht dn gringstn Glichntil wil si bipolr ist. Si bsitzt di mximln Spktrlntil tw bi dm,5 fchn dr normirtn Frqunz, währnd di NRZ- und di unipolr Mnchstr-Codirung ds Mximum bi bsitzt. Di rst Nullstll ds Listungsdichtspktrums ligt bi dr Mnchstr- Codirung bi dr doppltn Bit-Frqunz, währnd di Nullstlln dr bidn ndrn Codirungn bi dr infchn Bit-Fruqnz lign Abb. 76, links. Bi inr Filtrung Rduzirung dr höhrfrquntn Spktrlntil dr Signl us EMV Gründn, wird ds Mnchstr-Signl stärkr in sinr Form vrändrt ls di bidn ndrn Signl. Di Sichrhit dr richtign Dcodirung sinkt ddurch stärkr ls bi dn ndrn bidn Codirungn. Wnn nur di höhrn Frqunzntil durch Filtrung untrdrückt wrdn, ist in höhr EMV- Abstrhlung zu rwrtn FF-Mssungn dr Spktrn Mit dr Fst Fourir rnsformtion FF könnn Spktrn inr nicht unndlichn Zitfunktion nährungswis brchnt wrdn. Mit inm Zufllsgnrtor wrdn Zichnkttn rzugt. Dis wrdn im Mnchstr-, Clock-rnär- odr im NRZ-Formt übrtrgn. Ds Zitsignl wird m Ausgng dr CAN-rnsmittr gmssn Abb. 63. Aus dm Btrgsqudrt ds Signls wird di FF brchnt und uf dm Oszilloskop drgstllt. Di Dtnrt bträgt MBit/s. Amplitudn Di Mssungn dr NRZ- und dr Clock-rnär-Codirung könnn dirkt vrglichn wrdn, d di Mssinstllungn inhitlich sind und di Signl m Ausgng ds CAN-rnsmittrs gmssn wrdn. Für di Mssung dr Mnchstr-Codirung wrdn di Signl dirkt n dm SPI-Intrfc vrwndt, d für di Übrtrgung ins MBit/s Mnchstr-Signls di Einzlsymbolrt von.. NRZ- Symboln/sk. bnötigt wird. Di vrwndtn CAN-rnsmittr rmöglichn nur in mximl Zichnrt von.. NRZ-Symboln/sk. Ds SPI-Intrfc lifrt in mximl Zichnrt von 5.. NRZ-Symboln/sk, wlch ls L-Signl mit dr Amplitud von 5 V rzugt wrdn. Ds CAN-Signl bträgt nur inn Signlhub von V. Drus folgt, dss ds Mnchstrsignl um log5v/v

105 Bwrtung dr Clock-rnär-Codirung im Vrglich mit ndrn Knlcodirungn 7,96 db größr Abb. 77 rchts ist ls ds NRZ- Abb. 77 links und ds Clock- rnär-signl Abb. 78. Wnn von dr Mssung ds Mnchstr-Spktrums 8 db bgzogn wrdn, könnn di Mssungn dirkt mitinndr vrglichn wrdn. Di Amplitudn könnn nur rltiv und nicht bsolut mit dn Brchnungn vrglichn wrdn. Dis ligt drn, dss di FF übr in fst Zit brchnt wird; di llgmin Fourir-rnsformtion hinggn wird übr dn Zitrum - bis bstimmt. Bi inr rinn Sinusschwingung ist di Amplitud ds Spktrums dr Fourir- rnsformtion bi unndlich hoch. Si wird durch dn δ-impuls bschribn. Di FF ds Mssgräts bwrtt di diskrt Amplitud n dr Stll mit dm Amplitudnwrt dr Sinusschwingung. Di Spktrllini ist nicht unndlich schml und uch nicht unndlich hoch. Intrssnt für di Btrchtungn sind di rltivn Zusmmnhäng dr Amplitudn. Aufgrund nicht unndlich lngr und nicht vollständig zufälligr Zichnfolgn ntsthn diskrt Linin in dn nsonstn kontinuirlichn Spktrn Abb. 77 und Abb. 78. U 5dB U 5dB db db f [MHz] 5 5 f [MHz] Abb. 77 Listungsdichtspktrum NRZ-Codirung links und Mnchstr-Codirung rchts U 5dB db 5 f [MHz] Abb. 78 Listungsdichtspktrum Clock-rnär-Codirung 5

106 Bwrtung dr Clock-rnär-Codirung im Vrglich mit ndrn Knlcodirungn 6..6 Impulsformung Aufgrund dr Kostnnfordrungn in dr Kfz-Elktronik könnn, wnn übrhupt, nur infch Impulsformungsmßnhmn rlisirt wrdn. Ein solchr Mßnhmn ist ds Rduzirn dr Anstigsflnkn. Aus inm Rchtck- wird in rpzimpuls. Disr ht ggnübr dm Rchtckimpuls dn Vortil, dss sin höhrfrquntn Spktrlntil gringr Amplitudn bsitzn. Di Ablösung inr lktromgntischn Wll ins Litrs stigt mit dr Frqunz. Dhr bsitzn di von dr Übrtrgungslitung bgstrhltn, lktromgntischn Wlln dr rpzimpuls in dr Summ wnigr Enrgi ls di dr Rchtckimpuls. D di Rcivr mist nur inzln Amplitudnwrt und nicht di Impulsform uswrtn, ist s notwndig, dss dr rpzimpuls nicht im Brich dr stigndn, sondrn im Brich dr konstntn Amplitud bgtstt wird. Aus dism Grund ist in Vrlängrung dr Anstigszit nur bgrnzt möglich. Ds Spktrum ds rpzimpulss lässt sich us dr Übrlgrung zwir Drickimpuls bstimmn. Dr positiv Drickimpuls bsitzt di Impulsdur von bis, sin Mximlmplitud bträgt /. / / ² - - t Abb. 79 rpzimpuls Disr Impuls bsitzt ds Spktrum [St89] ' 57 G D si Dr ngtiv Drickimpuls bsitzt di Dur von bis mit dr Mximlmplitud / ². In dr Summ ntstht in rpzimpuls. Aufgrund dr Linrität dr Fourir-rnsformtion knn ds Spktrum ds rpzimpulss us dr linrn Übrlgrung dr bidn Drickimpuls gwonnn wrdn. Di Höh ds rpzimpulss bträgt -/. Si wird mit dm Khrwrt diss Fktors uf normirt. Ds Spktrum rgibt sich zu ' ' 58 Gr GD GD si si ' ' Für ntstht dr Dricksimpuls. Wnn di Mximlmplitud / ist, rgibt sich ds Spktrum nch Gl

107 Bwrtung dr Clock-rnär-Codirung im Vrglich mit ndrn Knlcodirungn ' ' ' 59 Gr GD GD si si si ' ' Im Folgndn wrdn rpzimpuls mit Flnknstigungn von,, 3 und 5 % dr Gsmtdur ds rpzimpulss untrsucht. Dr rpzimpuls mit 5 % Flnknnstigsdur stllt dn Drickimpuls dr Abb. 8. 3% % s -/ / t s Abb. 8 rpzimpuls mit normirtr Impulsläng Di Stigung dr Flnk ds rpzs wird durch dn Fktor s dfinirt. Er gibt n, wi groß di Anstigsdur im Vrhältnis zur normirtn Dur ds Impulss ist. Di normirt Dur ins rpzimpulss ist. Dis ist di Zit zwischn dn Erignissn, wnn di stignd und di fllnd Flnk 5 % dr Mximlmplitud rrichn Abb. 8. Disr Wrt ntspricht dm ds Rchtckimpulss, d di Fläch ds Rchtckimpulss glich dr ds rpzimpulss ist. t Abb. 8 rpzimpulsfolg Di Flächn dr untrschidlichn Impuls blibn konstnt. Mit / s und / s rgibt sich us Gl. 58 7

108 Bwrtung dr Clock-rnär-Codirung im Vrglich mit ndrn Knlcodirungn 8 6 s si s s s si s s G s si s s s si s s s G si si G G G r r D D r ' ' ' ' Di Spktrn dr signifikntn rpzimpuls sind in Abb. 8 drgstllt. Hir ist zu shn, dss ds Listungsdichtspktrum dr rpzimpulsfolg mit gringrn Flnknstilhitn im höhrn Frqunzbrich gringr Amplitudn bsitzt. Abb. 8 Spktrn dr rpzimpuls CC- und NRZ-Codirung mit Rchtck- und mit rpzgrundimpuls Für di Mssungn wird dr rnscivr PCA8C5 von Philips vrwndt. Bi dism yp knn di Stigung dr Flnkn bis uf V/µs rduzirt wrdn. Bi inr Dtnrt von Mbit/s und Amplitud von V rgibt sich dmit in rpzimpuls mit inr Flnknnstigsdur von %.

109 Bwrtung dr Clock-rnär-Codirung im Vrglich mit ndrn Knlcodirungn Abb. 83 Spktrum Clock-rnär-Codirung mit Rchtck- und Drickimpulsn U Rchtck U rpz 5dB 5dB db db 5 f[mhz] f[mhz] 5 Abb. 8 Gmssn Spktrn dr NRZ-Codirung mit Rchtck- und rpzimpulsn % U Rchtck U rpz 5dB 5dB db db f[mhz] 5 f[mhz] 5 Abb. 85 Gmssn Spktrn dr Clock-rnär-Codirung mit Rchtck- und rpzimpulsn % 9

110 Bwrtung dr Clock-rnär-Codirung im Vrglich mit ndrn Knlcodirungn Ergbnis dr Impulsformung Sowohl bi dr NRZ- ls uch bi dr Clock-rnär-Codirung ist zu shn, dss b dm fünftn lokln Mximum ds Spktrum durch di rpzimpulsformung um c. db rduzirt ist, ws in Vrbssrung ds EMV-Abstrhlvrhltns bwirkt Fhlrtolrnt Clock-rnär-Codirung FCC Bi inm Frmdschluss inr dr bidn Buslitungn knn ds high - odr ds low -Symbol nicht übrtrgn wrdn. Di FCC-Codirung stllt in dism Fll ds Symbol ndrs dr: nämlich in low durch in null-high -Symbol und in high durch in null-low -Symbol. Ds null-high - und null-low -Symbol bsitzt inn Zustndswchsl in dr Bit-Mitt. Di Symbolfolg ist im Fhlrfll nicht mhr bipolr, sondrn unipolr. F-Clock- rnär - Codirung t Abb. 86 Clock-rnär-Codirung im Fhlrfll Numrisch Bstimmung ds Listungsdichtspktrums us dr Autokorrltionsfunktion Es wird in stochstisch Folg von 5 Einzlzichn zugrund glgt. Dvon wird di Autokorrltionsfunktion dr -Folg und di dr -Folg sowi di Kruzkorrltionsfunktion dr - und dr -Folg gbildt. Aus disn Autokorrltionsfunktionn und dn Kruzkorrltionsfunktionn wird jwils ds Listungsdichtspktrum brchnt. Dis inzlnn Listungsdichtspktrn wrdn mit dn Btrgsspktrn dr Einzlimpuls bzw. dm Btrgsspktrum dr bidn übrlgrtn Impuls multiplizirt. n 6 u t U [ n g t n n g t n ] Hirbi stllt n di Folg dr -Impuls und n di Folg dr -Impuls dr. Di Auswrtung disr Bzihung ist im Anhng E zu findn. D di Kruzkorrltionsfunktion c m glich c m ist, knn ds Listungsdichtspktrum wi folgt drgstllt wrdn: jm S m 6 U Si c m jm U Si c m m jm U Si Si cos c m m

111 Bwrtung dr Clock-rnär-Codirung im Vrglich mit ndrn Knlcodirungn Für di Brchnung dr Autokorrltionsfolg c m bzw. c m und dr Kruzkorrltionsfolg c m bzw. c m wird in stochstisch Zichnfolg mit 5 Einzlzichn rzugt. Di Fourir-rnsformirt dr Autokorrltionsfunktion wird numrisch bstimmt. Di Lufvribl k läuft von - 5 bis 5. D di Autokorrltionsfunktion von inr ndlichn Zufllsfolg bstimmt wird, ght si nicht ggn, sondrn bsitzt inn Ruschntil. Disr Antil wirkt sich stärkr us, wnn di Fourir-rnsformtion übr inn größrn Brich von k bstimmt wird. In Abb. 87 ist ds Listungsdichtspktrum drgstllt. Abb. 87 Numrisch bstimmts Spktrum 5/5 dr Clock-rnär-Codirung im Fhlrfll FF-Mssung ds Listungsdichtspktrums dr FCC U 5dB db f[mhz],5 Abb. 88 Gmssns Spktrum dr Clock-rnär-Codirung im Fhlrfll Ds Spktrum in Abb. 88 wird us dm Signl inr zufällign, ndlosn Dtnfolg bstimmt. Aufgrund dr Signlqulität wird ds Signl nicht von dn Buslitungn, sondrn dirkt von dm Ausgng MSR ds SPI-Intrfc ntnommn. Di Dtnrt bträgt 5 kbit/s. Di chrktristischn ifpunkt ds Spktrums bi

112 Bwrtung dr Clock-rnär-Codirung im Vrglich mit ndrn Knlcodirungn dr zwifchn und dr virfchn Grundfrqunz sind sowohl bi dr Brchnung in Abb. 87 ls uch bi dr Mssung in Abb. 88 dutlich zu rknnn. Dr Vrglich ds Listungsdichtspktrums dr Clock-rnär-Codirung ohn Frmdschluss Abb. 85 mit dm dr FCC mit Frmdschluss Abb. 88 zigt, dss ds Abstrhlvrhltn bi inm Frmdschluss schlchtr wird Glichtkt-Signlntil Hochfrqunt Signlntil sind für di Abstrhlung lktromgntischr Wlln vrntwortlich. Dis Antil britn sich sowohl übr Litungn ls uch durch Abstrhlung zu ndrn lktrischn Einhitn us. Um di Störussndung dr Kommuniktion bwrtn zu könnn, wrdn di Spktrn dr Bussignl gmssn. Di Mssung dr Spktrn rfolgt mit Hilf dr FF-Funktion ins Digitl- Spichr-Oszilloskops. Zunächst wird di Zitfunktion ufgnommn und gspichrt. Drus wird in FF Fst Fourir rnsformtion brchnt und drgstllt. Di Einstllungn ds Oszilloskops sind inhitlich, so dss di Mssungn mitinndr vrglichn wrdn könnn. Di llgmin Fourir- rnsformtion stllt dn Zusmmnhng inr unndlich ndurndn Zitfunktion zu inm diskrtn Spktrum dr. Bi inr zitlich bgrnztn Zitfunktion ntstht in kontinuirlichs Spktrum. Ds Spichroszilloskop knn ufgrund ds ndlichn Spichrs nur in ntsprchnd kurz Zitfunktion für di Brchnung ds Spktrums vrwndn. Um rproduzirbr Signl zu rhltn, wird ds Ergbnis immr us Einzlspktrn gmittlt. Bi inm diffrnzilln Systm sind di unsymmtrischn Antil dr Signl usschlggbnd Kp..3. Durch in Kopplntzwrk könnn si hrusgfiltrt und gmssn wrdn. X rnscivr CAN_H CAN_L,nF rnscivr RX 3Ω 3Ω 7nF Ω 5Ω Spctrum Anlyzr Abb. 89 Ntzwrk zur Auskopplung dr Störbstrhlung Dr, nf Kondnstor bildt in Mtr lng Buslitung nch. Di bidn 3 Ω Widrständ wrdn zusmmngführt und übr dn 7 nf Kondnstor glichspnnungsntkopplt. Di unsymmtrischn Antil ds Signls pssirn disn Kondnstor. Dr Ω Widrstnd dint dr Anpssung n ds 5 Ω Msssystm.

113 Bwrtung dr Clock-rnär-Codirung im Vrglich mit ndrn Knlcodirungn Signl im Zitbrich Dr Einfluss dr bgrnztn Flnknstilhitn ist in dn Mssungn Abb. 9 und Abb. 9 zu shn. Di Unsymmtrin dr Signl sind im Folgndn drgstllt. Di Mssung wurd mit dn CAN-rnscivrn LE 65 von Infinon bi 6 Ω Buslst und inr Kblläng von c. 5 cm durchgführt. Schltvorgng von rzssiv nch dominnt Es ist zu shn, dss ds low"-signl dn Signlvrluf ggnübr dm high - Signl rst nch 3 ns Vrzögrung in di richtig Richtung ändrt. Auch di Flnknbfllszit ist dutlich lngsmr ls di Flnknnstigszit ds high - Signls. Schltvorgng von dominnt nch rzssiv Diss Vrhltn ist tw umgkhrt zu dm ds Vorgngs obn. Di Vrzögrungszit ist tws gringr, doch dr Untrschid dr Flnknstilhitn ist wi obn. CAN_H CAN_H 3ns CAN_L CAN_L CAN_L CAN_H CAN_L CAN_H Abb. 9 Glichtktntil ds Bussignls, Einschlt- und Ausschltvorgng CAN_H CAN_L CAN_H CAN_L m Auskopplungsntzwrk nur Wchslntil Abb. 9 Wchslntil ds diffrnzilln Bussignls bim Einschltvorgng In Abb. 9 ist in dr untrn Kurv dr Wchslntil ds Diffrnzsignls zu shn, wlchr mit inm Auskopplntzwrk xtrhirt wird. Di obrn bidn Signl 3

114 Bwrtung dr Clock-rnär-Codirung im Vrglich mit ndrn Knlcodirungn sind CAN_H und CAN_L. Disr Vrluf wirkt sich uf ds Spktrum und somit uch uf ds Abstrhlvrhltn us. Spktrn dr Glichtktntil U db - db f [MHz] Abb. 9 Nullmssung Bi dr Nullmssung ist dr Sndtilnhmr bgschltt. U U db db - db - db f [MHz] f [MHz] Abb. 93 NRZ und NRZ mit Flnknsturung 65 kbit/s 6 6 mximl instllbr Bitrt dr vrwndtn UAR-Einhit

115 Bwrtung dr Clock-rnär-Codirung im Vrglich mit ndrn Knlcodirungn U U db db - db - db f [MHz] f [MHz] Abb. 9 Clock-rnär-Codirung links ohn und rchts mit Flnkn-Sturung bi MBit/s U U db db - db - db f [MHz] f [MHz] Abb. 95 Mnchstr-Codirung links ohn, rchts mit Flnknsturung Ergbnis Ds Spktrum dr Glichtktntil dr NRZ-Codirung Abb. 93 wird bi dr mximl instllbrn Dtnrt von 65 kbd ufgnommn. Di Mnchstr- Abb. 95 und di Clock-rnär-Codirung Abb. 9 wrdn jwils bi MBit/s ufgnommn. Bi lln Codirungn sind dutlich di Spktrlntil dr vilfchn Grundfrqunz zu shn. Bi dr Mnchstr-Codirung sind dis ufgrund dr doppltn Grundfrqunz im MHz Rstr. Aufgrund dr Ähnlichkit ds Spktrums dr NRZ- mit dr NRZ-Codirung mit Bitstuffing wird dis hir nicht bsondrs drgstllt. Dr Vrglich dr dri Codirungn zigt, dss si im Abstrhlvrhltn tw glichwrtig sind. Dr tndnzill Vrluf ist bi lln glich. Di zyklischn Spktrlntil sind bi dr Mnchstr-Codirung im Vrglich zur Clock-rnär-Codirung von dr Anzhl gringr, dfür sind si britbndigr. 5

116 Bwrtung dr Clock-rnär-Codirung im Vrglich mit ndrn Knlcodirungn Di Mssungn uf dr jwilign rchtn Sit mit Flnknsturung zign, dss sich bi disr Mßnhm di nidrfrquntn Frqunzntil gringfügig rhöhn. Di höhrfrquntn Antil, wlch bdutnd für di Abstrhlung sind, vrringrn sich ddurch. 6

117 Ergbnis Ergbnis Zil ist s, in Bitübrtrgungsschicht für inn Snsor-Aktor-Bus für ds Kfz zu ntwrfn, di bi hohn Stückzhln kostngünstig rlisirbr ist und in gut Adption n di Umwltbdingungn in Hinblick uf Störmissionn und Störfstigkit rmöglicht. Mit dr rnär-codirung und dr rnärn Bustribrschicht knn in ffktivr Snsor-Aktor-Kommuniktionsbus für di Großsrinnwndung im Kfz rstllt wrdn. Er rmöglicht di Lösung ds gstlltn Problms untr dn gfordrtn Rhmnbdingungn, wobi sich di Kostn im Vrglich zu dn vrfügbrn Systmn durch Einsprungn bi dn Oszilltorn dutlich rduzirn lssn. Di Vrwndung diss Vrfhrns rhöht di Effizinz, d di Mßnhmn zur Synchronistion dr ilnhmr brits in dr Codirung vorhndn sind. Im Vrglich zur LIN-Kommuniktion uf UAR-Bsis knn di Protokoll-Effizinz ddurch gstigrt wrdn, dss ds Synchronistionsfld und ds Strt-Bit ntflln könnn. Ldiglich ds Stop-Bit wird noch bnötigt. Di vrwndt Clock-rnär-Codirung knn infch n ds Stndrd-SPI-Intrfc ds Controllrs ngschlossn wrdn. Dis Lösung mcht di Vrwndung billigstr RC-Oszilltorn mit hohr ktungnuigkit möglich. Es hndlt sich um in synchrons Übrtrgungsvrfhrn. Ddurch sind Dtnrtn bis in dn hohn MBit/s-Brich möglich. Um ds Störvrhltn bi Dtnübrtrgungsrtn von mhr ls kbit/s bhrrschbr zu hltn, wird in diffrnzills Übrtrgungsvrfhrn vrwndt. Es wurd hir kin nu Bustribrschicht ntwicklt, sondrn di brits vrfügbrn ISO 898 CAN-Bustribr wurdn rwitrt. Di Vrifiktion dr Störsichrhit durch Mssungn zigt im Vrglich zu ndrn Codirungn ähnlich Ergbniss. Im Wsntlichn wird ds Störvrhltn durch di vrwndtn Bustribrbustin bstimmt, di bi lln Vrglichsmssungn dr vrschidnn Codirungn inhitlich wrn. Di Störmission lässt sich us dm Listungsdichtspktrum blitn. Diss zigt, dss bi dr Clock-rnär-Codirung di Störmissionn nicht höhr ls bi dr NRZ- odr dr Mnchstr-Codirung sind. Di Mssungn dr Störsichrhitn rgb, dss hir bnflls kin Vrschlchtrung ggnübr dn ndrn Codirungn uftritt. Di Clock-rnär-Codirung knn durch in infchs Schltwrk mit wnigr ls 5 Gttrn rlisirt wrdn. Für di Srinlösung müssn di rnscivr dri Buszuständ rzugn könnn, ws inn gringn Mhrufwnd ggnübr dn bsthndn Kfz-Bus-rnscivrn drstllt. Es wird kin ignr Kommuniktions- Controllr bnötigt. Ds Kommuniktionsprotokoll wird im rstn Schritt durch dn Controllr rlisirt, wi dis uch bi dm LIN-Bus dr Fll ist. Als Controllr- Intrfc zu dm Kommuniktionssystm knn ds SPI-Intrfc vrwndt wrdn. Es ist stndrdisirt und hutzutg uf fst jdm Low-Cost -Microcontrollr vorhndn. 7

118 Ausblick Ausblick Bim Einstz von Butiln odr Systmn in Großsri ist dr Pris in ntschidndr Fktor. Von ihm hängt di Mrktdurchdringung shr strk b. Er ist widrum von dm Grd dr Intgrtion dr inzlnn Komponntn wi Protokoll- Logik, Bustribr und Oszilltorn bhängig. D wdr in Krmik-Rsontor noch in Kristll-Qurz-Oszilltor in inm ASIC intgrirt wrdn knn, stllt di Möglichkit dr Vrwndung ungnur RC-Oszilltorn dn Schlüssl für di dutlich Rduzirung ds Priss dr. Hirfür ist s jdoch notwndig, dss dis Lösung uch in glichm Umfng wi bsthnd chologin UAR, LIN und CAN uf ASICs intgrirt wird. Ds Problm hirbi wird sin, dss di Hlblitrhrstllr rst nch inr rknnbrn Mrktkzptnz ds Risiko dr Einführung ins nun Stndrds inghn wrdn. Di Frg dr Prtitionirung ds Systms hängt bnflls von dr Mrktkzptnz b. Um ds Risiko gring zu hltn, wird in Hlblitrhrstllr zunächst in infchs Systm nbitn. Di Intgrtion ds infchn Clock-rnär-Dcodirrs in dn Bustribr ist hir dnkbr. Di Hlblitrtchnologi dr Bustribrbustin ist shr robust ggn Übrspnnungn, dsshlb llrdings uch für di Rlisirung für Logik-Schltungn ungignt, d si inn hohn Pltzbdrf hbn. Di Logik ds Clock-rnär-Dcodirrs ist hinggn shr klin, so dss disr Nchtil nicht zum rgn kommt. Bim CAN-Bus zum Bispil wurd dr Kommuniktions- Controllr ufgrund sinr Komplxität in dn Host-Controllr intgrirt. Dr Vortil dr Clock-rnär-Codirung knn in Vrbindung mit bsthndn Protokolln gnutzt wrdn. Di Rlisirung ds Protokolls, odr il dvon wird spätr, im Vorgng dr Kostnrduzirung, in Hrdwr rfolgn, um di Blstung ds Host-Controllrs durch kommuniktionsbdingt Intrrupts zu rduzirn. Disr Vorgng läuft zur Zit bi dm LIN-Stndrd. Dmit nicht jd nkommnd Nchricht bi lln Kommuniktionstilnhmrn in Empfngs-Intrrupt rzugt, wrdn LIN-Controllr odr in LIN-Priphri ntwicklt, di utonom dis Aufgb übrnhmn. Erfhrungsgmäß durn dis Stndrdisirungsprozss bi Kfz-Bussystmn vil Jhr, wi ds m Bispil Bytflight, P/C odr Flxry zu shn ist. Im Brich dr Kfz-Kommuniktion ist di Vrmrktung ins Systms mist nur übr di Stndrdisirung möglich, d di Automobilhrstllr nicht ds Risiko inr zulifrspzifischn Lösung inghn wrdn. Dr Vortil ins Bussystms für inn Automobilhrstllr ist j grd di Stndrdisirung dr Schnittstlln, durch wlch r vrschidn Komponntn von vrschidnn Hrstllrn in sinn Fhrzugn vrbun knn. Also wird jdr Automobilhrstllr Abstnd dvon nhmn, in nicht stndrdisirt, firmnspzifisch Lösung in sinn Fhrzugn zu vrwndn, s si dnn, si ist shr ppliktionsspzifisch und ddurch wsntlich kostngünstigr. 8

119 Litrtur Litrtur [Amm7] Ammon, U./röndl, K.: Mthmtisch Grundlgn dr Codirung, Oldnbourg Vrlg Münchn Win 97 [B97] Brs, Grgory/John, Lizy: A Novl Mmory Bus Drivr/Rcivr Architctur for Highr hroughput, th Int. Confrnc on VLSI Dsign, -7 Jn 998, Chnni Indi Dprtmnt of Elctricl nd Computr Enginring, Univrsity of xs nd Austin 997 [Bc] Bckr, Mrkus Diplomrbit: Rlisirung von Codirrn und Dcodirrn für inn Kfz-Snsorbus, Prof. Nbl, FH-Rgnsburg [Bl93] Blck, Uylss: Dt Link Protocols, Prntic Hll, Nw Jrsy 993 [Bl96] Blck, Uylss: Physicl Lyr Intrfcs nd Protocols, IEEE Computr Socity Prss, Los Almitos, Cliforni 996 [Boc83] Bockr, Ptr: Dtnübrtrgung, Springr Vrlg Brlin, Hidlbrg, NwYork, okyo 983 [Bo99] Bod, Viktor: Ntworking nd Intgrtion of Fcilitis Automtion Systms, CRC Prss 999 [Bon93] Bonfig, Krl Wltr: Snsorik, Exprt Vrlg Ehningn 993 [BS] Common Bus Dscription Bosch Simns mic, Rv.:., [Bus96] Buss, Robrt: Fldbussystm im Vrglich, Pflum Vrlg Münchn 996 [Byt] Spzifiktion Bytflight-Protokoll, BMW [Ct88] Cttrmol, K. W.: Sttistisch Anlys und Struktur von Informtion, VHC Vrlgsgsllschft, Winhim 988 [Ct88/] Cttrmol, K. W.Hrusg.: Ruschn und Stochstik in dr Nchrichtntchnik, VHC Vrlgsgsllschft, Winhim 988 [Ch98] Chn, Wltr: Simultion chniqus nd Stndrds Dvlopmnt for Digitl Subscribrs, Mcmilln chnicl Publishing, Indinpolis, Indin 998 [CISPR5] Commission Elctrotchniqu Intrntionl 995- [Cl9] Clyton M./Krutzr A.: A robust CAN trnscivr dsignd for th utomotiv nvironmnt, st Int. CAN Conf., Proc, Aug. 8, 99 [Con87] Dmmlmir, Conrds: Srill Buss, VDE Vrlg, Brlin, Offnbch 987 [Ds88] Ds J.: Rviw of Digitl Communiction, Wily Estrn Limitd 988 [Dir99] Dirschrl Norbrt, Diplomrbit: Intgrtion und Erprobung ins Mnchstrkodirrs in ds srill Bussystm SB, Prof. Dr. Grf, FH-Rgnsburg 999 [Dri9] Driscoll, F.: Dt Communictions, Sundrs Collg Publishing, Fort Worth 99 [Dos] Dostrt, Klus: Powrlin Communictions, Prntis Hll PR [DSI.] Bus Dscription Motorol, RW D S I Rls. 9

120 Litrtur [Dur9] Durcnsky, Gorg: EMV-grchts Grätdsign, Frnzis-Vrlg Münchn 99 [Ebn97] Ebnr, Christin: Dsign nd Evlution of im-riggrd Communiction Architctur for Body Elctronics, Dissrttion U Win 997 [El9] Elktronik Plus: Grundlgn Fldbuss, Fchzitschrift 99 [Fär87] Färbr, Gorg: Bussystm, Oldnbourg Vrlg, Münchn, Win 987 [Ft96] Fttwis, A.: Elmnt nchrichtntchnischr Systm, ubnr Vrlg, Stuttgrt 996 [Fin85] Fingr, A.: Digitl Signlstrukturn in dr Informtionstchnik, Oldnbourg Vrlg, Münchn, Win 985 [Gr97] Grf, R.: 3 Oszilltorn, Elktor Vrlg, Achn 997 [Gr96] Grdsn, Ptr: Digitl Nchrichtnübrtrgung, B.G. ubnr, Stuttgrt 996 [Gr83] Grdsn, Ptr: Digitl Übrtrgungstchnik, ubnr Vrlg, Stuttgrt 983 [Go] Richrd, Gorgi: Kmpf dr Störstrhlung, Fchzitschrift Elktronik Automotiv, Ausgb Nov/ [H97] Hß, Wolf-Ditr: Hndbuch dr Kommuniktionsntz, Springr Vrlg, Brlin, Hidlbrg 997 [Hl95] Hlsll, Frd: Dt Communictions, Computr Ntworks nd Opn Systms, Addison-Wsly Publishing Compny 995 [Hr96] Hrwrdt, Sigrid: Lokl oprirnd Ntzwrk, Wissnschft und chnik Vrlg, Brlin 996 [Hy89] Simon, Hykin: Anlog & Digitl Communictions, John Wily nd Sons Prss, Nw York 989 [Hi] Hinz, Rinhrd Diplomrbit: Konzption und Rlisirung ins stsystms zur Evluirung physiklischr Lyr im Rhmn ds SB-Projkts, Prof. Dr-Ing. Färbr, RCS U Münchn [Hu96] Hublin, Hns: Störungsfri Dtnübrtrgung Simns, Publics MCD Vrlg, Erlngn 996 [Hub] Hubr, Robrt: Konzption und Bwrtung ds Snsor/Aktorbusss P/A, Institut für Rlzit Computr Systm, U Münchn [Hüt97] Hüttmnn, Michl: ARCNE dr vrknnt Fldbus, VDE-Vrlg GmbH, Brlin, Offnbch 997 [HuPf] Hubr, R./ Pfffndr, B.: Gmischtr Btrib von RS-85- und CAN- rnscivrn n inm Bus, Fchzitschrift Elktronik 3/ [ISO9] ISO9 K-Lin Spcifiction [ISO5-] Rod vhicls - Elctricl disturbncs by nrrowbnd rditd lctromgntic nrgy Prt : Bulk currnt injction [ISO5-5] Rod vhicls - Elctricl disturbncs by nrrowbnd rditd lctromgntic nrgy Prt 5: Striplin 997 [ISO7637-3] Rod vhicls - Elctricl disturbncs by conduction nd coupling Prt [Jor95] Jordn, J.R.: Sril Ntworkd Fild Instrumnttion, John Wily & Sons 995

121 Litrtur [Jun] Jung, Mrkus: Diplomrbit: EMV-Untrsuchung vrschidnr Codirungn für dn Einstz im Kfz, Prof. Dr. Höss, FH-Ambrg- Widn [Kli96] Klimnt/Piotrschk/Schönfld: Informtions- und Kodirungsthori, ubnr Vrlg, Lipzig 996 [Kop97] Koptz, Hrmnn: Rl-im Systms, Kluwr Acdmic Publishrs Boston, Dordrcht, London 997 [Kop] Koptz, Hrmnn: P/A Spcifiction Rls. [Kr78] Krus, G.: Einführung in di Dtnübrtrgung, Oldnbourg Vrlg, Münchn, Win 978 [Kur9] Kurz G./Mthis W.: Oszilltorn, Hüthig Vrlg, Hidlbrg 99 [Kur88] Kurz G.: Oszilltorn, VEB Vrlg chnik, Brlin 988 [Lw97] Wolfhrd, Lwrnz: Controllr Ar Ntwork, Hüthig-Vrlg, Hidlbrg 997 [L88] L, E.A./Mssrschmitt, D.G.: Digitl Communiction, Kluwr Acdmic Publishrs 988 [Mäu9] Mäusl, Rudolf: Digitl Modultionsvrfhrn, Hüthig Buch Vrlg, Hidlbrg 99 [Mr8] Mrko, H./Binkrt, G. Hrusgbr: Nchrichtntchnisch Bricht dr U Münchn, Biträg zur Informtionsthori 98 [Mr9] Mrkly, Richrd: Dt Communictions nd Introprbility, Prntic-Hll Intrntionl UK Limitd, London 99 [Mx95] Mxim, Dt Book Volum IV 995 [M98] Muwissn, H. B.: Informtion horticl Aspcts of wo-wy [My98] Communiction, CIP DtLibrry U Einhovn 998 Myr, H./Moncly, M./Fchtl, S. A.: Digitl Communiction Rcivrs, Wily & Sons, Inc. 998 [Mic85] Michlson, Lvsqu: Error-Control chniqus for digitl Communiction, John Wily & Sons 985 [Mor96] Mors, R.: Fhlrtolrnz srillr Busystm, VDI-Bricht Nr. 87, 996 [Nüh89] Nührmnn, Ditr: Oszilltor Prxis, Frnzis Vrlg 989 [Ob95] [Ph] [Py87] [Pf] [Pf/] [Pho97] Obrsminr Prozßrchntchnik: Fldbussystm, U Münchn, Lhrstuhl für Rlzit-Computrsystm hmls Lhrstuhl für Prozssrchnr 995 Phl, Erich: Digitl- und nlog Nchrichtnübrtrgung, Hüthig Vrlg Hidlbrg Pyton, Z./Pbls, JR.: Digitl Communiction Systms, Prntic- Hll, Inc. 987 Pfffndr, Brnd: Vom srilln Intrfc zum Highspd- Snsorbus, Fchzitschrift Auto& Elktronik, Ausgb 3/ Hüthig Vrlg Pfffndr, Brnd: Rltim Snsor Communiction in Vhicls, VDI gungsbnd zur. Int Konfrnz, Elktronik im Kfz in Bdn- Bdn, VDI Vrlg Phonix Contct: Grundkurs Snsor/Aktor-Fldbustchnik, Vogl Vrlg, Würzburg 997

122 Litrtur [Pl] Common Bus Dscription PLANE Philips Locl Ar Ntwork, Rv.:. [Pl9] Plssy Smiconductors, Dtbus Products Hndbook 99 [Rz96] Rzvi, Bhzd: Monolithic Phs-Lockd Loops nd Clock Rcovry Circuits, IEEE Prss Pisctwy 996 [Ri98] Rißnwbr, B.: Fldbussystm, R. Oldnburgvrlg, Münchn, Win 998 [Rod88] Rodn, Mrtin S.: Digitl Communiction Systms Dsign, Prntic- Hll, Inc. 988 [Roh95] Rohling, H.: Einführung in di Informtions- und Codirungsthori, ubnr Vrlg, Stuttgrt 995 [Sf] Sf by Wir ASRB Busspcifiction Vrsion., Philips [Sch8] Schrödr H./Romml, G.: Elktrisch Nchrichtntchnik, Richrd Plum Vrlg, Münchn 98 [Sch9] Schwb, Adolf: Elktromgntisch Vrträglichkit, Springr Vrlg, Hidlbrg 99 [Sch9] Hrld, Schumny/Rinr Ohl: Hndbuch digitlr Schnittstlln, [Sch] Viwg Vlg, Brunschwig, Wisbdn 99 Schullr, Brtrm Diplomrbit: Implmntirung ins Kfz- Snsorbussystms untr Nutzung dr Dtnlitung für Übrtrgung von Enrgi n di ilnhmr, Prof. Dr. Grf, FH-Rgnsburg [Si9] Simns C65 Usr s Mnul 8.9 Vrsion. 99 [Si96] Simns C67 Drivtivs Vrsion. 996 [Sim95] Simon, M.K.: Digitl Communiction chniqus, Prntic Hll 995 [Söd85] [Söd8] [St89] [k9] [x95] [is98] [Wl87] [Wl97] Södr G./röndl K.: Digitl Übrtrgungssystm, Springr Vrlg, Brlin, Hidlbrg 985 Södr, G.: Optimirung und Vrglich binärr und mhrstufigr digitlr Übrtrgungssystm mit und ohn quntisirt Rückkopplung, Lhrstuhl für Nchrichtntchnik, U Münchn 98 Stnski, Brndhrd: Kommuniktionstchnik, Vogl Buchvrlg, Würzburg 989 kski, Yoshitk: Digitl rnsmission Dsign nd Jittr Anlysis, Artch 99 xs Instrumnts, Dt rnsmission Circuits / Linr Circuits Volum 995/96 ischlr, M./Ortl, K.: FPGAs und CPLDs, chnologi und Anwndungn, Hüthig Vrlg, Hidlbrg 998 Wlk, B.: Dtnkommuniktion I, Dr. Alfrd Hüthig Vrlg, Hidlbrg 987 Wllisr, Grhrd: Elktronik im Krftfhrzugwsn, Exprt Vrlg, 997 [Wc98] Wckmnn, H.-D.: Folinstz Rchnrntz, HRZ Uni Duisburg 998 [Wh73] Whrmnn, W.: Einführung in di stochstisch-rgodisch Impulstchnik, Oldnbourg Vrlg, Win 973 [Wit99] Wittgrubr, F.: Digitl Schnittstlln und Bussystm, Viwg Vrlg 999

123 Histori dr Kfz-Zündbuss Anhng A Histori dr Kfz-Zündbuss Di Industri für Kfz-Rückhlt-Systm wollt schon vor dr Jhrtusndwnd in Kommuniktionsmdium spzill für ihr Anfordrungn tblirn. Fordrungn wrn hirbi: Übrtrgungssichrhit durch Chck-Summn bzw. CRC-Prüfsummn uf dm Dt Link Lyr im Physicl Lyr Schutz ggn Vrpolung und Kurzschlüss ggn Mss, ggn Bttrispnnung und ggn Kurzschluss dr bidn Litungn ggninndr Enrgiübrtrgung uf dn Dtnlitungn Es gibt mhrr Ansätz von vrschidnn Firmn: Bosch und mic ntwickltn dn BOE-Bus, Simns Automotiv ds SURFS-Systm, RW und Motorol dn DSI-Bus, Philips dn PLANE Philips Lit Automotiv NEwork. Bosch, mic und Simns Automotiv führtn 999 ihr Entwicklungn zu dm BS Bosch Simns mic zusmmn. Philips gründt in Konsortium, in dm RW, Autoliv, Dlphi und ndr Zulifrr nthltn sind. Hir wrdn di Ansätz ds PLANE untr dn Nmn ASRB Automotiv Sfty Rstrint Bus und Sf by Wir witrgführt. Physicl Lyr mit Enrgiübrtrgung Bi Systmn mit klinn und infchn Snsorn odr Aktorn ist s wünschnswrt, dss Enrgi übr di Dtnlitung mitübrtrgn wird. Ddurch könnn in bzw. bi diffrnzillr Übrtrgung zwi Litungn ingsprt wrdn. Wnn di Bustilnhmr inn Strombdrf von inign ma hbn, wird vrsucht, uf dm Dtnübrtrgungssystm disn klinn Strom mitzuübrtrgn. Wnn di ilnhmr groß Ström bnötign, br nur gringr Dtnmngn übrtrgn wrdn müssn, vrsucht mn, übr di Vrsorgungslitung Kommuniktion zu btribn. Ansätz wrdn untr dm Bgriff Powrlin Communiction gführt. Problmtisch sind hir di trnsintn Störr, wlch uf Enrgilitungn vorhndn sind. Di Codirung und di Modultion müssn so gwählt wrdn, dss di Nchrichtn disn Störinflüssn widrsthn. In inm Rlzit-Snsor-Systm wrdn Dtn zyklisch von dn Snsorn gmssn. Di Snsorn bnötign von dr Sturinhit Konfigurtions- und Sturinformtionn. Dr Dtnfluss von dn Snsorn zur Sturinhit ist mist größr ls dr in umgkhrtr Richtung. Bi dn mistn Physicl Lyr im Kfz wird di Spnnungsmplitud ls Signl trgnd Größ vrwndt. Di Gründ hirfür lign in dr EMV und in dr Möglichkit, inn Spnnungswrt in inr prllln Struktur n vrschidnn Stlln mssn zu könnn. Ein Stromwrt hinggn knn nur in inr Rihnschltung n mhrrn Stlln gmssn wrdn. Im Anhng G ist di Rlisirung ins Snsorbusss uf Bsis ds Simns Zündbusss SURFS Simns Univrsl Rmot Firing Systm Physicl Lyr 3

124 Histori dr Kfz-Zündbuss bschribn. Bi dism Lyr ist di Stromübrtrgung in di Dtnlitungn intgrirt. SURFS Simns Univrsl Rmot Firing Systm Shr infch Smrt Squibs Intllignt Zündinhitn kommunizirn mit dr komplxrn Sturinhit im Mstr-Slv-Vrfhrn. Um di ilnhmr mit Enrgi zu vrsorgn wird di Informtion vom Mstr zu dn Slvs durch Spnnungsmodultion übrtrgn. Aus disr Spnnung vrsorgn sich di Slvs. Di Signlübrtrgung von dn Slvs zum Mstr gschiht durch Strommodultion. Ein Slv modulirt in inr zitlich fst dfinirtn Phs sinn Strom, wlchr im Mstr usgwrtt wird. Di Übrtrgungsrt für Rlzit- Snsorik soll 5 kbit/s btrgn. Für di Dignoskommuniktion mit dn Zündinhitn richt in Dtnrt von 3,5 kbit/s Abb. 96. Physicl Lyr SURFS Mstr Mstr Mstr xd nbl A A currnt V Disy Chin - Slv Disy Chin - Slv DC Control Powr supply Prlll - Slv Prlll - Slv Powr supply Slv xd Slv xd rnsmission of dignostic commnds t bit rnsmission of fir commnds t bit Rciv Lin V Lin b V inct_n or V inct_i V ct_d V inct_n or V inct_i V ct_f V V V mod_d V inct_n or V inct_i - V ct_d V mod_f V inct_n or V inct_i - V ct_f Slv xd log. log. h currnt dpnds on th no. of slvs hrshold I Slv I Slv Abb. 96 Physicl Lyr SURFS-Systm Dr Mstr schltt di Diffrnzspnnung zwischn dn Buslitungn zwischn 6 V ktiv Phs und V inktiv Phs. Dis bidn Zuständ wrdn Biphs Mrk -codirt. Dis Codirung ist dr Mnchstr-Codirung ähnlich. Durch di Biphs Mrk -Codirung ist sichrgstllt, dss mindstns 5 % dr Zit V n dn Buslitungn nlign. Dis ist notwndig, d sich di Slv-ilnhmr in dism Zustnd mit Enrgi vrsorgn. Di Signlübrtrgung vom Slv zum Mstr gschiht folgndrmßn: Dr Mstr sndt spnnungsmodulirt in

125 Histori dr Kfz-Zündbuss zyklischs -Signl. Diss Signl stllt di Enrgivrsorgung sichr und tktt dn Slv, dr widrum in dr ktivn Phs dn Strom modulirt und ddurch dn Informtionsghlt ins Bit n dn Mstr zurück übrträgt. Dr Strom wird durch Schlisn ins Schltrs im Slv modulirt. Im Mstr wird disr Modultionshub zwischn 6 und 5 ma rknnt. Ds Systm ist qusi-mssfri, ddurch ist s möglich, in dr bidn Buslitungn uf Mss odr uf Vrsorgungsspnnung zu bringn, währnd di Kommuniktion ufrchtrhltn blibt. Durch dn Virwgglichrichtr im Slv ist uch di Polrität dr Buslitungn unbdutnd. Ein Kurzschluss dr bidn Buslitungn knn tolrirt wrdn, wnn Entkopplungswidrständ dn Brich, in wlchm dr Kurzschluss bstht, bkoppln. Wnn dr Kurzschluss nicht in dn gschütztn Stichlitungn, sondrn in dr Huptbuslini stttfindt, führt dis zu inm Ausfll dr Kommuniktion. Witrn Schutz bitt di Disy-Chin-Struktur. Bi disr Anordnung knn in Kurzschluss dtktirt wrdn und dr ntsprchnd Brich durch Öffnn dr Schltr rchts und links ds Kurzschlusss isolirt wrdn Abb. 97. Nchtilig n disr Struktur ist, dss si ufgrund dr Asymmtri hoh lktromgntisch Abstrhlung bsitzt und dshlb im Kfz nur bis Dtnrtn von c. 3 kbit/s ingstzt wrdn knn. Mit dr Disy-Chin-Struktur ist in Initilisirung dr Bustilnhmr zu Bginn dr Kommuniktion möglich. Dis rfolgt durch Öffnn dr Schltr, so dss dr Mstr zurst nur mit dm m nächstn m Bus bfindlichn ilnhmr kommunizirt, dr dnn sinn Schltr schlißt, so dss dr Mstr dnch mit dm nächstn Bustilnhmr kommunizirn knn. Disr Vorgng wird widrholt, bis ll ilnhmr initilisirt sind. Bi dr prllln Struktur ist ds lktrisch Vrhltn ins nicht initilisirtn ilnhmrs bis uf shr gring Lufzituntrschid nicht untrschidbr. Dis Eignschft dr Disy-Chin Struktur ht Vortil hinsichtlich dr Frtigung dr Snsorn und ds gsmtn Kfz. Jdr Snsor knn inhitlich ohn Idntifiktion gfrtigt und im Kfz vrbut wrdn. Erst bi Btrib ds Kommuniktionssystms wird r ntsprchnd sinr Position m Kblbum initilisirt. Bi dn Prlll-Snsorn muss jdr Snsor vor Einbu brits in indutig Idntifizirung bsitzn [BS ]. Slv Slv ASIC Slv Slv ASIC Opn Disy Chin Slv Slv ASIC Criticl bus sction ECU Abb. 97 Disy-Chin-Struktur 5

126 Histori dr Kfz-Zündbuss ASRB Automotiv Sfty Rstrint Bus Dr ASRB ght uf di Grundlgn ds PLANE Philips Lit Automotiv NEwork dr Firm Philips zurück. Buszugriffsvrfhrn: Dtnübrtrgungsrt: Codirung: Singlmstr-Slv 5 kbit/s Mstr tktt Slvs, Slvs ntwortn im zwitn il ins Bit durch Modultion ds Stroms Di Slv-ilnhmr könnn prlll, in unsymmtrischr Disy-Chin odr in symmtrischr Disy-Chin-Struktur ngbundn wrdn Abb. 98. Ds Bussignl knn vir dfinirt Pgl innhmn. Einn Powr -Pgl für di Enrgivrsorgung, zwi Pgl für binär Dtnübrtrgung und inn witrn Pgl für ds Schützn von sichrn Kommndos wi z.b. ds Zündn ins Airbgs sowi ds Auslösn ins Intrrupts Abb. 99. Abb. 98 Unsymmtrisch obn und symmtrisch Disy-Chin-Struktur untn Abb. 99 Vir Buspgl ds ASRB Di Slv-ilnhmr sind kpzitiv n dn Mstr ngkopplt. Ddurch knn in Schluss jdr Buslitung nch Mss odr Bttrispnnung tolrirt wrdn. Durch 6

127 Histori dr Kfz-Zündbuss di Glichspnnungsntkopplung vrschibn sich di Potnzil ntsprchnd. Di Enrgi wird durch inn prllln Kondnstor übrtrgn, wlchr im Wchsl n dn Bustribr und n dn Bus ngschlossn wird Abb.. Ddurch knn in Spnnungsvrstz übrwundn wrdn. Allrdings knn bi ntsprchndm Kurzschluss inr Buslitung n Mss di ndr Buslitung in ngtivs Potnzil rhltn. Dis ist innrhlb ins intgrirtn Schltkriss nur mit spzilln chnologin bhrrschbr. Mstr Bus ribr Koppl- Kondnstor Slv- ilnhmr Abb. Physicl Lyr ASRB Bi dr Slv-zu-Mstr-Kommuniktion stllt dr Mstr dn Pgl L zwischn dn Powr-Phsn in disn Zustnd knn dr sndnd Slv ntwdr so blssn odr mit Pgl L übrschribn. Lngsm Slvs modulirn dn Busstrom, währnd schnll Slvs durch Snkn ins Stroms in dfinirt Busspnnung instlln. Ddurch könnn dis odr ndr Slvs ihr Signl uf dm Bus lsn [Sf]. Dr Dt Link Lyr ist dm ds SURFS-Systms ähnlich und wird hir nicht nähr bschribn. DSI Dr DSI-Bus ist bnflls spzill für Kfz-Rückhltsystm ntwicklt wordn. Buszugriffsvrfhrn: Dtnübrtrgungsrt: Codirung: Kommuniktionsbluf Singlmstr-Slv 5 kbit/s sih untn Dr Mstr sndt in Commnd Frm N b. Dr ntsprchnd Slv sndt dnn ds dzughörig Rspons Frm M bim Frm N zurück. Ds Sndn von M findt glichzitig mit dm Sndn von N sttt, d M durch Strommodultion und N durch Spnnungsmodultion übrtrgn wird. Ein witrr Vortil ist, dss dr Slv durch ds Frm N utomtisch dn kt rhält. Bi CRC Error wird im Slv in Error-Bit gstzt und kin Rspons Frm gsndt. 7

128 Histori dr Kfz-Zündbuss Dt Link Lyr Ein Frm bstht us odr Byt Nutzdtn und Bit CRC. Aufbu Commnd Frm: Dt /8 Bit Addrss / Bit Commnd / Bit CRC Bit Aufbu Rspons Frm: Dt Byt Dt Byt CRC Bit RZ-Codirung Abb. RZ-Codirung Es wird in RZ-Codirung Rturn to Zro vrwndt, bi wlchr sich di Symbol durch ds stvrhältnis untrschidn. Ein Symbol wird in dri Einhitn gtilt. Di rst ist immr null, di zwit trägt di Informtion low für und high für, di dritt ist immr ins Abb.. Physicl Lyr Es xistirn dri Signlzuständ uf dm Bus Abb.. Disy-Chin: Bi Strt-up wrdn di Slv-Adrssn progrmmirt. Di Slvs sind srill ngordnt und bsitzn inn Schltr, mit dm di Buslitung durchgschltt wird. Bim Strt-up sind ll Schltr offn. Wnn dr rst Slv m Kblbum progrmmirt ist, schlißt r sinn Schltr wodurch dr zwit Slv uch n dn Kblbum ngschlossn ist und progrmmirt wrdn knn usw. Währnd ds Busbtribs blibn di Schltr gschlossn. Stndrd- Idl high hrshold Signl high low hshold Signl low GND Abb. Dri Spnnungszuständ ds DSI-Busss Initilisirung 8

129 Histori dr Kfz-Zündbuss Snsormodul könnn ohn vorhrig Progrmmirung im Kfz vrbut wrdn [DSI.]. 9

130 Bstimmung ds Listungsdichtspktrums dr Clock-rnär-Codirung mit kurzn Impulsfolgn Anhng B Bstimmung ds Listungsdichtspktrums dr Clock-rnär- Codirung mit kurzn Impulsfolgn Btrchtung inr Zichnfolg mit zwi Einzlimpulsn Wnn zwi ufinndrfolgnd Einzlimpuls dr Clock-rnär-Codirung drgstllt wrdn, ntsthn bi inm Wrtbrich von 3 sttt 3² 9 nur 3! 6 Möglichkitn, d kin glichn ufinndrfolgndn Zichn rlubt sind / - -/ b - c d - f - Abb. 3 Möglich Impulsfolg us zwi Einzlimpulsn Di Btrgsspktrn dr Impulsfolgn, c, d und und di dr Impulsfolgn von b und f sind ufgrund dr Linrität dr Fourir-rnsformtion [Ft96] idntisch. Ds Listungsdichtspktrum dr Impulsfolg, wlch us zwi Zichn bstht, knn durch linr Übrlgrung dr schs inzlnn Btrgsspktrn nährungsmäßig bstimmt wrdn. Aufgrund dr Symmtri dr Impuls rgibt sich ds Listungsdichtspktrum zu: 63 S '' CC S S b Dr Fktor / rgibt sich, d schs Impulsfolgn us j zwi Einzlimpulsn für di Brchnung hrngzogn wrdn. Wnn dr Einzlimpuls in rin rlls Spktrum bsitzt, rgibt sich ds Einzlspktrum dr Impulsfolg und b mit dm Zitvrschibungsstz dr Fourir-rnsformtion [St89] zu 6 S S b S S Grundpuls Grundpuls j / j / j / 3

131 Bstimmung ds Listungsdichtspktrums dr Clock-rnär-Codirung mit kurzn Impulsfolgn Ds Gsmtspktrum rgibt sich zu: j / j / S'' CC S Grundpuls 3 6 S'' CC S Grundpuls j sin / S'' CC S Grundpuls sin / 3 3 S'' CC S Grundpuls cos 3 3 S'' CC S Grundpuls cos 3 3 j / Btrchtung inr Zichnfolg mit dri Einzlimpulsn Wrdn dri Zuständ ninndr gfügt, ntsthn folgnd zwölf möglich Zustndsübrgäng. In Abb. sind schs dr zwölf möglichn Impulsfolgn drgstllt. Di fhlndn schs könnn durch Spiglung n dr x-achs rzugt wrdn. Di Folgn, b, c, und f sind signifiknt, d di Listungsdichtspktrn dr Impulsfolgn c und d ufgrund dr Symmtri idntisch sind. / 3/ -3/ -/ -3/ -/ / 3/ -3/ / -/ - b c / 3/ - -3/ / -3/ -/ -3/ -/ d / 3/ - / 3/ - f / 3/ Abb. Zustndsübrgäng dr Clock-rnär-Codirung Mit dr linrn Übrlgrung rgibt sich ds Gsmtspktrum zu: S '' gs S S b S c S S ' f Dr Vorfktor /36 rgibt sich drus, dss zwölf Impulsfolgn mit jwils dri Einzlimpulsn übrlgrt wrdn. Durch dn Vrschibungsstz rgbn sich di 3

132 Bstimmung ds Listungsdichtspktrums dr Clock-rnär-Codirung mit kurzn Impulsfolgn 3 inzlnn Spktrn zu: 67 Grundpuls f j j Grundpuls j Grundpuls c j j Grundpuls b j j Grundpuls S S S S S S S S S S Ds Gsmtspktrum rgibt sich zu: 68 [ ] [ ] [ ] 3 cos 9 ''' 3 cos cos 9 ''' 6 cos cos 9 ''' cos 9 cos 9 ''' 8cos cos 8 ''' 8cos 3cos 3 5cos 5 8 ''' 8cos 6sin cos 8 ''' cos cos sin cos cos sin cos 8 ''' cos sin cos sin cos 8 ''' 8 ''' S S S S S S S S S S S S S S S S j j S S S S Grundpuls CC Grundpuls CC Grundpuls CC Grundpuls CC Grundpuls CC Grundpuls CC Grundpuls CC Grundpuls CC Grundpuls CC j j j j j j j Grundpuls CC

133 Bstimmung ds Listungsdichtspktrums dr fhlrtolrntn Clock-rnär-Codirung mit kurzn Impulsfolgn Anhng C Bstimmung ds Listungsdichtspktrums dr fhlrtolrntn Clock-rnär-Codirung mit kurzn Impulsfolgn Btrchtung inr Zichnfolg mit zwi Einzlimpulsn b c d f Abb. 5 Zichnfolg mit zwi Einzlzichn dr F-Codirung im Fhlrfll Dis schs vrschidnn Zichnfolgn könnn uftrtn. Di Folgn d, und, müssn dopplt gwichtt wrdn, d di Folgn,b, und c,f, durch di untrschidlich Drstllung dr zwifch brücksichtigt wrdn. Einzlspktrn: j 3 j 69 G G G 7 G G b I II 3 j j 7 G G c I II 7 G G d II j 3 j j 73 G G 7 G G G II I j 33

134 Bstimmung ds Listungsdichtspktrums dr fhlrtolrntn Clock-rnär-Codirung mit kurzn Impulsfolgn 3 Wnn I G ds Spktrum ds Rchtckimpulss I mit dr Läng und II G ds Spktrum ds Rchtckimpulss II mit dr Läng / ist, rgibt sich ds Listungsdichtspktrum zu: sin sin 3 cos cos G G G G G G G II I II I j II j I 76 3 II j II b G G G 77 I j I c G G G sin sin 3 cos cos G G G II j j II d mit, α 79 [ ] [ ] [ ] cos cos sin cos cos sin cos cos sin3 sin cos3 cos α α α α α α α α α α α α II II II II G G G G mit dr Rücksubstitution, α 8 cos G G II d 8 II j II G G G 8 I j I f G G G Ds us dr Zwi-Zichnfolg gnährt Gsmt-Listungsdichtspktrum lutt:

135 Bstimmung ds Listungsdichtspktrums dr fhlrtolrntn Clock-rnär-Codirung mit kurzn Impulsfolgn 83 G '' FC [ G Gb Gc Gd G G f ] 6 8 G'' 6 GI cos sin GII cos sin 8cos FC Btrchtung inr Zichnfolg mit dri Einzlimpulsn Um in bssr Nährung zu rziln, wrdn Impulsfolgn mit dri Einzlimpulsn btrchtt. -3/ -/ / 3/ -3/ -/ / 3/ -3/ -/ / 3/ b c -3/ -/ / 3/ d / -/ / 3/ f -3/ -/ / 3/ -3/ -/ / 3/ -3/ -/ / 3/ -3/ -/ / 3/ g h i -3/ -/ / 3/ j -3/ -/ / 3/ k -3/ -/ / 3/ l Abb. 6 Zichnfolgn mit dri Einzlimpulsn 35

136 Bstimmung ds Listungsdichtspktrums dr fhlrtolrntn Clock-rnär-Codirung mit kurzn Impulsfolgn 36 Dis zwölf vrschidnn Zichnfolgn könnn uftrtn. Di Folgn, f, g und h müssn dopplt gwichtt wrdn, d di rstlichn Folgn durch di untrschidlich Drstllung dr brits dopplt brücksichtigt wrdn. Mit dm Zitvrschibungsstz dr Fourir-rnsformtion lssn sich di Einzlspktrn wi folgt ngbn: cos 3 cos 5 cos 5 cos cos j j II f j j j II II j j II d Il j j j j II c j II j j j II b j II j j j II G S G S G G S G G S G G S G G S cos 3 cos j j j II l j II k j j II j j j II j j j j II i j j II h j II j j j II g G S G S G S G G S G S G G S

137 Bstimmung ds Listungsdichtspktrums dr fhlrtolrntn Clock-rnär-Codirung mit kurzn Impulsfolgn 37 Durch ntilig Addition dr inzlnn Listungsdichtspktrn rgibt sich folgnds Gsmt-Listungsdichtspktrum: 87 5 cos 3 36cos 5 cos 8cos 3 cos cos 5 cos 3 cos 6cos 3 sin sin 5 sin 3 6sin 3 sin sin 7sin 3 9sin 5 9sin 8 ''' G S II FC mit dm Btrgsspktrum ds Einzlimpulss 88 si G II

138 Gschlossn Bstimmung ds Listungsdichtspktrums Anhng D Gschlossn Bstimmung ds Listungsdichtspktrums Bzichnnd für di Codirung ist di Mtrix dr Zustndübrgngswhrschinlichkitn. Di Autokorrltionsfolg nch Gl. 3 lässt sich us dr Mtrix P rmittln. Knn di Zufllszhl l m di Wrt, und 3 nnhmn und btrchtt mn di Elmnt dr Folg mit dm Wrt, so wird, wnn mn von jdm disr Elmnt um k Schritt witrght, bi inign in Elmnt mit dm Wrt und bi dn übrign in Elmnt mit dn Wrtn, 3 ngtroffn. Ein Sondrfll ist bi m: Hir wrdn di Elmnt nicht nnhmn, d dis durch di Codirungsvorschrift vrbotn ist. Für groß N ist Np di Anzhl dr Elmnt mit dm Wrt. Untr disn Elmntn bträgt di Anzhl drjnign Elmnt, von dnn us nch m Schrittn dr Wrt odr 3 uftritt, m N p p odr m 3 N p p In Fortführung disr Übrlgung rhält mn di Autokorrltionsfolg 89 c m 3 3 l l l l p l p m l l Di Fourir-rnsformirt ist ggbn durch j c m Y τ m τ dτ m 9 S U Mit Gl. 8 rgibt sich somit 9 S G c m τ m jmτ Für di Existnz dr Fourir-rnsformirtn von Yτ muss di Bdingung Y τ dτ < gltn. Auf S ngwndt bdutt dis c m < m Di Autokorrltionsfunktion lässt sich mit dn Eignwrtn λ us dr Übrgngsmtrix P ngbn [Wh7]. Dr Eignwrt λ stllt inn diskrtn Antil ds Spktrums dr. Für λ < ist ds Listungsdichtspktrum kontinuirlich K C. Mit C K m K c m jmτ wnn λ < gilt untr dr Vorusstzung inr xistirndn Übrgngsmtrix P di Limsrltion lim c m c Eignwrt λ hrrührt. m di von dm 38

139 Gschlossn Bstimmung ds Listungsdichtspktrums 39 Dfinirt mn di Größ 9 c m c m c K so lässt sich zign, dss dis di notwndig Bdingung < m K m c für di Existnz ihrr Fourir-rnsformirtn 93 m jm K K m c C τ rfüllt. Wnn < λ gilt ußr für λ m c K us Autokorrltionsfunktion cm wnn λ zu wird 9 λ τ τ τ π δ τ π λ τ λ λ τ τ τ τ m D D m jm D K K D K m jm K m c G S c G S c G S C G S S S S c C G S cos lim wnn S D dn diskrtn Antil ds Spktrums drstllt. Für groß m gilt: l n kl n p p lim Für m gilt: kl p für k l und mn p für k l Dr Eignwrt λ rgibt D S 95 { } { } cos m K m jm jm K m jm jm K K K m m c m c m c c C τ τ τ τ τ cm lässt sich durch Mtrizn wi folgt bschribn: 96 d b A L L A Q m c m m Λ Λ ' ' ' '

140 Gschlossn Bstimmung ds Listungsdichtspktrums b und d sind Spltnvktorn mit dn Komponntn b i und d i. Für m ist c K ds sklr Produkt dr Vktorn b und d. Dr Zusmmnhng dr Bzihung Gl. 96 ist in [Wh7] Sitn 9-65 zu findn. Für di Bstimmung ds Listungsdichtspktrums müssn di Vktorn b und d nicht bstimmt wrdn. Es gilt r K 97 c bi di für r 3 Zuständ rnärsystm 98 c K i 3 m b d λ mit λ i i Mit Gl. 98 rgibt sich Gl. 95 zu m 99 c m [ c c ] λ c i i m C C K K m c λi cos mτ, λi m K c K λ λ cos τ λ Mit Gl. 97 und 98 rgibt sich λ λ cos τ λ C K [ c c ] Anwndung uf di Clock-rnär-Codirung Für di Brchnung ds Listungsdichtspktrums ist zunächst di Bstimmung dr Eignwrt dr Übrgngsmtrix notwndig. p p p3 P p p p3 p3 p3 p33 p kl gibt di Übrgngswhrschinlichkit vom Zustnd k in dn Zustnd l n. Für di Clock-rnär-Codirung siht di Mtrix P folgndrmßn us:,5,5 P,5,5,5,5 Di Digonllmnt sind, d pr Dfinition nch jdm Bit immr in Zustndswchsl rfolgn muss. Wnn von inr glichvrtiltn Eingngsdtnfolg usggngn wrdn knn, sind di rstlichn Übrgngswhrschinlichkitn jwils,5.

141 Gschlossn Bstimmung ds Listungsdichtspktrums Di Eignwrt disr Mtrix rgbn sich zu 3,5,5,5,5,5, x x x x x x x x x λ λ λ Dmit diss Glichungssystm nicht trivil Lösungn bsitzt, muss di Huptdtrminnt null sin ,5,5,5,5,5,5 3 3 λ λ λ λ λ λ λ λ λ λ λ Für λ und λ -,5 xistirn Lösungn ds Glichungssystms. Nch Glichung 97 rgibt sich 3 3 p p p c Es xistirn nur di Digonllmnt, d di Mtrix P ist. Mit,, 3 - und dn otlwhrschinlichkitn p p p 3 /3 rgibt sich c /3, Aus Gl. 89 rgibt sich mit b K b k p p lim und zu p p p p p p c Mit λ würd sich in diskrtr Antil ds Listungsdichtspktrums rgbn. D llrdings c gilt, ist r glich. Dr kontinuirlich Antil rgibt sich us dm Eignwrt λ -,5 mit c /3 und Gl. zu 6,5 cos,75 3 τ K C

142 Gschlossn Bstimmung ds Listungsdichtspktrums Mit Glichung 6 rgibt sich,5 cos,75 3 τ τ τ τ G S C S c C G S K m jm K

143 Numrisch Bstimmung ds Listungsdichtspktrums us dr Autokorrltionsfunktion 3 Anhng E Numrisch Bstimmung ds Listungsdichtspktrums us dr Autokorrltionsfunktion Es wird in stochstisch Folg von 5 Einzlzichn zugrund glgt. Dvon wird di Autokorrltionsfunktion dr -Folg und dr -Folg sowi di Kruzkorrltionsfunktion dr - und dr -Folg gbildt. Aus disn Autokorrltionsfunktionn und dn Kruzkorrltionsfunktionn wird jwils ds Listungsdichtspktrum brchnt. Dis inzlnn Listungsdichtspktrn wrdn mit dn Btrgsspktrn dr Einzlimpuls bzw. dm Btrgsspktrum dr bidn übrlgrtn Impuls multiplizirt. [ ] n n t g n n t g n U t u Hirbi stllt n di Folg dr -Impuls und n di Folg dr -Impuls dr. 7 / 7 lim dt t u t u K τ τ dt n t g n n t g n n t g n n t g n N U K N N n n N lim τ τ τ mit t-n t und n -n m 8 ' ' ' ' ' lim dt m t g n m m t g n m t g n t g n N U K N N n m N τ τ τ [ ] [ ] ' ' ' lim dt m t g n m t g n N U K N N n m N τ τ [ ] [ ] ' ' ' lim dt m t g n m t g n N U N N n m N τ [ ] [ ] ' ' ' lim dt m t g n m t g n N U N N n m N τ [ ] [ ] ' ' ' lim dt m t g n m t g n N U N N n m N τ Wrdn di Rihnfolgn von Summn-, Intgrl und Limszichn gändrt, rgibt sich di Autokorrltionsfunktion. Nch dn Glichungn und rgbn sich folgnd Auto- und Kruzkorrltionskoffizintn: 9 N N n N m n n N m c lim N N n N m n n N m c lim

144 Numrisch Bstimmung ds Listungsdichtspktrums us dr Autokorrltionsfunktion N c m lim n N N n N n m N c m lim n n m N N n N Mit dr Zitfunktion dr bidn untrschidlichn Grundimpuls ds - und ds - Zichns 3 Y τ m g t' g t' m τ dt' Y τ m g t' g t' m τ dt' 5 Y τ m g t' g t' m τ dt' 6 Y τ m g t' g t' m τ dt' rgibt sich di Autokorrltionsfunktion ds Signls zu K τ U c k Y τ m c k Y τ m m c k Y τ m c k Y τ m Di Fourir-rnsformtion dr Autokorrltionsfunktion rgibt c m Y τ m m 7 S U mit dr Substitution 8 m j dτ τ m t jt U g t g t' t dtdt' c m m jm S Ds Dopplintgrl lässt sich mit dr Substitution j 9 t' j g t' dt' g ϑ ϑ dϑ t' t ϑ umformn in Dis ist ds Produkt dr Fourir-rnsformirtn G ds Grundimpulss gt und ihrs konjugirt komplxn Wrts. Ds Listungsdichtspktrum rhält di Form jm S m U G c k jm U G c m k

145 Numrisch Bstimmung ds Listungsdichtspktrums us dr Autokorrltionsfunktion jm U G c m k jm U G c m k Di Fourir-rnsformirtn G dr Zitfunktionn gt rgbn sich wi folgt: Für Grundimpuls gilt : G Si Dr Grundimpuls bsitzt folgnds Listungsdichtspktrum: G Si Di Fourir-rnsformirt dr gflttn Zitfunktionn g t*g t rgibt ls Listungsdichtspktrum G G. Di Fourir-rnsformirt dr Zitfunktionn g t*g t rgibt ls Listungsdichtspktrum G G, ws G G * ntspricht. 3 G G G G G * G G G * Si Si Si Si j j Si Si cos D di Kruzkorrltionsfunktion c m glich c m ist, knn ds Listungsdichtspktrum wi folgt drgstllt wrdn: jm S m U Si c m jm U Si c m m jm U Si Si cos c m m Für di Brchnung dr Autokorrltionsfunktion wird in stochstisch Zichnfolg mit 5 Einzlzichn rzugt. Di Fourir-rnsformirt dr Autokorrltionsfunktion wird numrisch bstimmt. Di Lufvribl k läuft von -5 bis 5. D di Autokorrltionsfunktion von inr ndlichn Zufllsfolg bstimmt wird, ght si nicht ggn null sondrn bsitzt inn Ruschntil. Disr Antil wirkt sich stärkr us, wnn di Fourir-rnsformtion übr inn größrn Brich von k bstimmt wird. 5

146 Numrisch Bstimmung ds Listungsdichtspktrums us dr Autokorrltionsfunktion Abb. 7 Numrisch bstimmts Spktrum 5/5 Clock-rnär-Codirung im Fhlrfll 6

147 Softwr-bsirt Mnchstr-Codirung und -Dcodirung Anhng F Softwr-bsirt Mnchstr-Codirung und -Dcodirung Codirung: Di Codirung ds Dtnsignls zu inm Mnchstr-Signl ist nicht zitkritisch, wnn si vor dm Sndn offlin brchnt wird und dnn ls Dtnstrom von inr priphrn Einhit ds Controllrs gsndt wird. D in Mnchstr-Zichn us zwi Zuständn bstht, knn in Mnchstr-Zichnfolg us dr doppltn Anzhl von NRZ-Signln gbildt wrdn. Di Codirung knn pr Softwr im Controllr so rfolgn, dss ds Dtn-Frm in Bit lng Einhitn untrtilt wird. Dis wrdn dnn zu inm -Bit-Mnchstr- Signl codirt, wlchs us cht NRZ-Zichn bstht. Di Zuwisung gschiht durch in bll Look up bl. Anschlißnd wrdn di inzlnn -Bit- Mnchstr-Signl zu inm Gsmt-Frm mit Hilf von Bitshift-Oprtionn zusmmngstzt Abb. 8. NRZ Mnchstr Abb. 8 NRZ-Signl blockwis codirt Dcodirung: Bi dr Dcodirung bstht ds Problm, ds Empfngssignl in Rlzit zu dcodirn. Es muss ds implizit nthltn ktsignl us dm Cod xtrhirt wrdn. Aufgrund von Zitbdingungn muss ntschidn wrdn, ob in Eingngssignlzustndswchsl signifiknt ist odr nicht. Vrsuch mit inm C67 mit MHz ktfrqunz hbn rgbn, dss in Mnchstr-Dtnfolg von 8 kbit/s grd noch dcodirt wrdn knn. Durch di Optimirung dr Softwr ist disr Wrt zu stigrn, doch nicht in dr Größnordnung inr Zhnrpotnz, wi s gfordrt ist. Aus dism Grund ist s notwndig, di Dcodirung mit inr zusätzlichn Hrdwr-Einhit zu bwrkstllign. Schltwrk Für schnll Dtnrtn knn dr Dcodirr durch in Schltwrk rlisirt wrdn Abb. 9. Ds Schltwrk ht di Eingäng IN und CLK und di Ausgäng DAA und SROBE. In dm vorligndn Bispil wird ds Eingngssignl 8 fch übrbgtstt, d.h. CLK muss di 8fch Frqunz dr Soll-Dtnrt bsitzn. Dis Übrbtstung ist nötig, dmit di zitlichn Bzihungn mit dr nötign 7

148 Softwr-bsirt Mnchstr-Codirung und -Dcodirung Grnulrität rknnt wrdn könnn. Ddurch rfolgt di zitlich Auflösung dr Zustndswchsl mit inr Gnuigkit von inm Achtl dr Bit-Zit. Aufgb ds Dcodirrs ist s, nur di signifikntn Zustndswchsl ds Signls hruszufiltrn, d.h. di Zustndswchsl, di zwischn zwi Zichn möglich sind, müssn ignorirt wrdn. Di Flnkn wrdn durch dn Vrglich dr Signl vor und nch dm Ltch Q mit inm XOR-Glid dtktirt. Dr Johnson-Zählr, bsthnd us Q, Q3, Q, bginnt mit zu zähln. Wnn dr Zählr usgzählt ht, ist r im -Sttus, und jdr intrffnd Flnknwchsl rzugt nun in Strob-Signl. Im nächstn Schritt wchslt dr Zählr zu, wodurch ds Strob-Signl bndt wird. Für di folgndn fünf kt wrdn Flnknwchsl ds Eingngssignls ignorirt. Wnn dr Zählr rnut rricht, wrdn Flnknwchsl widr frigschltn. Dr Dcodirr lässt nur Flnkn durch, wlch zwischn fünf und zwölf ktzykln nch Zichnnfng stttfindn. Abb. 9 Mnchstr-Dcodirr Di rl ktbwichungstolrnz bträgt bi dism Schltwrk /-5 % im Ggnstz zu dm thortischn Wrt von /- 33 %. 8

149 Konzption und Rlisirung ins Snsor-Kommuniktions-Systms uf Bsis ds SURFS-Physicl Lyr Anhng G Konzption und Rlisirung ins Snsor-Kommuniktions- Systms uf Bsis ds SURFS-Physicl Lyr SURFS-Kommuniktion Mstr zu Slv: Modultion dr Informtion in di Spnnungsmplitud. Slv zu Mstr: D sich dr Slv us dr Spnnung m Bus vrsorgt, knn r dis nicht odr nur ls Folg sinr Stromufnhm vrändrn, wnn dr Innnwidrstnd ds Mstrs nicht shr klin ist. Dshlb modulirt dr Slv sin Nchricht uf dn Busstrom. Dis Stromändrung knn vom Mstr, dr disn Strom tribt, dtktirt wrdn. D dr Strom nicht von ndrn Slvs m Bus gmssn wrdn knn, ist kin Slv-to-Slv-Kommuniktion möglich. Um dn Strom ds Slvs zu mssn, wlchr grd mit dm Mstr kommunizirt, ist s notwndig, dss in disr Phs kin ndrr ilnhmr inn Strom vom Bus ntnimmt. Es wird hir in Möglichkit ufgzigt, wlch s rlubt, mit prototypisch rlisirtn Bustinn ds SURFS-Zündbussystms in Snsorkommuniktionssystm zu rstlln. Ein diskrt ufgbutr Mstr-ribr und intgrirt Slv- Bustin, wlch di kompltt Zündbusfunktionlität rfülln könnn sind hirfür vorhndn. Allrdings sind dis Bustin usschlißlich für ds Zündn von Einhitn ntwicklt wordn und nicht für ds zyklisch Zurücksndn von Snsorwrtn n dn Mstr. Di Prototypn dr Slv-Bustin hbn zusätzlich inn x- und inn Rx-Anschluss, übr wlch Dtn mpfngn und gsndt wrdn könnn [Sch]. Ds SURFS-Systm Anhng A bsitzt inn Physicl Lyr, wlchr s rmöglicht, inn Vrsorgungsstrom von c. ma für jdn Bustilnhmr uf dr diffrnzilln Litung mitzuübrtrgn. Mit dism Anstz wird in Prototyp ins Snsorbusss ufgbut. 9

150 Konzption und Rlisirung ins Snsor-Kommuniktions-Systms uf Bsis ds SURFS-Physicl Lyr Bus_ V 5 V V Bus_b V log. x Surfs log. Strom Slv Aktivr Zustnd I Slv rshold I Slv Inktivr Zustnd Abb. Buszuständ SURFS-Systm Gmäß Abb. könnn n dm Bus dr ktiv und dr inktiv Zustnd ingstllt wrdn. Si wrdn durch di Busdiffrnzspnnung von 5 bzw. V drgstllt. In dr inktivn Phs vrsorgn sich Bustilnhmr mit Enrgi, in dr ktivn Phs könnn di Slv-ilnhmr durch Strommodultion Dtn n dn Mstr sndn. µc SPI-Rgistr X RX rständ Mstr rnscivr Buswid Slv rnscivr CLK RX Dcodr RX X µc SPI-Rgistr Mstr Slv Abb. Gsmtstruktur SURFS-Snsorbus Mstr Dtnwort Mnchstr codirung Erzugung Bussignl Slv Auswrtung und Rktion Mnchstr dcodirung Empfng dr Busdtn Abb. Kommuniktion Mstr zu Slv 5

151 Konzption und Rlisirung ins Snsor-Kommuniktions-Systms uf Bsis ds SURFS-Physicl Lyr Kommuniktionsbluf Dr Mstr sndt in Mnchstr-codirts Frm durch dn Wchsl von ktivn und inktivn Buszuständn. Durch di Mnchstr-Codirung wird in stvrhältnis von mindstns 5 % dr Buszuständ grntirt, wodurch di Vrsorgung dr ilnhmr mit Enrgi gsichrt ist. Di ktung dr Slv- ilnhmr rfolgt mittls ds kts, wlchr us dm Mnchstr-Signl zurückgwonnn wird Abb., Abb. 5. Mstr tktt Slvs Mstr sndt Mnchstrcodirt Slvs sndt Slv sndt Abb. 3 Kommuniktions-Frm Slv Dtnwort Mskirung Strommodultion Mstr Auswrtung Sprtion dr Dtn Dtktion dr Modultion Abb. Kommuniktion Slv zu Mstr Ein Nchrichtn-Frm bstht us zwi iln Abb. 3. Im rstn il wrdn di Dtn vom Mstr n dn Slv in Mnchstr-Codirung übrtrgn. Im zwitn il tktt dr Mstr dn Bus durch ltrnirnds Einstlln dr ktivn und dr inktivn Phs. Ein Slv-ilnhmr sndt sin Dtn n dn Mstr, indm r ntsprchnd in dn ktivn Phsn dn Busstrom modulirt. Disr Strom wird im Mstr ls Empfngssignl dtktirt. 5

152 Slv Mod Konzption und Rlisirung ins Snsor-Kommuniktions-Systms uf Bsis ds SURFS-Physicl Lyr Aufbu Mstr Slv Softwr Mnchstr Codirung SSC Mstr MSR MRS x Rx r i b r Bus_ Bus_b S U R F S ASIC Rx x Mnchstr Dcodr Mskirung MSR SCK MRS SSC Slv Enrgi Abb. 5 Gsmtufbu Snsorbus mit SURFS Physicl Lyr Dr Mstr-ribr bsitzt di bidn Eingäng A und /A, wlch in komplmntärs L-Signl bnötign. Bi A high und /A low ligt Bttrispnnung n dn Buslitungn n. Dis ist dr inktiv Zustnd, in wlchm sich di ilnhmr von dm Bus vrsorgn. Bi A low und /A high lign c. 6 V n dn Buslitungn n. Dis ist dr ktiv Zustnd, in wlchm di Slv- ilnhmr dn Busstrom modulirn könnn Abb. 6. Mstr ribr V B A /A Abb. 6 SURFS-Mstr-ribr I Slv supply I Slv x dt Abb. 7 SURFS-Slv Im Mstr wrdn di Snddtn pr Softwr Mnchstr-codirt und m SPI- Intrfc MSR usggbn. Dr Mnchstr-Dcodirr im Slv rzugt drus 5

153 Konzption und Rlisirung ins Snsor-Kommuniktions-Systms uf Bsis ds SURFS-Physicl Lyr in Strob-Signl SCK, mit wlchm di Dtn in ds SPI-Intrfc inglsn wrdn MSR, SCK. Im zwitn il ds Frms modulirt dr Slv dn Busstrom durch Sndn ins MRS-Signls. Diss Signl wird mskirt, dmit dr Strom nur in dr ntsprchndn Aktiv-Phs ds Busss modulirt wird. Di Strommodultion wird im Mstr-Bustribr in in Spnnungssignl umgwndlt und von dm SPI-Intrfc MRS mpfngn. Ds SPI-Intrfc ds Mstrs läuft mit dr doppltn Frqunz, d in Mnchstr-Bit us zwi NRZ-Bit rzugt wird. Dshlb drf nur jds zwit Bit ds mpfngnn Frms usgwrtt wrdn. Dtn Mstr MSR Mstr Sndsignl SCK Mstr SCK Slv MSR Slv Empfngssignl MRS Slv -> Mstr SSCRB Slv Empfngsbuffr Bitposition SSCRB Mstr Empfngsbuffr Bitposition SSCB Slv Sndbuffr Bitposition Abb. 8 Kommuniktionsbluf In Abb. 8 ist dr zitlich Abluf dr Signl zu shn. Dr von dm Slv modulirt Strom wird in dm gknnzichntn Fnstr dtktirt Abb. 9. Aufgrund von Signllufzitn ist disr nur im hintrn Drittl ds Fnstrs zu shn. Di Dtktion rfolgt durch in Schltlogik, wlch in inm CPLD rlisirt wurd. 53

154 Konzption und Rlisirung ins Snsor-Kommuniktions-Systms uf Bsis ds SURFS-Physicl Lyr Dtktion dr Strommodultion Abb. 9 Stromdtktion im Mstr Appliktion Schwbnd Kugl Mstr Bustribr Slv Snsor AD-Wndlr S U R F S Buslitungn S U R F S Slv Aktor Rglr DA-Wndlr Lüftr Vrstärkr Lichtsnsor zur Positionsbstimmung dr Kugl Elktromgnt Lichtqull Vrstllbrr Mtlltisch Schwbnd Kugl Abb. Aufbu Appliktion Schwbkörpr 5

155 Konzption und Rlisirung ins Snsor-Kommuniktions-Systms uf Bsis ds SURFS-Physicl Lyr In disr Appliktion mpfängt dr Mstr inn -Bit-Snsorwrt vom Snsor- Slv und sndt disn zum Aktor-Slv witr. Im Aktor-Slv ist in Rglr implmntirt, wlchr dn Stllstrom ds Elktromgntn brchnt. Übr inn Vrstärkr wird dr Stllstrom im Mgntn ingstllt. Di Adrssirung dr ilnhmr rfolgt durch di zwi Bits A und A. Sndrhmn Sndrhmn Sndrhmn 3 Sndrhmn Bit Dtn Mstr codirt A A p Bit ktinformtion p Dtn p p x Mstr Rx Surfs SCK Slv x x x x x x x x x x x x x x SSCRB Slv Empfngsbuffr Adrss Rktionszit SSCB Slv Sndbuffr Dt<< Abb. Frm-Aufbu Appliktion Schwbkörpr Zu Bginn ins Frms muss in -Zichn gsndt wrdn, dmit dr Mnchstr-Dcodirr synchronisirt wrdn knn. Druf folgn Bit Dtn ds A/D-Umstzrs, wlch vom Snsor-Slv zum Mstr übrtrgn wrdn. Dm - Bit-Dtnfld folgt in -Bit-Adrss und in Pusn-Bit. Dis ist notwndig, dmit in Slv innrhlb ins Frms uf sin Adrss rgirn knn und brits im zwitn il dsslbn Frms sin Antwort sndn knn. Ds Erknnn dr Adrss und Sndn dr Antwort wird durch Softwr mittls Intrrupt gsturt. Di Abrbitung ds Intrrupts rfordrt in Pusn-Bit, ws inr Rktionszit von c. 6, µs bi dr Dtnrt von 56 kbit/s ntspricht. Nch disr Zit knn dr Slv sin Dtn innrhlb dsslbn Frms n dn Mstr sndn. Di Snsorwrt wrdn mit dr Frqunz von khz übrtrgn. Erwitrung ds Systms zur Slv-to-Slv Kommuniktion D di Signl vom Slv zum Mstr nur durch Ström rpräsntirt wrdn, knn nur dr Mstr, wlchr dn Strom inprägt, ds Signl mssn. Dmit uch ndr Slvs di Signl ds sndndn Slvs mpfngn könnn, ist s notwndig, dss sich di Busspnnung infolg ds modulirtn Stroms ändrt. Wnn dr Mstr inn dfinirtn Innnwidrstnd bsitzt, fällt in dr Phs dr Strommodultion ds Slvs di ntsprchnd Spnnung n ihm b. Disr Busspnnungsbfll knn von dn ndrn ilnhmrn dtktirt wrdn. 55

156 Microcontrollr C65 von Infinon Anhng H Microcontrollr C65 von Infinon Srills Intrfc Abb. Rgistr ds srilln Intrfc ds C65 Ds srill Intrfc lässt sich ntwdr synchron odr synchron btribn. Im Synchron-Btrib wird zusätzlich in kt rzugt, dr dm Empfängr dzu dint, di Dtn richtig inzulsn. Im Asynchron-Btrib wird in Strt- und Stop-Bit gnrirt, um zu rknnn, wnn nu Dtn gsndt wrdn und wnn ds Dtn- Frm zu End ist. Übr di ntsprchndn Rgistr lässt sich di Budrt, dr Snd- und Empfngs-Intrrupt, dr Port und dr Btribsmodus instlln. Di Übrtrgungsrt bträgt im Asynchron-Btrib 65 kbit/s und im Synchron-Btrib,5 MBit/s. Dr Synchronbtrib stllt in SPI-Intrfc im Mstr-Mod dr. Dr Slv-Mod knn nicht mit dr ASC rlisirt wrdn Abb.. 56