CN108353013A - 用于在总线系统的两个用户站之间传输通信信号和电功率的设备和方法 - Google Patents

Abstract

提供用于在总线系统（1；2；3）的两个用户站（10、20）之间传输通信信号（52）和电功率的设备（30；35；37；40）和方法。该方法包括步骤：经由低通滤波器（31）将通信信号（52）输入耦合到总线线路（50）中，所述低通滤波器对通信信号（52）滤波，使得低于低通滤波器（31）的极限频率（f_GTP）的信号频率被输入耦合到总线系统（1；2；3）的总线线路（50）中；利用功率输入耦合装置（32）将高频信号（53）形式的电功率输入耦合到总线线路（50）中；利用总线线路（50）将通信信号（52）和电功率作为总线信号（51）传输到耗电器（60）；经由低通滤波器（41）将通信信号（52）从总线线路（50）中输出耦合，所述低通滤波器对总线信号（51）滤波，使得低于低通滤波器（41）的极限频率（f_GTP）的信号频率被从总线系统（1；2；3）的总线线路（50）中输出耦合；和为了耗电器（60）利用功率输出耦合装置（43）将高频信号（55）形式的电功率从总线线路（50）中输出耦合。

Description

用于在总线系统的两个用户站之间传输通信信号和电功率的 设备和方法

技术领域

本发明涉及用于在总线系统的两个用户站之间传输通信信号和电功率的设备和方法，其中所述设备和方法确保经由高频信号的供电并且由此也对于CAN总线系统而言实现在一条线路上对通信信号和电功率的传输。

背景技术

CAN总线系统在（例如在汽车中的）传感器和控制器之间的通信中得以应用。在CAN总线系统的情况下，借助CAN协议来传输消息，如在ISO011898中的CAN规范中所描述的那样。

对于（一个或多个）传感器和（一个或多个）控制器的电缆连接而言，通常为了传感器和控制器之间的通信并且为了给传感器和控制器供电而需要分开的线路。这要求大量的线路，而这引起大的材料和空间需求、用于安装的高耗费并且此外引起高的火灾符合。

为了解决这些问题，已提出了多种技术，例如电力线通信或者数据线供电（Power-over-Dataline）或以太网供电（Power over Ethernet，PoE），按照这些技术可以为了通信和供电来共同使用这些线路。

电力线通信为了通信使用供电网的现存的供电线路，该供电网例如在建筑物中尤其是以110V、230V等等的电压被运行，在车辆中以12V等等的电压被运行。在此情况下，具有高频传输频谱的信号附加地被调制到用于供电的电流上并且经由供电线路被传输。然而该方法的问题是：其成本以及由此效率在高数据速率、也即每时间单位大量的通信数据与高电流或与高耗电器功率相结合的情况下强烈退步，因为需要昂贵的附加组件。

此外可能的是，使用作为数据线供电或以太网供电（PoE）而已知的方法。在此情况下，在经接通、经开关的（以太网）架构情况下，使用在作为用户站的终端点/节点之间的点对点连接，所述用户站诸如传感器、电子控制单元（ECU，Controller（控制器））、开关。为了直流电流（DC）和高频通信信号（HF通信信号）的输入耦合/输出耦合或解耦（Splitter（分离器）），在所有的终端点/节点等处使用变压器（Transformator）。解耦通过分离器来进行，该分离器是高通滤波器和低通滤波器的组合。用于解耦的分离频率或极限频率被设置得非常低，使得现存的通信系统也能够匹配于缺少的或者不能使用的DC部分。

然而，这两种解决方案都不能用于现存的CAN总线系统，因为在没有对控制器（Controller，ECU）的耗费的并且因此昂贵的修改或者没有调制的情况下，不能进行对直流电压分量（DC分量）的分离。对此的原因在于，一般地在CAN中常见的仲裁可能不起作用或者可能必须使用经改变的仲裁方法。仲裁在经由总线系统的总线线路传输数据之前发生并且在CAN总线系统的情况下确保总线系统的用户站至少暂时地具有对该总线线路的排他的、无冲突的访问。

发明内容

因此，本发明的任务是，提供用于在总线系统的两个用户站之间传输通信信号和电功率的设备和方法，所述设备和方法解决之前所提到的问题。尤其是，应该提供用于在总线系统的两个用户站之间传输通信信号和电功率的如下设备和方法，所述设备和方法在总线系统（如CAN、LIN总线系统或其他总线系统）的情况下使得能够在两个用户站之间对信号和电功率进行简单的、可靠的和低成本的传输。

该任务通过具有权利要求1的特征的、用于为至少一个耗电器将通信信号和电功率输入耦合到总线系统的总线线路中的设备而得以解决。该设备包括：低通滤波器，用于对通信信号进行滤波，使得低于低通滤波器的极限频率的信号频率被输入耦合到总线系统的总线线路中；和/或功率输入耦合装置，用于将高频信号形式的电功率输入耦合到该总线线路中。

利用该设备，替代借助直流电分量（DC分量）的供电，提供对于供电所需的电功率作为高频信号并且因此以高频的方式经由用于供电和通信信号的共同的线路来传输该电功率。

该设备可以非常简单地在现存的总线系统中被事后添加，由此确保以高频供电（HF供电）来对该总线系统进行补充。因此实现经由总线系统或通信线路的HF供电。

该设备的其他有利的构型方案在从属权利要求中说明。

所述功率输入耦合装置可能具有开关电源级以用于生成高频信号。可替代地或附加地，功率输入耦合装置可以构型用于使所述高频信号的频率在频率范围中扩展和/或抖动。可替代地或附加地，也可能的是：在通信方面所述通信信号的输入耦合被构造为，在所述通信中至少暂时地确保由所述总线系统的至少两个用户站之一对所述总线线路的排他的、无冲突的访问。

有利地，在功率输入耦合装置之后连接高通滤波器以用于对开关电源级的信号滤波，使得高于高通滤波器的极限频率的信号频率被输入耦合到总线线路中。

此外，所述任务通过具有权利要求4的特征的、用于为至少一个耗电器从总线系统的总线线路上的总线信号中输出耦合通信信号和电功率的设备得以解决。该设备包括：低通滤波器，用于对总线信号进行滤波，使得低于低通滤波器的极限频率的信号频率从总线系统的总线线路中作为通信信号被输出耦合；和功率输出耦合装置，用于从总线线路中输出耦合高频信号形式的电功率。

该用于输出耦合的设备可以与之前所描述的用于输入耦合的设备共同作用，以便作为高频信号提供对于供电所需的电功率并且在其传输之后经由共同的线路提供通信信号。

用于输出耦合的设备也能非常简单地在现存的总线系统中被事后添加，由此确保以高频供电（HF供电）来对该总线系统进行补充。

该设备的其他有利的构型方案在从属权利要求中说明。

功率输出耦合装置可能具有：整流器，用于针对以电功率来对耗电器进行供给而使高频信号平滑；和低通滤波器，用于对由所述整流器所整流的信号进行滤波，使得低于所述低通滤波器的极限频率的信号频率被允许通过到所述耗电器。

在所述功率输出耦合装置之前连接高通滤波器以用于对所述总线信号进行滤波，使得高于所述高通滤波器的极限频率的信号频率从所述总线线路中被输出耦合。可替代地或附加地，在通信方面所述通信信号的所述输出耦合被构造为，在所述通信中至少暂时地确保由所述总线系统的至少两个用户站之一对所述总线线路的排他的、无冲突的访问。

在之前所描述的用于输入耦合或输出耦合的设备的情况下，可设想的是：低通滤波器的极限频率和高通滤波器的极限频率可以被设计用于在20至50MHz的范围中的极限频率。由此，高频信号可以视数据传输速率而定地分布在对于作为通信信号的CAN信号或CAN-FD信号而言不重要的频率范围中。

可替代地或附加地，按照CAN协议和/或CAN FD协议和/或TTCAN协议来构建所述通信信号。

之前所描述的用于输入耦合或输出耦合的设备也可以是总线系统的一部分，该部分具有一条总线线路和至少两个用户站，这些用户站借助该总线线路被相互连接以用于通信。在此情况下，这些用户站中的至少一个可以具有用于输入耦合的设备，并且这些用户站中的至少一个可以具有用于输出耦合的设备。

在此情况下，这些用户站中的至少一个也可以具有用于输入耦合的设备和用于输出耦合的设备。例如，这对于具有集成的传感器的控制器而言是可设想的。

之前所提到的任务此外通过根据权利要求10的、用于在总线系统的两个用户站之间传输通信信号和电功率的方法得以解决。该方法包括步骤：经由低通滤波器将所述通信信号输入耦合到总线线路中，所述低通滤波器对所述通信信号进行滤波，使得低于所述低通滤波器的极限频率的信号频率被输入耦合到所述总线系统的所述总线线路中；利用功率输入耦合装置将高频信号形式的电功率输入耦合到所述总线线路中；利用所述总线线路将所述通信信号和所述电功率作为总线信号传输到所述耗电器；经由低通滤波器将所述通信信号从所述总线线路中输出耦合，所述低通滤波器对所述总线信号进行滤波，使得低于所述低通滤波器的极限频率的信号频率从所述总线系统的所述总线线路中输出耦合；和为了所述耗电器利用功率输出耦合装置将高频信号形式的电功率从所述总线线路中输出耦合。

该方法实现了与之前关于所述设备所说明的优点相同的优点。

本发明的其他可能的实施方案也包括没有详尽提及的、之前或者在下文中关于实施例所描述的特征或实施方式的组合。在此，本领域技术人员也会将单个方面作为改善或补充来添加到本发明的相应基本形式。

附图说明

接下来，参照所附附图并且根据实施例来进一步描述本方法。其中：

图1 示出根据第一实施例的总线系统的经简化的框图；

图2 示出图1的总线系统的低通滤波器的经简化的频率特性；

图3 示出图1的总线系统的高通滤波器的经简化的频率特性；

图4 示出根据第二实施例的总线系统的经简化的框图；和

图5 示出根据第三实施例的总线系统的经简化的框图。

在图中，只要没有另外说明，相同的或功能相同的元素配备有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出总线系统1，该总线系统可以使用在交通工具中、尤其是机动车、飞机等中或者使用在医院等中。

在图1中，总线系统1具有第一用户站10、能量供给装置15、第二用户站20、第一设备30、第二设备40和总线线路50，该总线线路将用户站10、20、能量供给装置15和被表示为电阻的耗电器60相互连接。耗电器60是电器，其为了运行需要电能。

总线系统1可以例如是CAN总线系统、CAN-FD总线系统、LIN总线系统、按照PSI5标准或FlexRay标准的总线系统等。一般地，总线系统在本实施例中被构造用于通信，其中至少暂时地确保用户站10、20之一对总线线路50的排他的、无冲突的访问。

第一用户站10可以例如是机动车的控制器或显示设备。第二用户站20可以例如是机动车的传感器。

第一用户站10和能量供给装置15经由第一设备30被连接到总线线路50。第二用户站20和耗电器60经由第二设备40被连接到总线线路50。经由总线线路50将总线信号51传输到第二用户站20。设备30将通信信号52和高频信号53作为总线信号51输入耦合到总线线路50中，其中该高频信号53是供应高功率的高频电流。第二设备40将由其所接收的总线信号51作为通信信号54和高频信号55从总线线路50输出耦合。

为此，设备30具有低通滤波器31，该低通滤波器允许从通信信号52中只有低于其极限频率f_GTP的信号频率通过，如图2中所示的那样。在图2中示出低通滤波器31的输出电压与输入电压的比例A关于频率f的频率特性。

因此，只有低于低通滤波器31的极限频率f_GTP的通信信号52的信号频率被输入耦合到总线系统1的总线线路50中。低通滤波器31可以作为电阻-电容组合来被实施，该电阻-电容组合一般也被称为RC环节（RC-Glied）。低通滤波器31用于保护设备30免受来自总线系统1或其环境的其他电器的可能的电磁干扰辐射，使得遵循关于电磁兼容性（EMV）的规定。

此外，设备30具有功率输入耦合装置32，该功率输入耦合装置32经由高通滤波器33将高频信号53输入耦合到总线线路50中。高频信号53是为耗电器60供应高功率的高频电流。该高频信号53因此也可以被称为高频功率信号。

电流由能量供给装置15来供应并且借助于功率输入耦合装置32变换成高频信号53。功率输入耦合装置32可以因此被实施为高频发生器和/或开关电源级。

设备30的高频滤波器33允许从高频信号53中只有高于其极限频率f_GHP的信号频率通过，如在图3中所示的那样。在图3中示出高通滤波器33的输出电压与输入电压的比例A关于频率f的频率特性。

因此，只有高于高通滤波器33的极限频率f_GHP的高频信号53的信号频率被输入耦合到总线系统1的总线线路50中。高通滤波器33可以作为电容-电阻组合来实施，该电容-电阻组合一般也称为CR环节（CR-Glied）。

优选地，极限频率f_GTP和极限频率f_GHP以如此程度彼此分开（f_GTP＜f_GHP），使得相互影响非常小。在该情况下，通信信号52和被设置用于提供电功率的高频信号53的频谱（所使用的频率）并不重叠，因为信号在两条路径上相互充分衰减。在滤波情况下，可以例如通过提高选择性（Trennschärfe）来减小相互影响。

低通滤波器31的分离频率或极限频率f_GTP和高通滤波器33的分离频率或极限频率f_GHP可以处于20至50MHz的范围中。对极限频率f_GTP、f_GHP的选择取决于使用哪种符号速率或数据速率来运行总线系统1。在频率在20至50MHz的范围中时，在CAN总线系统的情况下通常仅存在通信信号52的几个信号部分。

对用于功率传输的高频信号53的频率fp的选择可以根据不同的EMV标准来选择。例如，高频信号53也可以在频率范围上扩展和抖动，以便降低信号53的频谱功率密度。为了在频率频谱中扩展或散开，除了抖动信号之外或作为抖动信号的替代，可以使用伪噪声信号和/或多个载波，如在时钟脉冲（Takt）情况下使用中央处理单元（CPU=CentralProcessing Unit）。

如在图1中另外示出的那样，设备40同样具有低通滤波器41和高通滤波器42。低通滤波器41具有与低通滤波器31相同的功能。高通滤波器42具有与高通滤波器33相同的功能。

第二设备40此外具有功率输出耦合装置43，该功率输出耦合装置43具有开关电源级431，该开关电源级431将高频信号53或功率信号输送给低通滤波器432。低通滤波器432也具有与低通滤波器31相同的功能。

因此在第二用户站20的情况下，除了利用低通滤波器41进行低通滤波以外，为了获得通信信号54也通过与总线线路50的波阻匹配的高通滤波器42来执行高频信号55的输出耦合。在此情况下，随后利用实施为整流器的开关电源级43来进行整流和可选的低通滤波。由此实现信号55的平滑，该信号55用作以电功率来对耗电器60的供给。

因此经由总线线路50，可以在用户站10、20之间以通信信号52的形式和在用户站20侧所接收的通信信号54的形式来传输消息。附加地，利用总线线路50，也在第二用户站20的情况下提供对于耗电器60的电流供给。

在一种构型方案中，第一用户站10也可以是已经现存的CAN用户站（CAN节点），其利用低通滤波器31被连接到现存的总线线路50。对于其他CAN用户站，以低通滤波器41来进行相应的可选的补充。

因此，在之前所描述的总线系统1的情况下，在用户站10处，将用于耗电器60的能量供给的电流转换成高频信号53例如通过开关电源级32来进行并且经由高通滤波器33输入耦合到总线线路50中，该高通滤波器33用于对在低频范围中的阻抗解耦。在此情况下，推荐高通滤波器33到总线线路50的波阻的输出侧匹配。

通过EMV标准，应用范围在简单的传感器情况下视为特别有利的，所述简单的传感器对于电磁干扰辐射而言是更加稳健的，因为可能的辐射/功率密度与功率消耗成比例地降低。但是在此情况下，对于简单的传感器而言由于件数大而恰好得出对于总线系统1的电缆连接的大的节约潜能。

图4示出按照第二实施例的总线系统2。该按照第二实施例的总线系统2基本上以与关于按照第一实施例的总线系统1所描述的相同方式来构造。

然而，与按照第一实施例的总线系统1不同，按照第二实施例的总线系统2具有设备35，该设备35不具有如在图1情况下那样的低通滤波器31。这可以例如在CAN总线系统2的情况下是有利的，在CAN总线系统2的情况下，CAN通信控制装置（CAN控制器）已经满足低通滤波器31的功能；或者这可以例如在存在如下情况时是有利的：即由于成本原因而不期望有附加的构件。在该情况下于是有利的是，将高频信号53或功率信号建立在足够高的频率范围中，在该足够高的频率范围中通信信号的信号频率仅受到轻微影响（通常，在高频的常见频谱急剧下降）。

图5示出按照第三实施例的总线系统3。按照第三实施例的总线系统3基本上以与关于按照第一实施例的总线系统1所描述的相同方式来构造。

与按照第一实施例的总线系统1不同，在按照第三实施例的总线系统3的情况下，在总线线路50上的另一位置处设置用于以电功率来供给耗电器60的高频信号53的输入耦合作为通信信号52的输入耦合。高频信号53的输入耦合可以在总线线路50上的任意位置处进行。因此，总线系统3具有设备37，该设备同样如在第二实施例的情况下所描述的那样不具有低通滤波器31。

对总线系统1、2、3、用户站10、20、总线线路50和方法的所有之前所描述的构型方案可以单独地使用或者以所有可能的组合来使用。尤其是，之前所描述的实施例的所有特征可以被任意地组合或者也可以被省略。附加地，尤其是以下修改方案是可设想的。

按照这些实施例的具有总线线路50的总线系统1、2、3根据基于CAN协议的总线系统来描述。然而，根据这些实施例的总线系统也可以是另一类型的通信网络。有利地、然而并非强制性的前提条件是：在通信系统1的情况下，在第一总线系统中至少对于确定的时间段而言确保用户站10、20对共同信道的排他的、无冲突的访问。

用户站10、20的数目能够任意选择。也可以有多于两个的用户站。在总线系统1、2、3中也可以仅存在用户站10或用户站20。

作为对总线系统1、2、3的修改也可设想的是，将地作为在用户站10、20之间的附加连接以用于传输高频信号53。这例如通过幻象供电（Phantom-Speisung）是可能的。

在所有实施例的情况下，滤波器31、33、41、42、432以不同形式来构造。例如，能够使用具有/没有分离变压器或共模扼流圈（Common-Mode Choke，CMC）的实施方案。此外，可以设想低通滤波器31、41、432与共模扼流圈（CMC）的组合。

为了在作为源的能量供给装置15上产生HF功率，可以使用不同方法。已经提到的开关电源级仅仅是许多可能性之一。

在热沉（Senke）或耗电器60处可以使用不同原理来实现作为整流器的开关电源级431。例如，也利用二极管电路来实现整流功能。

高通滤波器33、42到总线线路50或其波组的匹配以自适应的方式是可能的，也即匹配到分别存在的情况是可能的。由此，可能出现的波动也可以通过不同负载、例如用户站10、20被补偿。

能量供给装置15可以集成到用户站10或20中或者也可以分开地设置。

耗电器60不必集成到用户站20中，诸如当用户站20是传感器时。耗电器60也可以分开地或附加于用户站20地例如作为另外的传感器来设置。

在产品或用户站10、20中，能够设想与其他通信系统的组合，使得除了CAN系统以外，总线线路50可以同时在HF范围中被并行的、尽可能相互解耦的 HF通信系统使用。

Claims (10)

1.用于在总线系统（1；2；3）的总线线路（50）中为至少一个耗电器（60）输入耦合通信信号（52）和电功率的设备（30；35；37），所述设备具有：

低通滤波器（31），用于对通信信号（52）进行滤波，使得低于所述低通滤波器（31）的极限频率（f_GTP）的信号频率被输入耦合到所述总线系统（1；2；3）的所述总线线路（50）中；和/或

功率输入耦合装置（32），用于将高频信号（53）形式的电功率输入耦合到所述总线线路（50）中。

2.按照权利要求1所述的设备（30；35；37），

其中所述功率输入耦合装置（32）具有用于产生高频信号（53）的开关电源级；

和/或

其中所述功率输入耦合装置（32）被构造用于使所述高频信号（53）的所述频率在频率范围中扩展和/或抖动；和/或

其中在通信方面所述通信信号（52）的所述输入耦合被构造为，在所述通信中至少暂时地确保由所述总线系统（1；2；3）的至少两个用户站（10、20）之一对所述总线线路（50）的排他的、无冲突的访问。

3.按照权利要求2所述的设备（30；35；37），其中在所述功率输入耦合装置（32）之后连接高通滤波器（33）以用于对所述开关电源级的信号进行滤波，使得高于所述高通滤波器（f_GHP）的极限频率（f_GHP）的信号频率被输入耦合到所述总线线路（50）中。

4.用于为至少一个耗电器（60）从总线系统（1；2；3）的总线线路（50）上的总线信号（51）中输出耦合通信信号（52）和电功率的设备（40），所述设备具有：

低通滤波器（41），用于对所述总线信号（51）进行滤波，使得低于所述低通滤波器的极限频率（f_GTP）的信号频率从所述总线系统（1；2；3）的总线线路（50）中作为通信信号（54）被输出耦合；和

功率输出耦合装置（43），用于将高频信号（55）形式的电功率从所述总线线路（50）中输出耦合。

5.按照权利要求4所述的设备（40），其中所述功率输出耦合装置（43）具有：

整流器（431），用于针对以电功率来对耗电器（60）进行供给而使所述高频信号（55）平滑；和

低通滤波器（432），用于对由所述整流器（431）所整流的信号进行滤波，使得低于所述低通滤波器（432）的极限频率（f_GTP）的信号频率被允许通过到所述耗电器（60）。

6.按照权利要求4或5所述的设备（40），

其中在所述功率输出耦合装置（43）之前连接高通滤波器（42）以用于对所述总线信号（51）进行滤波，使得高于所述高通滤波器（42）的极限频率（f_GHP）的信号频率从所述总线线路（50）中被输出耦合；和/或

其中在通信方面所述通信信号（54）的所述输出耦合被构造为，在所述通信中至少暂时地确保由所述总线系统（1；2；3）的至少两个用户站（10、20）之一对所述总线线路（50）的排他的、无冲突的访问。

7.按照权利要求1至7之一所述的设备（30；35；37；40），

其中所述低通滤波器（31；41；431）的极限频率（f_GTP）和所述高通滤波器（33；42）的极限频率（f_GHP）被设计用于在20至50MHz的范围中的极限频率；和/或

其中所述通信信号（52、42）按照CAN协议和/或CAN FD协议和/或TTCAN协议来构建。

8.总线系统（1；2；3），所述总线系统具有：

总线线路（50）；和

至少两个用户站（10、20），所述用户站借助用于通信的所述总线线路（50）相互连接，

其中所述用户站（10、20）中的至少一个具有按照权利要求1至3之一所述的或者按照在从属于权利要求1至3之一时的权利要求7所述的设备（30；35；37），并且所述用户站（10、20）中的至少一个具有按照权利要求4至6之一所述的或者按照在从属于权利要求4至6之一时的权利要求7所述的设备（40）。

9.按照权利要求8所述的总线系统（1；2；3），其中所述用户站（10、20）中的至少一个具有：

按照权利要求1至3之一所述的或者按照在从属于权利要求1至3之一时的权利要求7所述的设备（30；35；37）；和

按照权利要求4至6之一所述的或者按照在从属于权利要求4至6之一时的权利要求7所述的设备（40）。

10.用于在总线系统（1；2；3）的两个用户站（10、20）之间传输通信信号（52）和电功率的方法，所述方法具有步骤：

经由低通滤波器（31）将所述通信信号（52）输入耦合到总线线路（50）中，所述低通滤波器对所述通信信号（52）进行滤波，使得低于所述低通滤波器（31）的极限频率（f_GTP）的信号频率被输入耦合到所述总线系统（1；2；3）的所述总线线路（50）中；

利用功率输入耦合装置（32）将高频信号（53）形式的电功率输入耦合到所述总线线路（50）中；

利用所述总线线路（50）将所述通信信号（52）和所述电功率作为总线信号（51）传输到所述耗电器（60）；

经由低通滤波器（41）将所述通信信号（52）从所述总线线路（50）中输出耦合，所述低通滤波器对所述总线信号（51）进行滤波，使得低于所述低通滤波器（41）的极限频率（f_GTP）的信号频率从所述总线系统（1；2；3）的所述总线线路（50）中输出耦合；和

为了所述耗电器（60）利用功率输出耦合装置（43）将高频信号（55）形式的电功率从所述总线线路（50）中输出耦合。