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Problem

Lösungsidee

Immer umfangreichere elektrische Installationen im Kfz erfordern ein stets wachsendes Leitungsnetz.
Das bringt mehrere Schwierigkeiten:

Platzmangel führt zu Installationsproblemen: z.B. Kabelbaum unter dem Armaturenbrett, auf dem die Bedienelemente angeordnet sind
Durchführungen, insbesondere bewegliche vieladriger Leitungen: z.B. Fahrertür (Spiegelverstellungen, Spiegelheizung, Fensterbewegung, Zentralverriegelung)
Wartungsprobleme: kaum Möglichkeiten, neue Leitungen einzuziehen, Schwierigkeiten, Leitungen zu identifizieren und zu verfolgen.
EMV (elektromagnetische Verträglichkeit): Jede nicht abgeschirmte Elektroleitung wirkt wie eine Antenne, die elektromagnetische StörSignale senden oder empfangen kann. Werden im Kabelbaum viele Leitungen dicht nebeneinander parallel verlegt wächst die Gefahr der gegenseitigen Beeinflussung.
Gewicht
Rohstoffverbrauch
Preis

Lösungsidee

Technische Lösung

Alle Verbraucher könnte man an eine Ringleitung anschließen, die ihrerseits mit Batterie-Plus verbunden ist. Da durch diese eine Leitung alle Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt werden, muß sie einen entsprechend großen Querschnitt haben. Der Rückstrom könnte wie bisher über das Fahrzeugchassis erfolgen oder es ist eine zweite Masseringleitung erforderlich. An jedem Verbraucher gibt's ein Relais, das den Stromkreis durch den Verbraucher öffnet bzw. schließt.
Mit Hilfe der Elektronik müße es möglich sein, über eine weitere Ringleitung, jedem einzelnen Verbraucher gezielt Steuerimpulse zukommen zu lassen, die diesen über sein Relais an- bzw. abschalten. Diese Steuerringleitung kann sehr dünn sein, da hier keine Energie transportiert werden soll, sondern nur Informationen.
Damit reduziert sich im Prinzip das Bordnetz für alle Verbraucher auf drei Leitungen

Plus - Ringleitung

Masse - Ringleitung

Steuer- Ringleitung

Die funktioniert zur Zeit nur im Prinzip, da es für viele wichtige Verbraucher noch unmöglich ist, über den Bus angesteuert zu werden (s.u.).
Diese Steuerleitung wird übrigens BUS genannt.
Im Vergleich mit einem Omnibus, der viele verschiedene Menschen an unterschiedlichen Haltestellen aufnimmt und an anderen wieder absetzt, transportiert die Steuerringleitung Signale von vielen Schaltern (Sensoren) zu völlig voneinander unabhängigen Verbrauchern (Aktoren). Das Beispiel unten zeigt die Möglichkeit, wo alle Schaltersignale an einer Stelle eingesammelt und auf den Bus gegeben werden.
Will der Fahrer also z.B. das Fenster der Beifahrertür senken, so betätigt er wie bisher den entsprechenden Schalter seiner Schaltkonsole. Dieser schaltet aber nicht wie bisher den Energiefluß zum Fensterhebemotor direkt durch, sondern liefert die Information über seinen Schaltzustand an eine Elektronikbox. In dieser Box laufen so die Informationen über alle möglichen Schalterzustände (Licht, Signalanlage, Sitzverstellung,...) zusammen, und die Elektronik verarbeitet das zu einem für den jeweiligen Gesamtschaltzustand typischen Sendesignal, das sie auf die Steuerringleitung gibt.
Dieses Signal muß zu den Empfängern gesendet werden. Es gibt drei Sendestrategien:

Das Signal hat sich geändert, weil z.B. ein Schalter betätigt wurde

Ein Empfänger fordert das Signal an

Es wird in regelmäßigen zeitlichen Abständen gesendet

Jeder Verbraucher benötigt nun einen Empfänger für das Signal der Steuerleitung. Dabei muß der Empfänger so intelligent sein, daß er aus dem Gesamtsignal nur den für ihn bestimmten Teil herausfiltern kann und entsprechend reagiert, den weitaus größten Teil des Signals jedoch völlig unbeachtet lässt. Also der Empfänger am Fensterhebermotor der Beifahrerseite beachtet nur den Teil des Gesamtsignals, der sich ändert, wenn der entsprechende Schalter vom Fahrer (oder Beifahrer) betätigt wird.

Technische Lösung

Multiplexsignal

Die Ringleitungen wurden oben bereits beschrieben.
Die zugehörige Steuerung ist natürlich komplizierter. Da uns hier jedoch keine Details aus der Hexenküche der Elektronik interessieren, werden wir uns auf das beschränken, was man zum Verständnis der Funktion sowie zur Fehlersuche benötigt.
Die beiden für dieses Bussystem entscheidenden Komponenten stellt die Digitaltechnik bereit.
Sie werden Multiplexer (Sender) bzw. Demultiplexer (Empfänger) genannt.
Der Multiplexer verarbeitet mehrere Eingangssignale zu einem typischen Ausgangssignal, das er über den Bus an die Demultiplexer sendet. Jeder an den Multiplexer angeschlossene Schalter liefert diesem ein binäres Eingangssignal (Pegel 0 - Pegel 1).
Multiplex1

Verändert sich nun ein Eingang, so ändert der Multiplexer sein Ausgangssignal nur an der dafür zuständigen Stelle.
Das Ausgangssignal des Multiplexers ist das Eingangssignal für den Demultiplexer. Dieser hat entsprechend nur einen Eingang (nämlich die Busleitung) aber mehrere Ausgänge, die er je nach empfangenen Signal an auf Masse oder auf Plus durchschaltet. Über diese Ausgänge des Demultiplexers lassen sich nun die Verbraucher unabhängig voneinander aber abhängig vom Bussignal betätitgen.
Dieses System ist jedoch zu langsam, als daß man zeitkritische Signale (Signale, die unverzüglich zu verarbeiten sind) auch über ihn leiten könnte. Dazu gehören z.B. die Motorsteuerung, ABS, ASR und Airbag.

Multiplex2 Innendarstellung eines Verbrauchers

Multiplex2 Innendarstellung eines Verbrauchers

Schalter (S1 ...S8) u. Multiplexer sind im Bedienbereich des Fahrers.
Die Verbraucher sind irgendwo im Fahrzeug montiert.
Jeder Verbeucher besteht aus den 3 Komponenten Demultiplexer, Endstufe und eigentlicher Verbraucher (z.B. Motor, Magnetventil, Lampe,...)
Jeder Verbraucher kann seinen eigenen Demultiplexer haben.
Alle Geräte sind somit an denselben 3 Leitungen angeschlossen (3-fach-Stecker).
Da das Ausgangssignal des Demultiplexers zu schwach ist, ist jeweils eine Endstufe zum Antrieb des Verbrauchers erforderlich.
Mit diesem System lassen sich bis zu 8 verschiedene Verbraucher bzw. Verbrauchergruppen über eine einzige Signalleitung unabhängig voneinander schalten. Es gibt auch Multiplexer, die 16 Eingangssignale auf eine Busleitung packen.

In diesem Beispiel wird die komplette Heckbeleuchtung über ein Multiplexsystem gesteuert. Ein einziger Multiplexer wandelt die Schaltersignale in das Bussignal. Die Busleitung übertägt dieses Bussignal zum Demultiplexer im Heckbereich des Fahrzeugs. Jeder Ausgang des Demultiplexers treibt ein Relais, das dann die zugehörige Lampe eingeschaltet.

Dieses Beispiel zeigt die Möglichkeiten des Multiplexsystems. Ich kenne jedoch kein Fahrzeug, wo die Heckbeleuchtung tatsächlich so geschaltet ist.

Multiplexsignal

Busleitung als Lichtwellenleiter

Das Geheimnis des Multiplexsystems liegt natürlich in dem Signal, das vom Multiplexer über die Busleitung an den Demultiplexer gesendet wird. Dieses Signal muss alle Informationen enthalten, die die 8 Schalter (jeweils EIN / AUS) haben können. In diesem Fall sendet der Multiplexer für jeden Schalter einen Rechteckimpuls in der Reihenfolge der Schaltereingänge am Multiplexer. Diese 8 Rechteckimpulse bilden ein Datentelegramm oder auch Telegramm, das in regelmässigen Abständen ständig wiederholt wird. Das Bild lässt sich auf einem Oszilloskop sehr gut sichtbar machen und ist unten abgebildet. Multiplexsignal alle Schalter offen

Während in der oberen Abbildung alle Schalter ausgeschaltet sind, zeigt das untere Bild den Zustand, wo die Schalter 1, 2, 3, 5 und 8 AUS, die Schalter 4, 6 und 7 jedoch EIN geschaltet sind.
Der Impuls des entsprechenden Schalters wird also bei EIN nicht völlig unterdrückt, sondern die Impulsweite wird auf die Hälfte reduziert. So hat es der Demultiplexer einfacher mitzuzählen, welche Impuls gerade ankommt. Multiplexsignal nicht alle Schalter offen

Multiplexsignal

Busleitung als Lichtwellenleiter

Funktionserweiterung

Da der Bus keine Energie transportiert sondern nur Informationen, läßt sich dazu auch ein Lichtwellenleiter (LWL) einsetzen.
Vorteile	Nachteile
leichter, störungsunempfindlich, billiger, wesentlich höhere Übertragungskapazität	etwas erhöhter Aufwand

Eine Übertragungsstrecke mit LWL sähe damit folgendermaßen aus:

Multiplexer

LWL-Sender (LED)

optischer Steckverbinder für LWL

LWL

optischer Steckverbinder für LWL

LWL-Empfänger (Fototransistor)

Demultiplexer

Busleitung als Lichtwellenleiter

Funktionserweiterung

Seitenende

In diesem System gibt es nur einen einzigen Sender. Es können aber beliebig viele Empfänger angeschlossen sein, die alle mithören, aber jeweils nur auf ihr spezielles Signal reagieren und alle anderen Signale missachten. Interessanter wird ein System, wo mehrere Sender über dieselbe Busleitung mit den verschiedenen Empfängern kommunizieren. Es lässt sich z.B. vorstellen, dass die Sensoren ihre Signale direkt auf den Bus geben, und so allen angeschlossenen Empfängern direkt mitteilen.
Erst damit wäre ein Bordnetz möglich, das im Wesentlichen tatsächlich nur aus drei Leitungen besteht.

Zu den Mindestanforderungen an eine solche Anlage gehören z.B.:

Man benötigt intelligente Sensoren und Schalter. Jeder Sensor muss sein Signal selbst so codieren können, dass es dem Übertragungsprotokoll des Gesamtsystems entspricht

Alle an der Kommunikation Beteiligten müssen dieselbe Sprache sprechen.
Die Elektronikkomponenten müssen genügend hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten erreichen, um auch sich rasch ändernde Signale sinnvoll berücksichtigen zu können.
Die Sendeberechtigungen müssen klar geregelt sein.

Es darf nicht vorkommen, dass zwei oder mehr Sender gleichzeitig senden