DE3246562A1

DE3246562A1 - Verfahren und einrichtung zum selektiven betreiben einer vielzahl entfernter elektrischer verbraucher im multiplexbetrieb

Info

Publication number: DE3246562A1
Application number: DE19823246562
Authority: DE
Inventors: Allen H. Ann Arbor Mich. Meitzler
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1981-12-17
Filing date: 1982-12-16
Publication date: 1983-07-07
Also published as: GB2153184A; GB2112978B; GB8430818D0; JPS58127536A; GB2153184B; GB8427696D0; CA1187160A; JPH0245426B2; GB2112978A; DE3246562C2; US4442515A

Description

Ford-Werke Aktiengesellschaft Ottoplatz 2

5ooo Köln 21

Verfahren und Einrichtung zum selektiven Betreiben einer Vielzahl entfernter elektrischer Verbraucher im Multiplexbetrieb

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren-zum selektiven Betreiben einer Vielzahl entfernter elektrischer Verbraucher von einer elektrischen Energiequelle über eine; gemeinsame übertragungsleitung, über welche zugleich entsprechende Steuerbefehle für die Verbraucher im Multiplexbetrieb übermittelbar sind,sowie eine Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Gegenwärtig verwenden die elektrischen Anlagen der meisten Kraftfahrzeuge getrennte Leiter zur übertragung der elektrischen Energie zwischen jedem Steuerschalter und dem zugehörigen Verbraucher. Beispielsweise umfassen die zahlreichen Verbrauchertypen am rückwärtigen Ende eines Kraftfahrzeugs Fahrtlichter, linke und rechte Signalblinker/ Rücklicher, Bremslichter sowie die Heckscheibenheizung. Jeder Verbrauchertyp erfordert nach herkömmlicher Weise besondere Steuerleitungen, welche ihn mit dem entsprechenden Schalter in der Nähe des Fahrersitzes verbinden. Die Gesamtheit der Verkabelung bringt als Ergebnis einer solchen herkömmlichen Lösung Erschwernisse in der Form von Materialkosten, Herstellungsaufwand, Raumbedarf und Fahrzeuggewicht mit sich. .

Verschiedene Typen elektrischer Svsteme sind inzwischen vorgeschlagen worden, die darauf gerichtet sind, eine wesentliche Verminderuna im Verkabelungsaufwand eines Fahrzeuges zu erzielen. Ein quter Überblick über diese Systeme ist in einer Veröffentlichunq mit dem Titel ""Time-Shared Multiplexing System Applied to Motor Vehicles" von L.J. Neveti, veröffentlicht von der Society of Automotive Engineering, Inc., 23. Februar 1976 als Druckschrift Nr. 76o181 enthalten, auf welche hier Bezug

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genommen wird. Die von Neyeti beschriebenen Systeme verwenden zumindestens ein großkalibriges sammelschienenartiges Leistungskabel und eine oder mehrere kleinkalibrige elektrische oder Glasfaserkabel, die parallel zu dem Leistungskabel verlaufen. In einem Beispielsfall wird ein frequenzselektives System beschrieben, das mit einer die Leistunq übertragenden Sammelschiene arbeitet, welche dazu bestimmt ist, gleichzeitig elektromagnetische Hörfrequenzen zu übertraaen. In solchen Fällen, in denen Befehlssignale von dem Befehlsmodule zu einem passenden Empfänaer elektrisch übertragen werden, besteht eine große Anfälligkeit gegenüber' dem Eindrinaen von Störsignalen und elektromagnetischer Interferenz (EMI) in die Signalübertragungsleitung, welche den Befehlssiqnalempfang beeinflußt.' Auf der anderen Seite bestehen dort, wo ein -Glasfasermedium zur Ubertraaung der Steuersianale die Störsignal- und EMI-Probleme der elektrischen Befehlsübertrager ausschaltet, am Schluß Probleme (Termination-Probleme), von denen behauptet, wird, daß sie die Vorteile der Verwendung von Glasfaserbündeln als Befehlssignalübertragungsmitteln in Fahrzeugen übersteigen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindunq ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine zu dessen Durchführuna geeignete Einrichtung zu schaffen, die qegenüber den bekannten Multiplex-Ubertragungssystemen keinerlei Störanfälligkeit der Steuersignale und keine elektromagnetischen Interferenzen aufweist, und die erwähnten Abschlußprobleme vermeidet.

Die Erfindung- löst diese Aufgabe verfahrensmäßiq dadurch, daß die Übertragung der Steuerbefehle durch codierte Ultraschallwellen erfolgt. ·

Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zeichnet sich dann in der Hauptsache dadurch. aus, daß am Energiezuführende der übertragungsleitung Mittel

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zum Umsetzen von elektrischen Steuerbefehlen in codierte Ultraschall-Steuersignale vorgesehen sind, daß am Energieentnahmeende der Übertragungsleitung Mittel zürn Empfangen der Ultraschall-Steuersignale und zum selektiven Durchschalten der elektrischen Energie entsprechend dem Signalcode zu den Verbrauchern vorgesehen sind und daß die Übertragungsleitung so "ausgebildet ist,, daß sie außer der Übertragung der elektrischen Energie Ultraschallwellen zu übertragen vermag. ·

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: ein grundlegendes Blockschaltbild einer

Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2A-2E: den Spannungs- und Druckwellenverlauf

an verschiedenen Stellen der Einrichtung während der übertragung eines bestimmten Befehlssignals,

Fig. 3: in perspektivischer Darstellung eine

Endansicht der verwendeten übertragungsleitung und

Fig. 4: · in perspektivischer Darstellung einen

Steckerabschluß an dem einen Ende der übertragungsleitung.

In Fig. 1 ist mit 3o eine übertragungsleitung bezeichnet, die einen Befehisübertragermodul- 2o mit einem Empfängermodule 4o verbindet. Elektrische Gleichstromenergie wird von einer Batterie B über eine Leitung 28 dem gesamten

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System zugeführt. Der Befehlsmodul 2o, der von der Leitung 28 über eine Leitung 26 mit elektrischer Energie aespeist wird, ist mit einer Vielzahl von "n" Eingangsschaltern SW₁ - SW verbunden, die einzeln betätigt werden können., um das Einschalten eines spezifischen entsprechenden Verbrauchers L- - L zu befehlen. Ein jeder der "n" Eingangsschalter ist über eine entsprechende Leitung an einen Encoder 21 angeschlossen und verbindet im eingeschalteten Zustand diese Leitung mit Masse. Der Encoder 21 wandelt den Zustand der Eingangsschalter SW₁ - SW in eine Folge digitaler Wörter um. Jedes diaitale Wort besteht aus sechs Bits, nämlich einem Start-Bit, vier Bits zur Identifizierung des jeweiligen Schalters, der geschlossen ist, und einem Stop-Bit. Der Encoder 21 tastet ih fortlaufender Foloe die Eingangsschalterleitungen ab und erzeugt ein diaitales Wort für jeden geschlossenen Schalter. Die diaitalen Wörter werden der Reihe· nach vom Encoder zu einem Transmitter 22 ausgegeben, der eine Hochfrequenz-Impulskette erzeugt, die den Ausgangsimpulsen vom Encoder 21 entsprechen. Die Ausgangsimpulse vom Transmitter 22 werden einer Primärwicklung 2 3 eines Isoliertransformators 24 zuqeführt und an dessen

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Sekundärwicklung 25 ausgegeben. Der Ausqang des Isoliertransformators .24 wird einem Übertragungswandler 27 zuaeführt, der Druckwellenschwingunaen erzeugt, die sich entlang der Länge des Bandes 3o fortpflanzen. Der Empfängermodul ist an einen Empfängerwandler 41 anaeschlossen, der am entgegengesetzten Ende des Bandes 3o angebracht ist und die übertragenen Druckwellenimpulse in elektrische Eneraieimpulse bei seiner Resonanzfrequenz umsetzt. Die elektrischen Energieimpulse werden durch eine Primärwicklung 42p eines Isoliertransformators 43 Und über dessen Sekundärwicklung 44 einem Empfänger- und Impuls-Regeneratorkreis 45 zugeführt. Der Kreis 45 demoduliert.den Träaer von den empfangenen Signalen und liefert Gleichstromimpulse zu einem Decoder 46. Der Decoder 46 liefert ein Auslösesianal

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an einer von einer Vielzahl von Ausgangsleitungen zu einem Auslöserelais. Das Schließen dieses Relais vervollständigt einen geschlossenen Stromkreis zu einem entsprechend angeschlossenen Verbraucher und bewirkt, daß diesem Enercrie zugeführt wird. Die Energiezufuhr für den entsprechenden Verbraucher erfolgt über eine Versorgungsleitung- 47, die an das Empfängeren'de des Bandes 3o angeschlossen ist. Der Gleichstromfluß wird durch das Band 3d geleitet und von der über die Leitung 48 an das Übertragerende des Bandes angeschlossenen Batterie entnommen. Somit vollführt das Band eine doppelte Funktion, indem es einerseits Gleichstromenergie leitet und andererseits Ultraschallwellen mechanisch fortpflanzt.

Die in Fig. 1 gezeigte Einrichtung arbeitet unter weiterer Bezugnahme auf die Spannungs- und Druckwellendiagramme in den Figuren 2A, 2B, 2C, 2D und 2E wie folgt:

Es sei beispielsweise angenommen, daß der elfte Eingangsschalter SW₁₁ geschlossen sei. Das diaitale Wort am Ausgang des Encoders 21 lautet entsprechend II0III. Das erste und das letzte Bit des Wortes zeigen die entsprechenden Start- und Stop-Feststellungen an. Die mittleren vier Bits zeigen den elften Schaltkreis an. Das digitale Wort, wie es vom Encoder 21 ausgegeben wird, ist in Fig. 2A in Gestalt ausgeprägter Hoch- und Niedrigniveauimpulse dargestellt, die von verhältnismäßig kleinen Zeitabschnitten getrennt sind. Jeder Hochniveau-Bitimpuls vom Encoder 21 liefert ein Aufsteuern der in der Transmittereinheit 22 erzeugten Trägerfrequenz (in der Größenordnuna von 1-2MHz). Der Transmitter 22 gibt somit eine Serie von modulierten Impulsen im Zeitraum entsprechend dem digitalen Worteingang aus, und dieses Ausgangssignal ist in Fig. 2B gezeigt. Die von der Transmittereinheit 22 erzeugte Trägerfrequenz ist so ausgewählt, daß sie eng angenähert der

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Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Wandlers 27 ist, und ein jeder Impuls wird zu dem Wandler über einen Isoliertransformator 24 übertragen. Der Isoliertransformator 24 hat eine Primärwickluna 23 sowie eine Sekundär-

P wicklung 2 5 , deren eines Ende mit dem piezoelektrischen Wandler 27 und deren anderes Ende mit dem Band 3o verbunden sind. Der piezoelektrische Wandler 27 ist an die Endfläche 34 des Bandes 3o angekittet und ist ein Dicken-Querwellenwandler, der eine Querwellenbewegurig mit einer Partikelverlagerungsrichtung parallel zu den Hauptseiten 32 des Bandes erzeugt. Der Ubertraaunaswandler 27 setzt die hochfrequente Eingangsimpulskette in,eine Kette· von Druckimpulsen um, die sich längs dem Band 3o fortpflanzen.· Die übertragenen Dlruckwellen sind in Fia, 2C veranschaulicht.

Nach dem Durchlaufen der Länge des Ubertragunasleiters 3o werden die mechanischen Ultraschallwellenimpulse wiederum in elektrische Energieimpulse durch den Empfänaerwandler 41 umgesetzt, der gegen die empfängerseitiae Endfläche 35 des Bandes 3o angekittet ist. Diese elektrischen Eneraieimpulse sind in Fig. 2D gezeigt. Der Empfang der Ultraschallsignale ist mit einer zeitlichen Verzögeruna Τ_β verbunden, die von dem für das Band 3o verwendeten Material ebenso wie von,der.Bandlänge abhänaio ist. · . ■

Die in Fig.· 2D gezeigten elektrischen Eneraieimpulse werden in Gleichstrom—Bit-Impulse gemäß Fia. 2E durch den Empfänger- und Impulsgeneratorkreis 4 5 umnewandelt. Der Decoder 46 empfängt die Bit-Impulse und schaltet demzu-' folge das elfte Auslöserelais R. ein, welches den entsprechenden elften Verbraucher steuert. Natürlich ist der Ausdruck "Auslöserelais" Gattungsname zu bloßen Erläuterungszwecken, da diese Einrichtunaen in jeder herkömmlichen Art einschließlich Halbleiter-Leistungsschaltern ausgebildet sein können.

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Der Aufbau des Ubertragungsleiters'3o ist in Fia. 3 ge*- zeigt. Der Leiter 3o besteht aus einem langgestreckten massiven Stück Aluminiumband mit zwei Breitseiten 32, zwei Sehmalseiten 33 und zwei Endflächen 34 bzw. 35 (wobei die Enflache 35 identisch zur Endfläche 34'ausqebildet und in Fig. 3 nicht gezeigt ist) . Die Dicke des Aiumiriiumbandes ist so gewählt, daß das'Band als mechanischer Wellenleiter für die Ausbreituna von Querwellen der niedrigsten Größenordnuna wirkt, die nichtzerstreüend sind und für welche die Partikelbewequnasaxnplitude über die Dicke hinwea konstant ist. In diesem Fall ist die' Dicke des Bandes so· ausgewählt, daß sie weniger als die Hälfte der akustischen Wellenlänge beträat, wodurch sicheraestellt ist, daß die Eneraie sich in nichtzerstreuender Weise fortpflanzt. Die Länge des stabförmigen piezoelektrischen Wandlers 27 an der Endfläche ist so bemessen, daß sie mindestens 1o Wellenlänaen beträqt. Die Breite des Bandes 3o ist etwas drößer als die Länae des Wandlers 27, so daß die übertragene Welle auf einen mittleren Bereich weg von den Schmalseiten 33 des Bandes 3o bearenzt ist. Die Schmalseiten 33 des Bandes 3o sind mit einem akustischen Absorber überdeckt, der das Bestreben hat, jealiche Sekundäroder Störwellenbewegungen zu absorbieren, die erzeugt werden, wenn sich Energie von der Hauptquelle seitlich ausbreitet und mit den Schmalseiten des Bandes 3o zusammenwirkt. ' . ,

Der Absorber ist in der Form eines Isolators 37 aus massivem Kunststoff, der sich über die Länge des Bandes 3o erstreckt. Der Massivkunststoff-Isolator 37 wird von den Breitseiten 37 des Bandes 3o durch eine innere Seele aus Schaumkunststoff 36 entfernt qehalten. Der Schaumkunststoff 36 in Verbindung mit dem Massivkunststoff-Isolator 37 liefert eine elektrische Isolation und einen Schutz gegen Verschmutzung und Feuchtigkeitsbefall, während er gleichzeit eine vernach-

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lässigbare mechanische Belastuna auf die Breitseite 32 ausübt. .

Fig. 4 veranschaulicht die Konstruktion eines steckerartiqen Verbindungsstückes, wie es zum Anschluß des Bandes gemäß den Figuren 1 und 3 verwendet wird. Bei dieser Konstruktion sind die mit den Leitunqen 26 bzw. 2 8 zu verbindenden Stifte 26'und 28'mit den Schmalseiten 33 des Bandes 3o verbunden, während die Stifte 23'und 23'' an die Primärwicklung 23p des Isoliertransformators 24 anqe-· schlossen sind, der sich innerhalb des Stecker befindet- . Ein Gehäuse 62 aus Keramikmaterial bestimmt die Laoe der Stifte 26', 28', 23' und 23'' und stellt eine steife mechanische Verbindung zu den Schmalseiten 33 des Bandes her. Das Gehäuse 62 berührt jedoch nicht die Breitseiten 32, da eine solche Berührung zu einer mechanischen Belastung und damit einer nachteiligen Beeinflussung der Fortpflanzung der Ultraschallwellen führen würde.

Bei einer typischen Einrichtuna würde das Aluminiumband 3o eine Breite in der Größenordnung von 12,7 mm, eine Dicke von angenähert o,6 35 mm und eine Länqe von angenähert 3,ο5 m besitzen. Der elektrische Widerstand eines solchen Aluminiumbandes würde etwa o>1 Ohm betragen und die Einfüaunasverluste in der übertragung eines Impulswellensirmals in der Größenordnung von 1-2MHz durch ein solches Band würden wenioer, als 1odB sein. . . .

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Claims

Patentansprüche

1.' Verfahren zum selektiven Betreiben einer Vielzahl entfernter elektrischer Verbraucher von einer elektrischen Energiequelle über eine gemeinsame übertragungsleitung, über welche zugleich entsprechende Steuerbefehle für die Verbraucher im Multiplexbetrieb übermittelbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung der Steuerbefehle durch codierte Ultraschallwellen erfolgt. ·

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Energiezuführende der übertragungsleitung (3o) Mittel (21, 22, 24, 27) zum !Umsetzen von elektrischen Steuerbefehlen in codierte Ultraschall-Steuersignale vorgesehen sind, daß am Energieentnahmeende der übertragungsleitung (3o) Mittel (35, 43, 45, 46, R ) zum Empfangen der Ultraschall-Steuersignale und zum selektiven Durchschalten der elektrischen Energie entsprechend dem Signalcode zu den Verbrauchern (L ) vorgesehen sind und daß die übertragungsleitung (3o) so · ausgebildet ist,, daß sie außer der Übertragung der elektrischen Energie Ultraschallwellen zu übertragen vermag.

3. Einrichtung nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet , daß die Ubertragunasleitung ein massives Band aus einem Material mit geringem Widerstand sowohl gegenüber der elektrischen Stromleitung als auch der mechanischen Druckwellenfortpflanzung ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet , daß die übertragungsleitung aus einem Aluminiumband besteht, dessen Breite mindestens das . zwanzigfache von seiner Dicke beträgt und daß von seiner

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Umgebung durch ein Isoliermaterial abgeschirmt ist, welches zugleich eine Dämpfung gegenüber der Ausbreitung von Strudruckwellen an den Längskanten des Bandes bewirkt.

5. Einrichtung nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet , daß die Isolierabdeckung (36, 37) hohe dielektrische Eiaenschaften aufweist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5,dadurch aekennze ichnet, daß die isolierabdeckung aus einer inneren Seele (36) aus geschäumtem Kunststoff, welche die Breitseiten (32) des Bandes auf im wesentlichen dessen gesamter Länge überdeckt, und einem äußeren Dielektrikum (37) über der inneren Seele (32) besteht, welche die Schmalseiten des Bandes über im wesentlichen dessen gesamter Länge bedeckt und dichter ist als der geschäumte Kunststoff. . .

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel zum Umsetzen der elektrischen Steuerbefehle in die Ultraschall-Steuersignale und die Mittel zum Empfangen der Ultraschall-Steuersignale piezoelektrische Wandler (27, 41) enthalten.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, d a d u rc h gekennzeichnet , daß dem die codierten Ultraschall-Steuersignale erzeugenden piezoelektrischen Wandler (27)· ein Transmitter (.22) zur Erzeugung modulierter Steuerimpulse vorgeschaltet ist, dessen Trägerfrequenz wenigstens angenähert gleich der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Wandlers ist. . · .

9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Bandes (3o) so bemessen ist, daß sie weniger als die

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Schallwellenlänqe beträqt.

Ιο.. Einrichtung nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e η η ze lehnet., daß die piezoelektrischen Wandler (27, 41) als. an den Stirnseiten (34, 35) des Bandes (3o) befestigte Stäbe ausgebildet sind, deren Länge mindestens das zehnfache der Schallwellenlänqe beträqt.