CN101523835B - 用于感应现场总线系统中的故障电流的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于驱动现场总线系统的总线的转换电路，所述转换电路具有用于感应故障电流的装置，所述装置包括：用于确定第一总线线路的第一电流的第一装置，用于确定第二总线线路的第二电流的第二装置，以及用于基于第一电流与第二电流来检测故障的装置。

Description

用于感应现场总线系统中的故障电流的装置

技术领域

本发明涉及一种用于确定总线系统中的故障的转换电路，并涉及一种相应的方法。 

背景技术

为了在电子控制器之间进行通信以及为了控制与监控汽车内的传感器和执行器，当今越来越多应用总线系统，诸如控制器-区域-网络(CAN)，其也被简称为CAN总线。在此，在进行发送的与进行接收的总线参与者之间设置有电信号的传输，所述的传输经由电子线路实现。此类线路可能在工作中由于机械负荷或其他影响而被损坏，这导致传输时的故障。受损的线路应不再应用在总线系统中，但是常规的系统只能在有限的范围内检测总线系统线路上的故障。因此只能受限地(例如通过断开受损的路径)对所检测的故障作出反应。常规的用于检验总线线路的机制此外限于测量总线线路的电压。这有明显的缺点，即由于某一线路长度而倾向于摆动的总线线路不能被可靠地监控故障。这例如涉及对外部电压(诸如供电电压)的短路或者对地的短路。

发明内容

本发明的任务是，改进现有的用于识别总线系统中故障的方法和装置。

依照本发明，该任务借助用于驱动现场总线系统的总线的转换电路来解决，所述转换电路包括用于确定总线的故障、特别是故障电流的装置。依照本发明的这个方面，所述的用于确定故障的装置包含用于确定第一总线线路的第一电流的第一装置、用于确定第二总线线路 的第二电流的第二装置、和用于基于第一和第二电流检测故障的检测装置。本发明原则上可用于所有的多线总线，在所述多线总线中可以监控总电流。特别对于具有两线制线路的总线系统，本发明是有利的。CAN总线属于具有两线制线路的总线系统，但RS-485总线也属于具有两线制线路的总线系统。在许多现场总线系统(诸如CAN总线)中，设置有在总线参与者之间经由两线或多线总线线路的、控制信息和数据信息的传输，在所述两线或多线总线线路上耦合有总线参与者。在未受扰的工作中，已定义的电流流进总线的第一线路(或者总线的一部分)，并且同样大小的电流又经由总线的第二线路流出。在此，电流例如经由一线路在一方向上被送出，并且经由终端电阻返回到第二线路上。本发明建议，确定所述的两电流，并且基于该测量来检测总线故障。因而，不同于传统的方法，不进行总线线路上的电压测量。取代地，测量线路上的电流。由此，特别在长的总线线路的情况下避免，测量由于总线线路的摆动倾向而不可靠或者持续比较长的时间。此外，某些故障在一定的边界条件下不可以通过纯的电压测量来确定。

本发明可以应用于所有总线系统，在所述总线系统中定义的电流在第一总线线路上以一方向流动并且在第二总线线路上以相反的方向流动。用于确定电流的装置例如可以有利地被构建为分流电阻，并且直接耦合到相应的总线线路中。在所述电阻上降低的电压重现流过总线线路的电流。确定电流的其他可能性基于电感性耦合，诸如Reed传感器。用于检测故障的装置基于相应的测量方法通过比较基于电流的电压来实现。这里例如可以使用比较器，所述比较器比较相应的电压值。

依照本发明的另一有利的实施方案，用于驱动总线线路的驱动级被作为用于确定总线线路的电流的装置实施以及使用。依照本发明的该有利方面，据此在总线线路中不连接特有的附加组件(诸如前述的分流电阻)。取代地，使用驱动级的组成部分。这样的驱动级有利地是被设置用于总线线路的确定的工作的组件。此类组件例如可以在所 谓的CAN收发机中碰到，所述CAN收发机提供在针对总线协议的CAN控制器与两条或多条总线线路之间的连接。经过由CAN收发机提供的接口引起在总线参与者之间的数据交换。在其他总线系统中也出现相似的组件。这些总线系统以相同的方式从前面提及的本发明优点中受益。在CAN总线的情况下，发送部分包含针对每个总线线路的驱动器和驱动器控制转换电路。所谓的高侧驱动器与CAN收发机的供电电压相耦合，并且允许电流流进第一总线线路。所谓的低侧驱动器与地相耦合，并且总线线路接纳来自另一总线线路的电流。一般地，在此类驱动级中组件直接连接到总线线路的电流流过的路径中。依照本发明的这个方面，使用这些组件用于确定电流。这例如通过以下方式是可能的，即将在所述组件上降低的电压应用于确定电流。特别地，在一个有利的实施方案中可以将驱动级的驱动晶体管用作用于确定电流的装置。

依照另一有利的实施方案，被耦合到总线线路上的驱动级的保护二极管被用于确定电流。这样的装置的优点在于，保护二极管由于非线性特性曲线而可以显著提高测量灵敏度。因此，可以检测所期望电流的已很小的偏差。同样的情况适用于晶体管(其表现如二极管一样)或其他的具有非线性表现的电构件。为此目的，二极管或晶体管例如可以被布置在放大器电路(诸如电压跟随器等等)的反向耦合支路中。

又一有利的实施方案规定，在转换电路中设置用于比较电压值的比较装置，其中电压值基于第一电流和第二电流，并且比较装置被实现，以便实施至少两个分离的比较操作。依照本发明因此规定，可以实施多个比较操作，所述的多个比较操作使得能够将故障归类成两条总线线路上的确定的故障类型。因而例如可以测到每条单个线路对地或外部电压的短路以及线路的相互短路或断开。这通过以下方式获得成功，即可以进行多于一次的比较。

在一个有利的实施方案中，所述转换电路被构建，以便依赖总线 的发送状态来进行故障的确定。由此保证，总线线路的预先定义的工作状态被给出，这使得特定故障的确定变得容易。例如在CAN总线中，显性的总线状态与隐性的总线状态不同。当连接到总线上的所有总线参与者的所有驱动器都是被动的时，存在隐性的状态。于是总线具有特定的线路电势。当总线参与者的驱动器中的至少一个是主动的时，这被视为显性状态。在显性状态中，在总线线路之间存在特定的电势差。此外，在这种工作状态中给出定义的电流。在显性的发送工作中的故障确定是有利的，因为在这种状态中电流确定性地以先前定义的方式在线路上传开。如果线路上的所述电流或多条电流偏离于预定的，则在显性状态中故障电流的确定是可能的。

所述转换电路的又一有利的实施方案规定，对总线故障起反应，断开一条或多条有缺陷的总线线路。这些总线线路不再应用于进一步的数据传输。替代地，可以有利地规定，有缺陷的总线线路(针对所述总线线路检测出了故障)通过能工作的冗余的总线线路加以代替。本发明的这个方面特别对于多通道总线系统是令人感兴趣的，在所述多通道总线系统中存在大量分离的总线。

依照本发明的另一有利方面，所述转换电路的用于检测的装置被构建，以便检测总线线路之一相对于地的短路或总线线路之一相对于外部电压的短路。特别地，由所述转换电路的依照本发明的实施方案也规定对两种故障的检测。因为依照本发明确定总线线路上的电流，所以可以通过按照其绝对值以及相对值将电流相比较来区分总线系统的某些故障类型。因此不仅可以确定根本存在故障，而且还可以将故障归属于某一缺陷。这使得能够灵活地对故障作出反应。此外，对总线系统的诊断以这种方式已发生。

本发明的任务同样通过一种用于确定多通道总线系统中的故障的方法来解决，所述方法包含以下步骤：确定第一总线线路的第一电流，确定第二总线线路的第二电流，比较从第一电流和第二电流导出的值，并且输出比较结果，所述比较结果对应于总线线路上的故障，其中第一总线线路和第二总线线路是总线系统的共同的总线路径的两条总线线路。依照该有利的方法步骤序列，可能的是，一般地确定出现在多通道总线系统的由至少两条电子线路形成的总线路径上的故障。在诸如CAN总线的某些总线系统中，设置在总线参与者之间的控制信息和数据信息的传输。在未受扰的工作中，定义的电流流进所述总线路径的第一线路，并且同样大的电流经由所述总线路径的第二线路流出。依照本发明，充分利用这种对称，以便确定总线线路的短路或断开。

依照本发明的另一有利方面，所述比较步骤包括至少一个第一比较和第二比较，其中第一比较被设置用于确定总线的第一故障状态，并且第二比较被设置用于确定总线的第二故障状态。依照本发明，第一故障状态和第二故障状态涉及总线的不同的物理缺陷。根据已提及的有利的实施方案，变得明显的是，根据本发明方法适合于区分总线上的多种不同的故障情况。因而总线线路不仅仅基于超过或低于预定的电平被检查。附加地，可以测定两条总线线路的单个的短路或者相互短路。此外，通过测量在总线线路上被引导的电流，避免了电压测量的缺点。这具有正面的影响，即长的总线线路(所述长的总线线路可能具有摆动表现)也可以可靠地被检验。特别地，对地的短路依照本发明同样可以被识别。此外，可以检测总线线路对外部电压或对地的单侧的短路，所述短路可能导致通信故障。

有利的是，在所述第一比较中将第二值与第一值相比较，其中，所述第二值对应于所述第一总线线路和所述第二总线线路的电压的平均值加上偏移电压，而所述第一值对应于第一总线线路和第二总线线路上的总线电压的平均值，所述第一总线线路的电流用于对所述第一值与所述第二值的确定中。

另外有利的是，在所述第二比较中将所述第一值与第三值相比较，其中，所述第三值对应于所述第一总线线路与所述第二总线线路的电压的平均值加上偏移电压，而所述第一值对应于第一总线线路与第二总线线路上的总线电压的平均值，所述第二总线线路的电流用于对所述第一值与所述第三值的确定中。

依照本发明的又一有利方面，在第一比较中将第一比较电压与第 二比较值相比较，所述第一比较电压基于总线线路的两个电压的平均值，所述第二比较值基于总线上的电压的平均值与从经过第一和第二总线线路的电流所导出的电压的组合。

在本发明转换电路中，关于CAN总线的过程可以描述如下：在第二总线线路对地短路时，电流从第一总线线路经由总线流到第二总线线路，并从那里直接流向地。因此所述电流不取经过总线线路的常规路径。如果一(“第二”)感应装置(例如分流电阻)被耦合到第二线路中，则极少的电流流经第二感应装置。基于此，电压比例随之发生偏移，在第二感应装置上的第二比较电压取较低的值。由此第二比较装置的输出端从第一输出状态变换成第二输出状态，例如从高(High)到低(Low)。当存在第一总线线路对地的短路时可以观察到类似的过程。当第一总线线路对外部电压短路时，没有电流流过被耦合在第一总线线路中的第一感应装置。在总线上，从短路的位置开始故障电流从第一总线线路流到第二总线线路，并从那里经由第二感应装置回到地。因此，在比较装置上的电压比例发生偏移，从而第二比较电压取较高的值。由此第一比较装置的输出端从第一逻辑状态变换成第二逻辑状态，例如从高(High)到低(Low)。所述电路在第二总线线路对外部电压短路时表现相同。

在隐性状态中，电流既不流过第一感应装置，也不流过第二感应装置。所述感应装置被这样布置，使得它们可以感应总线线路中的电流。为此，所述感应装置可以作为分流元件(电阻、二极管、晶体管等等)被连接到线路中。在驱动器与针对所述线路的连接端之间的布置是有利的。如先前所描述的，感应装置也可以作为驱动级的部分被实现，其方式是例如测定在驱动级的晶体管上的电压降。

附图说明

下面示范性根据实施例参考附图来阐述本发明。

图1示出了依照本发明的一有利方面的一实施例的转换电路的简化的电路图，

图2示出了依照本发明的另一有利方面的第二实施例的转换电路的简化的电路图，

图3示出了依照本发明的另一有利方面的第三实施例的简化的电路图，

图4示出了依照本发明的另一有利方面的第四实施例的简化的电 路图，并且

图5示出了用于阐明总线系统上的电平的时间流图。

具体实施方式

图1示出了依照本发明的一有利方面的实施例的简化的电路图。依照本发明的故障检测转换电路SENS被布置在CAN总线系统的两条传输线路CAN-H、CAN-L之间。在典型的CAN总线系统中设置有大量的各带有两条传输线路CAN-H、CAN-L的两线传输路径。线路CAN-H被耦合到一输出驱动器高侧驱动器HS-D(High-Side-Driver)。该输出驱动器产生依照标准规范的电压电平和/或电流电平。同样的情况适用于传输线路CAN-L，所述传输线路CAN-L被耦合到相应的驱动器LS-D(Low-Side-Driver低侧驱动器)。在线路CAN-H和CAN-L中耦合有电阻R-H和R-L作为第一和第二感应装置。在这些电阻上连接有检测装置，即用于检测故障或者说用于检测故障电流的转换电路DET。经由分压器R1/R2，在节点N1上得到电压的平均值。该平均值分别在正输入端和负输入端处被导入比较器CP1和CP2(所述比较器作为比较装置工作)。比较器CP1和CP2的各自另外的连接端从电阻链R3、R4和R5获得其电压。依照本发明的一有利方面，电阻R1和R2被选择为相同大小，从而在某一容许误差的范围内在节点N1处准确得到线路CAN-H和CAN-L上的两个电压的中间电势。分压器R3、R4和R5被定大小，使得节点N2和N3上的电压相对于节点N1上的电势在正常工作中(亦即在没有出现故障时)提供恒定的预先定义的输出信号。在前面的情况中，比较器CP1和CP2在它们的输出端COUT1和COUT2各具有逻辑高电平或“1”电平。在此依照本发明考虑，在正常工作中流进线路CAN-H中的电流对应于经由线路CAN-L离开总线路径的该部分的电流的总量。对此，所述电流经由终端电阻R-CAN导回。只要满足前面提及的条件，亦即在正常工作中，比较器的输入电压就相互处于一比例，所述比例将比较器CP1和CP2的输出端COUT1和COUT2置成被定义为正常状态或无故障状态的状态。如果此时在总线路径的虚线区域中(亦即在故障检测转换电路SENS之外)出现故障，例如由 于对地的短路或者对外部电压的短路，则这导致，在CAN-H线路与CAN-L线路的两个电流之间形成差异。在线路之间的分压器通过节点N1、N2和N3上的改变的节点电压对故障状态起反应。若故障超过确定的界限值，则节点电压N1、N2和N3变化得如此大，使得比较器CP1和CP2以输出端COUT1和COUT2的转换对此起反应。比较器的两个输出端COUT1和COUT2总共可以组合地取三种不同的状态。因此总共可以检测出例如一种正常状态和两种不同的故障状态。在CAN-L对地短路的情况下，电流从CAN-H经由总线流到CAN-L并从那里直接流向地，并因此不流经R-L。由此电压比例偏移，从而在比较器CP2上的第二比较电压N3取低的值。由此，比较器CP2的输出COUT2从高变到低。在CAN-H对地短路的情况下电路表现与此类似。在CAN-H对外部电压短路的情况下，没有电流流过R-H。故障电流从CAN-H的短路处经由总线流到CAN-L，并在那里经由R-L导回流向地。因此电压比例偏移，使得第二比较器CP2处的第二比较电压COUT2取较高的值。由此，比较器CP1的输出COUT1从高变到低。在CAN-L对外部电压短路的情况下电路表现与此类似。在隐性状态中电流既不流过R-H也不流过R-L。

为了进一步阐明工作方式，图2示出了依照本发明的一有利方面的转换电路的简化的电路图。在广大部分中，所述电路与先前关于图1所描述的转换电路一样或类似地被布置。附加地，此时电阻R4被划分成两部分并且提供以下可能性，即量取节点电压N4。在节点N1与N4之间得到桥电压Ubr。如果经过R-H的电流与经过R-L的电流一样大，其中电流在正常工作中如先前所描述的以相反的方向流动，那么桥电压Ubr为零。但是，如果经过R-H的电流(流出的电流)大于经过R-L的电流(流入的电流)，则(虚的)桥电压为正的。若Ubr超过阈值，则比较器CP2被转换。由此指示，故障电流I_故障＝I-H+I-L过大并且存在对外部电势的连接。比较器CP2产生补偿的故障信号。也就是说，它在故障电流具有相反的符号时进行指明。

图3示出了本发明的另一有利实施方案的简化的电路图。依照图3的电路基本上与图1和图2的电路一样地被实施。附加地，此时还设置有二极管D1和D2。因为唯独在输出驱动器HS-D和LS-D为显性状态时监控电流和，所以在将高侧开关和低侧开关用作桥接元件(分流器)时存在本发明的一有利实施方案。相应地，电阻R-H是高侧驱动晶体管HS-D的导通电阻Ron-HS。第二电阻R-L通过低侧驱动晶体管的导通电阻Ron-LS来实现。

CAN总线可以取两个状态：隐性状态与显性状态。当连接在总线上的组件(典型地为收发机)的所有驱动器都是被动的时，也就是说当没有驱动器处于发送状态时，存在隐性状态。在这种情况下，在两条总线线路之间的电压差约为0V。在隐性状态中的电压的可能的容许误差是标准化的(ISO 11898)。据此可以有在大约-50mV与+500mV之间的电压电平。配属于该状态的逻辑电平被定义为高电平或逻辑“1”。只要总线上的至少一个驱动器变换成主动状态，整个总线就被视为显性。于是总线上的电压差处于典型的2.25V，其中该电压也可以在已定义的范围中改变。据此，电压应取在1.5V与3V之间。该显性状态被定义为逻辑“0”电平或低电平。二极管D1和D2是高侧驱动器HS-D与低侧驱动器LS-D的保护二极管。这些二极管可以在相应的耦合中被布置在所述电路之外，亦即被布置在所述电路的输出端与要感应的总线线路CAN-H、CAN-L之间。在该有利的实施方案中，包括R3、R4和R5的分压器持久地被供电。由此在隐性状态中在比较器输入端上得到已定义的参考电压，由此使得在隐性状态中也能够感应故障。根据图4得到另一装置。

图4示出了本发明的又一有利的实施方案。在该有利的实施方案中，不仅电阻R-H和R-L(依照图1)通过驱动级的导通电阻Ron-HS、Ron-LS来实现，而且附加地在桥接路径中二极管(驱动级的保护二极管)D1和D2还被一同接纳到桥接支路中。因而该实施方案是特别有利的，因为非线性的二极管特性曲线在通过二极管的故障电流很小时 导致提高的灵敏度。在该有利的实施方案中，包括R3、R4和R5的分压器持久地被供电。由此，在隐性状态中在比较器输入端上得到已定义的参考电压，由此使得在隐性状态中也能够感应故障。

图5示出了总线线路CAN-H与CAN-L上的信号的时间曲线。此外示出了逻辑信号TX0和比较器CP1和CP2上的信号。只要不出现发送工作，TX0也处于逻辑高，在按照图1和图2的实施方案中比较器就处于未定义状态。一旦TX0导入发送工作，总线就从隐性状态变换到显性状态。在时刻T0可以量取比较器CP1和CP2的输出值，并且根据这些值来确定总线线路之一上的故障。依照本发明，依赖总线工作状态来进行故障检测，亦即总线线路故障的确定。

Claims (11)

1.用于驱动现场总线系统的总线的转换电路，

其特征在于所述转换电路包括用于感应故障电流的传感器，所述传感器包括：

用于确定第一总线线路的第一电流的第一传感装置，

用于确定第二总线线路的第二电流的第二传感装置，

用于基于所述第一电流和所述第二电流检测故障的故障检测器，所述故障检测器包括：(i)连接在所述第一总线线路和所述第二总线线路之间的分压器，所述分压器由多个电阻器形成，并且在所述多个电阻器之间具有多个节点；以及(ii)多个比较器，每个比较器耦合到所述多个节点中的相应节点，

其中在所述故障检测器中，具有相同大小的第一和第二电阻器串联连接于所述第一和第二总线线路之间，从而在所述第一和第二电阻器之间的节点处得到第一和第二总线线路的电压的平均值，且该平均值分别在正输入端和负输入端被导入第一和第二比较器；并且第三、第四和第五电阻器依次串联连接于所述第一和第二总线线路之间，从而在所述第三和第四电阻器之间的节点处得到预定的电压，且所述电压被导入所述第一比较器的另一输入端，并且在所述第四和第五电阻器之间的节点处得到预定的电压，且所述电压被导入所述第二比较器的另一输入端，

其中所述第一传感装置和所述第二传感装置各自包括驱动级，所述驱动级分别用于驱动所述第一和第二总线线路。

2.如权利要求1所述的转换电路，

其特征在于，

所述驱动级包括驱动晶体管，所述驱动晶体管用于确定所述第一电流和所述第二电流中的至少一个。

3.如权利要求1所述的转换电路，

其特征在于，

所述驱动级包括分别耦合到所述第一和第二总线线路上的保护二极管，所述保护二极管分别用于确定所述第一电流和所述第二电流。

4.如权利要求1所述的转换电路，

其特征在于，

用于确定所述第一电流的所述第一传感装置和用于确定所述第二电流的所述第二传感装置各自包括分别耦合到所述第一和第二总线线路的电阻器。

5.如权利要求1所述的转换电路，其中，所述故障检测器用于检测所述第一和第二总线线路中的至少一个对地的短路和/或所述第一和第二总线线路中的至少一个对外部电压的短路。

6.如上述权利要求之一所述的转换电路，

其特征在于，

所述第一和第二比较器用于比较电压值，所述电压值基于所述第一电流和所述第二电流，并且所述第一和第二比较器用于实施至少两个分离的比较操作。

7.用于确定在现场总线系统工作时的故障的方法，所述方法具有以下步骤：

利用第一驱动级来驱动第一总线线路，

利用第二驱动级来驱动第二总线线路，

利用第一驱动级来确定第一总线线路的第一电流，

利用第二驱动级来确定第二总线线路的第二电流，

利用故障检测器比较从所述第一电流和所述第二电流导出的值，以识别故障电流，其中所述故障检测器包括：(i)连接在所述第一总线线路和所述第二总线线路之间的分压器，所述分压器由多个电阻器形成，并且在所述多个电阻器之间具有多个节点；以及(ii)多个比较器，每个比较器耦合到所述多个节点中的相应节点，以及

当所述比较从所述第一电流和所述第二电流导出的值的步骤表明故障电流时指示该故障，其中，所述第一总线线路和所述第二总线线路是所述总线系统的共同的总线路径的两条总线线路，

其中在所述故障检测器中，具有相同大小的第一和第二电阻器串联连接于所述第一和第二总线线路之间，从而在所述第一和第二电阻器之间的节点处得到第一和第二总线线路的电压的平均值，且该平均值分别在正输入端和负输入端被导入第一和第二比较器；并且第三、第四和第五电阻器依次串联连接于所述第一和第二总线线路之间，从而在所述第三和第四电阻器之间的节点处得到定大小的电压，且所述电压被导入所述第一比较器的另一输入端，并且在所述第四和第五电阻器之间的节点处得到定大小的电压，且所述电压被导入所述第二比较器的另一输入端。

8.如权利要求7所述的方法，

其特征在于，

所述比较从所述第一电流和所述第二电流导出的值的步骤包括第一比较和第二比较，其中所述第一比较的结果说明所述总线系统的第一故障状态，而所述第二比较的结果说明所述总线系统的第二故障状态。

9.用于确定在现场总线系统工作时的故障的方法，所述方法具有以下步骤：

确定第一总线线路的第一电流，

确定第二总线线路的第二电流，

比较从所述第一电流和所述第二电流导出的值，以识别故障电流，以及

当所述比较从所述第一电流和所述第二电流导出的值的步骤表明故障电流时指示该故障，其中，所述第一总线线路和所述第二总线线路是所述总线系统的共同的总线路径的两条总线线路，所述比较从所述第一电流和所述第二电流导出的值的步骤包括第一比较和第二比较，其中所述第一比较的结果说明所述总线系统的第一故障状态，而所述第二比较的结果说明所述总线系统的第二故障状态，

所述第一比较包括将第二值与第一值相比较的步骤，其中，所述第二值对应于所述第一总线线路和所述第二总线线路的电压的平均值加上偏移电压，而所述第一值对应于所述第一和第二总线线路上的电压的平均值。

10.如权利要求9所述的方法，

其特征在于，

所述第二比较包括将所述第一值与第三值相比较的步骤，其中，所述第三值对应于所述第一总线线路与所述第二总线线路的所述电压的平均值加上偏移电压，而所述第一值对应于所述第一和第二总线线路上的电压的平均值。

11.如权利要求7所述的方法，

其中，比较从所述第一电流和所述第二电流导出的值以识别故障电流的步骤依赖所述总线系统的发送状态。