DE3246562C2

DE3246562C2 - Verfahren und Einrichtung zum selektiven Betreiben einer Vielzahl entfernter elektrischer Verbraucher im Multiplexbetrieb

Info

Publication number: DE3246562C2
Application number: DE3246562A
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: 1983-12-01
Also published as: GB2153184A; GB2112978B; GB8430818D0; DE3246562A1; JPS58127536A; GB2153184B; GB8427696D0; CA1187160A; JPH0245426B2; GB2112978A; US4442515A

Abstract

Ein Verfahren und eine Einrichtung zum selektiven Betreiben einer Vielzahl entfernter elektrischer Verbraucher über eine gemeinsame Übertragungsleitung, über welche zugleich entsprechende Steuerbefehle für die Verbraucher im Multiplexbetrieb übermittelbar sind, arbeiten mit Übertragung der Steuerbefehle durch codierte Ultraschallwellen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum selektiven

ίο Betreiben einer Vielzahl entfernter elektrischer Verbraucher von einer elektrischen Energiequelle über eine gemeinsame Übertragungsleiturg, 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 Fahrlichter, linke und rechte Signalblinker, Rücklichter, Bremslichter sowie die Heckscheibenheizung. Jeder VerbraLchertyp erfordert nach herkömmlicher Weise besondere Steuerleitungen, welche ihn mit dem entsprechenden Schalter in der Nähe des Fahrersitzes verbinden. Die Gesamtheit der Verkabelung bringt als Ergebnh einer solchen herkömmlichen Lösung Erschwernisse in der Form von Materialkosten, Herstellungsaufwand, Raumbedarf und Fahrzeuggewicht mit sich.

Verschiedene Typen elektrischer Systeme sind inzwischen vorgeschlagen worden, die darauf gerichtet sind, eine wesentliche Verminderung im Verkabelungsaufwand eines Fahrzeuges zu erzielen. Ein guter Überblick üb3r diese Systeme ist in einer Veröffentlichung mit dem Tilel »Time-Shared Multiplexing System Applied to Motor Vehicles« von L J. Neveti, veröffentlicht von der Society of Automotive Engineering, Inc..

4« 23. Februar 1976 als Druckschrift 7 60 181 enthalten, auf welche hier Bezug genommen wird. Die von Neveti 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 eine/ die Leistung übertragenden Sammelschiene arbeitet, welche dazu bestimmt ist, gleichzeitig elektromagnetische Hörfrequenzen zu übertragen. In solchen Fällen, in denen Befehlssignale von dem Befehlsmodule zu einem passenden Empfänger elektrisch übertragen werden, besteht eine große Anfälligkeit gegenüber dem Eindringen von Störsignalen und elektromagnetischer Interferenz (EMI) in die Signalübertragungsleitung, welche den Befehlssignalempfang beeinflußt. Auf der anderen Seite bestehen dort, wo ein Glasfasermedium zur Übertragung der Steuersignale die Störsignal- und EMI-Probleme der elektrischen Befehlsübertrager aus-

bo schaltet, am Schluß Probleme (Termination-Probleme). von denen behauptet wird, daß sie die Vorteile der Verwendung von Glasfaserbündeln als Befehlssignal-Übertragungsmitteln in Fahrzeugen übersteigen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es. ein

o5 Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine zu dessen Durchführung geeignete Einrichtung zu schaffen, die gegenüber den bekannten Multiplex-Übertragungssystemen keinerlei Störanfälligkeit der Steuersignale

und keine elektromagnetischen Interferenzen aufweist, iirvi die erwähnten Abschlußprobleme vermeidet

Die Erfindung löst diese Aufgabe verfahrensmäßig dadurch, daß die Übertragung der Steuerbefehle durch codierte Ultraschallwellen erfolgt

Eine Einrichtung zur Durchführung cies Verfahrens nach Anspruch 1 zeichnet sich dadurch aus, daß am Energiezuführende der Übertragungsleitung Mittel zum Umsetzen von elektrischen Steuerbefehlen in codierte Ultraschall-Steuersignale vorgesehen sind, daß am Energieentnahmeende der Übertragungsleitung Mittel zum 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 wire¹ nachstehend in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 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

F i g. 4 in perspektivischer Darstellung einen Steckerabschluß an dem einen Ende der Übertragungsleitung.

In Fig. 1 ist mit 30 eine Übertragungsleitung bezeichnet, die einen Befehlsübertragermodul 20 mit einem Empfängermodul 40 verbindet. Elektrische Gleichstromenergie wird von einer Batterie ßüber eine Leitung 28 dem gesamten System zugeführt. Der Befehlsmodul 20, der von der Leitung 28 über eine Leitung 26 mit elektrischer Energie gespeist wird, ist mit einer Vielzahl von »n« Eingangsschaltern SWi — 5W_n verbunden, die einzeln betätigt werden können, um das Einschalten eines spezifischen entsprechenden Verbrauchers L] — L_n 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 Eingangsschaltcr SW^-SW_n in eine Folge digitaler Wörter um. jedes digitale 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 in fortlaufender Folge die Eingangschalterleitungen ab und erzeugt ein digitales Wort für jeden geschlossenen Schalter. Die digitalen 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 23_P eines Isoiiertransformators 24 zugeführt und an dessen Sekundärwicklung 25_S ausgegeben. Der Ausgang des Isoliertransformators 24 wird einem Übertragungswandler 27 zugeführt, der Druckwellenschwingungen erzeugt, die sich entlang der Länge des Bandes 30 fortpflanzen. Der Empfängermodul 40 ist an einen Empfängerwandler 41 angeschlossen, der am entgegengesetzten Ende des Bandes 30 angebracht ist und die übertragenen Druckwellenimpulse in elektrische Energieimpulse bei seiner Resonanzfrennenz umsetzt. Die elektrische Energieimpulse werden durch eine Primärwicklung 42p eines Isoliertransforrnators 43 und über dessen Sekundärwicklung 44_S einem Empfänger- und Impuls-Reger.eratorkreis 45 zugeführt Der Kreis 45 demoduliert den Träger von den empfangenen Signalen und liefert Gleichstromimpulse zu einem Decoder 46. Der Decoder 46 liefert ein Auslösesignal an einer von einer Vielzahl von Ausgangsleitungen zu einem Auslöserelais. Das Schließen dieses Relais vervollständigt einen geschlossenen ίο Stromkreis zu einem entsprechend angeschlossei^n Verbraucher und bewirkt, daß diesem Energie zugefünrt wird. Die Energiezufuhr für den entsprechenden Verbraucher erfolgt über eine Versorgungsleitung 47, die an das Empfängerende des Bandes 30 angeschlossen ist Der Gleichstromfluß wird durch das Band 30 geleitet und von der über die Leitung 4Äan 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 F i g. 1 gezeigte Einrichtung arbeitet unter weiterer Bezugnahme auf die Spannungs- und Druckwellendiagramme in den F i g. 2A, 2B, 2C, 2D und 2E wie folgt:

Es sei beispielsweise angenommen, daß der elfte Eingangsschal'er 5Wn geschlossen sei. Das digitale Wort am Ausgang des Encoders 21 lautet entsprechend 110111. 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 Größenordnung von 1—2 MHz). Der Transmitter 22 gibt somit eine Serie von modulierten Impulsen im Zeitraum entsprechend dem digitalen Worteingang aus, und dieses Ausgangssignal ist in F i g. 2B gezeigt. Die von der Transmittereinheit 22 erzeugte Trägerfrequenz ist so ausgewählt, daß sie eng angenähert der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Wandlers 27 ist, und ein jeder Impuls wird zu den Wandler über einen Isoliertransformator 24 übertragen. Der Isoliertransformator 24 hat eine Primärwicklung 23p sowie eine Sekundärwicklung 25_S, deren eines Ende mit dem piezoelektrischen Wandler 27 und deren anderes Ende mit dem Band 30 verbunden sind. Der

so piezoelektrische Wandler 27 ist an die Endfläche 34 des Bandes 30 angekittet und ist ein Dicken-Querwellenwandler, der eine Querwellenbewegung mit einer Partikelverlagerungsrichtung parallel zu den Hauptseiten 32 des Bandes erzeugt. Der Übertragungswandler 27 setzt die hochfrequente Eingangsimpulskette in eine Kette von Druckimpulsen um, die sich längs dem Band 30 fortpflanzen. Die übertragenen Druckwellen sind in F i g. 2C veranschaulicht.

Nach dem Durchlaufen der Länge des Übertragungsleiters 30 werden die mechanischen Ultraschallwellenimpulse wiederum in elektrische Energieimpulse durch den Empfängerwandler 41 umgesetzt, der gegen die empfängerseitige Endfläche 35 des Bandes 30 angekittet ist. Diese elektrischen Energieimpulse sind in Fig. 2D gezeigt. Der Empfang der Ultraschallsignale ist mit einer zeitlichen Verzögerung Td verbunden, die von dem für das Band 30 verwendeten Material ebenso wie von der Bandlänge abhängig ist.

Die in Fig.2D gezeigten elektrischen Eriergieimpulse werden in Gleichstrom-Bit-impulse gemäß Fig. 2E durch den Empfänger- und Impulsgeneratorkreis 45 umgewandelt. Der Decoder 46 empfängt die Bit-Impulse und schaltet demzufolge das elfte Auslöserelais Rw ein, welches den entsprechenden elften Verbraucher steuert. Natürlich ist der Ausdruck »Auslöserelais« Gattungsname zu bloßen Erläuterungszwecken, da diese Einrichtungen in jeder herkömmlichen Art einschließlich Halbleiter-Leistungsschaltern ausgebildet sein können.

Der Aufbau des Übertragungsleiters 30 ist in F i g. 3 gezeigt. Der Leiter 30 besteht aus einem langgestreckten massiven Stück Aluminiiimband mit zwei Breitseiten 32, zwei Schmalseiten 33 und zwei Endflächen 34 bzw. 35 (wobei die Endfläche 35 identisch zur Endfläche 34 ausgebildet und in Fig. 3 nicht gezeigt ist). Die Dicke des Aluminiumbandes ist so gewählt, daß das Band als mechanischer Wellenleiter für die Ausbreitung von Querwellen der niedrigsten Größenordnung wirkt, die nichtzerstreuend sind und für welche die Partikelbewegungsamplitude über die Dicke hinweg konstant ist. In diesem Fall ist die Dicke des Bandes so ausgewählt, daß sie weniger als die Hälfte der akustischen Wellenlänge beträgt, wodurch sichergestellt ist, daß die Energie sich in nichtzerstreuender Weise fortpflanzt. Die Länge des stabförmigen piezoelektrischen Wandlers 27 an der Endfläche 34 ist so bemessen, daß sie mindestens 10 Wellenlängen beträgt. Die Breite des Bandes 30 ist etwas größer als die Länge des Wandlers 27. so daß die übertragene Welle auf einen mittleren Bereich weg von den Schmalseiten 33 des Bandes 30 begrenzt ist. Die Schmalseiten 33 des Bandes 30 sind mit einem akustischen Absorber überdeckt, der das Bestreben hat, jegliche Sekundär- oder Störwelienbewegungen zu absorbieren, die erzeugt werden, wenn sich Energie von der Hauptquelle seitlich ausbreitet und mit den Schmalseiten des Bandes 30 zusammenwirkt.

Der Absorber ist in der Form eines Isolators 37 aus massivem Kunststoff, der sich über die Länge des Bandes 30 erstreckt. Der Massivkunststoff-Isolator 37 wird von den B eitseiten 37 des Bandes 30 durch eine innere Seele aus Schaumkunststoff 36 entfernt gehalten. Der Schaumkunststoff 36 in Verbindung mit dem Massivkunststoff-lsolatcr 37 liefert eine elektrische Isolation und einen Schutz gegen Verschmutzung und

ίο Feuchtigkeitsbefall, während er gleichzeit eine vernachlässigbare mechanische Belastung auf die Breitseite 32 ausübt.

Fig.4 veranschaulicht die Konstruktion eines stekkerartigen Verbindungsstückes, wie es zum Anschluß

1s des Bandes gemäß den F i g. 1 und 3 verwendet wird. Bei dieser Konstruktion sind die mit den Leitungen 26 bzw. 28 zu verbindenden Stifte 26' und 28' mit den Schmalseiten 33 des Bandes 30 verbunden, während die Stifte 23' und 23" an die Primärwicklung 23p des Isoliertransfcrmators 24 angeschlossen sind, der sich innerhalb des Steckers befindet. Ein Gehäuse 62 aus Keramikmaterial bestimmt die Lage der Stifte 26', 28', 23' und 23" und stellt eine steife mechanische Verbindung zu den Sehmalseiten 33 des Bandes 30 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 Einrichtung würde das Aluminiumband 30 eine Breite in der Größenordnung von 12,7 mm, eine Dicke von angenähert 0.635 mm und eine Länge von angenähert 3.05 m besitzen. Der elektrische Widerstand eines solchen Aluminiumbandes würde etwa 0,1 Ohm betragen und die Einfügungsverluste in der Übertragung eines Impulswellensignals in der GrößenorH-.iung von 1 —2 MHz durch ein solches Band würden weniger als 10 dB sein.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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 (30) Mittel (21, 22, 24, 27) zum Umsetzen von elektrischen Steuerbefehlen in codierte Ultraschall-Steuersigna!« vorgesehen sind, daß am Energisentnahuieende der Übertragungsleitung (30) Mittel (35, 43, 45, 46. A_n) zum Empfangen der Ultraschall-Steuersignale und zum selektiven Durchschalten der elektrischen Energie entsprechend dem Signalcode zu den Verbrauchern (L_n) vorgesehen sind.

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

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsleitung aus einem Aluminiumband besteht, dessen Breite mindestens das zwanzigfache seiner Dicke beträgt und das von seiner Umgebung durch ein Isoliermaterial abgeschirmt ist, welches zugleich eine Dämpfung gegenüber der Ausbreitung von Ultraschallwellen an den Längskanten des Bandes bewirkt.

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

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Isoüerabdeckung 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, dadurch 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 (30) so bemessen ist, daß sie weniger als die Schallwellenlänge beträgt.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Wandler (27, 41) als an den Stirnseiten (34, 35) des Bandes (30) befestigte Stäbe ausgebildet sind, deren Länge mindestens das zehnfache der Schallwellenlänge beträgt