Sensorkommunikation
Mit PSI-Kräften vernetzen
Die Zahl der Sensoren in Fahrzeugen nimmt rapide zu. Die Schnittstelle PSI5 verbindet sie bidirektional mit der Steuerung – einzeln oder als Bussystem.
Von Rich Miron, Applications Engineer bei Digi-Key Electronics
Sicherheit hat beim Automobilbau oberste Priorität, weswegen Entwickler immer mehr Sensoren und Fahrerassistenzsysteme integrieren. Das Problem dabei ist, dass diese Systeme eine gemeinsame Schnittstelle benötigen und trotz der enormen Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen, der Vibrationen und der Probleme mit der elektromagnetischen Verträglichkeit dazu in der Lage sein müssen, zuverlässig und fehlerfrei miteinander zu kommunizieren.
Entwickler sollten daher unbedingt einen Blick auf sensorbasierte Lösungen werfen, die mit der Sensorschnittstelle PSI5 (Peripheral Sensor Interface 5) kompatibel sind. Hierbei handelt es sich um eine robuste, wenig störungsanfällige Schnittstelle. Ursprünglich für Airbag-Systeme verwendet, kommt sie in zunehmendem Maße in aktuellen Automobilanwendungen mit einer Vielzahl von Sensoren zum Einsatz.
Dieser Artikel gibt eine Einführung zum PSI5-Bus, bevor verschiedene PSI5-Systemlösungen vorgestellt und beschrieben werden und auf ihre Verwendung zur Konfiguration eines sensorbasierten Steuersystems eingegangen wird.
Die periphere Sensorschnittstelle (PSI5)
Die PSI5-Schnittstelle wird zur Verbindung mehrerer Sensoren mit elektronischen Steuereinheiten (ECUs) verwendet. Sie wurde als primärer Bus für die Sensorkommunikation in Airbag- und den zugehörigen Rückhaltesystemen eingesetzt. Dieser offene Standard kann von der Website der PSI5-Organisation auf PSI5.org heruntergeladen werden. Die aktuelle Spezifikation ist die PSI5-Version 2.3, die als gemeinsamer Basisstandard für alle Sub-Standards inklusive derjenigen für Airbag-System, Fahrwerks- und Sicherheitskontrolle sowie Antriebsstrang veröffentlicht wurde.
Der PSI5-Standard ist als Zweidraht-Bus (Twisted-Pair-Bus) implementiert, wobei eine strommodulierte Datenübertragung mit Manchester-Codierung bei Datenraten von 125 kbit/s (optional 189 kbit/s) verwendet wird. Im Vergleich zu anderen üblichen Datenbussen in der Automobiltechnik handelt es sich um eine Schnittstelle mittlerer Geschwindigkeit (Tabelle 1).
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PSI5 bietet im Segment der mittleren Geschwindigkeiten den Vorteil, dass es günstiger ist als CAN oder FlexRay und dennoch eine mit Sensordaten kompatible Datenrate bietet. Zum Vergleich: Der SENT-Datenbus ist ebenfalls für die Übertragung von Sensordaten gedacht, jedoch mit der Einschränkung, dass er ausschließlich Daten vom Sensor an die elektronische Steuereinheit (ECU) senden kann. PSI5 dagegen ist bidirektional und ermöglicht so die Adressierung und Konfiguration von Sensoren.
Eine typische Implementierung von PSI5 in einer ECU für die Automobiltechnik umfasst einen Mikrocontroller, der mehrere Schnittstellen unterstützt (Bild 1).
Die Kästchen rechts neben dem Mikrocontroller in Bild 1 zeigen die unterstützten E/A-Ports. Hierbei handelt es sich um Ethernet-, CAN- (Controller Area Network), LIN- (Local Interconnect Network) und FlexRay-Kommunikationsbusse für die Automobiltechnik sowie SENT- (Single Edge Nibble Transmission) und PSI5-Sensorschnittstellen. Diese KFZ-ECUs sind hochintegriert und können Delta-Sigma-Analog/Digital-Wandler (ADW) für schnelle und exakte Sensormessungen umfassen.
Bitübertragungsschicht von PSI5
Die ECU ist über zwei Drähte mit den Sensoren verbunden. Die Verwendung einer verdrillten Zweidrahtleitung reduziert die Implementierungskosten im Vergleich zu den anderen Bussen, die drei oder mehr Drähte verwenden. Dieselben zwei Drähte werden für die Strom- und die Datenübertragung verwendet. Die ECU kann einen integrierten oder einen separaten PSI5-Transceiver nutzen, um die Sensoren mit einer geregelten Spannung zu versorgen und die von den Sensoren übertragenen Daten zu lesen. Die Sensordaten werden durch Strommodulation unter Verwendung der Manchester-Codierung an die ECU übertragen (Bild 2).
Der Sensor überträgt Daten, indem er die Stromstärke vom Basisstrom (dem Nenn-Ruhestrom des Sensors) auf den Maximalwert erhöht. Im Beispiel betragen der Basisstrom 10 mA und der Maximalwert 40 mA, was einen Unterschied von 30 mA bedeutet.
Die Manchester-Codierung nutzt die Stromübergänge nach der Hälfte eines Bitzeit-Intervalls. Die Strommodulation wird im PSI5-Transceiver erkannt, wobei eine logische „0“ durch eine positive Flanke und eine logische „1“ durch eine negative Flanke repräsentiert werden. Im Bild ist ein Bitzeit-Intervall durch die vertikalen Cursor markiert. Das Oszilloskop HDO4101A von Teledyne LeCroy mit einem optionalen Manchester-Decoder unterteilt das PSI5-Paket in dreizehn Bitzeiten, die durch die vertikalen blauen Linien angezeigt werden. Die Stromübergänge nach der Hälfte eines Bitzeit-Intervalls repräsentieren die Datenwerte, die das Oszilloskop den Übergängen überlagert.
Die ECU kommuniziert mit den PSI5-Sensoren mittels Spannungsmodulation. Diese Methode wird auch verwendet, um die Datenübertragung von den Sensoren zu synchronisieren.
Wenn nur ein Sensor mit der ECU verbunden ist, steuert dieser Sensor Timing und Wiederholungsrate der Datenübertragung. Sind mehrere Sensoren angeschlossen, steuert die ECU die Synchronisierung und Datenübertragung. Mehrere Sensoren können in einer Parallel- oder Buskonfiguration oder in einer Reihenschaltung von Sensoren angeschlossen werden. Auf die verschiedenen Konfigurationen wird später genauer eingegangen.
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- Datenverbindungsschicht
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