АБОНЕНТСКАЯ СТАНЦИЯ ДЛЯ ШИННОЙ СИСТЕМЫ И СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ КОНДУКТИВНОЙ ПОМЕХОЭМИССИИ В ШИННОЙ СИСТЕМЕ
SUBSCRIBER STATION FOR BUS SYSTEM AND METHOD OF REDUCTION OF CONDUCTIVE INTERFERENCE EMISSION IN BUS SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к абонентской станции для шинной системы и к способу уменьшения кондуктивной помехоэмиссии в шинной системе, в котором достигается симметрирование доминантного состояния шины.
Уровень техники
Шина CAN (сокр. от англ. "Controller Area Network" - локальная сеть контроллеров) представляет собой дифференциальную шинную систему с высокими требованиями к симметрированию сигналов. При этом действует правило: чем лучше симметрирование сигналов, тем меньше излучение высокочастотных помех и нарушения в работе приемников высокочастотных сигналов, таких как автомобильный радиоприемник, GPS-навигатор, радиотелефон и т.д. Противофазные сигналы CAN_H (от англ. "High" - высокий уровень) и CAN_L (от англ. "Low" - низкий уровень) нужно регулировать так, чтобы их среднее значение как можно меньше отклонялось от среднего значения напряжения VCC5/2=2,5 В.
В настоящее время симметрирование сигналов достигается путем такой балансировки сопротивлений выключателей на массу GND (англ. сокр. от "Ground" - "земля") и потенциал VCC5, чтобы при нахождении шины в доминантном состоянии, в котором разность напряжений сигналов CAN_H и CAN_L составляет около 2 В, среднее значение напряжения находилось в районе 2,5 В. Балансировку сопротивлений выключателей осуществляют, например, путем точного подбора параметров или с помощью схем регулирования, описанных, например, в публикации DE 10250576 А1.
Однако существуют проблемы, заключающиеся, во-первых, в том, что до сих пор не было возможности выполнения симметрирования на кристалле (on-chip). Во-вторых, в настоящее время оптимальное симметрирование также невозможно в случае старения и температурного дрейфа. Кроме того, необходимо добиться значительного снижения уровня излучаемых помех.
Раскрытие изобретения
Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача создания абонентской станции для шинной системы и способа, которые позволили бы решить указанные выше проблемы. В частности, требуется предложить абонентскую станцию для шинной системы и способ, которые обеспечили бы возможность значительного снижения уровня излучаемых помех и выполнение требований по симметрированию сигнала на шине, в том числе в случае старения и температурного дрейфа.
Поставленная задача решается посредством абонентской станции для шинной системы, охарактеризованной в пункте 1 формулы изобретения. Предлагаемая в изобретении абонентская станция содержит цифро-аналоговый преобразователь для преобразования цифрового сигнала в аналоговый сигнал и аналого-цифровой преобразователь, причем цифро-аналоговый преобразователь и аналого-цифровой преобразователь соединены для симметрирования доминантного состояния шинной системы.
Предлагаемая в изобретении абонентская станция обеспечивает возможность симметрирования доминантного состояния шины. Это позволяет избежать погрешностей по току, которые могут возникать в различных путях прохождения сигналов вследствие неправильного согласования (подбора) схемных элементов.
Кроме того, посредством предлагаемой в изобретении абонентской станции может быть реализовано симметрирование на кристалле (on-chip), причем симметрирование возможно и при выполнении заключительных испытаний.
Еще одно преимущество предлагаемой в изобретении абонентской станции состоит в том, что оптимальное симметрирование обеспечивается также в случае старения и температурного дрейфа.
Предпочтительные варианты выполнения предлагаемой абонентской станции указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
В предлагаемой в изобретении абонентской станции цифро-аналоговый преобразователь может быть выполнен с возможностью симметрирования, выполняемого циклически и/или на кристалле.
Кроме того, предлагаемая в изобретении абонентская станция может содержать энергозависимое запоминающее устройство, в котором хранится управляющее слово цифро-аналогового преобразователя для выполнения симметрирования.
Далее, предлагаемая в изобретении абонентская станция может также содержать выключатель, обеспечивающий возможность отсоединения цифро-аналогового и аналого-цифрового преобразователей от шины шинной системы для выполнения симметрирования. В этом случае выключатель может содержать высоковольтный p-канальный МОП-каскод и высоковольтный n-канальный МОП-каскод, которые для выполнения симметрирования способны переключаться в высокоомное состояние, отсоединяя цифро-аналоговый преобразователь и аналого-цифровой преобразователь от шины шинной системы.
Предлагаемая в изобретении абонентская станция может также содержать путь тока короткого замыкания, проходящий от низковольтного n-канального МОП-транзистора к низковольтному p-канальному МОП-транзистору для запуска цифрового контура регулирования с целью симметрирования.
Описанная выше абонентская станция может входить в состав шинной системы, содержащей шину и по меньшей мере две абонентские станции, соединенные друг с другом шиной с возможностью обмена данными между собой, причем по меньшей мере одна из по меньшей мере двух абонентских станций представляет собой описанную выше абонентскую станцию.
Поставленная задача решается также в способе уменьшения кондуктивной помехоэмиссии в шинной системе, охарактеризованном в пункте 7 формулы изобретения. При осуществлении способа в абонентской станции шинной системы, содержащей цифро-аналоговый преобразователь для преобразования цифрового сигнала в аналоговый сигнал и аналого-цифровой преобразователь, указанные преобразователи соединяют друг с другом таким образом, что они выполняют симметрирование доминантного состояния шинной системы.
Предлагаемый в изобретении способ обеспечивает те же преимущества, что были названы выше в отношении абонентской станции.
Предпочтительные варианты осуществления предлагаемого в изобретении способа указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
С помощью предлагаемого способа симметрирование может выполняться циклически и/или на кристалле (on-chip).
В качестве дополнения или альтернативы, для выполнения симметрирования при осуществлении предлагаемого способа может использоваться управляющее слово цифро-аналогового преобразователя, хранящееся в энергозависимом регистре.
Кроме того, для выполнения симметрирования можно переключать в высокоомное состояние высоковольтный p-канальный МОП-каскод и высоковольтный n-канальный МОП-каскод, отсоединяя цифро-аналоговый преобразователь и аналого-цифровой преобразователь от шины шинной системы. Это позволяет для симметрирования запустить - посредством пути тока короткого замыкания, проходящего от токозадающего элемента на стороне выходного токового зеркала CAN_H к токозадающему элементу на стороне выходного токового зеркала CAN_L - цифровой контур регулирования, в котором ток токозадающего элемента на стороне выходного токового зеркала CAN_H и ток токозадающего элемента на стороне выходного токового зеркала CAN_L приводятся к приблизительно одинаковому значению.
Другие возможные формы реализации изобретения также включают в себя не описанные в явном виде комбинации признаков или форм осуществления изобретения, описанных выше или описываемых ниже на примерах осуществления изобретения. При этом специалист также сможет включить отдельные аспекты в качестве улучшений или дополнений в соответствующую базовую форму осуществления изобретения.
Краткое описание чертежей
Ниже изобретение подробнее описывается на примерах его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг. 1 - упрощенная блок-схема шинной системы согласно примеру осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 2 - форма кривой изменения во времени заданного напряжения при прохождении сигнала по шине в шинной системе согласно примеру осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 3 - электрическая схема соединений передающего устройства абонентской станции в шинной системе согласно примеру осуществления настоящего изобретения.
Если не указано иное, одинаковым или имеющим схожие функции элементам на чертежах присвоены одинаковые ссылочные обозначения.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показана шинная система 1, которая, например, может представлять собой шинную систему CAN, шинную систему с гибкой скоростью передачи данных CAN-FD (сокр. от англ. "Flexible Data Rate") и т.д. Шинная система 1 может применяться в транспортном средстве, в частности в автомобиле, летательном аппарате и т.д., или на таких объектах, как медицинское учреждение и т.д.
На фиг. 1 видно, что шинная система 1 содержит множество абонентских станций 10, 20, 30, каждая из которых подключена к шине 40, имеющей первый провод 41 и второй провод 42. Провода 41, 42 шины могут также обозначаться как CAN_H и CAN_L и служат для ввода сигнала доминантного уровня в режиме передачи. По шине 40 может осуществляться передача между отдельными абонентскими станциями 10, 20, 30 сообщений 45, 46, 47 в форме сигналов.
Абонентские станции 10, 20, 30 могут представлять собой, например, блоки управления или индикаторы автомобиля.
Как показано на фиг. 1, каждая из абонентских станций 10, 30 содержит управляющее связью устройство 11, передающее устройство 12 и приемное устройство 13. В отличие от станций 10, 30, абонентская станция 20 содержит управляющее связью устройство 11 и приемопередающее устройство 14. Каждое из передающих устройств 12, приемных устройств 13 абонентских станций 10, 30, а также приемопередающее устройство 14 абонентской станции 20 непосредственно подключено к шине 40, хотя это на фиг. 1 и не показано.
Управляющее связью устройство 11 служит для управления осуществляемым по шине 40 взаимодействием соответствующей абонентской станции 10, 20, 30 с другой из подключенных к шине 40 абонентских станций 10, 20, 30. Передающее устройство 12 служит для посылки сообщений 45, 47 в форме сигналов и для уменьшения кондуктивной помехоэмиссии в шинной системе 1 для выполнения требований, предъявляемых в шинной системе 1 к симметрированию сигналов, как это подробнее поясняется ниже. На шине 40 может возникать кондуктивная помехоэмиссия. Управляющее связью устройство 11 может быть выполнено подобным обычному (коммуникационному) контроллеру CAN. Функция приема у приемного устройства 13 может быть реализована как у обычного приемопередатчика (трансивера) CAN. Приемопередающее устройство 14 может быть выполнено подобно обычному приемопередатчику CAN.
На фиг. 2 показана форма кривой изменения во времени t сигнала напряжения U, генерируемого передающим устройством 12, более подробно представленным на фиг. 3, и имеющего фронты 51, 52 переключения. Фронт 51 переключения соответствует переходу сигнала из доминантного состояния 53 в рецессивное состояние 54. Фронт 52 переключения соответствует переходу сигнала из рецессивного состояния 54 в доминантное состояние 53. Показанный сигнал напряжения с фронтами 51, 52 соответствует сигналу заданного напряжения, генерируемого передающим устройством 12. Доминантное состояние 53 соответствует доминантному состоянию шины. Рецессивное состояние 54 соответствует рецессивному состоянию шины.
Как показано на фиг. 3, передающее устройство 12 содержит источник 130 стабилизированных токов, в который поступает входной сигнал, или входной ток, I от не показанного на схеме p-канального МОП-транзистора (полевого транзистора со структурой метал-окисел-полупроводник) через резистор 125, а также содержит выходное токовое зеркало CAN_H 140, направляющее ток на провод 41 (CAN_H) шины, и выходное токовое зеркало CAN_L 145, направляющее ток на провод 42 (CAN_L) шины.
Источник 130 стабилизированных токов содержит токовое зеркало 131, состоящее из n-канальных МОП-транзисторов 131А, 131В и цифро-аналогового преобразователя, который на фиг. 3 представлен, в качестве конкретного примера, транзисторами 131С, 131D, 131Е, 131F, 131G, 131Н, 131I, 131J. Фактически, токовое зеркало 131 содержит n транзисторов 131С, 131D, 131Е, 131F в цифро-аналоговом преобразователе и n транзисторов в качестве выключателей, где n - натуральное число, большее 1. Таким образом, в показанном на фиг. 3 примере n=4. Кроме того, источник 130 стабилизированных токов содержит высоковольтный n-канальный МОП-каскод 132 и токовое зеркало 133 для низкого напряжения, составленное из p-канальных МОП-транзисторов. Высоковольтный n-канальный МОП-каскод 132 соединен с выходным токовым зеркалом 140. Токовое зеркало 133 на p-канальных МОП-транзисторах соединено с выходным токовым зеркалом 145.
n-1
n-2
n-3
0
Транзисторы 131С, 131D, 131Е, 131F, 131G, 131Н, 131I, 131J образуют цифро-аналоговый преобразователь с выходом по току и длиной слова, равной п. К каждому образованному транзисторами 131С, 131D, 131Е, 131F выходу источника тока с двоичным взвешиванием последовательно подключен один из транзисторов 131G, 131Н, 131I, 131J в качестве переключающего транзистора 131, управляемого соответствующим битом данных d, d, d, …, d.
P
P
n-1
n-1
n-2
0
N
n
n
Поскольку в источнике 130 стабилизированных токов входной сигнал, или входной ток, I поступает от p-канального МОП-транзистора (не показан), потенциал, подаваемый на резистор 125, не является постоянным. Из n-канального МОП-транзистора 131В, расположенного рядом с входом источника 130 стабилизированных токов, поступает основной ток I для той стороны источника 130 стабилизированных токов, где расположены p-канальные МОП-транзисторы. При этом основной ток I представляет собой типичный ток минус половина (1/2) уравнительного тока, причем 1/2 уравнительного тока проходит в цепи транзисторов 131С, 131G, 1/4 уравнительного тока - в цепи транзисторов 131D, 131Н, 1/8 уравнительного тока - в цепи транзисторов 131Е, 131I и т.д., а 1/2 уравнительного тока проходит в цепи транзисторов 131F, 131J, представляющей собой n-ю цепь транзисторов. При этом частичный ток самого старшего разряда составляет 1/2 от диапазона регулирования. Частичный ток самого старшего разряда управляется битом данных d. Бит данных d представляет собой самый старший бит. В цепи, расположенной на фиг. 3 правее, частичный ток является вторым по старшинству разряда и составляет 1/4 от диапазона регулирования. Этот частичный ток управляется битом данных d. В крайней справа цепи частичный ток имеет самый младший разряд - 1/2 (одна вторая в n-й степени). Частичный ток самого младшего разряда управляется битом данных d. Этот бит данных представляет собой самый младший бит. В крайней справа на фиг. 3 части схемы источника 130 стабилизированных токов предусмотрен транзистор 131Z, от которого поступает ток I для стороны N токового зеркала 133.
Выходное токовое зеркало CAN_H 140 представляет собой токовое зеркало на основе p-канального МОП-транзистора для низкого выходного напряжения, предназначенное для генерирования выходного тока в линии CAN_H. Выходное токовое зеркало CAN_L 145 представляет собой токовое зеркало на основе n-канального МОП-транзистора для низкого выходного напряжения, предназначенное для генерирования выходного тока в линии CAN_L. Токовые зеркала 140, 145 образованы топологически идентично включенными низковольтными МОП-транзисторами, что позволяет получать одинаковые задержки сигналов и одинаковые режимы насыщения в ветвях CAN_H и CAN_L показанной на фиг. 3 схемы.
К выходному токовому зеркалу CAN_H 140 на фиг. 3 подключен высоковольтный p-канальный МОП-каскод 141. Высоковольтный p-канальный МОП-каскод 141 необходим на случай возникновения ошибки "Короткое замыкание CAN_H на -27 В". Кроме того, к выходному токовому зеркалу CAN_H 140 подключен диод 142 для защиты от переполюсовки, обеспечивающий защиту схемы от положительного перенапряжения на CAN_H.
Кроме того, к выходному токовому зеркалу CAN_L 145 на фиг. 3 подключен высоковольтный n-канальный МОП-каскод 146. Высоковольтный n-канальный МОП-каскод 146 необходим на случай возникновения ошибки "Короткое замыкание CAN_L на -27 В". Наряду с этим, к выходному токовому зеркалу CAN_L 145 подключен диод 147 для защиты от переполюсовки. Диод 147 для защиты от переполюсовки необходим на случай возникновения ошибки "Короткое замыкание CAN_L на 40 В". Между высоковольтным p-канальным МОП-каскодом 141 и диодом 147 для защиты от переполюсовки включена шина 40 с проводами 41, 42, замкнутыми на резистор 143. Резистор 143 имеет сопротивление, равное волновому сопротивлению шины 40, что исключает отражение сигналов на шине 40. При этом провод 41 шины служит для передачи сигналов CAN_H, а провод 42 - для передачи сигналов CAN_L. Номером 148 обозначен путь тока короткого замыкания. Высоковольтный n-канальный МОП-каскод 146 соединен с аналого-цифровым преобразователем 149. Аналого-цифровой преобразователь 149 может представлять собой компаратор, являющийся одноразрядным преобразователем. Аналого-цифровой преобразователь 149 соединен с транзистором 1451 на выходе токового зеркала 145 и с переключающим транзистором 150, выполненным в виде полевого МОП-транзистора (MOSFET) и образующим путь 148 тока короткого замыкания. При коротком замыкании двух источников тока, транзисторов 1401 и 1451, получают конфигурацию с высокой чувствительностью. Даже самые незначительные различия в величине тока позволяют переключить потенциал на входе аналого-цифрового преобразователя 149 на значение 0 В или на значение напряжения/потенциала VCC5. В большинстве случаев для обеспечения функционирования данной схемы достаточно использовать в качестве аналого-цифрового преобразователя 149 простой компаратор. Номером 151 обозначено энергозависимое запоминающее устройство.
Описанная выше схема сильно упрощена в отношении резистора 143. В действительности на каждом конце проводов 41, 42 шины предусмотрено по два оконечных резистора, включенных последовательно и имеющих сопротивление 60 Ом. Соответствующая средняя точка установлена на 2,5 В.
В показанной на фиг. 3 схеме предусмотрен инвертор 161 для управления затвором высоковольтного n-канального МОП-каскода 146. Таким образом, для включения пути 148 тока короткого замыкания происходит переключение в низкоомное состояние либо каско до в 146/141, либо переключающего транзистора 150. Кроме того, инвертор 161 предусмотрен для управления затвором высоковольтного n-канального МОП-каско да 162, подключенного к источнику 163 тока. Источник 163 тока выдает свой ток в сторону p-канальных МОП-транзисторов, т.е. в ту часть схемы, где расположены p-канальные МОП-транзисторы. Этот ток течет в стабилитрон 165 (диод Зенера) и резистор 164. Стабилитрон 165 определяет отрицательный потенциал затвора для высоковольтного p-канального МОП-каскода 141. Резистор 164 обеспечивает отключение каскода 141 при отключении источника 163 тока. Кроме того, для управления переключающим транзистором 150 предусмотрен инвертор 160. Вместе с тем, инвертор 160 также может представлять собой буфер.
В показанном на фиг. 3 передающем устройстве 12 при осуществлении способа уменьшения кондуктивной помехоэмиссии в шинной системе 1 симметрирование может выполняться следующим образом. Для симметрирования предусмотрен выключатель, содержащий транзисторы высоковольтного p-канального МОП-каскода 141, высоковольтного n-канального МОП-каскода 146 и переключающий транзистор 150, отделяющий пути тока от выводов CAN_L или CAN_H и создающий путь тока короткого замыкания между обоими токозадающими элементами. В рассматриваемом примере осуществления изобретения оба токозадающих элемента представляют собой источники тока, а именно транзисторы 1401 и 1451. Таким образом, для симметрирования транзисторы высоковольтного p-канального МОП-каскода 141 и высоковольтного n-канального МОП-каскода 146 переключаются в высокоомное состояние, и включается путь 148 тока короткого замыкания, проходящий от низковольтного p-канального МОП-транзистора 1401 токового зеркала 140 к низковольтному n-канальному МОП-транзистору 1451 токового зеркала 145. При этом запускается цифровой контур регулирования, изменяющий, например, значение номинального тока низковольтного p-канального МОП-транзистора 1401 с низкого на высокое. Вначале будет доминировать ток низковольтного n-канального МОП-транзистора 1451 (который может быть также назван n-МОП-током), поскольку ток низковольтного p-канального МОП-транзистора 1401 (который может быть также назван p-МОП-током) мал. Вследствие этого вход аналого-цифрового преобразователя 149 замыкается ("подтягивается") на массу GND. С увеличением p-МОП-тока вход аналого-цифрового преобразователя 149 резко подтягивается к более высокому значению напряжения. В этот момент p-МОП-ток больше n-МОП-тока. При достаточно малых шагах токовой характеристики цифро-аналогового преобразователя 130 можно добиться приблизительно одинаковых значений p-МОП-тока и n-МОП-тока. Управляющее слово цифро-аналогового преобразователя 130, которое также можно назвать управляющим словом ЦАП, хранится в энергозависимом запоминающем устройстве 151, в частности в регистре, и может использоваться в любом нормальном процессе передачи, осуществляемом передающим устройством 12. Симметрирование выполняется цифровой частью, т.е. цифро-аналоговым преобразователем 130, циклически, например, после каждого "пробуждения" передающего устройства 12, т.е. его выхода из состояния с низким энергопотреблением.
Таким образом, посредством показанного на фиг. 3 передающего устройства 12 осуществляется способ уменьшения кондуктивной помехоэмиссии в шинной системе 1. При этом для симметрирования доминантного состояния шины передающее устройство 12 выполняет процесс настройки, как описано выше.
Требуемая прочность на пробой достигается с помощью каскодных ступеней и переключающего транзистора 150. Каскодные ступени образованы высоковольтными МОП-транзисторами, а именно каскодами 141, 146, 132.
Как показано на фиг. 3, в передающем устройстве 12 описанная выше схема для симметрирования доминантного состояния шины, практически отделена от шины 40, представленной проводами 41, 42 и резистором 143. Это преимущество обеспечивается транзисторами, включенными по каскодной схеме, а именно каскодами 141, 146. Тем самым обеспечивается защита чувствительных блоков, таких как цифро-аналоговый преобразователь 130, от действия помех, таких как прямая радиочастотная подпитка (DPI - сокр. от англ. Direct Power Injection), инжекция объемного тока (BCI - сокр. от англ. Bulk Current Injection) и т.д.
Таким образом, в соответствии с изобретением используется деление управляющих транзисторов CAN на низковольтный сигнальный транзистор и высоковольтный транзистор с каскодным включением. Если передающее устройство 12 CAN находится в рецессивном режиме, при котором управляющие транзисторы отключены, симметрирование доминантного состояния можно выполнять на кристалле (on-chip). Вместе с тем, в качестве альтернативы описанный выше способ также можно использовать в виде встроенного теста самоконтроля в ходе заключительных испытаний передающего устройства 12 CAN, в частности для однократного симметрирования во время заключительного испытания, и сохранить в постоянной памяти, в частности "зашить", полученные значения коррекции в однократно программируемом регистре для дальнейшего использования.
Все описанные выше варианты выполнения шинной системы 1, абонентских станций 10, 30, передающего устройства 12 и варианты осуществления способа могут применяться по отдельности или в любых возможных комбинациях. В частности, возможна любая комбинация признаков рассмотренного примера осуществления изобретения. Дополнительно возможны их модификации, в частности, рассматриваемые ниже.
Шинная система 1 согласно приведенному примеру осуществления изобретения представляет собой, в частности, сеть CAN, сеть CAN-FD или сеть FlexRay.
Число и расположение абонентских станций 10, 20, 30 в шинной системе 1 являются произвольными. В частности, в состав шинной системы 1 также могут входить только абонентские станции 10, только абонентские станции 30 или только абонентские станции 10, 30.
Описанные выше абонентские станции 10, 30 и выполняемый ими способ могут быть особенно полезными при использовании модифицированного протокола обмена данными, который был представлен в документе "Протокол CAN с гибкой скоростью передачи данных. Официальное техническое описание, версия 1.0", опубликованном 02.05.2011 на веб-сайте http://www.semiconductors.bosch.de/, и который обеспечивает, в том числе, увеличение поля данных, а также, после завершенного арбитража, уменьшение длительности бита для определенной части сообщения CAN.
Описанный выше выключатель, отделяющий пути тока от выводов CAN_L или CAN_H и создающий путь тока короткого замыкания между обоими токозадающими элементами, также может быть образован одним или несколькими дополнительными схемными элементами, реализующими упомянутую функцию вместо высоковольтного p-канального МОП-каскода 141 и высоковольтного n-канального МОП-каскода 146. Этот выключатель может иметь любое исполнение, пригодное для данной цели.
Абонентские станции 10, 30 обеспечивают, особенно в случае протокола CAN-FD, возможность повышения качества передачи в области обычного обмена данными по протоколу CAN при заметно более высокой скорости этой передачи.
Функциональность рассмотренного выше примера осуществления изобретения также может быть реализована в приемопередатчике (трансивере), т.е. в приемопередающем устройстве 14, в управляющем связью устройстве 11 и т.д. В качестве дополнения или альтернативы передающее устройство 12 может быть интегрировано в существующее оборудование.