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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur seriellen Übertragung
digitaler Signale, wobei jeweils mehrere Bits ein Datenwort und
mehrere Datenwörter
ein Datentelegramm bilden.
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Insbesondere in Kraftfahrzeugen ist
häufig eine
Energie- und Datenübertragung
zwischen beweglichen und stationären
Schaltungen erforderlich. Beispiele dafür sind ein Lenkradwinkelsensor,
ein elektronischer Schlüssel
im Zusammenhang mit einer Wegfahrsperre und in den Rädern angeordnete Reifendrucküberwachungsgeräte. Die
von der stationären
Schaltung empfangenen Daten werden dann meist über ein serielles Verbindungskabel
an ein Steuergerät übertragen.
Insbesondere die drahtlose Übertragung
ist dabei hohen Störeinflüssen ausgesetzt.
Trotzdem sind hohe Anforderungen an die Übertragungssicherheit zu stellen,
da häufig
sicherheitskritische Informationen übertragen werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es daher, mit einer seriellen Datenübertragung trotz hoher Störeinflüsse eine
hohe Übertragungssicherheit bei
hoher Datenrate sicherzustellen.
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Diese Aufgabe wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
dadurch gelöst,
dass die Bits Manchester-codiert werden und dass nach den Datentelegrammen
jeweils während
mindestens einer Bitperiode ein konstanter Pegel übertragen
wird, worauf sich bis zum Start-Bit des folgenden Datenwortes mehrere
Bits anschließen,
deren Wert zu demjenigen des Start-Bits invers ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann die Anzahl der Bits pro Datenwort und die Anzahl der Datenwörter pro
Datentelegramm sowie die Bitfrequenz an sich beliebig gewählt werden.
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Vorzugsweise werden jedoch die nach
der Norm ISO/IEC 14443-2 vorgegebenen Dimensionierungen gewählt, so
dass die für
diese Norm bekannten Schaltungen und Verfahren bei der Verwirklichung
der Erfindung weitgehend genutzt werden.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, dass die serielle Übertragung eine drahtlose Übertragung
ist und dass die empfangenen digitalen Signale auf Signale nach
dem UART-Protokoll umgesetzt und einem Steuergerät zugeführt werden. Dies ermöglicht eine
einfache und schnelle Umsetzung auf das UART-Protokoll. Insbesondere
kann eine zuverlässige
Synchronisierung und gute Fehlererkennung erreicht werden, und es
ist nicht nötig,
ganze Datenbytes oder Telegramme zwischenzuspeichern, sondern der
Zeitverzug beträgt
je nach Auslegung nur eine halbe bis eine ganze Bitdauer. Vorzugsweise
ist dabei vorgesehen, als Datenwort ein Byte zu übertragen, die Bitfrequenz
zu 106 KHz zu wählen
und die digitalen Signale auf einen Träger mit einer Frequenz von
13,56 MHz zu modulieren.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist vorzugsweise vorgesehen, dass zwischen dem letzten Stopp-Bit
eines Datenwortes und dem Übertragen
des konstanten Pegels ein Bit mit dem Wert des Stopp-Bits übertragen
wird.
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Damit die Synchronisierung nicht
verloren geht, wenn die Datenwörter
eines Datentelegramms nicht dicht aufeinander folgen, ist eine Weiterbildung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
derart ausgestaltet, dass den Datenworten jeweils ein Start-Bit
vorangeht und ein Stopp-Bit nachfolgt und dass die Zeit zwischen
den Datenworten eines Datentelegramms mit Bits aufgefüllt ist,
deren Wert zu demjenigen des Start-Bits invers ist.
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Eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ermöglicht
eine besonders zuverlässige
Decodierung der übertragenen
Signale dadurch, dass zur Decodierung der übertragenen Signale ein Strom,
dessen Vorzeichen vom jeweiligen Pegel des Manchester-codierten
Signals abhängt, während der
ersten Hälfte
einer Bitperiode des Manchester-codierten Signals einem Kondensator
in der einen Richtung und in der zweiten Hälfte der Bitperiode in entgegengesetzter
Richtung zugeführt
wird und dass das Vorzeichen der Spannung am Kondensator am Ende
der Bitperiode den Wert des Bits angibt.
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Bei dieser Weiterbildung können verschiedene
Fehler dadurch erkannt werden, dass der Ladestrom des Kondensators
ferner von der Amplitude der übertragenen
digitalen Signale abhängt
und dass ein Fehler gemeldet wird, wenn die Spannung am Ende der
Bitperiode kleiner als ein vorgegebener Schwellwert ist.
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Diese Weiterbildung kann derart ausgebildet sein,
dass der Kondensator mit einer Konstantstromquelle einen Integrator
bildet oder dass der Kondensator über Widerstände geladen wird.
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Eine dritte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, dass ein Träger
mit den zu übertragenden
Manchester-codierten Signalen Amplituden-moduliert wird und dass
die übertragenen
Amplituden-modulierten Signale mit Hilfe einer Schaltung demoduliert
werden, welche den Wert des Amplituden-modulierten Signals von Spitze
zu Spitze misst.
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Diese Weiterbildung bewirkt einen
hohen Pegel der digitalen Signale am Ausgang des Demodulators, so
dass ebenfalls Störeinflüsse gering
gehalten werden können.
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Ein bereits erwähnter Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, dass die von einer beweglichen zu einer stationären Schaltung übertragenen
digitalen Signale ohne Zwischenspeicherung eines Datenbytes oder
mehr zu einem Empfänger,
insbesondere einem elektronischen Steuergerät in einem Kraftfahrzeug, über Leitungen übertragen
werden können.
Dabei kann in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass bei der
weiteren Übertragung
der digitalen Signale über
Leitungen eine Telegrammsynchronisierungsleitung und eine serielle Datenleitung
zur Übertragung
einer Fehlermeldung auf je einen vorgegebenen Pegel gesetzt werden, vorzugsweise
auf LOW.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen
zu. Eine davon ist schematisch in der Zeichnung anhand mehrerer
Figuren dargestellt und nachfolgend beschrieben. Es zeigt:
- 1 Zeitdiagramme
der verschiedenen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auftretenden
Signale,
- 2 zwei Amplituden-Demodulatoren
und
- 3 drei Schaltungsanordnungen zur
Decodierung der digitalen Signale.
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Gleiche Teile sind in den Figuren
mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt
verschiedene Zeitdiagramme von Daten und Signalen, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
auftreten. Zeile a zeigt zwei Datenworte Byte 1 und Byte 2, welche
die zu übertragenden
Informationen enthalten und zusammen ein Datentelegramm bilden.
Den beiden Datenworten ist jeweils ein Start-Bit vorangestellt.
Nach dem Ende der Daten wird ein Parity-Bit P und ein Stopp-Bit übertragen.
Zeile b zeigt die erfindungsgemäß codierten
Signale, wie sie auf einen Träger
moduliert werden.
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Die Codierung erfolgt mit dem Manchester-Code,
das heißt,
das Vorzeichen des Signalsprungs in der Mitte der Bitperiode stellt
die Information dar, nämlich
0 oder 1. Zeile b zeigt im Einzelnen ein Start-Bit mit dem Wert
1, dem Bits mit dem Wert 0 vorangehen, wobei jedoch nur ein Bit
dargestellt ist. Die nachfolgenden Datenbits D0 bis D7 sowie das Parity-Bit
P sind mit beiden Werten dargestellt, da sie auch beide Werte einnehmen
können.
Das Stopp-Bit und die bis zum Start-Bit des Bytes 2 übertragenen Bits – im folgenden
Füllbits
genannt – weisen
den Wert 0 auf.
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Nach den Daten des Bytes 2 folgt
wiederum ein Parity-Bit P und ein Stopp-Bit mit den Werten 0. Daran
schließt
sich ein weiteres Bit mit dem Wert 0 an, worauf über 1 ≪ Bitperioden der Pegel LOW übertragen
wird, entsprechend dem Wert F nach ISO/IEC 14443-2. Dies wird vom
Decoder als Ende des Datentelegramms angesehen. Bis zum nächsten Datentelegramm
werden wiederum Füllbits
mit dem Wert 0 gesendet, die zur Synchronisierung des in Zeile c
dargestellten Bit-Synchron-Signals bis zum Beginn des folgenden
Datentelegramms dienen. Dazu werden die Flanken der Füllbits des
Manchester-codierten Signals mit den Flanken des Bit-Synchron-Signals
verglichen und die Phase des Bit-Synchron-Signals weich nachgeführt. Mit
dem ersten Start-Bit des folgenden Datentelegramms wird die Phasenlage
eingefroren und das Signal Carrier Detect (CD, Zeile g) gesetzt.
Alternativ kann auch jede Flanke in der Mitte jedes Bits zu einer
durchgängig
weiterlaufenden Synchronisierung genutzt werden.
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Zeile d zeigt die dem übertragenen
Signal äquivalenten
Werte, wobei im Falle der Nutzdaten und des Parity-Bits beide möglichen
Werte übereinander
dargestellt sind. Das gleiche trifft für die Darstellung des gefilterten
Signals in Zeile e zu. Um eine halbe Bitperiode versetzt ist dann
das decodierte Signal gemäß Zeile
f.
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Die Signale sind zwischen den Datenworten und
zwischen den Datentelegrammen der Übersichtlichkeit halber unterbrochen
dargestellt. Wie viele Füllbits
in diesen Zeiträumen übertragen
werden, hängt
von der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Einzelnen
ab und der Geschwindigkeit der Datenquelle. Wird nur eine geringe
Datenmenge erzeugt, werden entsprechend mehr Füllbits eingefügt als bei
vielen anfallenden Daten.
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2 zeigt
einen Amplituden-Modulator, wie er üblicherweise verwendet wird,
nämlich
als sogenannter Scheitelwertgleichrichter mit einer Diode 1, einem
Kondensator 2 und einem Widerstand 3. Einem Eingang 4 wird
das trägerfrequente
Signal zugeführt,
während
dem Ausgang 5 das demodulierte Signal entnommen werden
kann. Für
das erfindungsgemäße Verfahren
wird ein Demodulator nach 2b vorgeschlagen
mit einer vorgeschalteten Kondensator-Dioden-Kombination 6, 7.
Während
bei der Schaltung nach 2a lediglich
die positive Halbwelle ausgewertet wird, wird das zu demodulierende
Signal durch den Kondensator 6 und die Diode 7 soweit
ins Positive verschoben, dass die negativen Scheitelwerte etwa auf
Massepotential liegen. Damit wird über die Diode 1 der
Kondensator 2 dann auf den doppelten Scheitelwert aufgeladen.
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3a stellt
eine Schaltung zum Decodieren des Manchestercodierten Signals dar.
Das zu decodierende Signal wird über
einen Eingang 12 einem R/C-Glied 8, 9 zugeführt, an
dessen Ausgang ein Verstärker 10 angeschlossen
ist. Eine Synchronisiereinrichtung 14 steuert eine Abtast-
und Halteschaltung 11, deren Ausgangssignal einem Diskriminator 19 zugeleitet
wird. Am Ausgang 20 steht das decodierte Signal zur Verfügung.
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3b und 3c zeigen Schaltungen, bei
denen eine Decodierung des Manchester-codierten Signals derart erfolgt,
dass ein Kondensator 11 mit einem Strom geladen wird, dessen
Richtung (Vorzeichen) einerseits vom Pegel des zu decodierenden
Signals abhängt
und andererseits in der Mitte jeweils einer Bitperiode umgeschaltet
wird. Dazu wird das zu decodierende Signal, was in den Figuren durch
ein Bit mit einer fallenden Flanke symbolisiert ist, über einen
Eingang 12 zugeführt.
Dieses Signal steuert bei der Schaltung nach 3a eine Stromquelle 13, die in
der ersten Hälfte
der Bitperiode einen positiven Strom abgibt.
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Mit den zu decodierenden Signalen
wird eine Synchronisiereinrichtung 14' gesteuert, welche Schaltsignale
für Schalter 15, 16, 17 erzeugt.
Der als Umschalter ausgebildete Schalter 15 ist in der
ersten Hälfte
der Bitperiode in der oberen Stellung, während Schalter 16 offen
und Schalter 17 geschlossen ist. Somit wird der Kondensator
positiv aufgeladen. Im anschließenden
Differenzverstärker
wird durch Subtraktion der Spannungen an den Kondensatorplatten die
Ladespannung gemessen. In der Mitte der Bitperiode wird der Schalter 15 in
die untere Stellung gebracht, während
der Schalter 17 geöffnet
und der Schalter 16 geschlossen wird. Der dann der Stromquelle 13 abgegebene
negative Strom fließt über den Kondensator 11 und
den Schalter 16, so dass wiederum eine gleiche Stromflussrichtung
entsteht und die Spannung am Kondensator weiter ansteigt. Bei einem
inversen Bit, bei welchem eine positive Flanke vorliegt, kehren
sich die Verhältnisse
um, so dass am Ausgang des Differenzverstärkers eine negative Spannung
auftritt.
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Die Schaltsignale für die Schalter 15 bis 17 sind
durch die weiche Synchronisierung unabhängig von kurzfristigen Schwankungen
der zu decodierenden Signale. Verändert eine Störung das
Signal zu sehr, so wird die Differenz der Integrale über beide Halbbits
und damit die Spannung am Ende der Bitperiode zu gering. Die Höhe der Spannung
kann als Maß für die Gestörtheit des
Signals dienen und mit einem von Sicherheits-und Verfügbarkeitsanforderungen abhängigen Schwellwert
verglichen werden. Mit Hilfe eines an den Ausgang des Differenzverstärkers 18 angeschlossenen
Diskriminators 19 kann dies erkannt und als Fehlermeldung
ausgegeben werden. Für
das decodierte Signal und die Fehlermeldung ist am Diskriminator
je ein Ausgang 20, 21 vorgesehen.
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Die Wirkung der Schaltungsanordnung
nach 3c ist ähnlich derjenigen
nach 3b. Anstelle der
Stromquelle sind jedoch lediglich Widerstände 22, 23 vorgesehen.
Dem Eingang 12 wird das zu decodierende Signal gleichspannungsfrei
zugeführt.