CN113852391A - Can收发器 - Google Patents

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CN113852391A CN202110675771.0A CN202110675771A CN113852391A CN 113852391 A CN113852391 A CN 113852391A CN 202110675771 A CN202110675771 A CN 202110675771A CN 113852391 A CN113852391 A CN 113852391A
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卢卡斯·P·L·范戴克
格奥尔格·奥尔马
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Abstract

公开了一种收发器。所述收发器包括第一接收器线、第一传输器线、第二接收器线和第二传输器线，其中所述第一接收器线和所述第二接收器线耦合到接收器线选择器，并且所述第一传输器线和所述第二传输器线耦合到传输器线选择器。包括系统监测器，所述系统监测器被配置成监测控制器区域网络(CAN)总线和所述第一传输器线，并且在通过所述监测所述第一传输器线检测到错误状况的情况下选择所述第二传输器线和所述第二接收器线。包括偏置电压发生器，所述电压发生器产生用于所述CAN总线的端接电容器的偏置电压，其中当在所述CAN总线中检测到错误状况时，由所述系统监测器激活所述偏置电压发生器。

Description

CAN收发器
技术领域
本发明涉及CAN收发器。
背景技术
控制器区域网络(CAN总线)是一种被设计成允许微控制器和装置在没有主机的情况下与彼此的应用程序通信的车辆总线标准。所述控制器区域网络是基于消息的协议，最初是为汽车内的多路电线设计的，以节省铜，但也可在许多其它情形中使用。对于每个装置，包中的数据依序传输，但以此方式传输使得：如果超过一个装置同时传输，最高优先级装置能够继续，而其它装置则回退。包由所有装置接收，包括由传输装置接收。CAN总线使用双绞线，其中一个导线是CANH并且另一导线是CANL。出于某种原因，这些导线可能没有进行特性焊接并可能示出间歇性开路，这可能会导致位错误并可能导致数据通信中断。另外，使用CAN总线的微控制器可能会发生故障并引起安全问题。解决CAN总线和CAN总线上其它组件的可靠性问题的一种方法是提供冗余。然而，提供并联的冗余CAN总线、收发器、将收发器与CAN总线耦合的扼流圈等可能会增加通信系统的成本、维护和复杂性。
发明内容
本发明内容用于以简化形式介绍下文在具体实施方式中进一步描述的一系列概念。本发明内容并非意图标识所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也并非意图用于限制所要求保护的主题的范围。
在一个实施例中，公开了一种收发器。所述收发器包括第一接收器线、第一传输器线、第二接收器线和第二传输器线，其中所述第一接收器线和所述第二接收器线耦合到接收器线选择器，并且所述第一传输器线和所述第二传输器线耦合到传输器线选择器。包括系统监测器，所述系统监测器被配置成监测控制器区域网络(CAN)总线和所述第一传输器线，并且在通过所述监测所述第一传输器线检测到错误状况的情况下选择所述第二传输器线和所述第二接收器线。包括偏置电压发生器，所述电压发生器产生用于所述CAN总线的端接电容器的偏置电压，其中当在所述CAN总线中检测到错误状况时，由所述系统监测器激活所述偏置电压发生器。
在一些例子中，所述系统监测器另外被配置成针对所述错误状况监测所述第一接收器线，并且通过所述接收器线选择器和所述传输器线选择器选择所述第二传输器线和所述第二接收器线。所述接收器线选择器和所述传输器线选择器被配置成同时进行操作。所述收发器可以包括使能电路，所述使能电路被配置成停用到所述CAN总线的通信，其中所述使能电路包括同时操作以断开到CANL引脚的电力的两个串联开关。
在一些实施例中，可以包括电压调节电路。所述电压调节电路被配置成在检测到所述CAN总线中的开路导线时产生用于所述CAN总线的端接端部的偏置电压，以允许使用一个导线与所述CAN总线进行通信。所述系统监测器可以包括CAN总线错误检测器，所述CAN总线错误检测器包括第一比较器、第一电阻器和第二电阻器，其中所述第一比较器连接在所述第二电阻器两端并且所述第一电阻器的端部连接到CANH引脚。在另一例子中，所述系统监测器可以包括CAN总线错误检测器，所述CAN总线错误检测器包括第一比较器、第一电阻器和第二电阻器，其中所述第一比较器连接在所述第二电阻器两端并且所述第一电阻器的端部连接到CANL引脚。所述CAN总线错误检测器可以包括可配置电压源，所述可配置电压源包括与第一开关耦合的第一组电阻器和与第二开关耦合的第二组电阻器。所述第一开关和所述第二开关被配置成基于控制信号绕过多个电阻器中的一个或多个电阻器。
在一些例子中，取决于错误状况，偏置电压为1V或4V。在一些实施例中，所述收发器可以包括一对斜率控制器，所述一对斜率控制器通过多个晶体管和多个二极管耦合在一起。所述一对斜率控制器由所述系统监测器操作，以向CANH引脚和CANL引脚提供差分电压。
附图说明
为了可以详细地理解本发明的上述特征的方式，可以通过参考实施例来作出上文简要概括的本发明的更特定描述，所述实施例中的一些实施例在附图中得以示出。然而，应注意，附图仅示出本发明的典型实施例，且因此不应被视为限制本发明的范围，这是因为本发明可准许其它同等有效的实施例。对于阅读结合附图的本描述的本领域的技术人员而言，所要求保护的主题的优点将变得显而易见，在附图中，相同的附图标号用于指代相同的元件，并且在附图中：
图1描绘根据本公开的一个或多个实施例的具有端接端部电容器的控制器区域网络(CAN)总线；
图2描绘CAN总线通信协议，示出基于CANH和CANL处的差分电压的“0”和“1”的表示；
图3示出根据本公开的一个或多个实施例的收发器；图4示出根据本公开的一个或多个实施例的用于调节CAN总线的端接电容器处的电压的电路的示意图；
图5示出根据本公开的一个或多个实施例的用于在CAN总线的端接电容器处产生可变电压以克服间歇性开路CANH或CANL导线的电路的示意图。
图6示出根据本公开的一个或多个实施例的用于产生要施加在CANH或CANL处的可变电压以克服间歇性开路CANH或CANL导线的电路的示意图；
图7示出根据本公开的一个或多个实施例的传输使能模块的示例实施方案；并且
图8示出根据本公开的一个或多个实施例的收发器；并且
图9描绘根据本公开的一个或多个实施例的具有图2的收发器的CAN总线。
应注意，图不一定按比例绘制。没有示出收发器中的全部组件。省略的组件是本领域的技术人员已知的。
具体实施方式
已经省略或不在描述中详细描述许多熟知的制造步骤、组件和连接器，以免混淆本公开。
将容易理解，本文中大体描述且在附图中示出的实施例的组件可以各种不同配置来布置和设计。因此，以下如图中所表示的各种实施例的更详细描述并非旨在限制本公开的范围，而仅仅是表示各种实施例。虽然在图式中呈现了实施例的各个方面，但除非特别地指示，否则图式未必按比例绘制。
在不脱离本发明的精神或基本特性的情况下，可以其它具体形式体现本发明。所描述的实施例在所有方面均被视为仅是说明性的而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求书指示，而非由此具体实施方式指示。属于权利要求书等同含义和范围内的所有变化均涵盖在权利要求书的范围内。
本说明书通篇对特性、优点或类似语言的引用并不暗示可通过本发明实现的所有特性和优点应在或在本发明的任何单一实施例中。实际上，涉及特征和优点的语言应理解成意指结合实施例描述的具体特征、优点或特性是包括在本发明的至少一个实施例中的。因此，本说明书通篇对特征和优点以及类似语言的论述可能但不一定指同一实施例。
此外，本发明的所描述的特征、优点和特性可以任何合适的方式在一个或多个实施例中组合。鉴于本文中的描述，相关领域的技术人员应认识到，本发明可以在没有特定实施例的具体特征或优点中的一个或多个特征或优点的情况下实践。在其它情况下，可在某些实施例中辨识出可能不存在于本发明的所有实施例中的额外特征和优点。
本说明书通篇对“一个实施例”、“实施例”、“一个例子”或类似语言的引用意味着结合所指示实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，本说明书通篇的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”和类似语言可能但不一定都指同一实施例。
图1描绘具有端接端部电容器108的控制器区域网络(CAN)总线100。CAN总线100包括双绞线106。双绞线106包括CANH导线和CANL导线。CAN总线100可以包括一个或多个通信节点104-1..104-N。电容器108通常为4.7nF。电容器108的值可以增大到约100nF。通过增大电容器108的值，能改善在间歇性开路期间CANL或CANH处的信号电压。然而，信号电压的改善不足以在间歇性开路期间进行可靠的通信。与电容器108耦合的电阻器通常各自为60欧姆。
如图所示，经由非遮蔽双绞线106连接通信节点(ECU)104-1...104-N。在CAN总线100的最左侧和最右侧实施端接。有两种选择：通过使用如CAN总线100的左侧所示的单个电阻器，或经由如CAN总线100的右侧所示的被称作“分离式端接”的两个电阻器和电容器108。通常使用后一种方法，因为所述方法提供了额外的低通滤波以提高EMC性能。
如图2所示，在正常操作(当不存在错误时)中，CAN总线100用信号表示CANH和CANL被驱动，使得产生差分电压(以发送显性信号)或不产生差分信号(以发送隐性位)。对于显性位(“0”)，CANL处的电压为约1.5V并且CANH处的电压为3.5V，并且Vdiff表示CANH处的电压与CANL处的电压之间的差。
在一些例子中，以下错误状况可能会导致CAN总线100上的通信中断。
1.CANH或CANL上的导线开路
2.CANH或CANL上的导线间歇性开路
3.CANH或CANL处的开路连接接触
4.CANH或CANL处的间歇性开路连接接触
5.CANH或CANL处的开路焊接点接触
6.CANH或CANL处的间歇性开路焊接点接触
7.微控制器处的TXDL或RXDL处的开路焊接点接触
8.微控制器处的TXDL或RXDL处的间歇性开路焊接点接触
9.收发器处的TXDL或RXDL处的开路焊接点接触
10.收发器处的TXDL或RXDL处的间歇性开路焊接点接触
11.当使用共模扼流圈时，也可能存在与之相关联的(例如，与焊接点相关的)错误。
使用较大电容器108的典型解决方案有缺点。位率限制为125kbit/s。所述解决方案在端接端部处需要外部511Ω(连接在CAN收发器的RtL引脚与CANL之间，以及CAN收发器的RtH引脚与CANH之间)。这种解决方案不允许“标准化”CAN收发器引脚分配。RtH和RtL引脚上的内部开关需要用高电压晶体管实施，使得典型解决方案将需要用于CAN收发器的更大硅晶片面积。应注意，CAN收发器是节点104-1...104-N的部分。CAN收发器(未示出)在CAN协议控制器(未示出)与CAN总线100的物理导线106之间连接。CAN收发器和CAN协议控制器在本领域中是熟知的。
图3示出CAN收发器300。CAN收发器300包括在CANL导线与CANH导线的故障或微控制器中的故障或微控制器与收发器300之间的通信故障或可能潜在导致或指示错误状况的其它总线状况方面提供冗余的特征。
本发明人于2019年11月22日提交的第16/693,022号，标题为“具有断开电缆的CAN通信”的美国申请描述了调节总线分离电压，所述美国申请以全文引用的方式并入本文中。本发明人于2019年7月11日提交的第16/509,304号，标题为“收发器与微控制器之间的通信”的美国申请描述了微控制器与收发器之间的双向通信，所述美国申请以全文引用的方式并入本文中。
收发器300包括两个传输器引脚TX1、TX2和两个接收器引脚RX1、RX2。在一些例子中，两个微控制器或ECU可以与收发器300耦合以在微控制器故障的情况下提供冗余。例如，TX1可以连接到微控制器1并且TX2可以连接到微控制器2。两个微控制器可以耦合到两个不同的子系统(例如，制动控制系统)以提供冗余。此冗余提供了现代车辆所期望的更好的安全性，尤其是具有自主驾驶特征。在一些实施例中，收发器300还可以支持多于两个的微控制器。
收发器300包括被配置成监测TX1、TX2、RX1、RX2线的系统监测器302。例如，系统监测器302还监测CANL线和CANH线以监测电压。系统监测器302还可以监测CAN总线106上的温度、安全和安全性相关事件。例如，系统监测器302可以检查传输器和接收器线上的通信是否符合CAN协议。例如，系统监测器302可以检查电压电平，并且如果电压电平超出预定阈值，则切换到第二组传输器线和接收器线。收发器300可以包括与系统监测器302耦合的ERR引脚，以向与收发器300耦合的例如微控制器(未示出)的外部实体提供错误信号。TX1、TX2线可以与线选择器(Mux TX)304耦合。例如，系统监测器302可以连续监测TX1线，并且如果它检测到TX1上的通信故障，则系统监测器302可以选择TX2线。在一些例子中，系统监测器302还可以在选择TX2的同时选择RX2线。可以通过监测TX1上的电压电平并且验证TX1上的数据帧来检测传输故障。当切换到TX2发生时，可以激活ERR信号，使得外部(即，收发器300外部)监测系统可以例如通知车辆的操作员。在一些例子中，出于安全原因，驾驶控制系统可以将车辆转向安全位置。由收发器300提供的冗余特征将继续确保正常或可控制的操作，直到冗余组件也故障为止。然而，在一些例子中，第一微控制器与第二微控制器发生故障之间的时间间隔可能足以将车辆转向安全。包括接收器线选择器(Mux RX)306以在第一微控制器与第二微控制器之间切换。Mux TX 304和Mux RX 306可以由系统监测器302同步地操作，即，如果选择TX2，则也选择RX2。在一些实施例中，接收器线选择器306和传输器线选择器304可以使用拨动开关来实施，拨动开关可以使用同一驱动信号来操作，以同时拨动两个开关以从微控制器1切换到微控制器2。
收发器300包括与CANL线和CANH线耦合的传输器和接收器312。为了简单起见，传输器和接收器在图2中的同一框中示出。在一些例子中，传输器和接收器可以在芯片上单独地制造。系统监测器302可以与传输器/接收器312耦合以监测通信并且还监测CANH、CANL处的电压电平，以标识数据的接收或传输中的错误状况的任何断线。可以包括电压调节电路310，以基于对CANH线和CANL线的监测来产生Vsplit电压，以确保在CANL导线或CANH导线开路的情况下至少暂时具有一些退化的通信。可以提供传输使能电路308，以在安全状况要求时可靠地停止传输。
图4示出用于产生偏置电压以克服CANH或CANL上的错误状况的电压调节电路310的样例实施方案。将偏置电压施加到电容器108。电压调节电路310包括耦合到CANH的电阻器R1a和电阻器R1b。电阻器R1a和电阻器R1b与比较器A1耦合。可以包括任选的电平位移器404以改变比较器A1的输出处的电压的电压域。电压调节电路310另外包括与比较器A2耦合的电阻器R2b和R2a。可以包括任选的电平位移器406以改变比较器A2的输出处的电压的电压域。包括可配置电压源402以调节电容器108的端处的电压。
电阻器R2b和R1b分别允许在CANL支路和CANH支路中进行电流感测。感测电流经由差分放大器A1和A2转换成电压。当CANH支路中的感测电流(经由比较器A1检测到的)为零但CANL支路中的感测电流(经由比较器A2检测到的)不为零时，检测到开路CANH连接，并且在一个例子中，可配置电压源402被配置成产生4V。类似地，当CANL支路中的感测电流(经由比较器A2检测到的)为零但CANH支路中的感测电流(经由比较器A1检测到的)不为零时，检测到开路CANL连接，并且在一个例子中，可配置电压源402被配置成产生1V。在其它情况下，可配置电压源402被偏置到2.5V(Vcc/2，等于电源电压的一半)。包括控制器408以基于如上文所描述的CANH支路和CANL支路中的感测电流向可配置电压源402发送控制信号。
对于可配置电压源402，可能有各种实施方案。图5和图6示出两个此类示例实施方案。图5示出使用电阻分压器的可配置电压源402。当开关S1和开关S2都断开时，将分离电压VSplit(其被施加到电容器108的端102)设置成2.5V(Vcc除以二)。当开关S1闭合(并且开关S2断开)时，将分离电压VSplit设置成4V，并且当开关S2闭合(并且开关S1断开)时，将分离电压VSplit设置成1V。开关S1和S2基于来自控制器408的控制信号而断开或闭合。
图6示出另一实施例402A中的可配置电压源402。在此实施例中，可配置电压源402A包括与基准电压Vref耦合的比较器410，并且比较器410被配置成驱动晶体管M1。开关S1和S2由来自控制器408的控制信号控制。可配置电压源402A基于线性电压调节器操作，其中取决于所需标称输出电压以不同方式配置电压反馈梯。当开关S1和S2都断开时，将分离电压(VSplit)设置成1V。当开关S1闭合并且开关S2断开时，将VSplit设置成4V。当开关S2闭合并且开关S1断开时，也可以将Vsplit设置成2.5V。应注意，基准电压(Vref，在示例实施例中等于0.6V)是熟知的带隙电压基准，但可替换地可以通过连接到Vcc的电阻分压器实现，使得输出电压也将跟踪电源电压Vcc。
图7示出EN模块308的示例实施方案。从收发器300外部的实体使用TXEN信号以启用或停用经由收发器300的传输。在一些安全事件期间，可靠地停止从收发器300到CAN总线106的信号传输是重要的。样例实施方案使用一组CANH开关316和一组CANL开关318。一组开关316、318可以包括串联的多个单独开关。在一些例子中，(例如)由于开关故障，仅使用一个开关可能不会完全停止传输。
图8示出收发器300A。显而易见，并非所有组件都在图8中示出，以免混淆本公开。收发器300A包括耦合到第一斜率控制器320和第二斜率控制器322的晶体管T1、T2、T3、T4和二极管D1、D2、D3、D4。斜率控制器和包括晶体管和二极管的相关联电路布置用于提供CANL、CANH差分信号。系统监测器302可以在接合点324和326处与斜率控制电路布置耦合。如果系统监测器302检测到开路CANH或开路CANL，则系统监测器302可以在接合点324或326处提供电压，使得即使一个导线也具有足够的电压摆幅以启用经由一个导线的通信。在一些例子中，将电压摆幅提供到CANL/CANH以及将偏置电压Vsplit提供到电容器108，如先前所描述。
图9示出使用收发器300的CAN总线106。如图所示，收发器300包括两个RX线和两个TX线，以与两个ECU或微控制器耦合以提供冗余。
这些实施例中的一些或全部可组合，一些可被完全省略，并且可添加额外过程步骤，同时仍达成本文中所描述的产品。因此，本文中所描述的主题可以按许多不同变化形式体现，并且所有此类变化形式预期在权利要求书的范围内。
尽管已经借助于例子和根据具体实施例描述一个或多个实施方案，但应理解，一个或多个实施方案不限于所公开的实施例。相反地，希望涵盖对本领域的技术人员来说将显而易见的各种修改和类似布置。因此，所附权利要求书的范围应被赋予最广义的解释，以便涵盖所有此类修改和类似布置。
除非本文中另外指出或明显与上下文相矛盾，否则在描述要素的上下文中(尤其在以上权利要求书的上下文中)使用术语“一(a/an)”和“所述”以及类似指示物应理解为涵盖单数和复数。除非在本文中另外指示，否则对本文中值范围的叙述仅意图充当个别提及属于所述范围的每一单独值的速记方法，并且每一单独值并入本说明书中，如同在本文中个别地叙述一般。此外，上述描述是仅出于说明的目的，而不是出于限制的目的，因为寻求保护的范围由在下文中阐述的权利要求及其任何等效物来限定。除非另外要求，否则本文中所提供的对任何和所有示例或示例性语言(例如，“例如”)的使用仅仅是意图更好地说明主题，而并非对主题的范围造成限制。使用术语“基于”和其它类似短语指示在附属权利要求和书面描述中产生结果的条件，并不旨在排除产生所述结果的其它条件。本说明书中的任何语言都不应理解为指示实践所主张的本发明所必需的任何非主张的要素。
本文中描述发明人已知的用于实行所要求保护的主题的优选实施例。当然，在阅读上述描述之后，本领域的技术人员将清楚那些优选实施例的变化形式。本发明人期望本领域技术人员适时采用此类变化形式，并且本发明人意图以不同于本文中具体描述的其它方式来实践本发明所要求保护的主题。因此，所要求保护的主题包括可适用法律所准许的在附属权利要求中叙述的主题的所有变化和等效物。此外，除非本文另外指示或另外明显与上下文矛盾，否则涵盖上述元件以其所有可能变化形式的任何组合。

Claims (10)

1.一种收发器，其特征在于，包括：
第一接收器线、第一传输器线、第二接收器线和第二传输器线，其中所述第一接收器线和所述第二接收器线耦合到接收器线选择器，并且所述第一传输器线和所述第二传输器线耦合到传输器线选择器；
系统监测器，其被配置成监测控制器区域网络CAN总线和所述第一传输器线，并且在通过所述监测所述第一传输器线检测到错误状况的情况下选择所述第二传输器线和所述第二接收器线；以及
偏置电压发生器，其产生用于所述CAN总线的端接电容器的偏置电压，其中当在所述CAN总线中检测到错误状况时，由所述系统监测器激活所述偏置电压发生器。
2.根据权利要求1所述的收发器，其特征在于，所述系统监测器另外被配置成针对所述错误状况监测所述第一接收器线，并且通过所述接收器线选择器和所述传输器线选择器选择所述第二传输器线和所述第二接收器线。
3.根据权利要求1所述的收发器，其特征在于，所述接收器线选择器和所述传输器线选择器被配置成同时进行操作。
4.根据权利要求1所述的收发器，其特征在于，另外包括使能电路，所述使能电路被配置成停用到所述CAN总线的通信，其中所述使能电路包括同时操作以断开到CANL引脚的电力的两个串联开关。
5.根据权利要求1所述的收发器，其特征在于，另外电压调节电路，所述电压调节电路被配置成在检测到所述CAN总线中的开路导线时产生用于所述CAN总线的端接端部的偏置电压，以允许使用一个导线与所述CAN总线进行通信。
6.根据权利要求1所述的收发器，其特征在于，所述系统监测器包括CAN总线错误检测器，所述CAN总线错误检测器包括第一比较器、第一电阻器和第二电阻器，其中所述第一比较器连接在所述第二电阻器两端并且所述第一电阻器的端部连接到CANH引脚。
7.根据权利要求1所述的收发器，其特征在于，所述系统监测器包括CAN总线错误检测器，所述CAN总线错误检测器包括第一比较器、第一电阻器和第二电阻器，其中所述比较器连接在所述第二电阻器两端，并且所述第一电阻器的端部连接到CANL引脚。
8.根据权利要求6所述的收发器，其特征在于，所述CAN总线错误检测器包括可配置电压源，所述可配置电压源包括与第一开关耦合的第一组电阻器和与第二开关耦合的第二组电阻器。
9.根据权利要求8所述的收发器，其特征在于，所述第一开关和所述第二开关被配置成基于控制信号绕过多个电阻器中的一个或多个电阻器。
10.根据权利要求1所述的收发器，其特征在于，取决于所述错误状况，所述偏置电压为1V或4V。
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