CN104205680B - 用于差分通信的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种差分通信系统，包括包含差分发射器的第一差分通信设备、包含差分接收器的第二通信设备、以及将所述差分发射器耦合到所述差分接收器的差分隔离器。所述差分接收器包括适用于从所接收的波形形成波形区域信息的比较器、适应于利用波形区域信息来从所接收的波形中去除噪声的滤波器、以及适应于在所接收的波形已经被滤波之后对所接收的波形的采样点进行调整的自适应采样器。

Description

用于差分通信的方法和装置
技术领域
本发明总体涉及诸如UARTS的差分通信设备，并且更具体地涉及用于噪声和/或高电压环境中的差分通信设备。
背景技术
电池电动车辆(或BEV)是一种使用存储在可充电的电动车辆电池(EVB)中的化学能的电动车辆(EV)，所述电动车辆电池(EVB)也被称为“电池组”和“牵引用电池”。替代(或除了)内燃机，BEV使用电动机和电动机控制器来推进。仅用电池的电动车辆或全电动车辆从其电池组中获取全部的功率，而可插入式混合动力电动车辆从其电池组获取部分功率，并且从内燃机获取部分功率。
电动车辆(EV)的电池组设计是复杂的，并且根据制造商和具体应用的不同而差别很大。然而，它们都包含若干机械和电部件系统的组合，所述机械和电部件系统执行电池组所要求的基本功能。此外，电池组包含串联或并联连接的许多分立的电池单元(cell)，以达到电池组的总电压和总电流要求。电池组可以包含几百个单独的电池单元。
为有助于生产和组装，通常将大量的电池单元分成被称为模块的较小的堆叠。会将这些模块中的几个设置于单个电池组中。在每个模块内，将电池单元焊接在一起，以完成用于电流流动的电路径。模块还可以包含冷却机制、温度监视器、以及其它设备。在大多数实例中，模块还允许通过电池管理系统(或“BMS”)对由堆叠中的每个电池单元所产生的电压进行监控。电池组还包含由BMS监控的各种其它传感器，例如温度和电流传感器。BMS还可以负责与电池组的外界进行通信。
在电池电动车辆中通常存在多个电池管理系统。这些系统可以包括具有分立和/或集成电路的印制电路板，并且提供多个传感器和通信协议。具体而言，电池管理系统通常与主电池控制器进行数字通信，并且可以与其它电池管理系统进行通信。
电池电动车辆在恶劣环境中的数字通信可能是有问题的。例如，在系统的各部分之间可能存在数十伏的共模电压。由于数字通信通常使用低得多的电压，因而共模电压可能是个问题。此外，电池电动车辆环境可以产生超高频噪声(例如100MHz或更高)，该超高频噪声可以扰乱BMS的逻辑。
由于噪声环境中的差分通信的问题，有时使用曼彻斯特编码。然而，由于包括发射和接收设备之间的振荡器失谐的多种因素，对曼彻斯特编码数据进行解码的现有技术方法自身容易出错。
发明内容
出于对在说明书和附图的公开的范围内的元件和动作的各种组合进行说明的目的，在本文中阐述了各种示例。对于本领域内技术人员来说将显而易见的是，本文中还支持元件和动作的其它组合、以及它们的变型。
通过示例而不是限制的方式阐述了一种差分通信设备，其包括中央逻辑、耦合到中央逻辑的差分发射器、以及耦合到中央逻辑的差分接收器。优选地，差分接收器包括具有针对波形的差分输入并且适用于形成波形区域信息的比较器、适应于利用波形区域信息来从波形中去除噪声的滤波器、以及适应于在波形已经被滤波之后对波形采样点进行调整的自适应采样器。差分通信设备还可以包括耦合到中央逻辑的第二差分发射器、以及耦合到中央逻辑的第二差分接收器，并且该第二差分接收器包括具有针对波形的差分输入并且适用于形成波形区域信息的比较器、适应于利用波形区域信息来从波形中去除噪声的滤波器、以及适应于在波形已经被滤波之后对波形采样点进行调整的自适应采样器。
通过示例而不是限制的方式阐述了一种差分通信系统，其包括包含差分发射器的第一差分通信设备、与第一差分通信设备物理分离并且具有与第一差分发射器的差分输出端耦合的差分输入端的差分隔离器；以及与第一差分通信设备和差分隔离器物理分离的第二差分通信设备。在实施例中，第二差分通信设备包括：差分接收器，该差分接收器包括与差分隔离器的差分输出端耦合并且能够接收所接收的波形的差分输入端、适用于从所接收的波形形成波形区域信息的比较器；适应于利用波形区域信息来从所接收的波形中去除噪声的滤波器；以及适应于在波形已经被滤波之后对所接收的波形采样点进行调整的自适应采样器。
通过示例而不是限制的方式阐述了用于差分通信的方法，该方法包括通过与第一差分通信设备和第二差分通信设备二者物理分离的隔离器来将数字波形从第一差分通信设备传送到物理分离的第二差分通信设备，在第二通信设备上形成与数字波形相关的波形区域信息，利用波形区域信息进行滤波来从数字波形中去除噪声，在数字波形已经被滤波之后对数字波形采样点进行调整。在实施例中，数字波形包括非曼彻斯特编码的前导码序列、曼彻斯特编码部分、以及非曼彻斯特编码的停止序列。
示例性实施例的优势是所提供的用于差分通信的方法和装置提供了通信设备之间的共模电压隔离。
示例性实施例的另一个优势是所提供的用于差分通信的方法和装置适用于电噪声普遍存在的应用。
示例性实施例的另一个优势是所提供的用于差分通信的方法和装置增强了对曼彻斯特编码波形的解码。
对于本领域内技术人员而言，在阅读以下说明书并对若干附图进行研究之后，本文中所支持的元件和动作的组合的这些和其它示例以及它们的优势将变得显而易见。
附图说明
现在将参考附图对若干示例进行描述，其中相似的元件和/或动作设置有相似的附图标记。示例是要对本文中所公开的概念进行说明，而不是要进行限制。附图包括以下各图：
图1是示例性差分通信系统的方框图；
图2是图1的差分通信系统的示例性差分隔离器的原理图；
图3是图1的示例性差分接收器的方框图；
图4是图3的示例性比较器的原理图；
图5是由图4的比较器所接收的示例性数字波形的示意图；
图6是图3的示例性滤波器的状态图；
图7是示例性曼彻斯特编码波形的示意图；
图8是图3的示例性自适应滤波器的状态图；
图9是示出图8的自适应滤波器的操作的表格；以及
图10是非曼彻斯特编码前导码序列和非曼彻斯特编码停止序列的示意图。
具体实施方式
本申请要求享有2012年1月16日提交的USSN61/587108、USSN61/587113和USSN61/587122的优先权权益，这些申请通过引用在此并入。
图1是通过示例而不是限制的方式进行阐述的差分通信系统10的方框图，该差分通信系统10包括多个物理上分离的差分通信设备12A、12B、12C和12D。在该说明中，差分通信设备12A是主设备，主设备包括处理器14、差分发射器Tx16、和差分接收器Rx18。差分通信设备12B和12C被配置为中间设备，并且差分通信设备12D被配置为终端设备。主设备12A在上行(远离主设备)与下行(朝向主设备)两方向上与数字通信设备12B、12C和12D进行通信。例如，差分通信系统10可以用于电池监控系统，其中数字通信设备12B、12C和12D与围绕电池组分布的物理上分离的电池监视器相关联。可以根据应用来改变差分通信设备的数量，但是差分通信设备的数量将总是包括至少两个设备。
在该非限制性示例中，差分通信设备12B、12C和12D中的每一个包括逻辑20、耦合到逻辑20的第一接收器RXL22、耦合到逻辑20的第一发射器TXU24、耦合到逻辑20的第二接收器RXU26、以及耦合到逻辑20的第二发射器TXL28。在该示例中，通信设备12B、12C和12D中的每一个的第一接收器RXL22接收上行通信量。如随后将要论述的，第二接收器26可以或可以不用于接收下行通信量。
继续参考图1，在非限制性示例中，可以在差分通信设备的发射器与邻近的差分通信设备的接收器之间提供差分隔离器30。在该实施例中，差分隔离器与差分通信设备物理上分离，并且提供保护来防止从一个差分通信设备耦合到另一个差分通信设备的高共模电压和瞬态。如该图中所示出的，在上行数据路径中，在邻近的数字通信设备的发射器与接收器之间提供差分隔离器30。如果将邻近的数字通信设备的发射器和接收器用于下行通信量，则使用差分隔离器30’。
差分通信系统10示出用于返回主设备12A的通信量的若干下行路径。例如，终端差分通信设备12D可以配置有发射器TXU24与接收器RXU26之间的内部返回路径32A或外部返回路径32B。对于这些示例，优选地包括下行数据路径上的差分隔离器30’，以提供邻近的差分通信设备之间的下行隔离。或者，可以优选地经由隔离器30”将外部返回路径32C用作差分通信设备12D的发射器TXU24与差分通信(主)设备12A的接收器RX18之间的下行数据路径。在该实施例中，可以省略隔离器30’。
图2是通过示例而不是限制的方式进行阐述的图1的差分通信系统的隔离器30的原理图。在该示例中，隔离器30包括差分输入端33，差分输入端33包括一对输入端VP和VN。第一DC阻塞电容器34具有耦合到VP差分输入端的第一节点，并且第二DC阻塞电容器36具有耦合到VN差分输入端的第一节点。通过串联连接的电阻器38和40将阻塞电容器34和36的第二节点耦合到一起，电阻器38和40具有连接到地的公共节点。阻塞电容器34和36的第二节点也连接到电阻器42和44的第一节点，通过串联连接的电容器46和48将电阻器42和44的第二节点耦合到一起，电容器46和48具有连接到地的公共节点。提供了与共模电压和差分输入端VP和VN的瞬态隔离的差分输出端50。应该领会的是，隔离器30阻塞了差分输入信号的DC成分，并且其R/C网络有助于减弱甚高频成分(“高频噪声”)。
图3是通过示例而不是限制的方式进行阐述的图1的差分接收器22的方框图。在该示例中，差分接收器22包括比较器52、滤波器54和自适应采样器56。在该示例中，比较器52耦合到隔离器30的差分输出端50，并且用来提供输入波形的滤波中所使用的参考电压。滤波器54用来从波形中去除噪声，并且自适应采样器56对波形进行采样以检测过渡。
图4是通过示例而不是限制的方式进行阐述的图3的比较器52的原理图。在该示例中，比较器52包括差分输入端58，差分输入端58包括与隔离器30的差分输出端50(见图2)耦合的一对差分输入节点60和62。电阻器64的第一节点耦合到差分输入节点60，并且电阻器66的第一节点耦合到差分输入节点62。通过串联连接的电容器68和电容器70将电阻器64和66的第二节点耦合到一起。电容器68与70之间的节点耦合到地。电阻器64和66的第二节点分别耦合到电阻器72和74的第一节点。通过串联连接的电阻器76和78将电阻器72和74的第二节点耦合到一起。电阻器72和74的第二节点分别形成内部正电压(VIP)和内部负电压(VIN)，并且电阻器76与78之间的节点形成内部共模电压(VCMI)。因此，应该领会到的是，比较器52的电阻器和电容器提供R/C网络，该R/C网络减弱了大共模噪声和较小的差分噪声二者，从而允许使用低电压比较器来感测差分(VIP-VIN)信号。该R/C网络的主要目的是防止大共模电压钳住(clip)将在随后论述的低电压比较器。
图4的示例性比较器58还包括多个低电压比较器，所述低电压比较器包括正比较器80、中间比较器82和负比较器84。优选地，比较器80、82和84是迟滞型比较器。在该非限制性示例中，正比较器80的正输入端和中间比较器82的正输入端耦合到VIP。同样在该示例中，负比较器84的负输入端和中间比较器82的负输入端耦合到VIN。作为更进一步的示例，通过第一偏移电压源Voff86将正比较器80的负输入端耦合到VIN，并且通过第二偏移电压源Voff88将负比较器84的正输入端耦合到VIP。正比较器80具有输出OPOS，中间比较器82具有输出OMID，并且负比较器具有输出ONEG。
图5是由图4的比较器所接收的示例性数字波形90的示意图。在该示例中，数字波形90的振幅范围为从+Vdd到-Vdd，并且空闲状态是大约零(0)伏。比较器输出OPOS、OMID和ONEG将该曲线图分成4个区域，标记为A、B、C和D。
在该示例性实施例中，应该领会的是，当没有信号的时候，VIP＝VIN＝VCMI，并且如果存在信号，则比较器“进行”如下：
如果VIP-VIN>0，OMID＝1，否则OMID＝0
如果VIP-VIN>Voff，OPOS＝1，否则OPOS＝0
如果VIP-VIN>-Voff，ONEG＝1，否则ONEG＝0
在该非限制性示例中，Voff可以近似为140mV(基于3.3V/24的衰减网络)。
利用这四个区域，可以从波形获得七个(7)有效状态。七个状态的优势在于有助于0/1和1/0过渡的检测和错误检测(例如，发现不能共存的2个状态)。在该非限制性示例中，由第一偏移电压源86将OPOS设置为大约Vdd/2，并且由第二偏移电压源88将ONEG设置为大约-Vdd/2。
应该注意的是，波形90包括噪声N。该噪声可能在确定波形90的电压电平时潜在地导致错误。通过提供A、B、C和D四个区域，可以更准确地确定任何特定采样点处的波形的实际值。
差分接收器22的滤波器54运行以对波形进行滤波并且去除例如图5中所示出的噪声N。在该非限制性示例中，可以通过状态机来实现滤波器54，如本领域技术人员将领会到的。其它形式的滤波器也是适合的。
图6是通过示例而不是限制的方式进行阐述的滤波器54(见图3)的状态机实施方式的状态图92。在该示例中，存在被标记为空闲状态、极高(STRONG HIGH)状态、下降(FALLING)状态、已下降(FELL)状态、极低状态、上升状态和已上升(ROSE)状态的七个不同状态。标记A、B、C和D与图5的区域A、B、C和D对应。为这些状态中的每一个被分配任意的四位代码，尽管在其它实施例中(对于七个状态而言)三位代码就足够了。
参考图5和图6二者，示例性波形90以空闲状态开始，并且只要信号在B或C区域中就将保持该状态。当信号进入D区域，波形处于极高状态中。当信号进入C区域，状态变为下降状态。接下来，当信号进入B区域，波形进入已下降状态，并且随着信号进入A区域，波形进入极低状态。滤波器54的状态机继续该过程，以产生干净、基本上无噪声的波形版本。
所发射的波形(例如图5的波形90)以数字形式对数据和其它信息进行编码。例如，可以使用曼彻斯特编码。如本领域技术人员所公知的，曼彻斯特编码(也被称为“相位编码”或“PE”)是线性编码，其中每个数据位的编码同时具有至少一个过渡和占位。因此，波形不具有DC成分，并且是自同步的，这表示其可以被电感耦合或电容耦合，并且可以从编码的数据中恢复时钟信号。然而，如果特征波形不包含DC成分，则也可以使用其它形式的编码，如本领域技术人员将领会到的。
图7是示例性曼彻斯特编码波形的示意图。为了对波形进行解码，当预计出现特定状态或“位”时，差分接收器22采集多个采样。如果差分接收器22在错误时间采样，则可能发生错误。例如，在图7中，三个波形94、96和98示出标准、慢速和快速发射的相同曼彻斯特编码信号的版本。如所提到的，在SLOW TX波形96和FAST TX波形98中可能发生采样错误。
图8是通过示例而不是限制的方式进行阐述的用于自适应采样器56的状态机的状态图100，该状态机利用曼彻斯特编码波形的奇偶位之间的确定的过渡来使整个UART字节重新同步，从而允许增大的振荡器失谐容差。状态机以STATE NORMAL状态开始。如果自适应采样器56检测到提前的边沿，则状态机进入状态MINUS_1。如果检测到另一个提前的边沿，则状态机进入状态MINUS_2，以此类推。从MINUS_1状态检测到延迟的边沿使状态机回到STATE NORMAL状态。类似地，当在STATE NORMAL状态中检测到延迟的边沿时，则过程将进入PLUS_1状态，以此类推。因此自适应采样器的状态机100能够以±3采样时钟周期来调节所接收的曼彻斯特编码波形的采样点，以提供对波形的自适应采样。
还可以参考图7和8二者对自适应采样器56的非限制性示例方法进行如下解释。对于用于具有8x采样时钟(例如2Mbys系统时钟&16MHz采样时钟)的系统的标准采样技术，第n位的中心采样将是起始边沿之后的4+8*n时钟。自适应采样器56对中心采样进行采样调节的最大量为4+8*n+/-3。在慢速发射器振荡器的实例中，最终停止位采样(在时钟84处)通常是失效点，其结果是在停止时间期间对奇偶校验位进行采样。可以尽可能将自适应采样调整为时钟87，从而更有机会对所接收的停止位进行正确的采样。在快速发射器振荡器的实例中，最后的奇偶校验位采样(在时钟76处)通常是失效点，其结果是在奇偶校验时间期间对停止位进行采样。可以尽可能将自适应采样调整为时钟73，从而更有机会对所接收的奇偶校验位进行正确的采样。
图9是示出图8的自适应滤波器的操作的表格，并且在左边示出了与如上所述的自适应采样相比较的标准采样的振荡器失谐容差的对照。如所看到的，自适应采样是标准采样技术的实质改进。
图10是根据非限制性示例的非曼彻斯特编码前导码序列102和非曼彻斯特编码停止序列104的示意图。如上所述，曼彻斯特编码在例如噪声电气环境中具有特定的优势。这些独特的非曼彻斯特编码字节用作分包的命令序列之间的分隔符，消除了对空闲周期、或用于启动或终止命令的其它信号限制的需要。这允许主机发送连续的数据流，该数据流可以包括无限数量的命令，或替代地允许主机在单个命令内发送任意空闲周期。
前导码序列102包括一系列脉冲，每个高/低电平时间持续1位，接着是3位低电平周期和3位高电平周期。可以指派独立的状态机来观察该序列的所有输入的数据，并且使该序列上的UART字节重新同步。以这种方式，主机可以发送连续的数据流，并且可以从UART字节中的任何同步错误恢复。该模式还可以用于确定仅接收单个字节之后的输入波形的波特率(以2倍的基础波特率的功率)。
停止序列104是UART字节的0&1位之间的曼彻斯特“错误”。通过尽可能早地将曼彻斯特错误放置到字节中，设备可以利用最小的接收器到发射器延迟(2位)来从读模式转换到写模式。在示例性实施例中，曼彻斯特编码数据与偶数奇偶校验位加上2个停止位组合，以产生6高位+6低位的字节(波形)。该DC平衡的波形允许在不需要DC恢复期的情况下利用电容耦合来进行传送。
尽管已经利用特定术语和设备对各种示例进行了描述，但是这种描述仅用于说明的目的。所使用的词语是描述性的词语而不是限制性的词语。应该理解的是，本领域的技术人员在不脱离本文中所描述的任何示例的精神或范围的情况下可以做出更改和变形。另外，应该理解的是，可以整体或部分地互换各种其它示例的方面。因此，目的是根据它们的真实精神和范围来阐释本文中和此后所提供的权利要求，并且不进行限制或禁止反言。

Claims (10)

1.一种差分通信设备，包括：
中央逻辑；
耦合到所述中央逻辑的差分发射器；以及
耦合到所述中央逻辑的差分接收器，所述差分接收器包括：
(a)具有针对波形的差分输入、并且适用于形成波形区域信息的比较器，其中，所述比较器包括正比较器、中间比较器和负比较器，其中，所述正比较器的正输入端和所述中间比较器的正输入端耦合到正输入电压VIP，所述负比较器的负输入端和所述中间比较器的负输入端耦合到负输入电压VIN，所述正比较器的负输入端通过第一偏移电压源耦合到所述VIN，所述负比较器的正输入端通过第二电压源耦合到所述VIP；
(b)适应于利用所述波形区域信息来从所述波形中去除噪声的滤波器；以及
(c)适应于在所述波形已经被滤波之后对所述波形的采样点进行调整的自适应采样器。
2.根据权利要求1所述的差分通信设备，其中，所述比较器包括电阻分压器，所述电阻分压器形成所述VIP、所述VIN、以及共模输入电压VCMI。
3.一种差分通信设备，包括：
中央逻辑；
耦合到所述中央逻辑的差分发射器；以及
耦合到所述中央逻辑的差分接收器，所述差分接收器包括：
(a)具有针对波形的差分输入、并且适用于形成波形区域信息的比较器；
(b)适应于利用所述波形区域信息来从所述波形中去除噪声的滤波器；以及
(c)适应于在所述波形已经被滤波之后对所述波形的采样点进行调整的自适应采样器，
其中，所述滤波器被实施为状态机，所述状态机包括空闲状态、极高状态、下降状态、已下降状态、极低状态、上升状态和已上升状态。
4.根据权利要求3所述的差分通信设备，其中，所述自适应采样器被实施为包括采样正常状态、减状态和加状态的状态机。
5.根据权利要求3所述的差分通信设备，其中，所述波形包括曼彻斯特编码部分。
6.根据权利要求5所述的差分通信设备，其中，所述波形还包括非曼彻斯特编码的前导码序列和非曼彻斯特编码的停止序列。
7.根据权利要求3所述的差分通信设备，其中，所述差分发射器是第一差分发射器，并且所述差分接收器是第一差分接收器，并且所述差分通信设备还包括：
耦合到所述中央逻辑的第二差分发射器；以及
耦合到所述中央逻辑的第二差分接收器，所述第二差分接收器包括：
(a)具有针对波形的差分输入、并且适用于形成波形区域信息的比较器；
(b)适应于利用所述波形区域信息来从所述波形中去除噪声的滤波器；以及
(c)适应于在所述波形已经被滤波之后对所述波形的采样点进行调整的自适应采样器。
8.一种差分通信系统，包括：
包括差分发射器的第一差分通信设备；
差分隔离器，其与所述第一差分通信设备物理分离，并具有与所述第一差分发射器的差分输出端耦合的差分输入端；以及
第二差分通信设备，其与所述第一差分通信设备和所述差分隔离器物理分离，所述第二差分通信设备包括差分接收器，所述差分接收器包括：
(a)与所述差分隔离器的差分输出端耦合并且能够接收所接收的波形的差分输入端；
(b)适用于从所接收的波形形成波形区域信息的比较器；
(c)适应于利用所述波形区域信息来从所接收的波形中去除噪声的滤波器；以及
(d)适应于在所接收的波形已经被滤波之后对所接收的波形的采样点进行调整的自适应采样器。
9.一种用于差分通信的方法，包括：
从第一差分通信设备经由隔离器向物理分离的第二差分通信设备发送数字波形，其中所述隔离器与所述第一差分通信设备和所述第二差分通信设备二者均物理分离；
在所述第二差分通信设备上形成与所述数字波形相关的波形区域信息；
使用状态机利用所述波形区域信息进行滤波，以从所述数字波形中去除噪声，所述状态机具有空闲状态、极高状态、下降状态、已下降状态、极低状态、上升状态和已上升状态；以及
在已经对所述数字波形进行滤波之后，对数字波形的采样点进行调整。
10.根据权利要求9所述的用于差分通信的方法，其中，所述数字波形包括非曼彻斯特编码的前导码序列、曼彻斯特编码部分、以及非曼彻斯特编码的停止序列。
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