CN104133800B - 针对共享总线的增强驱动器模式的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种设备包括：传输电路，配置和布置为根据信号总线协议来传输数据，所述信号总线协议在没有有源驱动的信号值的情况下使用无源偏置将信号总线设置为隐性值。所述传输电路包括：第一驱动器电路，配置和布置为将信号总线有源驱动到与隐性值不同的显性值。所述传输电路还包括：第二驱动器电路，配置和布置为将信号总线有源驱动到隐性值。控制电路配置和布置为响应于设备在第一数据传输模式下操作来禁用第二驱动器电路，以及响应于设备进入第二传输模式来启用第二驱动器电路。

Description

针对共享总线的增强驱动器模式的设备和方法
技术领域
本发明涉及针对共享总线的增强驱动器模式的设备和方法。
背景技术
通常关于想到的特定应用集合来设计数据总线标准／协议。对于协议的一般考虑是可用数据带宽的大小。通常在增大的数据带宽与其他因素(例如，成本、实现的容易程度以及系统设计的灵活性)之间存在权衡。因此，可以设计协议来达到可用数据带宽的大小与其他考虑因素之间的平衡。然而技术总在改变并且各种考虑因素的平衡可以随时间而改变。因此，可以修改协议来满足新的需求。可能需要新的协议版本来支持(1everage off)先前的硬件和／或保持与先前版本的后向兼容。例如，新版本可以使用相同的物理层，包括传输介质的电学、机械和程序性(procedural)接口。
特定协议是CAN-bus(控制器区域网-总线)标准／协议。该协议最初设计用于交通工具，但可以应用在许多其他领域，包括但不限于航天和医疗设备。CAN标准设计用于允许微控制器和设备使用消息协议彼此通信，所述消息协议不依赖于主设备／主计算机。对于日益增长的大量不同应用使用CAN-bus协议导致对带宽的需求增大。设计了一种新的CAN协议(具有灵活数据速率的CAN(CAN FD))来提供1MBit／s或更高的数据带宽以及比每帧8字节更长的有效载荷。CAN FD设计为与以前的CAN协议使用相同的物理层(例如，BOSCH CAN规范2.0)。
发明内容
本公开的方面基于以下认识：(例如，CAN-bus)协议的不同版本之间公共的物理层可能导致难以针对新的协议版本(例如，CAN FD)实现增大的数据带宽。这些和其他问题针对多种应用向数据总线通信协议提出了挑战。
多个示例实施例涉及针对共享总线的增强驱动器模式、相关电路及其实现方式。
根据示例实施例，一种设备包括：传输电路，配置和布置为根据信号总线协议来传输数据，所述信号总线协议在没有有源驱动的信号值的情况下使用无源偏置将信号总线设置为隐性值。所述传输电路包括：第一驱动器电路，配置和布置为将信号总线有源驱动到与隐性值不同的显性值。所述传输电路还包括：第二驱动器电路，配置和布置为将信号总线有源驱动到隐性值。控制电路配置和布置为响应于设备在第一数据传输模式下操作来禁用第二驱动器电路，以及响应于设备进入第二传输模式来启用第二驱动器电路。
以上论述／概要不旨在描述本公开的每一个实施例。下面的附图和详细描述也举例说明了多个实施例。
附图说明
结合附图，根据以下详细描述，可以更全面地连接各个示例实施例。
图1示出了根据本公开实施例的系统的框图，所述系统包括配置为以无源偏置来有源驱动总线的设备；
图2示出了根据本公开实施例的传输电路的电路图；
图3示出了根据本公开实施例的结合CAN FD协议使用的信号的信号时序图；
图4示出了根据本公开实施例的用于在增强数据模式下进行传输的同时检测错误状况的系统；
图5示出了根据本公开实施例的结合设备使用的信号的信号时序图，所述设备配置为以相反的方向同时驱动信号总线；
图6示出了根据本公开实施例的系统，其中控制器电路提供实现增强数据传输模式的指示；
图7示出了根据本公开实施例的系统，其中发射机电路基于接收到的数据来检测增强数据传输模式；以及
图8示出了根据本公开实施例的针对发射机电路在差分信号总线上观察到的有效阻抗。
具体实施方式
尽管本文论述的各个实施例可以具有修改和备选形式，然而图中以示例的方式示出了各个实施例的方面，并且将对其进行详细描述。然而应理解，本发明不旨在限于所描述的具体实施例。相反，本发明旨在覆盖落入公开范围之内的所有修改、等同和替换，包括权利要求中限定的内容。此外，贯穿本申请使用的术语“示例”仅是说明性的而不是限制性的。
相信本公开的方面可以应用于多种不同类型的设备、系统和方法，包括在增强模式期间驱动总线的上下文中有用的设备和方法。通过使用这种上下文来论述示例，可以认识到各个方面，但不必局限于此。
多个示例实施例涉及总线协议，所述总线协议使用两个补充逻辑值之一来传输数据：显性或隐性。可以利用电阻使用无源偏置(例如，电阻性端接)来提供隐性电平。可以由电路(如，使用晶体管，所述晶体管被激活以将总线驱动到显性电平)来有源驱动显性电平。因此，如果总线上的任何设备驱动到显性电平，则得到的总线值将是显性。例如，在总线的有线AND实现的情况下，显性电平由逻辑“0”来表示，隐性电平由逻辑“1”来表示。
本公开的实施例涉及一种方法或设备，将总线有源驱动到与显性电平和隐性电平二者一致的信号电平，同时保持与配置为使用无源偏置来通信的设备的兼容性。例如，其他设备可以配置为使用根据总线协议来通信，所述总线协议不考虑将总线有源驱动到隐性电平的其他设备。在特定实施例中，将总线有源驱动到隐性电平的过程响应于设备进入增强数据传输模式而发生，这提供了增大的数据带宽。
本公开的多个方面涉及第一设备，所述第一设备配置为在第一设备将总线驱动到隐性电平的同时检测另一设备何时朝向显性电平驱动总线。例如，第一设备可以配置为检测总线的阈值电平，所述阈值电平与沿着不同方向进行有源驱动的两个驱动器电路一致。
更具体的实施例涉及用于与CAN FD-bus协议一起使用的系统、设备或方法。CANFD-bus可以与先前CAN总线协议使用相同的物理层。然而更高的层可以不同。例如，帧格式是不同的。CAN FD帧格式包括两个新的控制位。第一控制位利用CAN帧的(第一)保留位来指示通信是否在使用新的帧格式。另一控制位指示通信是否正在使用具有更快比特速率的增强模式。CAN FD帧格式配置为使得CAN帧格式的消息和CAN FD帧格式的消息可以在同一网络内共存。
理想CAN网络的物理层使用在CAN总线的每一端具有两个端接电阻器(2x120欧姆)的总线拓扑，但是在实践中情况是不同的，由于长的短截线(stub)连接到总线，因此选择较为不理想的拓扑(无源星型网络(passive star))。由于非理想的端接，这种非理想的拓扑可以限制仲裁(arbitration)期间的最大速度，从而导致总线上的反射。这些非理想情况限制了总线的理论带宽，并且是造成实际总线速度保持在1Mb／s(在客车中是～500kB／s，在卡车中是～500kB／s)以下的至少一部分原因。由于仲裁速度是先前的限制因素，所以CAN FD协议允许使仲裁速度与数据阶段速度去耦合，以增加总带宽。
更具体地，理想的CAN网络可以起到具有两个端接电阻器的理想传输线的作用，其中在线缆的每一端有一个端接电阻器，并且在整个相关频率范围上具有120Ω的理想特征阻抗。然而，在实践中，经由短截线将多个节点连接到主线缆，主线缆过长并且会导致偏离理想阻抗。此外，当总线上有源驱动的显性比特转变成未驱动的隐性比特时，端接电阻器与收发机输入电容和线缆电容一起可以产生RC时间恒定放电。
本公开的方面涉及以下认识：与CAN帧格式的后向兼容产生了与新CAN FD协议的使用相关的问题。例如，数据阶段期间的较高速度可以导致更多的放射(EME)和对RF干扰(EMI)的抗干扰性降低。还可能存在非理想端接的CAN拓扑的困难。因此，本公开的方面涉及专用CANFD收发机，所述专用CAN FD收发机在数据段传输期间改变操作模式，从而改善EMC和数据带宽(尤其是在非理想CAN网络拓扑上)。
根据本公开的多个实施例，认识到CAN收发机的输出级具有有限的共模抑制，所述有限的共模抑制是由较大共模电压摆动(>5V)期间CANH和CANL之间阻抗(组件的寄生电容)的失配引起的。
尽管接收机路径中存在的差分低通滤波器的截止频率可以有助于防止与1Mb／s以下的通信速度相关的EMI问题，但是一旦通信速度提高(例如，在CANFD的数据阶段期间)，低通滤波器的截止频率也需要提高。然而这种提高可以引起中频带频率的EMI问题。
因此，本公开的方面涉及在高速数据阶段(使用两个方向上的有源驱动器电路)对称驱动的总线。这可以以桥接配置使用两个类似的输出级来实现。这使得消除了单个输出级的偶次谐波并且改善了共模放射(相对于有源驱动信号和无源驱动信号的组合)。此外，由于按照类似于隐性到显性转变的方式来有源驱动从显性到隐性的转变，所以可以减小从显性到隐性转变(由网络的非理想性引起)的振铃(ringing)。这些和其他因素对于实现更高的总线速度／数据带宽来说特别有用。
现在转向附图，图1示出了根据本公开实施例的系统的框图，所述系统包括配置为以无源偏置来有源驱动总线的设备。设备102配置为使用共享的信号总线与设备116通信。在特定实施例中，可以使用差分信号路径来实现共享的信号总线；然而其他解决方案是可能的，如，单端信号路径。系统包括向总线提供无源偏置的元件114。
设备102可以配置为通过将信号总线驱动到适当的信号电平来向设备116传输数据。这可以使用响应于数据输入信号的信号驱动器电路106-112来实现。
设备102可以包括控制器电路104，可以使用可编程逻辑器件、特殊配置的处理器电路和／或分立的电路组件来实现所述控制器电路104。控制器电路104可以配置和布置为响应于设备进入特定数据传输模式来产生使能信号。当使能信号不存在时(非活跃电平)，不启用相应的驱动器电路106、112。在这种模式下，使用信号总线上的无源偏置将总线设置到隐性信号电平。当使能信号存在时(活跃电平)，启用相应的驱动器电路106、112。在这种模式下，由驱动器电路来有源驱动信号总线。因此，控制电路104可以配置为当设备102在增强模式(例如，符合CAN FD的增大数据速率)下传输时启用驱动器电路106、112。
图2示出了根据本公开实施例的传输电路的电路图。传输电路200包括驱动器电路202和208，所述驱动器电路202和208配置和布置为使用场效应晶体管(FET)214和216将相应的总线线路有源驱动为高。驱动器电路206和212配置和布置为使用FET218和220将相应的总线线路有源驱动为低。启用电路204和210控制是否启用FET216和218。当启用这些FET时，使用FET216和218来有源驱动总线。
可以响应于设备进入特定数据传输模式来产生使能信号(DATAPHASE)。例如，可以响应于设备进入以下数据阶段来产生使能信号：该数据阶段使用CAN FD协议的(可选的)高数据速率。
电路222示出了结合传输电路200使用的示例接收机电路。可以使用低通滤波器224来去除高频分量。可以使用两个不同的接收机电路226、228来检测输入数据的存在。这可以帮助改善信号总线上的电平转变之间的对称和对应内部接收(RXD)信号的产生。因此，可以将针对每个接收机的阈值电平设置为不同的值，如本文更详细论述的。
图3示出了根据本公开实施例的结合CAN FD使用的信号的信号时隙图时序图。CANFD协议允许仲裁阶段按照与后续数据阶段不同的(相对低的)数据速率来进行。在仲裁阶段期间，DATAPHASE信号为低，仅电路驱动器H1202和驱动器L1212活跃。因此，传输电路200使用无源偏置将信号总线驱动到隐性电平(符合CAN总线协议)。此外，选择标准CAN接收机阈值来产生RXD信号。在仲裁阶段期间，允许总线上的任意节点将总线驱动为显性，以确定哪个赢得了仲裁。由于输出级的漏极开路特性而使的这一点成为可能。
在高速数据阶段的开始，DATAPHASE信号成为高，电路驱动器H2208和驱动器L2206可以开始有源驱动信号总线。从而传输电路200以平衡的方式驱动显性电平和隐性电平二者。CAN FD协议将数据阶段的传输限制于发送节点，从而便于有源驱动到隐性电平。
可以设置CANFD接收机，信号接收机的信号检测阈值为0V，使用所述信号检测阈值来产生内部接收(RXD)信号。对于在活跃的高信号和低信号之间提供对称的RXD延迟而言，0V的阈值可以特别有用。这种对称性可以是高数据传输速度下的特定相关参数，如，在显性和隐性之间的转变时间是位时间(bit time)的有效部分的情况下。总线上具有0.7V缺省接收机电平的其他非CAN FD收发机节点仍然能够检测正确的显性电平和隐性电平，但不具有对称的总线到RXD延迟，这可能成为对最大可获得速度的限制因素。
图4示出了根据本公开实施例的在增强数据模式下传输的同时检测错误状况的系统。本公开的特定实施例涉及利用设备402检测错误帧的传输。根据CAN协议，可以通过将信号总线驱动到显性电平来传输错误帧。CAN FD协议假定当当前发送设备404输出隐性值时，设备402将使信号总线保持在显性电平。发送设备404然后将使用其接收机电路406来检测信号总线何时达不到隐性电平(由于设备402正在驱动信号总线)。然而已认识到，当发送设备404将信号总线有源驱动到隐性电平时，两个设备的驱动电流彼此相反。因此，发送设备404可以包括接收机电路408，接收机电路408的阈值电平设置为检测这种情况。
图5示出了根据本公开实施例的结合设备使用的信号的信号时序图，所述设备配置为沿相反方向同时驱动信号总线。如结合图4所述，可以在发送设备404将信号总线有源驱动到隐性电平的同时，使用阈值电平来检测另一设备402何时尝试朝向显性电平有源驱动总线。阈值检测电平(VTHERROR)可以设置为造成以下情形：显性电平处于最小值，而隐性电平处于最大值。作为非限制性示例，可以通过将1.5V的最小显性差分电压除以最差情况的45欧姆总线负载，来确定针对CAN收发机的最小电流。这引起了33mA的电流。CAN FD的最大电流可以限制为50mA。对于(最差情况的)65欧姆的总线负载，得到的差分电压是Vdiff＝-1V。因此，可以使用阈值／断路(trip)电平(VTHERROR)在-1V和-1.5V之间的附加接收机比较器来检测另一发射机合适在总线上发送活跃的错误帧。设备404可以配置为通过防止朝向隐性值的有源驱动来对检测做出响应。
在特定实施例中，可以使禁用动作延迟。作为非限制性示例，可以使用低通滤波器来实现这种延迟，所述低通滤波器滤除由噪声引起的短电压尖峰。(滤波器)延迟时间具体用于避免由于总线上的噪声而引起的非意触发。其他节点然后能够将信号总线驱动到显性电平。增加延迟时间(例如，使用工作在低截止频率下的滤波器)可以帮助减少错误检测事件的数量。然而，可以将最大延迟时间设置为低到足以保证延迟不与特定协议和／或系统设计冲突。对于CAN FD协议，可以将延迟设置为小于大约225ns，这表示发送活跃错误帧的收发机的TDX和RDX之间的最大预期回路延迟时间。
图6示出了根据本公开实施例的系统，其中控制器电路提供对实现增强数据传输模式的指示。在特定实施例中，可以利用由(CAN FD)控制器电路／模块602控制的发射机电路604来设计系统。如图6所示，可以直接从控制器电路602产生DATAPHASE信号。收发机电路604接收该信号，并作为响应使能／禁用信号总线朝向隐性电平的有源驱动。这种方案依赖于以附加的专用引脚或其他通信链路配置的控制器电路602和发射机电路604两者。
图7示出了根据本公开实施例的系统，其中发射机电路基于接收到的数据来检测增强数据传输模式。发射机电路704配置为由(CAN FD)控制器电路／模块702来控制。系统设计为使得控制器电路702不发送控制(DATAPHASE)信号来指示发射机电路704何时应当使能／禁用信号总线朝向隐性电平的有源驱动。发射机电路704可以包括检测模块(DATAPHASE检测器)706，检测模块(DATAPHASE检测器)706配置和布置为根据从控制器电路702接收到的数据(TXD)信号来确定增强数据传输模式的开始和结束。例如，检测模块706可以检测帧中附加控制位的存在或不存在，如CAN FD协议所定义的。这可以包括：监测CAN帧的(第一)保留位和(第二)控制位，所述(第一)保留位指示通信是否正在使用新的帧格式，所述(第二)控制位指示通信是否正在使用具有更快比特速率的增强模式。响应于所监测的数据信号，检测模块706然后可以产生控制(DATAPHASE)信号，控制(DATAPHASE)信号用于使能／禁用信号总线朝向隐性电平的有源驱动。对于使用不包括附加控制电路的控制器电路702和／或使用附加控制／输出引脚的系统而言，这种方案特别有用。
图8示出了根据本公开实施例的在针对发射机电路的差分信号总线上观察到的有效阻抗。如图8所示，CANH和CANL的阻抗可以对于整个共模电压范围有效地匹配，从而得到更好的共模抑制，并因此得到更好的EMI性能。这是部分地由于在每条信号线路上存在有源驱动器电路而引起的。因此，在信号线路之间平衡对应的寄生电容。
各个图中示出的具体分量值和电路配置(包括图8所示的)是非限制性示例，总体上符合CAN FD系统。本公开不限于此，这些值可以根据具体系统和／或协议而修改。
除非另外指出，否则本文论述的各个实施例可以以多种不同组合的形式一起使用。不必明确列举出每一种可能的组合。各个模块和／或其他基于电路的组成块可以被实现为执行本文描述和／或图中示出的操作和动作中的一个或多个。在这样的上下文中，“模块”或“块”是执行这些或相关操作／动作中的一个或多个的电路。例如，在某些上述实施例中，一个或多个模块是分立的逻辑电路或可编程逻辑电路，配置和布置用于实现这些操作／动作，如在图中所示的电路模块中一样。在特定实施例中(例如，为了提供控制逻辑)，可编程电路是编程为执行指令(和／或配置数据)集合的一个或多个计算机电路。指令(和／或配置数据)可以采用固件和或存储在存储器(电路)中并且从存储器(电路)可访问的软件的形式。作为示例，第一和第二模块包括基于硬件的处理器电路与固件形式的指令集的组合，其中第一模块包括具有一个指令集的第一处理器硬件电路，第二模块包括具有另一指令集的第二处理器硬件电路。
基于以上论述和说明，本领域技术人员容易认识到，可以对各个实施例做出各种修改和变型，而不必严格遵循本文说明和描述的示例实施例和应用。例如，系统、设备和方法可以结合除CAN或CAN FD以外的其他标准和协议来使用。这样的修改不脱离本发明各个方面(包括权利要求中阐述的方面)的真实精神和范围。

Claims (10)

1.一种设备，包括：
传输电路，配置和布置为根据信号总线协议来传输数据，所述信号总线协议在没有有源驱动的信号值的情况下使用无源偏置将信号总线设置为隐性值，所述传输电路包括：
第一驱动器电路，配置和布置为将信号总线有源驱动到与隐性值不同的显性值，和
第二驱动器电路，配置和布置为将信号总线有源驱动到隐性值；以及
控制电路，配置和布置为响应于设备在第一数据传输模式下操作来禁用第二驱动器电路，以及响应于设备进入第二传输模式来启用第二驱动器电路；其中，
第一数据传输模式对应于针对控制器区域网CAN协议的仲裁模式；并且
所述设备配置和布置为通过监测信号总线以检测另一设备驱动了信号总线上的显性值，来执行总线仲裁；
其中，
第二传输模式对应于针对控制器区域网CAN协议的高速模式；并且
所述设备配置和布置为将信号总线有源驱动到隐性值和显性值二者。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，第一驱动器电路和第二驱动器电路配置和布置为驱动在多个设备之间共享的差分信号路径的第一信号线路；并且
传输电路还包括用于驱动差分信号路径的第二信号线路的第三驱动器电路和第四驱动器电路。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，控制电路还配置和布置为：在第二驱动器电路将信号总线有源驱动到隐性值的同时，检测另一设备何时朝着显性值有源驱动信号总线。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，控制电路包括：阈值电压检测电路，配置和布置为在第二驱动器电路将信号总线有源驱动到隐性值的同时，检测另一设备何时朝着显性值有源驱动信号总线。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，第二驱动器电路还配置和布置为通过朝着隐性值进行有源驱动来抑制由从显性值向隐性值的转变而引起的振铃。
6.一种操作设备的方法，所述设备具有包括第一驱动器电路和第二驱动器电路的传输电路，所述方法包括：
通过如下步骤来使用传输电路根据信号总线协议传输数据，所述信号总线协议在没有有源驱动的信号值的情况下使用无源偏置将信号总线设置为隐性值：
使用第一驱动器电路将信号总线有源驱动到与隐性值不同的显性值，和
使用第二驱动器电路将信号总线有源驱动到隐性值；以及
响应于设备在第一数据传输模式下操作来禁用第二驱动器电路，并且
响应于设备进入第二传输模式来启用第二驱动器电路；其中，第一数据传输模式对应于针对控制器区域网CAN协议的仲裁模式；并且
所述方法还包括步骤：通过监测信号总线以检测另一设备驱动了信号总线上的显性值，来执行总线仲裁；其中，第二传输模式对应于针对控制器区域网CAN协议的高速模式；并且
所述方法还包括步骤：将信号总线有源驱动到隐性值和显性值二者。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括：驱动在多个设备之间共享的差分信号路径的第一信号线路和第二信号线路。
8.根据权利要求6所述的方法，还包括：在第二驱动器电路将信号总线有源驱动到隐性值的同时，检测另一设备何时朝着显性值有源驱动信号总线。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，检测步骤包括：使用阈值电压检测电路来检测信号总线上与沿反方向同时驱动信号总线的两个设备相对应的值。
10.根据权利要求6所述的方法，还包括：使用第二驱动器电路，通过朝着隐性值进行有源驱动来抑制由从显性值向隐性值的转变而引起的振铃。
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