ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УРОВНЕЙ И СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЗНАЧЕНИЙ УРОВНЕЙ В УСТРОЙСТВАХ УПРАВЛЕНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
LEVEL CONVERTER AND METHOD FOR CONVERSION OF LEVEL VALUES IN VEHICLE CONTROL DEVICES

Изобретение относится к преобразователю уровней для устройства управления транспортного средства и к способу преобразования значений уровней в устройствах управления транспортных средств и, в частности, к преобразователю уровней Tristate (с 3 состояниями) в критических для безопасности системах.
В автомобильной технике и, в частности, в критических для безопасности системах часто требуется установить значения уровней для нескольких регулируемых уровней или состояний. Например, это значения напряжения: 0 или 5 В, или высокоомное состояние. Релевантные для безопасности системы включают в себя, например, ABS (антиблокировочную систему), EBS (электронную тормозную систему), ESP (систему динамической стабилизации) или исполнительный механизм коробки передач.
Названное преобразование для трех состояний (так называемые системы с тремя состояниями - Tristate) используется, например, чтобы подавать аналоговые сигналы с тремя различными значениями напряжения или дотянуть аналоговый сигнал до величины определенного уровня. Переключение на отдельные значения напряжения выполняется посредством сигнальных линий (портов компьютера), например, в электронных тормозных системах EBS5.x и EBS7. Также возможно реализовать преобразования уровней с двумя уровнями напряжения посредством интегральных схем и одного порта компьютера или с тремя уровнями напряжения посредством двух портов компьютера.
Однако существует потребность в преобразованиях уровней для трех значений напряжения (Tristate) посредством только одной сигнальной линии. Кроме того, при этих преобразованиях уровней должны сокращаться издержки и экономиться ресурсы.
По меньшей мере часть перечисленных проблем традиционных систем решается посредством преобразователя уровней по п. 1 и способа преобразования значений уровней по п. 13 формулы.
Изобретение относится к преобразователю уровней для устройства управления транспортного средства. Преобразователь уровней содержит первый и второй порты напряжения питания, входной порт и по меньшей мере один выходной порт. Кроме того, преобразователь уровней содержит первый и второй ключ. Первый ключ выполнен для коммутации первой токовой цепи между первым портом напряжения питания и по меньшей мере одним выходным портом (или одним из выходных портов). Второй ключ выполнен для коммутации второй токовой цепи между вторым портом напряжения питания и по меньшей мере одним выходным портом (или другим из выходных портов). Первый и второй ключи переключаются, реагируя на величины различных уровней на входном порте таким образом, что (i) при подаче величины первого уровня на входной порт первый ключ замкнут, а второй ключ разомкнут, а (ii) при подаче величины второго уровня - первый ключ разомкнут, а второй ключ замкнут.
В рамках изобретения под ключом, подключенным между двумя элементами, следует понимать электрический компонент, который по управляющему сигналу размыкает или замыкает токовую цепь между этими двумя элементами (например, между первым/вторым портом напряжения питания и соответствующим выходным портом). Первый и второй ключи могут коммутировать комплементарно, реагируя на изменение величины уровней на входном порте. Коммутация может происходить, например, параллельно, однако она может происходить также со смещением по времени (последовательно) при изменении величины уровня. Однако оба ключа не должны быть одновременно замкнуты.
Однако первый и второй ключи могут быть выполнены таким образом, что они оба разомкнуты, когда на входной порт подается величина третьего уровня. В качестве опции величина третьего уровня может лежать между величинами первого и второго уровней.
Под величиной уровня следует понимать, например, определенное значение напряжения. Однако понятно, что величины уровней могут лежать в определенных диапазонах значений напряжения, причем предполагается, что для любого напряжения в названных диапазонах цепь находится в определенном состоянии (разомкнутом или замкнутом). Поэтому величины трех уровней могут определять три диапазона значений напряжений на входном порте, для которых достигаются нужные значения уровней на выходном порте. В случае нескольких выходных портов по меньшей мере один из них всегда высокоомный, и соответствующие значения уровней приложены к другому выходному порту (который не является высокоомным). Нужные значения уровней достигаются за счет значений напряжений на первом и втором портах напряжения питания. В частности, значения трех уровней на входном порте необязательно должны коррелировать со значениями напряжений на первом и втором портах напряжения питания. Например, величина уровня LOW (HIGH) на входном порте может привести к величине уровня HIGH (LOW) на выходном порте.
В других примерах может быть предусмотрена управляющая схема, которая вызывает коммутационные операции. Сами ключи и управляющая схема могут содержать различные компоненты (например, один или несколько транзисторов), так что в принципе отдельные коммутационные операции могут выполняться произвольно. Поэтому величина уровня LOW (HIGH) на входном порте может привести к величине уровня HIGH (LOW) на выходном порте.
Первый и второй ключи могут иметь соответствующий управляющий вывод, чтобы по управляющему сигналу переключались первый и второй ключи. В качестве опции преобразователь уровней содержит управляющую схему с блоком опорного напряжения для управления первым и вторым ключами. Блок опорного напряжения выполнен с возможностью формирования величины третьего уровня, так чтобы при высокоомном состоянии цепи на входном порте первый и второй ключи были разомкнуты. За счет блока опорного напряжения достигается то, что первый и второй ключи разомкнуты, когда на входном порте отсутствует сигнал (т.е. входной порт является высокоомным).
В качестве опции управляющая схема содержит третий ключ, подключенный между входным портом и управляющим выводом первого ключа, и четвертый ключ, подключенный между входным портом и управляющим выводом второго ключа. При подаче величины первого уровня на входной порт третий ключ может быть замкнут. При подаче величины второго уровня на входной порт четвертый ключ может быть замкнут. В качестве опции блок опорного напряжения содержит делитель напряжения с третьим и четвертым портами напряжения питания, чтобы подавать опорное напряжение для достижения величины третьего уровня.
В качестве опции делитель напряжения, первый и второй ключи могут работать со следующими напряжениями: на третьем порте напряжения питания значение напряжение может быть в диапазоне 3-5 В; на четвертом и втором портах напряжения питания может быть потенциал «земли», а на первом порте напряжения питания значение напряжение может быть по меньшей мере 5 В (или 10, 12, 20, 32 В, …).
Первый и/или второй, и/или третий, и/или четвертый ключ являются транзисторами или в качестве опции содержат транзисторы, причем транзистор первого ключа является комплементарным к транзистору второго ключа, а транзистор третьего ключа – комплементарный к транзистору четвертого ключа. Транзисторы могут быть биполярными транзисторами или полевыми транзисторами (FET).
В качестве опции преобразователь уровней включает в себя несколько резисторов, содержащих один или более следующих резисторов:
- первый резистор между входным портом (или третьим ключом) и управляющим выводом первого ключа,
- второй резистор между входным портом (или четвертым ключом) и управляющим выводом второго ключа,
- третий резистор между управляющим выводом первого ключа и первым портом напряжения питания,
- четвертый резистор между управляющим выводом второго ключа и вторым портом напряжения питания,
- пятый резистор между входным портом и управляющим выводом третьего и/или четвертого ключа,
- шестой резистор между третьим портом напряжения питания и управляющим выводом третьего ключа и
- седьмой резистор между четвертым портом напряжения питания и управляющим выводом четвертого ключа.
Кроме того, преобразователь уровней может содержать восьмой резистор между первым и вторым ключами. Точно так же преобразователь уровней может содержать между первым ключом и выходным портом диод, который выполнен с возможностью предотвращения обратного тока (т.е. навстречу току, протекающему при замыкании первого ключа) между выходным портом и первым портом напряжения питания.
В качестве опции указанный по меньшей мере один выходной порт может содержать два выходных порта, т.е. включать в себя один выходной порт и другой выходной порт, при этом первый и второй ключи переключаются, реагируя на величины различных уровней на входном порте таким образом, что по меньшей мере один из выходных портов переключается в высокоомное состояние.
Изобретение относится также к устройству управления транспортного средства, в частности коммерческого транспортного средства, с описанным выше преобразователем уровней. Точно так же изобретение относится к коммерческому транспортному средству с таким устройством управления.
Кроме того, изобретение относится к способу преобразования значений уровней в устройстве управления транспортного средства. Способ включает в себя следующие этапы:
- коммутация посредством первого ключа первой токовой цепи между первым портом напряжения питания и выходным портом или одним из выходных портов и
- коммутация посредством второго ключа второй токовой цепи между вторым портом напряжения питания и выходным портом или одним из выходных портов,
при этом первый и второй ключи переключаются, реагируя на величины различных уровней на входном порте, таким образом, что
- когда на входном порте величина первого уровня, то первый ключ замкнут, а второй ключ разомкнут, а
- когда величина второго уровня, то первый ключ разомкнут, а второй ключ замкнут.
Изобретение относится также к применению описанного выше преобразователя уровней для тестирования устройства управления, в частности для выявления короткого замыкания. Величины различных уровней позволяют выявить короткие замыкания для различных величин потенциала, т.е. имеет ли место короткое замыкание на «землю» или на рабочее напряжение (например, с помощью измерений тока).
Примеры осуществления изобретения дают следующие преимущества по сравнению с уровнем техники:
- Требуется только одна сигнальная линия (PIN компьютера), чтобы осуществить преобразование уровней трех состояний. Это приводит к экономии ресурсов компьютера.
- Преобразователь уровней может использовать дискретные компоненты, так что возможно преобразование до любого выходного напряжения.
- В принципе, возможно осуществление преобразования уровня до любого уровневого значения, в частности до уровневых значений, которые выше входного напряжения.
- За счет цикличного управления схемой с тремя входными уровнями, например, LOW (0 В), разомкнуто (высокоомное состояние) и HIGH (например, 5 В), преобразователь уровней может использоваться в целях тестирования, причем тестируемые схемы с соответствующими уровнями напряжений целенаправленно управляются, чтобы установить, к какому уровню потенциала имеется короткое замыкание.
- Не требуется никаких специальных компонентов.
- Без больших затрат может быть реализован, например, контроль аналоговых сигналов, оконечных каскадов или схем ограничения напряжений.
Примеры осуществления изобретения лучше понимаются со ссылкой на нижеследующее подробное описание и прилагаемые чертежи, показывающие различные примеры осуществления изобретения, которые, однако, не следует понимать так, что они ограничивают раскрытие конкретными вариантами выполнения, но служат лишь для пояснения и понимания.
На чертежах:
фиг. 1: принципиальная схема преобразователя уровней в соответствии с одним примером осуществления изобретения;
фиг. 2: пример конкретной реализации посредством комплементарных транзисторов в качестве ключей;
фиг. 3: другие опциональные подробности примера из фиг. 2;
фиг. 4: другой пример преобразователя уровней с двумя выходными портами.
На фиг. 1 изображена принципиальная схема преобразователя уровней в соответствии с одним примером осуществления изобретения. Преобразователь уровней может использоваться, например, для устройства управления транспортного средства или в нем и содержит: первый порт 110 напряжения питания, второй порт 120 напряжения питания, выходной порт OUT, входной порт IN, первый ключ S1 и второй ключ S2. Первый ключ S1 служит для коммутации первой токовой цепи между первым портом 110 напряжения и выходным порт OUT. Второй ключ S2 служит для коммутации второй токовой цепи между вторым портом 120 напряжения питания и выходным портом OUT. Первый S1 и второй S2 ключи, реагируя на величины различных уровней на входном порте IN, переключаются таким образом, что (i) при подаче величины первого уровня на входной порт IN первый ключ S1 замкнут, а второй ключ S2 разомкнут, а (ii) при подаче величины второго уровня - первый ключ S1 разомкнут, а второй ключ S2 замкнут.
Величиной первого уровня может быть, например, высокое напряжение, а величиной второго уровня, например, – низкое напряжение. Кроме того, первый S1 и второй S2 ключи могут быть выбраны так, чтобы они были разомкнуты при величине промежуточного третьего уровня.
Первый S1 и второй S2 ключи имеют по одному управляющему выводу, которые связаны с входным портом IN. На эти управляющие выводам подаются, например, указанные величины уровней, чтобы вызвать нужные коммутационные операции.
Следовательно, изображенный преобразователь уровней способен за счет целенаправленного управления входным портом IN реализовать три состояния на выходном порте OUT. Первое состояние возникает, например, за счет того, что первый S1 и второй S2 ключи разомкнуты, так что выходной вывод OUT является высокоомным (отсутствует определенное значение напряжения). Второе состояние может быть достигнуто, например, за счет того, что первый ключ S1 замыкается, а второй ключ S2 остается разомкнутым, что достигается за счет соответствующего значения уровня на входном порте IN. Это второе состояние приводит к тому, что на выходной порт OUT подается напряжение V+ от первого порта 110. Третье состояние может быть достигнуто, когда первый ключ S1 разомкнут, а второй ключ S2 замкнут; это приводит к тому, что значение уровня на выходном порте OUT устанавливается на напряжение, приложенное ко второму порту 120 (например, потенциал «земли»). Напряжение V+ на первом порте 110 может быть выбрано произвольным.
Эта схема может быть реализована, например, за счет того, что ключи S1, S2 являются комплементарными по отношению друг к другу, т.е. всегда имеется одно значение уровня, для которого один ключ разомкнут, а другой ключ замкнут, однако оба ключа не могут быть замкнуты одновременно. В качестве опции оба ключа могут быть разомкнуты (например, если к входному порту IN не приложено определенное значение напряжения).
К входному порту IN может быть подключен, например, упомянутый порт компьютера (сигнальная линия), так что преобразователь уровней может управляться по этой сигнальной линии.
На фиг. 2 изображена возможная реализация названной комплементарной коммутационной операции. Для этого первый ключ S1 выполнен в виде первого транзистора, а второй ключ S2 – в виде второго транзистора, комплементарных по отношению друг к другу. Например, речь может идти о биполярных транзисторах, причем первый транзистор S1 является pnp- (npn-) транзистором, а второй транзистор S2 – npn- (pnp-) транзистором. Разумеется, изображенные биполярные транзисторы могут быть также заменены полевыми транзисторами.
В примере на фиг. 2 преобразователь уровней содержит управляющую схему 200, которая выполняет управление первым S1 и вторым S2 ключами. Управляющая схема 200 имеет при этом вход для входного порта IN и по меньшей мере два выхода, один из которых связан с управляющим выводом (базой биполярного транзистора) первого ключа S1, а другой – с управляющим выводом (базой биполярного транзистора) второго ключа S2.
Кроме того, управляющая схема 200 содержит третий S3 и четвертый S4 ключи. Оба они имеют по одному управляющему выводу, который электрически соединен с входным портом IN. Кроме того, третий ключ S3 включен между входным портом IN и управляющим выводом первого ключа S1. Четвертый ключ S3 аналогичным образом включен между входным портом IN и управляющим выводом второго ключа S2.
Управляющая схема 200 содержит также блок 220 опорного напряжения, который формирует напряжение для управляющего вывода третьего ключа S3 и для управляющего вывода четвертого ключа S4, а именно, в том случае, когда на входной порт IN не подается никакого определенного значения уровня. Блок 220 опорного напряжения представляет собой, например, делитель напряжения, который преобразует третье значение напряжения (например, 3,3 В) до заданного значения напряжения, выбранного так, что третий S3 и четвертый S4 ключи при высокоомном входном порте IN оба разомкнуты и на управляющие выводы первого S1 и второго S2 ключей подается значение третьего уровня, так что первый и второй ключи размыкаются.
Наконец преобразователь уровней на фиг. 2 содержит, в общей сложности, восемь резисторов, которые могут располагаться следующим образом. Первый резистор R1 включен между управляющим выводом первого S1 ключа и третьим S3 ключом (например, истоком или стоком транзистора). Второй резистор R2 включен между управляющим выводом второго S2 ключа и четвертым S4 ключом (например, истоком или стоком транзистора). Третий резистор R3 включен между первым портом 110 напряжения питания и управляющим выводом первого ключа S1. Четвертый резистор R4 включен между вторым портом 120 напряжения и управляющим выводом второго ключа S2. Пятый резистор R5 включен между входным портом IN и управляющими выводами третьего S3 и четвертого S4 ключей. Шестой R6 и седьмой R7 резисторы являются частью делителя напряжения в блоке 220 опорного напряжения и последовательно включены между третьим 130 и четвертым 140 портами напряжения питания, причем между шестым R6 и седьмым R7 резисторами образованы токовые цепи к управляющим выводам третьего S3 и четвертого S4 ключей. Между первым S1 и вторым S2 ключами опционально включен восьмой резистор R8 (например, между первым ключом S1 и выходным портом OUT). Восьмой резистор R8 ограничивает ток между первым 110 и вторым 120 портами напряжения питания, например, на выходном порте IN при переключении (с LOW на HIGH или наоборот).
В варианте на фиг. 2 все ключи, т.е. первый S1, второй S2, третий S3, четвертый S4, образованы, например, транзисторами (биполярными или полевыми), причем не только первый транзистор S1 является комплементарным второму транзистору S2, но и третий S3 является комплементарным четвертому транзистору S4.
На фиг. 3 изображен другой пример выполнения преобразователя уровней, этот пример отличается лишь тем, что между восьмым резистором R8 и выходным портом OUT включен опциональный диод D1, который предотвращает протекание тока от выходного порта OUT к первому порту 110 напряжения питания или должен, по меньшей мере, ограничивать этот ток. В остальном все другие компоненты выполнены аналогичным фиг. 2 образом, так что повторного описания не требуется.
На фиг. 4 изображен другой пример выполнения преобразователя уровней с двумя выходными портами OUT1, OUT2, причем первый ключ S1 коммутирует первую токовую цепь между первым портом 110 напряжения питания и выходным портом OUT1. Второй ключ S2 коммутирует вторую токовую цепь между вторым портом 120 напряжения питания и выходным портом OUT2. Однако и в этом случае коммутационные операции таковы, что по меньшей мере один из выходных портов OUT1, OUT2 всегда коммутирован в высокоомное состояние. Все остальные компоненты аналогичны описанным в вышеуказанных вариантах. В частности, в первой токовой цепи и/или в второй токовой цепи также может быть установлен восьмой резистор R8 или диод D1 (например, между первым/вторым ключом S1, S2 и соответствующим портом OUT1/OUT2). За счет простого соединения обоих выходных портов OUT1, OUT2 возникают описанные выше конфигурации.
Как уже указано, на первый порт 110 напряжения питания может быть подано напряжение около 5 В. Однако может быть подано также более высокое напряжение (в принципе, любое значение напряжения). Так, например, может быть подано напряжение 10, 20 или 32 В. На второй 120 и четвертый 140 порты подано, например, опорное напряжение (например, «земля»), а на третий порт 130 – напряжение, например, 3,3 В. Благодаря делителю напряжения значение напряжения 3,3 В делится, например, до значения напряжения 1,65 В, а это приводит к тому, что, когда на входном порте IN состояние разомкнуто или приложено значение напряжения 1,65 В, третий S3 и четвертый S4 ключи разомкнуты и, тем самым, выходной порт OUT является высокоомным. В зависимости от используемых транзисторов для ключей S1, …, S4 коммутация происходит при определенных уровневых значениях. Первое уровневое значение можно определить таким образом, что на входном порте значение напряжения от 0 В («земля») вплоть до первого верхнего значения напряжения (например, 1,2 В). Между этим первым значением напряжения и вторым значением напряжения (например, 2 В) выходной порт OUT является высокоомным, а выше этого второго значения напряжения (например, 2 В) выходной порт OUT тянут на массу.
Резисторы могут быть выбраны, например, следующим образом. Первый резистор R1 может иметь значение сопротивления 21,5 кОм; второй резистор R2 – значение 4,64 кОм; третий R3, четвертый R4 и пятый R5 резисторы – по 10 кОм; шестой R6, седьмой R7 резисторы – по 4,64 кОм; восьмой резистор –464 Ом. Эти значения следует понимать лишь в качестве примера, и в других примерах выполнения они могут быть выбраны иначе.
Названные значения сопротивления и напряжения следует понимать лишь в качестве примера, и они могут быть соответственно согласованы для любых других значений. В частности, все упомянутые значения могут включать в себя диапазон допусков ± 3% или ± 10% или ± 50%.
Соответствующие диапазоны, в которых за счет преобразователя уровней принимаются три состояния, могут устанавливаться резисторами в зависимости от используемых транзисторов. Например, на входном порте IN могут использоваться значения напряжения 0-3,3 В, чтобы коммутировать три нужных состояния. Как уже сказано, в диапазоне напряжений 1,2-2 В третий S3 и четвертый S4 ключи могут быть разомкнуты, так что первый S1 и второй S2 ключи также разомкнуты, а к выходному порту OUT не приложено никакого определенного значения напряжения (состояние разомкнутое). Когда к входному порту IN приложено значение напряжения близкое к 0 В (земля) или менее 1,2 В, например, третий ключ S3 может замкнуться, а четвертый ключ S4 (поскольку оба комплементарные) – разомкнуться, а это приводит к тому, что первый ключ S1 замыкается, а второй ключ S2 размыкается, так что к выходному порту OUT приложено значение напряжения V+ от первого порта 110. Когда к входному порту IN приложено значение напряжения более 2 В или близкое к 3,3 В, третий ключ S3 размыкается, а четвертый ключ S4 замыкается, а это приводит к тому, что второй ключ S2 замыкается (а первый ключ S1 размыкается), а это, в свою очередь, приводит к тому, что на выходном порте OUT потенциал земли от второго источника 120 напряжения.
Названные функции можно обобщить следующим образом.
1. Если входной порт IN остается разомкнутым или порт компьютера включен на вход, то ключи S1-S4 не проводят, и выход OUT является высокоомным.
2. Если входной порт IN тянется на массу (или опорный потенциал GND или LOW), то ключи S1, S3 становятся проводящими, а выход OUT находится под первым значением напряжения V+ первого порта 110 (за вычетом напряжения насыщения первого ключа S1 и возможного диода D1).
3. Если на входном порте IN напряжение повышается (например, до HIGH) и становится выше напряжения на R6/R7 + 0,8 В, то ключи S2, S4 становятся проводящими, а на выходном порте OUT - напряжение насыщения второго ключа S2.
Диод D1 служит лишь в качестве защиты от короткого замыкания, если на выходном порте OUT более высокое напряжение, чем на первом порте 110 (т.е. V+). Восьмой резистор R8 служит для ограничения возможного сквозного тока в случае переключения между уровнями высокого и низкого напряжений на входном порте IN.
Раскрытые в описании, формуле изобретения и на чертежах признаки изобретения могут быть существенными для его реализации как по отдельности, так и в любой комбинации.
Перечень ссылочных позиций
110, 120, … – порты напряжения питания
S1, S2, …– ключи
R1, R2, …– резисторы
D1 – диод
IN – входной порт
OUT, OUT1, … – один или несколько выходных портов
200 – управляющая схема
220 – блок опорного напряжения