АБОНЕНТСКАЯ СТАНЦИЯ ДЛЯ ШИННОЙ СИСТЕМЫ И СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ КОНДУКТИВНОЙ ПОМЕХОЭМИССИИ В ШИННОЙ СИСТЕМЕ
SUBSCRIBER STATION FOR A BUS SYSTEM  AND METHOD FOR REDUCING LINE-RELATED EMISSIONS IN A 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 для выполнения требований, предъявляемых в шинной системе к симметрированию сигналов.
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 помех и нарушения в работе абонентской станции, такой как 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, путем коррекции или с помощью схем регулирования, описанных, например, в публикации DE 10250576 А1.
Однако существуют проблемы, заключающиеся в недостаточности симметрирования в процессе переключения между уровня сигналов, поскольку выключатель на VCC5 (замыкание на питание) и выключатель на GND (замыкание на землю, GND = "земля" = "масса") обладают различными характеристиками. В момент переключения регистрируются пики суммарного напряжения, следствием чего являются плохие характеристики в отношении излучения в высокочастотном диапазоне, то есть в области частот выше 1 МГц. Из уровня техники известно, что такие пики напряжения, вносящие помехи, подавляются посредством синфазного дросселя. Однако подобный синфазный дроссель представляет собой дополнительный компонент, применение которого ведет к увеличению стоимости и потребного конструктивного пространства, которое в большинстве случаев является очень ограниченным.
Раскрытие изобретения
Исходя из вышеизложенного, в основу изобретения была положена задача создания абонентской станции для дифференциальной шинной системы и способа, которые позволили бы решить указанные выше проблемы. В частности, требуется предложить абонентскую станцию для дифференциальной шинной системы и способ, обеспечивающие возможность симметрирования в процессе переключения, значительного снижения уровня излучаемых помех, работы без синфазного дросселя и симметрирования доминантного состояния шины.
Поставленная задача решается посредством абонентской станции для дифференциальной шинной системы, охарактеризованной в пункте 1 формулы изобретения. Предлагаемая в изобретении абонентская станция содержит схему управления фронтами сигналов для симметрирования фронтов переключения в шинной системе, причем схема управления фронтами сигналов содержит элемент для формирования сигнала заданного напряжения на шине шинной системы и токовое зеркало для передачи сформированного сигнала заданного напряжения на эту шину. Токовое зеркало соединено с шиной через высоковольтные МОП-транзисторы. Высоковольтные МОП-транзисторы представляют собой транзисторы, включаемые по каскодной схеме и обеспечивающие эффективное отделение схемы управления фронтами сигналов от шины.
Предлагаемая в изобретении абонентская станция обеспечивает улучшенный контроль тока в линиях CAN_H и CAN_L шинной системы в статическом (установившемся) состоянии и во время прохождения фронтов переключения при переходе из доминантного состояния в рецессивное и наоборот.
Далее, предлагаемая в изобретении абонентская станция обладает высокой устойчивостью к вводимым посредством излучения помехам, что подтверждается испытаниями прямой инжекцией (радиочастотной) мощности (DPI - сокр. от англ. Direct Power Injection) и инжекцией объемного тока в кабельный жгут (BCI - сокр. от англ. Bulk Current Injection). Известные эффекты выпрямления и накопления остались в прошлом.
Кроме того, посредством предлагаемой в изобретении абонентской станции может быть реализована возможность достижения баланса при симметрировании в ходе заключительных испытаний интегральных схем, относящихся к однократно программируемым постоянным запоминающим устройствам (ОППЗУ). Программирование ОППЗУ используется для параметрической и функциональной настройки интегральных схем.
Еще одно преимущество предлагаемой в изобретении абонентской станции состоит в том, что она обеспечивает возможность работы без синфазного дросселя.
Предпочтительные варианты выполнения предлагаемой абонентской станции указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
Например, элемент для формирования сигнала заданного напряжения может содержать конденсатор Миллера, который на одной стороне подключен к затвору р-канального МОП-транзистора (полевого транзистора со структурой метал-окисел-полупроводник, а на другой стороне - к стоку р-канального МОП-транзистора и резистору.
Возможен также вариант осуществления изобретения, в котором элемент для формирования сигнала заданного напряжения содержит два источника тока, подключенных к р-канальному МОП-транзистору.
В одном варианте осуществления изобретения схема управления фронтами сигналов содержит два источника тока, конденсатор Миллера, р-канальный МОП-транзистор и резистор. При этом два источника тока и одна сторона конденсатора Миллера могут быть подключены к затвору р-канального МОП-транзистора, а на другой стороне конденсатор Миллера может быть подключен к стоку р-канального МОП-транзистора и резистору.
В одном варианте осуществления изобретения токовое зеркало образовано выполненными топологически идентичными низковольтными МОП-транзисторами.
Кроме того, абонентская станция может содержать диод защиты от переполюсовки, обеспечивающий защиту схемы от потенциала доминантного уровня в шинной системе, и диод защиты от переполюсовки, обеспечивающий защиту от сигнала CAN-L.
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 также решается в способе уменьшения кондуктивной помехоэмиссии в дифференциальной шинной системе, охарактеризованном в пункте 9 формулы изобретения. При осуществлении предлагаемого в изобретении способа схема управления фронтами сигналов для симметрирования фронтов переключения в шинной системе формирует сигнал заданного напряжения на шине посредством элемента для формирования сигнала заданного напряжения и передает этот сигнал на шину через токовое зеркало, которое соединено с шиной через высоковольтные МОП-транзисторы.
Предлагаемый в изобретении способ обеспечивает те же преимущества, что были названы выше в отношении абонентской станции.
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 первому примеру осуществления изобретения,
на фиг. 2 - форма кривой изменения во времени заданного напряжения при прохождении сигнала по шине в шинной системе согласно первому примеру осуществления изобретения;
на фиг. 3 - электрическая схема соединений устройства симметрирования сигналов абонентской станции в шинной системе согласно первому примеру осуществления 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 с целью 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 кривая изменения во времени t сигнала напряжения U, генерируемого передающим устройством 12, подробнее 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 имеет фронты 51, 52 переключения, как и сигнал заданного напряжения, генерируемый передающим устройством 12.
Согласно фиг. 3 передающее устройство 12 содержит схему 120 управления фронтами сигналов, образованную посредством эквивалента конденсатора 121 Миллера и источников 122 тока, почти безынерционное токовое зеркало 130, выходное токовое зеркало CAN_H 140 и выходное токовое зеркало CAN_L 145. Помимо конденсатора 121 Миллера и источников 122 тока, схема 120 управления фронтами сигналов также содержит коммутирующие элементы 123 и р-канальный МОП-транзистор 124. К затвору р-канального МОП-транзистора 124 подключен конденсатор 121 Миллера. Кроме того, через коммутирующие элементы 123 к затвору р-канального МОП-транзистора 124 подключены источники 122 тока. На другой своей стороне конденсатор 121 Миллера соединен со стоком р-канального МОП-транзистора 124. Резистор 125 преобразует линейно изменяющееся напряжение, получаемое на стоке р-канального МОП-транзистора 124, в токовый сигнал, подаваемый на вход токового зеркала 131. При этом резистор 125 задает максимальный ток короткого замыкания в проводах 41 (CAN_H) и 42 (CAN_L) шины.
Дополнительно к источнику 131 стабилизированных токов на основе n-канального МОП-транзистора, токовое зеркало 130 также содержит высоковольтный n-канальный МОП-каскод 132 и токовое зеркало 133 с низким выходным напряжением на основе р-канального МОП-транзистора. Высоковольтный n-канальный МОП-каскод 132 соединен с выходным токовым зеркалом 140. Токовое зеркало 133 на основе р-канального МОП-транзистора соединено с выходным токовым зеркалом 145. Выходное токовое зеркало CAN_H 140 представляет собой токовое зеркало с низким выходным напряжением на основе р-канального МОП-транзистора, предназначенное для генерирования выходного тока в линии CAN_H. Выходное токовое зеркало CAN_L 145 представляет собой токовое зеркало с низким выходным напряжением на основе n-канального МОП-транзистора, предназначенное для генерирования выходного тока в линии CAN_L.
ch_n
К выходному токовому зеркалу CAN_H 140 подключен высоковольтный р-канальный МОП-каскод 141. Высоковольтный р-канальный МОП-каскод 141 необходим на случай возникновения ошибки "Короткое замыкание CAN_H на минус 27 В". Кроме того, к выходному токовому зеркалу CAN_H 140 подключен диод 142 защиты от переполюсовки, обеспечивающий защиту схемы от положительного перенапряжения на CAN_H. К высоковольтному р-канальному МОП-каскоду 141 прикладывается отрицательный потенциал ϕ относительно положительного напряжения питания за диодом 142 защиты от переполюсовки.
ch_p
К выходному токовому зеркалу CAN_L 145 подключен высоковольтный n-канальный МОП-каскод 146. Высоковольтный n-канальный МОП-каскод 146 необходим на случай возникновения ошибки "Короткое замыкание CAN_L на 40 В". Кроме того, к выходному токовому зеркалу CAN_L 145 подключен диод 147 защиты от переполюсовки. Диод 147 защиты от переполюсовки необходим на случай возникновения ошибки "Короткое замыкание CAN_L на минус 27 В". К высоковольтному n-канальному МОП-каскоду 146 прикладывается положительный потенциал ϕ относительно массы.
Между высоковольтным р-канальным МОП-каскодом 141 и диодом 147 защиты от переполюсовки включена шина 40 с проводами 41, 42, замкнутыми на резистор 143. Таким образом, 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.
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 показанном на фиг. 3 передающем устройстве 12 сигнал заданного напряжения на шине 40 генерируется внутренними средствами с помощью элемента-реплики, включающего в себя конденсатор 121 Миллера, источники 122 тока, р-канальный МОП-транзистор 124 и резистор 125, и затем через токовые зеркала 140, 145 передается на шину 40. Управление фронтами сигналов обеспечивается с помощью конденсатора 121 Миллера, источников 122 тока, р-канального МОП-транзистора 124 и резистора 125. Токовые зеркала 133, 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.
Таким образом, посредством схемы 120 управления фронтами сигналов осуществляется способ уменьшения кондуктивной помехоэмиссии в шинной системе 1. При этом для симметрирования фронтов переключения в шинной системе 1 схема 120 управления фронтами сигналов генерирует, посредством элемента для формирования сигнала заданного напряжения, сигнал заданного напряжения на шине 40 и передает этот сигнал на шину 40 через токовое зеркало 130.
Требуемая прочность на пробой достигается с помощью каскодных ступеней, образованных высоковольтными МОП-транзисторами, а именно каскодами 132, 141, 146.
Как показано на фиг. 3, схема 120 управления фронтами сигналов практически отделена от шины 40, представленной проводами 41, 42 и резистором 143. Это преимущество обеспечивается транзисторами, включенными по каскодной схеме, а именно каскодами 132, 141, 146. Тем самым обеспечивается защита чувствительных блоков от вводимых путем излучения помех, таких как прямая инжекция мощности (DPI) и инжекция объемного тока (BCI) и т.д. Известные эффекты выпрямления и накопления остались в прошлом.
Таким образом, благодаря схеме 120 управления фронтами сигналов во время происходящих на шине 40 переключений уровней сигнала, т.е. переходов из рецессивного состояния в доминантное или наоборот, в линиях CAN_H и CAN_L текут одинаковые токи. Тем самым реализуются идеальные или почти идеальные процессы переключения при одинаковом внутреннем сопротивлении линий CAN_H (провод 41 шины) и CAN_L (провод 42 шины). При этом источники 122 тока и конденсатор 121 Миллера настроены посредством р-канального МОП-транзистора 124 и резистора 125 на процесс переключения в комбинации с шиной 40 таким образом, что возникают лишь незначительные синфазные помехи.
Во втором примере осуществления изобретения выполняется симметрирование доминатного состояния шины, соответствующего доминантному состоянию 53. Точнее говоря, производится согласование отношения токов, текущих в направлении выходного токового зеркала CAN_H 140 и выходного токового зеркала CAN_L 145. Это позволяет избежать погрешностей по току, которые могут возникать в различных путях прохождения сигналов вследствие неправильного согласования (подбора) схемных элементов. Источник 131 стабилизированных токов на основе n-канального МОП-транзистора предпочтительно выполняют в виде настраиваемого элемента. В остальном исполнение шинной системы 1 соответствует первому примеру осуществления изобретения.
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 рассмотренных примеров осуществления изобретения. Дополнительно возможны их модификации, в частности, рассматриваемые ниже.
Шинная система 1 согласно приведенным примерам 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, соответствующей примерам осуществления изобретения, 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 в случае их использования в модифицированном протоколе передачи данных, 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, среди прочего, увеличение поля данных, а также уменьшение длительности бита для части CAN-сообщения после проведенного арбитража.
Абонентские станции 10, 30 обеспечивают, особенно в случае протокола CAN-FD, возможность повышения качества передачи до уровня обычного обмена данными по протоколу CAN при использовании заметно более высокой скорости передачи.
Функциональность рассмотренных выше примеров осуществления изобретения также может быть реализована в приемопередатчике (трансивере), т.е. в приемопередающем устройстве 13, в управляющем связью устройстве 11 и т.д. В качестве дополнения или альтернативы передающее устройство 12 может быть интегрировано в существующее оборудование.