CN107110911A - 容错通信系统 - Google Patents

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CN107110911A CN201580069522.XA CN201580069522A CN107110911A CN 107110911 A CN107110911 A CN 107110911A CN 201580069522 A CN201580069522 A CN 201580069522A CN 107110911 A CN107110911 A CN 107110911A
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Abstract

描述了差分数据总线系统，其维持无错通信，除了数据总线线路之一中的故障以外。

Description

容错通信系统
技术领域
本设备和方法涉及容错通信系统的领域，并描述差分数据总线系统，其可以维持无错通信，除了数据总线线路之一中的故障以外。
背景技术
存在用于将信息从一个电子设备传输到另一电子设备的若干架构。在图1A中示出通常使用的架构。在这个架构中，设备共享常常被称为数据总线或通信总线的公共通信结构。在这个架构中，连接到数据总线的每个设备可以在数据总线上传输信息，或接收在数据总线上传输的任何信息。此外，在数据总线上传输的信息可以无失真地通过每个设备。这样的总线的示例是Mil-Std-1553、CAN、FlexRay等。
大量设备可以连接到如上所述的数据总线。在这些数据总线中的潜在问题是，在数据总线中的故障将防止信息在该故障之前和之后从设备通过。同一受让人的US 7,812,617描述了识别通信总线中的故障的方法。该方法基于识别在通信总线中的反射。反射由在通信数据链路之一中的故障引起并被称为“信号尾部”。US 7,812,617提议通过测量这样的多个尾部的定时来识别故障的位置并使用三角测量来识别故障的位置的方法。
故障的示例是机械切口或在数据总线电线之一中的其它形式的断开。在这样的故障的出现期间，将接收到具有大量错误的在数据总线上的所传输的数据，这些错误可将数据总线的利用减小到小于其原始容量的10％。提供可以在差分数据总线中的故障的情况下减少传输错误的数量的数据总线架构是合乎需要的。
术语表
数据总线——如在当前公开内容中使用的，意指连接两个或更多个电子设备并用于将电子数据信息从一个设备传输到另一设备的一个或多个电线。
二进制数据总线——如在当前公开内容中使用的，意指具有一组两个电压电平的数据总线。
通信总线——如在当前公开内容中使用的，意指连接两个或更多个电子设备并用于将电子数据信息从一个设备传输到另一设备的一个或多个电线。
差分数据总线——如在当前公开内容中使用的，意指包括两个电线的数据总线，其中电子数据信息是在这两个电线之间的电压差。
数据总线线路——如在当前公开内容中使用的，意指在数据总线中使用的电线。
电压电平——如在当前公开内容中使用的，意指数据总线线路的预定电压。
差分发射机——如在当前公开内容中使用的，意指连接到数据总线线路并用于实现数据总线线路上的电压电平的电子设备。
差分接收机——如在当前公开内容中使用的，意指连接到数据总线线路并用于测量数据总线线路上的电压电平的电子设备。
二进制数据总线——如在当前公开内容中使用的，意指具有一组两个电压电平的数据总线。
低电压电平——如在当前公开内容中使用的，意指在二进制数据总线中使用的一组两个电压的较低电压电平。
高电压电平——如在当前公开内容中使用的，意指在二进制数据总线中使用的一组两个电压的较高电压电平。
参考电压——如在当前公开内容中使用的，意指与在差分数据总线的这组电压电平当中的公共电压对应的电压。
线电压信号——如在当前公开内容中使用的，意指在数据总线线路上的时变电压电平。
数据信号——如在当前公开内容中使用的，意指在差分数据总线的两个数据总线线路上的电压电平之间的差异。
故障状态—如在当前公开内容中使用的，意指故障、电气断开、开路、故障的连接器或防止电流流过数据总线线路的其它机构。
电压控制单元——如在当前公开内容中使用的，意指连接到数据总线并向数据总线提供参考电压的单元。
发明内容
借助于限制在每个电线上的最大或最小电压来增强使用两个总线电线之间的差分信号的通信系统的能力。描述了限制电压的各种方法。
附图说明
图1A是连接电子设备的数据总线的示例；
图1B是在数据总线上的所接收的信号的示例；
图1C是在数据总线中出现故障期间在数据总线上的所接收的信号的示例；
图2是容错数据总线的示例；
图3是在连接电子设备的容错数据总线上的所接收的信号的示例；
图4A是用于支持容错数据总线的端子单元的示例；
图4B是用于支持容错数据总线的端子单元的另一示例；
图5A是连接到数据总线的电子设备的示例；以及
图5B是连接到数据总线的电子设备的示例。
具体实施方式
图1A是提供将电子设备(101、103)相互连接的模块的数据总线(119、121)的示例。图1A是数据总线的示例，其中设备101经由线路111、113连接到数据总线(119、121)，并且设备103经由线路115和117连接到数据总线(119、121)。设备(101、103)通过在数据总线(119、121)上施加电压来传输数据。在一个示例中，在差分数据总线中，数据总线线路119的初始线电压电平等于数据总线线路121的初始线电压电平。当设备(101、103)传输数据时，它们产生由一组电压电平组成的时变电压信号。比特是最小数据信息单元。其可以具有两个值“1”或“0”。每个比特由一组两个电压电平定义，电压电平在对应于比特持续时间的持续时间期间由设备(101、103)施加在数据总线(119、121)上。端子电阻器(130、132)提供在总线的端子点处的匹配阻抗并防止来自总线的端子点的信号反射。
图1B是在数据总线(119、121)上的线电压信号(151、153)的示例。因而产生的数据信号(155)是在线电压信号(151、153)之间的电压差。线路151是在一个数据总线线路(119)上的线电压信号，并且线路153是在第二数据总线(121)上的线电压信号。线路151包括两个电压电平。电压电平的示例是3V的高电压电平和2.5V的低电压电平。在相关通信标准(例如CAN总线规范2.0，ISO 11898-2)中描述了其它电压电平的示例。在CAN总线规范中，在总线电线(119)上的CAN高电压是3.5V，并且在数据线路电线(121)上的CAN低电压是1.5V。信号被命名为主导的和隐性的。也被称为“0”的主导信号是当在总线电线(119、121)之间的电压差高于2V时。也被称为“1”的隐性信号是当在电压差为0V(零)且两个电线在2.5V的公共电压上浮置时。线路153包括两个电压电平。在一个示例中，线路153的高电压电平等于线路151的低电压电平。在另一示例中，数据总线线路153的高电压电平低于数据总线线路151的低电压电平。在一个示例中，数据总线线路153的高电压电平相对于数据总线线路151的低电压电平低多于0.5V。
图1B所述的数据信号由多个位组成。在一个示例中，在椭圆145中示出“1”位。在一个示例中，当在线电压151中的电压电平高时并且当在线电压153中的电压电平低时，得到“1”数据信号，如在椭圆141中所示的。在另一示例中，在椭圆147中示出“0”数据信号。在一个示例中，当在线电压151中的电压电平低时并且当在线电压153中的电压电平高时，得到“0”数据信号，如在椭圆143中所示的。
图1C是在故障状态期间在数据总线(119、121)上的线电压信号和数据信号的示例。故障状态的示例是数据总线电线121之一中的接触的“断开”或缺乏。在图1A中的圆125中示出故障状态的示例。在这个示例中，在数据总线线路119上的线电压信号从其正常操作值保持不变并被标记为线路151。在数据总线线路121上的线电压从图1B中的线路153改变为图1C中的线路161。数据总线线路121的线电压信号(161)追踪数据总线线路119的线电压信号(151)。在电压信号中的差异是由于差分数据总线线路的电阻和电容。163是因而产生的数据信号，其为在线电压信号(161、151)之间的差异。因而产生的数据信号(163)是不对应于“1”(177)或“0”(175)信号的模拟数据信号，并将引起在电子设备(101、103)的接收机中的错误。
图2是容错数据总线的示例。通过将电压控制单元201、203、205、207添加到数据总线(119、121)来实现对故障的容限。电压控制单元201、203、205和207提供数据总线(119、121)的参考电压。在一个示例中，参考电压是数据总线线路(119、121)的这组电压的公共电压电平。在数字示例中，如果在数据总线线路119上的电压电平分别是2.5V和3V并且在数据总线线路121上的电压电平分别是2V和3.5V，则公共电压是2.5V。单元(201、203、205、207)防止图1C中的信号161出现。在一个示例中，当在数据总线中有故障(125)时，在有故障的数据总线线路(121)中的线电压信号将跟随数据总线线路的线电压信号而没有故障(119)，如在图1C中描绘的。当线路121的线电压信号跟随119的线电压信号时，数据信号(其为在数据总线线路121和119中的线电压信号之间的差异)减小，并且数据总线不能用于传输信息。在一个示例中，单元207将防止数据总线线路(121)的线电压信号(图1C中的161)超过参考电压。
图3是在数据总线线路(图2中的119、121)上的线电压信号(151、301)的示例。线电压信号151是没有故障的数据总线线路119的线电压信号。线路301是在故障之后的数据总线线路121上的线电压信号。在线路上的最大电压电平由单元207控制并由参考电压定义。在数据总线线路(121)上的最小电压电平是线路121的原始低电压电平。在一个示例中，概述相应的电压；在线数据总线119上的高电压电平是3V；在线数据总线119上的低电压电平是2.5V；在线数据总线121上的在故障状态之前的高电压电平是2.5V；在数据总线线路121上的在故障状态之前的低电压电平是2V；参考电压是2.5V；在数据总线线路121上的在故障状态之后的高电压电平由单元207限制到小于参考电压。
由于这个图2是包括下列项的容错通信系统的示例：由两个数据总线线路组成的差分数据总线；参考电压；被配置为产生在差分数据总线上的线电压信号的至少一个发射机；被配置为从差分数据总线接收线电压信号的至少一个接收机；以及连接到差分数据总线的至少一个电压控制单元；其中电压控制单元将一个数据总线线路中的电压维持为高于参考电压并且将第二数据总线线路中的电压维持为低于参考电压。
图4A是支持容错数据总线的电压控制单元(图2中的203、205、207、209)的示例。电压控制单元(图2中的203、205、207、209)由电压源(401)或电压调节器和二极管(403)组成。在一个示例中，电压控制单元(图2中的207)连接到数据总线线路(图2中的121)。电压控制单元(图2中的207)将防止数据总线线路121中的电压超过V0(零)。电压源(401)提供由Vs＝V0+VD给出的电压，其中Vs是电压源(401)的电压，并且VD是二极管(403)的正向电压。在另一示例中，如果电压超过V0，则二极管将与面向电压源的正向端子相反地被组装。在这个示例中，电压源(401)的电压Vs由Vs＝V0-VD给出。
在另一示例中，电阻器(405)可以串联地电连接到二极管(403)以减小电压尖脉冲，作为电压控制单元(图2中的201、203、205、207)起作用的结果。总之，在一个示例中，电压控制单元包括连接到数据总线线路(121)的二极管(403)和连接到二极管(403)的电压源(401)。在另一示例中，电压控制单元(图2中的203、205、207、209)包括连接到数据总线线路的二极管和连接到二极管的电阻器和连接到电阻器的电压源。在另一示例中，电压控制单元包括连接到数据总线线路的电阻器和连接到二极管的电阻器和连接到电阻器的电压源。
在另一示例中，连接单元407是电子开关，其在故障被检测到时被激活。在这个示例中，在正常操作条件下，电压控制单元(图2中的201、203、205、207)从数据总线线路(图2中的119、121)断开。当故障状态由连接到数据总线的设备(101、103)检测到时，检测到故障的设备(101、103)操作连接单元407，以将电压控制单元(图2中的201、203、205、207)连接到数据总线电路(图2中的119、121)。当电压控制单元(图2中的201、203、205、207)连接到数据总线线路(图2中的119、121)时，数据总线(119、121)继续传输除了故障以外的信息。在这个示例中，电压控制单元包括被配置为在故障状态的情况下将电压控制单元连接到数据总线线路(119、121)的连接单元。连接单元407仅连接有故障的线路的电压控制单元。在一个示例中，当故障在线路121中时，连接单元将连接电压控制单元203和207。
图4B是支持容错数据总线(例如RS485)的电压控制单元(图2中的201、203、205、207)的另一示例。电压控制单元(图2中的201、203、205、207)由电压源(401)或电压调节器组成。电压源(401)通过电阻器(411、413)连接到接地端子(415)。总线线路(121)经由电阻器413连接到接地端子(415)并经由电阻器411连接到电压源(401)。在总线线路(121)处的电压由V*R2/(R1+R2)给出，其中V是电压源的电压，R1是电阻器411的电阻，并且R2是电阻器413的电阻。电阻器411和413的值被选择为类似于图2中的端接电阻器130和132。在一个示例中，电阻器411是120Ohm，并且电阻器413是120Ohm。在额外的示例中，电阻器411在100Ohm和150Ohm之间，并且电阻器413在100Ohm和150Ohm之间。在故障状态(例如在图2中的线路121的切口(在图2中的125))的情况下，线路121中的电压由电阻器(411、413)和在电压控制单元中的电压源(401)限定。总之，电压控制单元包括电压源(401)和至少两个电阻器，电压源连接到电阻器，第二电阻器连接到第一电阻器，并且第二电阻器连接到接地端子，其中数据总线线路连接到第一和第二电阻器。
为了理解在图4B中所述的电路的操作，我们审查在电路的不同元件处的电压。在115处的电压是0V(零)，如由101强调的。在117处的电压由图4B的电阻器411、413和图2的电阻器132的网络限定。例如，如果所有三个电阻器具有相同的值，则在121处(117)的电压是401的电压的1/3。在示例中，当在401处的电压是3V时，在121处的电压是1V。在103处的输入端处的电压差因此是1V。在103处的差分阈值是200mV的示例中，则103将检测101的所传输的数据。
类似地，当101传输相反的值例如在110处的3V时和在113处的0V时，在117处的电压是2V，提供相反极性的1V差异。
对称地，当103传输到101且125被切割时，101将由于电压控制电路201和203接收信息。
图5A是电子设备(例如在图1中的连接到数据总线(图1中的119、121)的设备101和103)的示例。在一个示例中，电子设备(101)包括电子功能单元(501)、差分接收机(503)、差分发射机(505)、在差分发射机(505)、差分接收机(503)和电子功能单元(501)之间的电连接(511、513)、以及电压控制单元(515、517)。电压控制单元(515、517)执行与电压控制单元(图2中的201、203、205、207)相同的功能。在一个示例中，电压控制单元515被配置为防止线路111的电压下降到规定电压之下。电压控制单元517被配置为防止线路113的电压超过规定电压。
图5B是电子设备(例如图1中的连接到数据总线(图1中的119、121)的设备101和103)的示例。在一个示例中，电子设备(101)包括电子功能单元(501)、差分接收机(503)、差分发射机(505)、在差分发射机(505)、差分接收机(503)和电子功能单元(501)之间的电连接(511、513)。在这个示例中，差分接收机(503)或差分发射机或这两者可以包括电压控制单元(515、517、519、512)。在另一示例中，差分接收机(503)、差分发射机(505)可以被实现为一个集成电路，或具有嵌入的电压控制单元(515、517)的一个电子模块。在一个示例中，电压控制单元515被配置为防止线路111的电压下降到规定电压之下。电压控制单元517被配置为防止线路113的电压超过规定电压。总之，电压控制单元(515、517、519、512)可以嵌入在差分发射机(505)或差分接收机(503)中。
在另一示例中，当高电压差大于1V且发射机的实际高电压差是1.9V时。在总线线路(例如121)和电压控制单元(图2中的203、207)的操作中的故障的情况下，高电压差将减小到1V。减小的高电压差可以防止所传输的信号的检测。为了克服这个问题，建议使用所提出的方法的在通信系统中的发射机传输电压差，其为对协议标准允许的最大值。例如在CAN总线系统中，所传输的电压差是2.5V。在另一示例中，当电压控制单元(图5B中的515、517)嵌入在发射机(图5B中的505)中时，当故障状态出现时，发射机将其发射电压增加到最大允许的电压。

Claims (8)

1.一种容错通信系统，包括：
差分数据总线，其由两个数据总线线路组成；
参考电压；
至少一个差分发射机，其被配置为在差分数据总线上产生线电压信号；
至少一个差分接收机，其被配置为从所述差分数据总线接收线电压信号；
至少一个电压控制单元，其连接到差分数据总线；并且
其中，所述电压控制单元将一个数据总线线路中电压维持为高于所述参考电压并且将第二数据总线线路中的电压维持为低于所述参考电压。
2.根据权利要求1所述的容错通信系统，其中，所述参考电压是所述两个数据总线线路的一组电压的公共电压电平。
3.根据权利要求1所述的容错通信系统，其中，所述电压控制单元包括连接到数据总线线路的二极管和连接到所述二极管的电压源。
4.根据权利要求1所述的容错通信系统，其中，所述电压控制单元包括连接到数据总线线路的电阻器、连接到所述电阻器的二极管和连接到二极管的电压源。
5.根据权利要求1所述的容错通信系统，其中，所述电压控制单元包括连接到数据总线线路的二极管、连接到所述二极管的电阻器和连接到所述电阻器的电压源。
6.根据权利要求1所述的容错通信系统，其中，所述电压控制单元包括被配置为在故障状态的情况下将所述电压控制单元连接到所述数据总线线路的连接单元。
7.根据权利要求1所述的容错通信系统，其中，所述电压控制单元包括电压源和至少两个电阻器，其中，所述电压源连接到电阻器，第二电阻器连接到第一电阻器，并且第二电阻器连接到接地端子，其中，所述数据总线线路连接到第一电阻器和第二电阻器。
8.根据权利要求1所述的容错通信系统，其中，所述电压控制单元嵌入在所述差分接收机或所述差分发射机中。
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