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Oberbegriff
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Die Erfindung richtet sich auf eine Selbsttestvorrichtung und das zugehörige Verfahren zum Selbsttest einer Mehrpegel-PSI5-Datenbusschnittstelle und das Verfahren zur Datenübertragung.
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Allgemeine Einleitung
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In Automobilen werden spezielle Datenbusse für die Datenverbindung zwischen den Steuergeräten im Kraftfahrzeug und Sensoren eingesetzt. Ein solcher Datenbus ist der PSI5-Datenbus. Im PSI5-Datenbus werden Daten vom Steuergerät zum Sensor mittels einer Strommodulation und vom Sensor zum Steuergerät mittels einer Spannungsmodulation im Manchester-Code übertragen. PSI5-Schnittstellen verfügen als Stromschnittstelle innerhalb ihres Manchester-Decoders zum Empfang der Daten des Steuergeräts über einen Datenkomparator zur Datenerfassung, der unter anderem eine mittlere Stromaufnahme ermittelt bzw. ermitteln kann. Diese Ermittlung der mittleren Stromaufnahme als Schneiderpegel für die Bewertung der vom Steuergerät empfangenen Daten basiert auf einem Vergleich mit einem Referenzstrom der üblicherweise innerhalb des ICs generiert und verteilt wird.
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Informationen zum PSI5 Standard können beispielsweise der Technical Specification: PSI5 Peripheral Sensor Interface - Base Standard, V2.2 08/2016 entnommen werden. Diese Schrift beschreibt das Peripheral Sensor Interface (PSI5) mit dem darin verwendeten Manchester Code (deren Seite 16) und den beiden Übertragungsarten: stommoduliert vom Sensor zum Steuergerät (deren Seite 16 Zeilen 153 bis 154) und spannungsmoduliert (deren Seite 24 Zeilen 231-232).
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Im Stand der Technik kann eine beginnende Degradation oder ein Betrieb an der Ausfallgrenze bezüglich der Erzeugung dieser Referenzströme, die für die Kommunikation genutzt werden, nicht ohne Weiteres erkannt werden.
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Solche PSI5-Schnittstellen werden bevorzugt in sicherheitsrelevantenen Systemenim Automobil eingesetzt. Sie müssen daher dem ISO26262 Standard entsprechen. beziehen uns hier hinsichtlich der ISO 26262 insbesondere auf die Norm ISO 26262-1 2011-11-15 „Road vehicles - Functional safety- Part 1: Vocabulary“, S. 1-23.
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Darüber hinaus steigen die Anforderungen an moderne Sensorsysteme. Dies hat eine steigende Datenrate von den Sensoren zu den Steuergeräten in Fahrzeugen zur Folge.
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Zur digitalen Übertragung dieser umfangreicheren Sensordaten sind busfähige Sensoranbindungen erforderlich, damit Einsparungen am Kabelbaum realisiert werden können. Es gibt bereits verschiedene digitale Busse, die für eine mögliche Anbindung von Ultraschallsensoren im Fahrzeug genutzt werden können. Dies ist aus dem Stand der Technik, beispielsweise der
WO 2015 090 710 A1 , bekannt und wird hier nur der Vollständigkeit halber zitiert.
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Die
DE 10 2016 215 038 A1 beispielsweise beschreibt ein Sensorbuskommunikationssystem als eine Weiterentwicklung einer PSI5-Schnittstelle für Kraftfahrzeuge mit einer einstellbaren Terminierung. Das Bussystem gemäß der
DE 10 2016 215 038 A1 lehrt eine strommodulierte Datenübertragung vom Sensor zur Steuerung und eine Datenübertragung von der Steuerung zu den Sensoren, wobei die Sensoren die (Spannungs-) Versorgungssignale regeln können, um „Fluktuationen“ eines Stromverbrauches beseitigen zu können.
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Bei einem LIN-Bus ist von Nachteil, dass dieser nur eine sehr eingeschränkte Datenübertragungsrate erlaubt, beispielsweise nur 20 kBit/s. Die Nettoübertragungsrate beim LIN-Bus fällt noch deutlich geringer aus, da der Anteil der Strukturdaten relativ groß ist. Beim LIN-Bus werden Binärinformationen spannungsmoduliert, also durch Modulation der anliegenden Spannung, üblicherweise zwischen Werten von ca. 12 V und 0,7 V übertragen. Ein weiterer Nachteil des LIN-Busses ist darin zu erblicken, dass sehr hohe Spannungspegel auftreten können, die den Messbetrieb des Sensors stören, so dass eine Kommunikation während des Messbetriebes nur schwer möglich erscheint.
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Als weiterer digitaler Bus wäre der CAN-Bus zu nennen, mit welchem deutlich höhere Übertragungsraten (Größenordnung 500 kBit/s) möglich sind. Die Kosten für eine Sensorschnittstelle bei einem CAN-Bus sind aufgrund der hohen Bandbreite und Vielseitigkeit des CAN- Busses vergleichsweise hoch. Insbesondere erfordert der CAN-Bus einen lokalen Oszillator, der integrierte Steuerschaltkreise massiv verteuert.
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Des Weiteren ist als digitaler Bus der bereits erwähnte PSI5-Bus bekannt, der in Fahrzeugen, beispielsweise zur Anbindung eines Airbag-Sensors Verwendung findet. Die Übertragung beim PSI5-Bus erfolgt spannungsmoduliert vom Steuergerät zum Sensor mit 2 kBit/s und strommoduliert vom Sensor zum Steuergerät mit bis zu 189 kBit/s. Der Modulationsstrom beträgt bei PSI5-Bussen typischerweise um die 20 mA. Die Übertragung basiert auf einer 2- Draht-Schnittstelle mit verdrillten Adern. Die Stromversorgung der Airbag-Sensoren erfolgt über die Datenleitung, allerdings sind nur geringe Versorgungsströme vorgesehen, die in der Größenordnung bis zu maximal 19 mA liegen. In der Schnittstelle des Steuergerätes ist eine Nachführung auf das variierende Null-Stromniveau vorgesehen. Der PSI5-Bus, der Eingang in Kraftfahrzeuganwendungen, insbesondere als Airbag-Sensor gefunden hat, ist hinsichtlich seines Kommunikationsprotokolls sehr stark an frühere Anforderungen dieser Anwendung angepasst. Die mit einem PSI5-Kommunikationsprotokoll üblicherweise übertragbaren Daten sind im Volumen begrenzt und reichen für zukünftige Übertragungsaufgaben nicht mehr aus. Gerade im Zusammenhang mit Fahrerassistenzsystemen wird es erforderlich die Latenzzeiten immer mehr zu verkürzen und gleichzeitig komplexere Mustererkennungsalgorithmen auf immer mehr Daten anwenden zu können.
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Aufgrund seiner bisherigen Einsatzgebiete weist der PSI5-Bus als Nachteil somit eine zu geringe Übertragungsrate auf. Des Weiteren weist der PSI5-Bus keine 1-Draht-Schnittstelle auf und es ist eine höhere Pin-Zahl am Sensor vorzusehen. Das bisher an PSI5-Bussen eingesetzte Kommunikationsprotokoll ist daher nicht weiter verwendbar, sondern in jedem Falle für neue Anwendungen zu modifizieren.
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Die Anforderungen an die Übertragungsrate an ein Übertragungssystem sind beispielsweise:
- - > 10 kBit/s für die Übertragung vom Steuergerät zum Sensor
- - > 100 kBit/s für die Übertragung vom Sensor zum Steuergerät
- - Kostengünstige Umsetzung
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Mittel zur Verfügung zu stellen, die es ermöglichen, die Stromreferenzen für die Kommunikation weiteren Überprüfungen zu unterwerfen, die keine Kenntnis der Lasten im System voraussetzen. Es soll bewertbar werden, ob ein PSI5 Interface mit der vorgesehenen Stromreferenz betrieben wird oder nicht.
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Darüber hinaus soll die im Folgenden vorgeschlagene Lösung weitere Vorteile aufweisen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 2 und 3 gelöst.
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Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe
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Ein sicherheitsrelevanter Schaltkreis sollte daher über Mittel verfügen, um die Plausibilität der Referenzströme für die Bewertung der mittels Strommodulation übertragenen Daten durchführen zu können. Diese Referenzströme werden für zwei Funktionen benutzt:
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Für die Datendekodierung der mittels Strommodulation vom Steuergerät zum Sensor übertragenen Daten (Schneidepegel) und
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Für die Ermittlung dieses Schneidepegels durch Nachregelung des mittleren Stromwertes.
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Daher wird für jede PSI5-Schnittstelle folgendes vorgesehen:
- • Eine definierte und zuschaltbare Stromlast, die einen vorbekannten oder bestimmbaren Zusatzstrom in den Anschluss des PSI5-Datenbusses einspeist oder aus diesem entnimmt,
- • Einen Schalter der die besagte Stromlast auf den besagten Anschluss des PSI5-Datenbusses aufschaltet oder wegschaltet,
- • Der Manchester-Decoder nutzt eine Nachregelung des quasi Gleichstrompegels für den Schneidepegel innerhalb jeder der PSI5-Schnittstellen innerhalb des mikroelektronischen Schaltkreises. Dies geschieht synchron zu dem Zuschalten des zusätzlichen Laststroms.
- • Sofern die Ausgangswerte des Manchester-Decoders betragsmäßig mehr als ein vorgegebener Schwellwert von Erwartungswerten abweichen, erfolgt eine Signalisierung eines nicht plausiblen Manchester-Decoder-Werts durch die PSI5-Schnittstelle.
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Das Verfahren basiert somit darauf, dem PSI5 Interface, dessen Referenzstrom ermittelt wird, zumindest zeitweise einen zusätzlichen, wertemäßig bestimmbaren Laststrom, beispielsweise durch einen Lastwiderstand, über einen Schalter zuzuschalten und diesen bekannten, zusätzlichen Laststrom dadurch zu verifizieren, dass der Strommittelwert der Daten im Datenkomparator des Manchester-Decoders, der durch den zusätzlichen Laststrom verändert wird, durch eine Messvorrichtung ermittelt wird und beispielsweise durch einen Komparator mit einem Schwellwert verglichen wird. Hierdurch erfolgt die Prüfung auf eine betragsmäßige Einhaltung eines vorgegeben Erwartungsbereiches durch diesen Strommittelwert bei zugeschaltetem Laststrom. Dieser Erwartungsbereich unterliegt typischerweise der Toleranz des Laststroms und der Toleranz der Schnittstellenbetriebsspannung.
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Hinsichtlich einer guten Testwirksamkeit wird vorteilhafter Weise für die Generierung dieses zusätzlichen Laststroms (Prüflast) eine unabhängige Größe wie z.B. ein Widerstand verwendet, welcher zusammen mit der im Stand der Technik üblicherweise messbaren Spannung am Datenbusanschuss des PSI5-Datenbusses eine vordefinierte Laststromabweichung durch den zusätzlichen Laststrom durch diesen Widerstand hindurch erzeugt.
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Es wird also ein PSI5-Datenbusschnittstelle mit einem Datenbusanschluss vorgeschlagen, die einen Manchester-Decoder, einen Schalter und eine Teilvorrichtung umfasst, die der Erzeugung eines zusätzlichen Laststroms, der positiv oder negativ sein kann, in einen Ausgang dieser Teilvorrichtung hinein dient. Der Manchester Decoder verfügt als strombasierende Datenschnittstelle über eine Nachregelung des Stromschneidepegels in Form einer Nachregelung des Mittelwerts des elektrischen Stromes zum Datenempfang durch die strombasierende Datenschnittstelle. Zeitweise verbindet der Schalter den Datenbusanschluss mit dem Ausgang der Teilvorrichtung zur Erzeugung des zusätzlichen Laststroms. Der vorgegebene Schwellwert ist so bestimmt, dass bei ordnungsgemäßem fehlerfreien Betrieb der PSI5-Datenbusschnittstelle der Mittelwert des elektrischen Stromes zum Datenempfang durch die strombasierende Datenschnittstelle betragsmäßig im Mittel nicht mehr als ein vorgegebener Schwellwert von einem Erwartungswert abweicht. Die PSI5-Datenbusschnittstelle verfügt über eine Vergleichseinrichtung, insbesondere einen Komparator, die den Wert des aktuellen Mittelwerts des elektrischen Stromes zum Datenempfang durch die strombasierende Datenschnittstelle mit dem Wert des vorgegebenen Schwellwerts vergleicht. Die PSI5-Schnittstelle signalisiert einen Fehler, sobald der Mittelwert des elektrischen Stromes zum Datenempfang durch die strombasierende Datenschnittstelle bei geschlossenem Schalter betragsmäßig mehr als der vorgegebene Schwellwert von dem vorgegebenen Erwartungswert abweicht.
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Werden in einem mikroelektronischen Schaltkreis mehrere PSI5-Datenbusschnittstellen verwendet, so können weitere Schalter vorgesehen werden, die die Teilvorrichtung zur Erzeugung eines zusätzlichen Laststroms mit den Datenbusausgängen der anderen PSI5-Datenbusschnittstellen verbinden können. Werden mehrere Teilvorrichtung zur jeweiligen Erzeugung eines zusätzlichen Laststroms vorgesehen, wobei diese zusätzlichen Lastströme bevorzugt in einem vorgegebenen Betragsverhältnis zueinander stehen, so können sowohl die Referenzströme der PSI5-Datenbusschnittstellen als auch die Teilvorrichtung zur Erzeugung zusätzlicher Lastströme gegeneinander geprüft werden. Hierbei wird jede der PSI5-Datenbusschnittstellen mit mehreren der Teilvorrichtungen zur jeweiligen Erzeugung eines jeweiligen zusätzlichen Laststroms verbunden und die zuvor beschriebene Bewertung mittels eines zugehörigen Schwellwerts durchgeführt.
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Hierbei kann eine Teilvorrichtung zur Erzeugung eines zusätzlichen Laststroms so gestaltet sein, dass auch bei ordnungsgemäßem fehlerfreien Betrieb der PSI5-Datenbusschnittstelle der Mittelwert des elektrischen Stromes zum Datenempfang durch die strombasierende Datenschnittstelle betragsmäßig im Mittel mehr als ein vorgegebener Schwellwert von einem Erwartungswert abweicht. Hierdurch kann die Fehlererkennung selbst geprüft werden.
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Es ist denkbar, die Datenrate nun dadurch zu erhöhen, dass man mehr als einen Schneidepegel vorsieht und statt binärer Daten mit einem High- und einem Low-Pegel mehrere Pegel zuzulassen und so pro Takt mehr als ein Bit zu übertragen. Beispielsweise ist die Verwendung einer QAM-Modulation zur Datenübertragung denkbar. Dies ist besonders für die Übertragung der Daten von den Sensoren zum Steuergerät sinnvoll.
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Es wird daher zusätzlich für zukünftige Systeme ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems für ein Fahrzeug mit mindestens einem Sensor und mindestens einem Steuergerät vorgeschlagen, bei dem Daten von dem mindestens einen Sensor an eine strom- und spannungsbasierende bidirektionale Datenschnittstelle des Steuergeräts strommoduliert und Daten von dem Steuergerät an den Sensor spannungsmoduliert übertragen werden. Die Übertragung der Daten vom Sensor an die strom- und spannungsbasierende bidirektionale Datenschnittstelle des Steuergeräts erfolgt gemäß diesem Vorschlag mit mehr als zwei Strompegeln und mehr als zwei logischen Pegeln. Dabei ist jedem der mehr als zwei logischen Pegel genau einer der mehr als zwei Strompegel zugeordnet. Um die Schneidepegel richtig einstellen zu können wird im Steuergerät eine Nachführung des Mittelwerts des elektrischen Stromes zum Datenempfang durch die strom- und spannungsbasierende bidirektionale Datenschnittstelle des Steuergeräts durchgeführt. Daher ist es sinnvoll, den Mittelwert des Stromes und nicht die Schneidepegel nachzuregeln. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Modulation dabei so gewählt wird, dass der Mittelwert des Stromes über eine vorgegebene Anzahl von Datenbits immer gleich ist. Auch hier ist dann eine Plausibilisierung erforderlich. Daher ist es vorteilhaft, auch bei einer Übertragung mit mehreren Schneidepegeln das zuvor beschriebene Verfahren zur Plausibilisierung durchzuführen.
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Die Verwendung mehrerer Pegel kann auch in der umgekehrten Richtung vom Steuergerät zum Sensor vorgesehen werden, jedoch ist hier die Bandbreite typischerweise ausreichend.
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Dadurch ist eine kostengünstige bidirektionale, volldigitale sowie datenbusfähige Sensoranbindung eines Sensors eines Sensorsystems an ein Steuergerät gewährleistet.
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In vorteilhafter Ausgestaltung des dem Vorschlag zugrundeliegenden Gedankens erfolgt die Datenübertragung von dem mindestens einen Sensor an das Steuergerät über eine Datenschnittstelle, also beispielsweise eine modifizierte PSI5-Schnittstelle mit mehr als zwei Strompegeln und damit mit mehr als zwei logischen Pegeln. Zur Übertragung der Daten von dem mindestens einen Sensor an das Steuergerät wird ein Sendestrom auf einer Kommunikationsleitung moduliert. Der Sendestrom liegt in einer Größenordnung von < 100 mA, bevorzugt von < 10 mA. Wird ein Modulationsstrom auf diese Größenordnung reduziert, so kann der Pegel von Eigenstörungen drastisch reduziert werden. Dadurch ist ein Betrieb mit minimierten Eigenstörungen gewährleistet. Unter Eigenstörung wird im vorliegenden Zusammenhang ein Übersprechen von Kommunikationspulsen auf Empfangskanäle im Sensor-Messbetrieb verstanden. Die Datenübertragung vom Steuergerät an den mindestens einen Sensor umfasst bevorzugt eine Adressierung, einen Sendebefehl, mindestens einen Konfigurationsbefehl und einen eine Zeitspanne definierenden Synchronisationspuls (SYNC). Die Datenübertragung von dem mindestens einen Sensor an das Steuergerät wird mittels eines Datenbusses vorgenommen und erfolgt auf ein und demselben Datenbus in beide Richtungen. Die Übertragungsrate für die spannungsmodulierte Übertragung von Daten vom Steuergerät an den mindestens einen Sensor liegt bevorzugt in einer Größenordnung von > 10 kBit/s, bevorzugt bei 20 kBit/s, wobei diese Datenratenerhöhung nicht durch eine höhere Taktung des Busses, sondern durch die Verwendung mehrerer Pegel erfolgt. Dies hat den Vorteil, dass die EMV-Belastung durch den Betrieb sinkt und die Eigenstörungen des Sensors vermieden werden.
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Das Sensorsystem, welches gemäß dem vorstehenden Verfahren hinsichtlich der Datenübertragung strommoduliert bzw. spannungsmoduliert betrieben wird, umfasst einen Sensor, der ausgebildet ist um eine Datenübertragung mit Strommodulation an ein Steuergerät zu ermöglichen. Das Sensorsystem umfasst ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist zur spannungsmodulierten Übertragung von Daten an mindestens einen Sensor, der gemäß des Verfahrens zum Betreiben eines Sensorsystems, wie oben stehend skizziert, betrieben werden kann.
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Beim vorgeschlagenen Verfahren kann der Betrieb eines Sensorsystems, insbesondere eines Sensorsystems mit mindestens einem Sensor und mindestens einem Steuergerät sichergestellt werden. Die Datenübertragungsrate vom Steuergerät zu dem mindestens einen Sensor ist einerseits ausreichend hoch, ferner können Eigenstörungen des Sensors bei gleichseitiger Kommunikation während des Messbetriebes aufgrund der niedrigeren Datenrate vermieden oder zumindest stark unterdrückt werden.
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Es wird ein modifiziertes Kommunikationsprotokoll vorgeschlagen, das Konfigurationsbefehle umfasst, welche die nachfolgenden Informationen umfassen: Ein Start-Bit, eine Befehls-ID, eine Adressierung, Konfigurationsdaten und Parity/CRC.
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Die Absicherung der jeweiligen Konfigurationsdaten erfolgt für ein für die entsprechende Fehl-ID festgelegtes Schema, entweder über ein Parity-Bit oder ein Datenabsicherungsverfahren, z.B. ein CRC-Verfahren (CRC = Cyclic Redundancy Check).
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Der Vorschlag ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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Vorteile
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Das vorgeschlagene Verfahren hat den Vorteil, dass das Risiko eines Betriebes mit geringerem maximalen Strom oder einer unzuverlässigen Datenerhebung aufgrund einer mangelhaften Bereitstellung der Referenzströme für die PSI5-Kommunikationsschnittstelle reduziert wird. Bei potentiell vorhandenen, multiplen PSI5-Schnittstellen (PSI5-Kanälen) innerhalb einer mikroelektronischen Schaltung kann die ermittelte Stromabweichung der Lastströme zwischen den verschiedenen PSI5-Kanälen zur Plausibilisierung untereinander verwendet werden.
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Die nach ISO 26262 geforderte Diagnoseabdeckung als Qualitätsmerkmal einer Implementierung kann somit besser erreicht werden. Es ergibt sich eine verbesserte Erkennung latenter Fehler, die die Zuverlässigkeit der Kommunikation beeinträchtigen könnten.
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Die vorgeschlagene Mehr-Pegel-Lösung bei gleichzeitiger abgesicherter Strompegelnachführung ermöglicht den ISO 26262 konformen Betrieb eines Sensorsystems, bei welchem die Datenübertragung zwischen mehreren Sensoren und einem diese steuernden Steuergerät, einerseits über einen modifizierten PSI5-Datenbus und andererseits spannungsmoduliert erfolgt. Der Ausgangspunkt ist eine strommodulierte Übertragung mit hoher Bandbreite von einer PSI5-Schnittstelle eines entsprechenden Datenbusses. Im Gegensatz zum Stand der Technik erfolgt die Erhöhung aber nicht durch eine Erhöhung der zeitlichen Datenrate und damit der Frequenz, wie beispielsweise in der
WO 2015 090 710 A1 , sondern durch die Verwendung eines Mehrpegel-Systems für die Datenübertragung vom Sensor zum Steuergerät. Die Übertragungsrate wird durch entsprechende Bauteilauslegung über die verfügbaren 189 kBit/s auf 378kBit/s weiter gesteigert ohne die EMV-Belastung oder die Rückwirkung auf den Sensor zu erhöhen.
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Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung lassen sich wie im Stand der Technik ebenfalls hohe Datenraten realisieren, ohne den Strompegel absenken zu müssen, um eine Überkopplung oder EMV-Abstrahlung zu vermeiden. Die Datenübertragung von dem mindestens einen Sensor zum Steuergerät erfolgt mit einer Übertragungsrate von 378 kBit/s. Die Datenmenge kann somit wesentlich vergrößert werden.