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K-Leitung Signalqualitäten im Vergleich

Inhalt

Einführung
Signalverlauf
Fazit

Einführung

Ein Kriterium für die Güte eines Diagnoseinterface ist die Qualität des Signalverlaufs und die Latenz. Die elektrischen Signale durchlaufen auf dem Weg vom PC zum Fahrzeug bzw. in die andere Richtung eine Pegelwandlung. Elektrisch werden zwei Zustände unterschieden: High und Low, was auf der Seite der USB Bridge (PC) mit 0 bzw. 5 V dargestellt wird. Auf der Fahrzeugseite an der OBD Buchse sind die Signalstärken in Relation zur Fahrzeugbatterie definiert und es werden je nach Datenrichtung (gesendete oder empfangene Daten) unterschiedliche Mindestpegel erwartet. Low kann zwischen 0 V und max. 30 % der Batteriespannung liegen. High liegt zwischen 70 % und 100 % UBatt. Die Latenz gibt an, um wieviel Zeit das Signal auf dem Weg durch das Interface verzögert wird. Also die Zeitspanne zwischen dem Flankenwechsel am Eingang und dem daraus resultierenden Flankenwechsel am Ausgang. Da es deutliche Unterschiede zwischen den beiden Signalrichtungen gibt (Daten zum oder vom Fahrzeug), sind beide Signalverläufe zu betrachten.

Ist die Latenzzeit zu groß und kommt es zu zu großen Differenzen zwischen der Latenzzeit beim Senden und beim Empfangen, dann kann es passieren, daß die Kommunikation nicht stabil läuft, weil das zeitkritische Timing nicht eingehalten wird, welches vor allem bei der Initialisierung erforderlich sein kann. Je kürzer die Zeit, die zwischen dem Signalwechsel am Eingang und dem Signalwechsel am Ausgang vergeht, desto besser ist das Interface. Je geringer die Differenz der beiden Verzögerungszeiten für beide Signalrichtungen, desto besser.

Sind die Signalflanken nicht steil genug, sondern eher schräng (man spricht von "verschliffen"), dann kann keine zuverlässige Aussage darüber getroffen werden, ab welchem Zeitpunkt die Elektronik ein positives Signal erkennt. Schwingt die Signalflanke nach einem Pegelwechsel erst einmal ein wenig spricht man von Transienten. Diese können bei zu starker Ausprägung sogar dazu führen, daß die nachfolgenden Schaltkreise dies als mehrere Pegelwechsel interpertieren. Fehler in der Datenübertragung wären dann die Folge. Bei einem guten Signalverlauf sind die Flanken möglichst steil und es treten keine Transienten auf, wobei Transienten im Signal auf der PC Seite (rote Linie unten in den Diagrammen) i. d. R. weniger kritisch sind.

Signalverlauf

Die Tabelle zeigt den Signalverlauf für typische Diagnoseinterface und Bustreiber, die alle unterschiedliche Verfahren zur Signalkonvertierung nutzen. Die rote Kurve zeigt den Signalverlauf auf der PC Seite (hinter der USB Bridge) und der gelbe Signalverlauf gibt die Spannung an der OBD Buchse im Fahrzeug wieder. Zu beachten ist, daß bei der roten Kurve der Teiler auf 1 V steht und bei der gelben auf 2 V. Der Abstand zwischen zwei horizontalen Gitternetzlinien beträgt also 1 V bzw. 2 V. Das Signal auf Seite des PCs erreicht also 5 V und auf der Fahrzeugseite liegt die maximale Spannung bei etwa. 11,6 V. Der Nullpunkt wurde für beide Signale exakt auf -3,00  gelegt. Die zeitliche Skalierung (Abstand zwischen zwei vertikalen Gitternetzlinien) wurde bei einzelnen Abbildungen verändert. Unterhalb des Signalbildes kann die Skalierung abgelesen werden.

  TxD
(PC → Kfz)
RxD
(Kfz → PC)
China USB

China USB
USB China Interface TxD

Die Latenzzeit ist mit 175 ns ausgesprochen kurz, wenn man lediglich den Punkt betrachtet, an dem das Signal von Low auf High wechselt. Allerdings wird das Ausgangssignal stark verschliffen. Objektiv müßte man daher die Zeit bis zu dem Punkt betrachten, an dem das Ausgangssignal 70 % der maximalen Spannung erreicht. Das wären dann ca. 775 ns. Bis das Ausgangssignal 100 % erreicht dauert es 2,25 µs An beiden Signalen kommt es zu Transienten mit teilweise mehr als 0,8 V.
USB China Interface RxD

Die Latenzzeit ist deutlich länger (625 ns) als in die andere Datenrichtung. Auch hier wird das Eingangssignal stark verschliffen (vermutlich durch die zu hohe ohmsche Belastung mit einem 1.000 Ω Widerstand anstelle der normierten 510 Ω).
AGV 4000 im
KKL-Transitmodus

AGV 4000
USB Expert Interface TxD

Die Latenzzeit beträgt 2,9 µs bei relativ steiler Signalflanke für das Ausgangssignal.
USB Expert Interface RxD

Die Latenzzeit ist deutlich kürzer als im Bild links (1,5 µs). Während das Eingangssignal nur ein wenig verschliffen ist, zeigen sich am Ausgang Transienten mit über 1,1 V.
K²L901
mit L9637

K²L901
USB K2L901 Interface TxD

Die Latenzzeit beträgt am Nullpunkt betrachtet 3,2 µs. Das Ausgangssignal ist leicht verschliffen, wobei aber der Signalwechsel am Ausgang innerhalb von vertretbaren 3 µs liegt. Die Transienten im Moment des Signalwechsels am Eingang liegen bei knapp 0,9 V.
USB K2L901 Interface RxD

Auch hier zeigt sich eine nicht ganz perfekte Signalflanke mit dem typischen Knick des L9637 Signalwandlers. Die Latenzzeit beträgt 3,3 µs und ist somit fast identisch mit der Zeit die das Signal in die andere Laufrichtung verzögert wird.
MC33290
(Abgekündigt)
MC33290 TxD

Mit gerade einaml 125 ns ist die Latenzzeit sehr kurz. Auch die Signalflanke wird nicht zu gravierend verschliffen. Allerdings treten deutliche Transienten mit um die 2,0 V auf.
MC33290 RxD

Die Latenzzeit beträgt 575 ns und ist damit zwar sehr kurz, aber die Differenz zum linken Signalbild ist erheblich.
MC33660
(Nachfolger des MC33290)
MC33660 TxD

Beim neuen MC 33660, der vollständig funktions- und pinkompatibel zum MC 33290 ist, beträgt die Latenz noch etwas weniger: nur 75 ns. An den Signalflanken und den deutlichen Transienten hat sich im Vergleich zum Vorgänger nichts geändert.
MC33660 RxD

Die Latenzzeit ist mit 600 ns minimal länger als beim Vormodell aber immer noch sehr kurz. Dafür zeigen sich jetzt auch hier in beiden Kurven deutliche Transienten.
Jeffs Interface
(SFH615 Optokoppler)
Serielles RS232 Jeffs Interface TxD

Da es sich um ein serielles Interface handelt, sind die Signale an der RS232 Schnittstelle invertiert und liegen mit anderen Signalpegeln an. Dem wird durch einen auf der y-Achse verschobenen Nullpunkt Rechnung getragen.

Neben deutlichen (aber unkritischen) Störungen auf der PC Datenleitung fällt vor allem die hohe Latenzzeit mit 17,5 µs auf.
Serielles RS232 Jeffs Interface RxD

Die Latenzzeit ist mit 2,1 µs im Normalbereich. Auffällig ist aber das starke verschleifen beider Signale.

Fazit

Wie man sieht, gibt es bei keiner Art der Signalwandlung ein optimales Resultat. Einige Lösungen liefern einen guten Signalverlauf (teilweise aber nur in einer Richtung) oder die Latenzzeiten zwischen den beiden Signalrichtungen weichen stark voneinander ab. Es wäre vermessen deshalb eine der gezeigten Lösungen als die optimale auszugeben. Je nach Diagnosesoftware und Steuergerät im Fahrzeug kann die Kommunikation mit der einen oder anderen Technik funktionieren oder scheitern. Der L9637 im K2L901 stellt aber einen guten Kompromiß zwischen gutem Signalverlauf mit mäßig verschliffenen Flanken bei annähernd gleicher Latenzzeit in beide Signalrichtungen dar.