CN115408319B - 串行总线端接 - Google Patents
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Abstract
根据本发明的示例方面，提供了一种用于将电子通信模块(10)连接到串行数据总线的设备，该设备包括总线端接电路(11)，该总线端接电路(11)包括第一场效应晶体管FET(20)、第二FET(30)和端接电阻器(40)，该第一FET(20)包括第一二极管(21)，该第二FET(30)包括第二二极管(31)。端接电阻器连接到第一FET和第二FET的相应漏极端子。FET连接到控制线路(50)以激活用于端接总线的设备，并且适于将第一线路和第二线路连接到端接电阻器。总线端接电路适于响应于通过输入线路去激活总线的端接而防止将第一线路和第二线路连接到端接电阻器。
Description
技术领域
本发明涉及端接可扩展串行总线。
背景技术
工业自动化系统借助于各种现场装置(例如，连接到系统的调节装置、控制装置、传感器、发送器等)控制工业过程。典型的现场装置是设置有阀控制器的控制阀。现场装置通常由过程控制器基于设定值和从过程中获得的测量结果使用适当的控制算法来进行控制。现场装置可以连接到现场总线，该现场总线可以是串行总线。
串行总线布置广泛用于各种技术领域(包括工业自动化控制)以联网控制单元。RS-485(也称为TIA或EIA-485)是串行通信标准的示例。基于PROFIBUS和控制器局域网(CAN)的系统是应用串行总线的一些示例。
在许多环境中，由于抗干扰性，数据总线尤其需要非常稳定，并且通常采用线性总线的形式。因此，总线在其几何范围的两个物理端部处与相应的端接电阻器端接(总线端接)，该相应的端接电阻器与总线线路的特性阻抗匹配。因此，在较高频率的数据传输率的情况下，可以最小化总线线路上产生的反射，并且总线可以以最佳方式工作。由于当前的总线系统的速率因其实时能力和增加的总线负载而日益提高，因此正确的总线端接对于可靠的通信非常重要。
通过新的I/O模块对串行总线进行模块化和灵活扩展对于自动化控制系统很重要。当将新的I/O模块添加到总线时，可能需要手动插入特定的总线端接组件来端接总线。
DE102009056563公开了一种总线系统，其具有带阻抗的总线订户(bussubscriber)，当不向电流分离的可控电路的输入供应大电势时，该总线订户可作为端接电阻器进行管理。
US2003/0131159公开了一种总线端接。智能控制器主动向其他装置发送通信测试消息，并根据是否收到回复消息来控制总线端接。从<http://web.archive.org/web/20200513004704/https://www.homemade-circuits.com/bidirectional-switch/>检索到的网页，“Bidirectional Switch(双向开关)”，2020年5月，公开了一种双向开关及其操作。US2008238904公开了双向开关的示例，其中电阻器连接在NMOS晶体管之间。
发明内容
本发明由独立权利要求的特征限定。在从属权利要求中限定了一些特定实施例。
根据一个方面，提供了一种用于将电子通信模块连接到串行数据总线的设备，该设备包括总线端接电路，该总线端接电路包括第一场效应晶体管、第二场效应晶体管和端接电阻器，该第一场效应晶体管包括第一二极管或与该第一二极管耦接，该第二场效应晶体管包括第二二极管或与该第二二极管耦接。第一场效应晶体管的源极端子连接到总线的第一线路，第二场效应晶体管的源极端子连接到总线的第二线路。端接电阻器连接到第一场效应晶体管的漏极端子和第二场效应晶体管的漏极端子。第一场效应晶体管和第二场效应晶体管连接到控制线路以激活用于端接总线的设备，并且因此适于将第一线路和第二线路连接到端接电阻器。第一二极管适于在第一场效应晶体管的栅源电压低于阈值电压值而第一场效应晶体管的源极电压高于第一场效应晶体管的漏极电压时，将第一线路连接到端接电阻器。第二二极管适于在第二场效应晶体管的栅源电压低于阈值电压值而第二场效应晶体管的源极电压高于第二场效应晶体管的漏极电压时，将第二线路连接到端接电阻器。总线端接电路适于响应于通过控制线路去激活总线的端接，防止将第一线路和第二线路连接到端接电阻器。
根据第二方面，提供了一种电子通信模块，其是根据第一方面或其实施例的设备或包括根据第一方面或其实施例的设备。根据第三方面，提供了一种用于将通信模块连接到串行总线的通信模块装置或连接组件单元(例如，从I/O安装基座单元)，其是根据第一方面或其实施例的设备或包括根据第一方面或其实施例的设备。
根据第四方面，提供了一种可扩展串行总线装置，包括根据第一方面的设备的序列。该序列可以至少包括第一电子通信模块或其第一安装基座单元和第二电子通信模块或其第二安装基座单元，该第一电子通信模块或其第一安装基座单元包括总线端接电路，该第二电子通信模块或其第二安装基座单元包括总线端接电路。第二电子通信模块或第二安装基座单元的总线端接电路适于响应于将第二电子通信模块作为序列中的最后一个模块耦接，将端接电阻器连接到总线并使得由第一电子通信模块禁用总线的端接。该装置可以包括安装平台，该安装平台适于在控制线路中供应工作电压，以激活第二电子通信模块或第二安装基座单元从而端接总线。
附图说明
图1示出了串行总线装置的示例，
图2示出了根据至少部分实施例的串行总线装置的示例，
图3示出了根据至少部分实施例的总线端接电路，
图4示出了根据至少部分实施例的总线端接电路，以及
图5a和图5b示出了串行总线波形的示例。
具体实施方式
工业自动化系统可用于控制工业过程，例如，制造、生产、发电、制作和精炼过程。总线系统通常用于连接现场装置。I/O模块可以安装在导轨或齿条上，并作为总线系统的一部分被包括在内。
图1示出了包括从I/O模块1a、1b、1c的串行总线装置的示例。数据总线包括连接到主机(模块)4的第一线路2和第二线路3。这些线路通过端接元件或电阻器5和6进行端接，以最小化在总线线路上产生的反射。当将新的模块添加到总线时，线路需要通过端接电阻器6进行端接。I/O模块可以固定到DIN导轨或其他类型的安装平台，并且每次修改I/O模块配置时，包括端接电阻器6的单独的端接电阻器模块都可能需要手动地耦接到平台以端接总线。
现在提供一种用于改进可扩展串行总线端接的设备，其包括如下进一步说明的特别适配的总线端接电路。总线端接电路可以被包括在每个通信模块(例如，模块1a-1c)中或者安装基座单元中。安装基座单元可以连接到总线或者可以包括总线，并且包括连接器或连接器组件，该连接器或连接器组件用于连接至少一个通信模块以将模块连接到总线。
图2示出了串行总线系统的简化示例，其中可以避免单独的端接电阻器。每个电子通信模块或以下示例中的从I/O安装基座单元10、12，包括内部串行总线端接电路部分(BTCP)11、13。安装基座单元可以依次连接到总线。总线端接电路部分在电子上适用于通过序列中的最后一个I/O安装基座单元自动切换总线处的总线端接电阻器。在图2的示例中，I/O安装基座单元10作为最后一个单元耦接到总线中。在将单元10连接到总线2和3时，BTCP11禁用先前的I/O安装基座单元12(它在序列中先于最后一个I/O安装基座单元)的BTCP 13并将其端接负载切换到总线线路2、3。
BTCP 11、13的控制线路或该控制线路的输入可以选择性地激活或去激活相应模块中的总线端接电阻器。在一些实施例中，可以通过适当的触发控制输入14(在一些实施例中，通过如下进一步说明的连续的电源电压)激活序列的最后一个I/O安装基座单元10中的总线端接电阻器。
BTCP 11、13可以适于响应于来自控制线路的去激活输入来防止将总线线路2、3连接到端接电阻器。这使得由BTCP经由控制线路去激活总线的端接。
同样如图2的示例实施例所示，通过中间模块进行的总线端接可以通过BTCP 13及其控制线路16的接地来去激活。因此，总线上的端接负载可以保持不变。因此，安装基座单元10、12可以包括机电连接器组件，其适配成使得将另外的I/O模块(或安装基座单元12)添加到序列中，使得中间I/O模块/安装基座10的控制线路14接地。因此，BTCP可以被适配成使得端接电阻器默认是激活的和处于有效状态，并且在控制线路接地时被去激活。
图3示出了根据一些实施例的BTCP 11(或13)，其可以被包括在从I/O安装基座单元(例如，从I/O安装基座单元10或12)中，并且可连接到串行总线2和3(不以任何方式限于图1和图2的示例)。在替代实施例中，BTCP 11可以被包括在通信模块中，该通信模块可以连接到总线(通常通过安装板)。示例BTCP 11包括：
-第一FET 20，包括第一二极管21或与该第一二极管21耦接，
-第二FET 30，包括第二二极管31或与该第二二极管31耦接，以及
-端接电阻器40。
在本文中FET 20、30可以指代包括(FET元件和)相应的二极管的FET单元。在一些实施例中，FET 20、30是金属氧化物半导体FET(MOSFET)并且二极管是MOSFET体二极管。然而，应当理解，可以替代地应用其他类型的FET，并且二极管可以在相应的FET源极端子和漏极端子的外部并且耦接到相应的FET源极端子和漏极端子。
第一FET 20的源极端子22连接到数据总线的第一线路2。第二FET 30的源极端子32连接到数据总线的第二线路3。端接电阻器40连接到第一FET的漏极端子23和第二FET的漏极端子33。
第一FET 20和第二FET 30的栅极24、34分别连接到控制输入或线路50。控制输入50适用于激活相应的模块和BTCP 11，以通过使得将第一线路2和第二线路3连接到端接电阻器40而端接总线。
控制线路50可以是控制输入，其中诸如5V等工作电压或地可以选择性地连接到栅极24、34。如进一步所示，输入线路包括电阻器51。当工作电压连接到栅极时，总线端接由BTCP 11激活。
第一二极管21适于在总线端接被激活时将第一线路2连接到端接电阻器40，例如在图2的示例中通过输入线路14，即，通过相应的总线端接电路进行的总线端接处于有效(总线端接)状态。当第一FET 20的栅源电压(VGS)低于阈值电压值或VTH(例如，对于许多FET类型而言约为1.2V)，并且当第一FET 20的源极电压(VS)高于第一FET的漏极电压(VD)时，二极管21将第一线路2连接到端接电阻器40。
类似地，第二二极管31适于在第二FET 30的栅源电压低于阈值电压值(例如，对于许多FET类型而言约为1.2V)，并且在第二FET 30的源极电压高于第二FET 30的漏极电压(即，VDS<0)时，将第二线路3连接到处于有效的总线端接状态的端接电阻器40。
当BTCP 11被激活以用于串行总线端接时，则BTCP操作如下：
-当总线的差分信号使得线路2具有比线路3更高的电压时：第二FET 30经由漏极与源极之间的FET沟道将线路3连接到端接电阻器40(当VGS>VTH时)。第一FET 20中的第一二极管21将端接电阻器40连接到线路2(当VS＞VD时)。
-当总线的差分信号使得线路2具有比线路3更低的电压时：第一FET 20经由漏极与源极之间的FET沟道将线路2连接到端接电阻器40(当VGS>VTH时)。第二FET 30中的第二二极管31将端接电阻器40连接到线路3(当VS＞VD时)。
因此，当BTCP 11被激活以用于串行总线端接时，FET与二极管的当前耦接布置使得总线线路2、3能够在总线线路的所有信号电平下连接到端接电阻器40。当总线线路信号电平使得不超过FET阈值电压VTH以将FET设置在导通状态下时，二极管21或31将适当的端接电阻连接到总线。
当像图3中所示的BTCP 11这样的BTCP被应用在I/O模块或安装单元10、12中时，模块或安装单元本身可以提供总线端接电阻器，并且不再需要单独的总线端接模块。这能够降低硬件成本并减少安装错误，因为组装人员不再需要记住附接端接模块。例如，针对工业自动化系统的现场装置将装置和I/O模块添加到串行总线以及移除装置和I/O模块变得更加容易。可以节省安装柜体内的安装导轨空间。
例如，与如DE102009056563中的包括光耦接器或光敏半导体开关的总线端接相比，本电路配置进一步实现了各种优点。当前公开的电路配置可以承受显著地更高的温度。此外，控制器局域网(CAN)系统具有相对较低的速度(最大速度为1Mbps，CAN-SD 5Mbps除外)，而当前公开的电路可以有效地用于具有更高速度(例如，24Mbps)的总线。如DE102009056563中的系统将不会与这种高速总线一起工作，至少不像当前公开的电路一样，因为应用的组件会在总线上引起高电容应变。通过光耦接器耦接到总线的组件的电容很高。此外，在DE102009056563中，FET是电流分离的，并且持续处于导通状态，并且耦接不会像当前公开的电路那样在工作点之外切断峰值。
当通过用于I/O模块的安装基座单元来提供BTCP 11时，I/O模块本身不需要配备有总线端接电路。这也能够减少总线端接耦接的数量。例如，在包含16个I/O模块的组件的情况下，可能需要最少两个(或最多7个)总线端接耦接。这使得能够减小总线端接装置的总电容。由于第二FET的二极管是工作的(而不是第二FET连接)，因此可以使用5V电源，它可以默认由安装基座提供。在替代示例实施例中，产生10V电源。
当模块(连接到相应的安装基座单元)不是序列中的最后一个时，控制线路和BTCP的输入适于防止电流流向端接电阻器40。如图2所示，这可以通过线路16将这种BTCP 13接地来布置。第一二极管21和第二二极管31适于在控制线路50去激活总线的端接(通过相应的BTCP)时，防止分别将第一线路2和第二线路3连接到端接电阻器40。在这种去激活的总线端接状态下，FET沟道不进行传输，并且任何一个二极管同时防止电流流向端接电阻器40。
在示例实施例中，当栅极24和34接地(例如，如图2中所示的地15)时，安装基座单元10以及总线通过BTCP 11的端接被去激活。
二极管21和31可以被包括在相应的FET(单元)中。二极管可以被称为(FET)体二极管。二极管可以是外部二极管。
图4更详细地示出了包括类似于图3的BTCP的电子电路的示例。工作电压经由包括上拉电阻器R4的输入线路50供应，并经由电阻器R2和R3供应给FET V1和V2的相应栅极G。例如，电阻器R2、R3和R4可以是1000欧姆电阻器。使用R2和R3是为了最小化通过FET到总线的电容。
根据应用的总线的特性来选择总线端接电阻器Rl。例如，150欧姆电阻器可能适用于RS485总线。
瞬态电压抑制二极管(TVD)装置60、61分别将第一线路2和第二线路3接地。
应该选择FET 20、30，使得它们具有小的内部电容(例如，两三个或几个微微法拉可以被认为是这种小电容)，因此可以减小或最小化由非活动端接耦接引起的总线负载。此外，漏极电流最大值需要足够高，并且漏极漏电流应该很小，例如，小于100μA的漏极泄漏是可以接受的。这些参数和FET选择取决于总线参数，例如，总线容量/速度。FET 20、30可以是N沟道MOSFET。在一些实施例中，应用了沟槽MOSFET。这种N沟道沟槽MOSFET的示例是NX3020NAK，在这种类型中，VTH为1.2V，VDS最大值为30V，VGS最大值为20V，漏极电流最大值为200mA(当VGS为10V时)，漏源导通电阻为4.5ohm(当VGS为10V，漏极电流为100mA时)，并且源漏二极管源漏电压为0.7V。
图5a示出了接近理想情况下的随着总线上的信号变化的电压变化的示例。图5b示出了基于应用上述BTCP的示例，表明测得的波形形状81可以有效地抑制瞬态电压，并且即使在最大量的从I/O安装基座附接到总线的情况下仍保持非常接近原始波形形状80。例如，最多可以应用8个安装基座(带有BTCP)。I/O安装基座的数量可根据可用空间进行调整。
应当理解，本发明所公开的实施例不限于本文所公开的特定结构、过程步骤或材料，而是扩展到相关领域的普通技术人员将认识到的其等同物。还应该理解，本文所用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不是限制性的。
可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合各种描述的特征、结构或特性。尽管前述示例在一个或多个特定应用中说明了本发明的原理，但是对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，可以对实现方式的形式、使用和细节进行许多修改而无需使用创造性的能力，并且不背离本发明的原理和概念。因此，本发明不意在受到限制，除非由以下提出的权利要求书限定。
动词“包括”和“包含”在本文档中用作开放限制，既不排除也不要求存在未列举的特征。除非另有明确说明，否则从属权利要求中记载的特征可以相互自由组合。此外，应理解，整个本文档中使用的“一”或“一个”(即，单数形式)不排除复数。
Claims (6)
1.一种用于将电子通信模块(10)连接到串行数据总线的设备，其中，所述设备包括总线端接电路(11)，其特征在于，所述总线端接电路包括：
-第一场效应晶体管(20)，包括第一二极管(21)或与第一二极管(21)耦接，
-第二场效应晶体管(30)，包括第二二极管(31)或与第二二极管(31)耦接，以及
-端接电阻器(40)，其中
所述第一场效应晶体管的源极端子(22)连接到所述总线的第一线路(2)，
所述第二场效应晶体管的源极端子(32)连接到所述总线的第二线路(3)，
所述端接电阻器连接到所述第一场效应晶体管的漏极端子(23)和所述第二场效应晶体管的漏极端子(33)，
所述第一场效应晶体管和所述第二场效应晶体管连接到控制线路(50)以激活用于端接所述总线的设备，并适于将所述第一线路和所述第二线路连接到所述端接电阻器，其中
所述第一二极管适于在所述第一场效应晶体管的栅源电压低于阈值电压值而所述第一场效应晶体管的源极电压高于所述第一场效应晶体管的漏极电压时，将所述第一线路连接到所述端接电阻器，
所述第二二极管适于在所述第二场效应晶体管的栅源电压低于阈值电压值而所述第二场效应晶体管的源极电压高于所述第二场效应晶体管的漏极电压时，将所述第二线路连接到所述端接电阻器，并且
所述总线端接电路适于响应于通过所述控制线路来去激活所述总线的端接，防止将所述第一线路和所述第二线路连接到所述端接电阻器。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述总线端接电路适于响应于所述控制线路中去往所述第一场效应晶体管(20)的栅极(24)和所述第二场效应晶体管的栅极(34)以激活所述设备端接所述总线的电源电压，将所述第一线路和所述第二线路连接到所述端接电阻器。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述总线端接电路的所述第一二极管(21)和所述第二二极管(31)适于响应于经由所述控制线路(50)将所述第一场效应晶体管(20)的栅极(24)和所述第二场效应晶体管的栅极(34)接地，防止将所述第一线路和所述第二线路连接到所述端接电阻器。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述第一场效应晶体管(20)和所述第二场效应晶体管(30)是N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管。
5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述设备包括用于将所述通信模块连接到所述总线的从I/O安装基座单元。
6.一种通信模块，其特征在于，包括根据前述权利要求1至4中任一项所述的设备。
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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2021
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-
2022
- 2022-05-25 CN CN202210577747.8A patent/CN115408319B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2166717A1 (en) * | 2008-09-22 | 2010-03-24 | Stoneridge Electronics AB | A device for connection to a can-bus |
| CN203984448U (zh) * | 2013-12-30 | 2014-12-03 | 中通客车控股股份有限公司 | 一种带终端电阻选择电路的can总线模块 |
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