CN117376049A - 传感器和数字通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种传感器和数字通信方法。本文提供了一种适用于汽车应用的数字通信总线以及使用该总线及其相关联通信方法的总线控制器和传感器。一种例示性传感器包括:时钟信号发生器;总线接口,该总线接口耦接到差分信号导体以检测来自总线控制器的周期性同步脉冲;以及控制器,该控制器将来自该时钟信号发生器的时钟信号与该周期性同步脉冲调准。该总线接口在该周期性同步脉冲之间向该总线控制器发送数字数据,从而使用该时钟信号来控制符号转变。
Description
技术领域
本公开一般涉及适用于汽车应用的数字通信总线,并且更具体地涉及时钟同步方法和采用此类方法的传感器。
背景技术
现代汽车配备有大量种类繁多的传感器。例如,轿车通常配备有马达方位传感器以监测发动机转速、估计燃料消耗以及提供发动机诊断。传统上,此类“高速”传感器采用具有用于同相输出信号和正交相位输出信号的模拟接口的解析器。为了提供针对电磁干扰和发射的防护,使用相对昂贵的滤波器保持电磁相容性,输出信号中的每个输出信号通常经绞合线对作为差分信号进行输送。虽然用于此类传感器的数字接口潜在地以降低的实施成本提供更稳健的操作,但是适用于汽车环境的现有数字总线无法支持必要的数据速率。
发明内容
因此,本文公开了适用于汽车应用的数字通信总线以及使用该总线及其相关联通信方法的总线控制器和传感器。
根据本公开的一个方面,提供了一种传感器,该传感器包括:时钟信号发生器;总线接口,该总线接口耦接到差分信号导体以检测来自总线控制器的周期性同步脉冲;以及控制器,该控制器将来自时钟信号发生器的时钟信号与周期性同步脉冲调准,总线接口在周期性同步脉冲之间向总线控制器发送数字数据并使用时钟信号来控制符号转变。
在一个实施方案中,在该传感器中,控制器使用同步脉冲的前沿来确定时钟信号的周期。
在一个实施方案中,在该传感器中,控制器使用同步脉冲的后沿来设定时钟信号的相位。
在一个实施方案中,在该传感器中,作为所述调准的一部分,控制器在总线接口开始发送数字数据之前执行粗略校准阶段,并且在总线接口开始发送数字数据之后执行自适应跟踪阶段,控制器调节时钟信号的周期以匹配同步脉冲的周期的1/N,N为整数。
在一个实施方案中,在该传感器中,该传感器进一步包括独立于所述时钟信号收集测量结果的换能器电子器件,控制器使用时钟信号来捕获所述测量结果并从其导出数字数据。
根据本公开的另一个方面,提供了一种数字通信方法,该数字通信方法包括:生成本地时钟信号;将本地时钟信号与来自总线控制器的周期性同步脉冲调准;以及在周期性同步脉冲之间向总线控制器发送数字数据并使用时钟信号来控制符号转变。
在一个实施方案中,在该数字通信方法中,所述调准包括从周期性同步脉冲的前沿导出时钟信号的周期。
在一个实施方案中,在该数字通信方法中,所述调准进一步包括基于周期性同步脉冲的后沿来设定时钟信号的相位。
在一个实施方案中,在该数字通信方法中,该数字通信方法进一步包括:使用时钟信号来捕获从测量结果导出数字数据的独立获取的测量结果。
在一个实施方案中,在该数字通信方法中,所捕获的测量结果包括时间戳信息。
附图说明
图1为例示性控制器区域网络的框图。
图2为例示性数字通信总线的电路示意图。
图3为示出系统中的各种例示性信号波形的时序图。
图4为时钟同步相位的图。
图5为例示性数据通信方法的流程图。
具体实施方式
应当理解,提供以下描述和附图是为了解释的目的,而不是限制本公开。换句话讲,它们为本领域的普通技术人员提供了基础以识别和理解落入权利要求书范围内的所有修改形式、等价形式和替代形式。
图1示出了诸如可以存在于汽车环境中的例示性控制器区域网络(CAN)。电子控制单元(ECU)102经由形成星形拓扑的点对点连接件耦接到包括LIDAR(光检测和测距)单元104和相机105的各种传感器103。其他总线拓扑(诸如树形、环形和菊花链状)也可以是合适的。为了提供自动化驾驶员辅助,ECU 102可以进一步连接到一组致动器,诸如转弯信号致动器106、转向致动器108、制动致动器110和节流阀致动器112。ECU 102可以进一步耦接到交互式接口114以接受用户输入并且提供各种测量结果和系统状态的显示。使用该接口、传感器和致动器,ECU 102可以提供自动化停车、辅助停车、车道变换辅助、障碍物和盲点检测以及其他期望的特征。
图2为例示性数据总线的示意图,该例示性数据总线具有位于第一印刷电路板204上的总线控制器202(诸如ECU 102),该总线控制器耦接到位于第二印刷电路板208上的传感器206。第一PCB 204包括低压差(LDO)稳压器210以及经由相应导体V+、GND向第二PCB208供应电力的接地连接。一对差分信号导体A、B将来自总线控制器202的下行链路信号传送到传感器206,并将来自传感器的上行链路信号传送到总线控制器。
PCB可以包括终端电路212、214以通过衰减较高频率来提供阻抗匹配和/或电磁相容性。终端电路在此处被示出为串联连接在导体A与导体B之间的两个相等阻抗Z1,其中任选阻抗Z2耦接在中间节点与接地之间。可以选择阻抗Z1、Z2以提供期望的低通截止频率。
所示出的总线控制器202包括用于交替地发送下行链路信号TXM和接收上行链路信号RXM的收发器220。通用异步接收器/发射器(UART)模块222制出下行链路信号以承载来自微控制器单元(MCU)224的命令和数据,并且对上行链路信号进行解码将来自传感器206的响应和测量结果提供给MCU 224。任选地(例如,对于RS485型收发器),UART模块222向收发器220提供T/R信号以在发射模式与接收模式之间转换。CAN兼容收发器不需要信号在发射模式与接收模式之间转变。振荡器226向UART模块222提供时钟信号。根据时钟信号执行UART的操作,并且因此时钟信号确定下行链路信号中的符号转变的时序。
所示出的传感器206类似地包括收发器230,该收发器用于交替地接收下行链路信号RXS和发送上行链路信号TXS,任选地响应于来自UART模块232的T/R信号进行操作。控制器234接收配置传感器的操作的下行链路命令和参数,并提供来自换能器电路235的针对UART232的测量结果以转换成上载消息。振荡器236提供时钟信号以供UART 232使用。如下面进一步描述的,由振荡器236生成的时钟信号可以与来自总线控制器202的周期性同步脉冲调准,使得UART 232能够生成具有同步于由振荡器226生成的时钟信号的符号的上行链路消息。
图3示出了可以存在于数字通信总线上的各种信号波形之间的例示性时序关系。一旦传感器的配置完成,总线控制器就发送如波形TXM所示的周期性同步脉冲。所示出的脉冲为三个位间隔宽,但这不是要求。波形RXS示出了由于通过导体和接口电子器件的传播时间而具有轻微延缓的同步脉冲。
传感器以上行链路波形TXS进行响应,该上行链路波形此处示出为针对三个UART标准字节的模板,该三个UART标准字节各自具有在最低有效位之前的单个起始位和在最高有效位之后的停止位。在一些系统中可以优选附加停止位,且在其他系统中可以优选跳过停止位。其他消息格式也将是合适的,例如,更大或更小数量的字节、不同的位排序和/或起始位与停止位之间的不同字长。波形RXM示出了具有延缓的上行链路波形,以表示从传感器到总线控制器的传播时间。
图3的最后两条曲线分别示出了在主侧和传感器侧的信号导体A、B之间的差分电压。(为了进行例示性的说明,放大了传播延缓的影响。)传感器可以使用同步脉冲的前沿之间的间隔作为从测量结果导出位周期(或者更一般地,“符号周期”)的同步周期测量结果(PM),并且可以使用同步脉冲的后沿作为针对发射符号时钟的零相位调准。
如图4所示,可以跨多个同步脉冲周期执行同步和调准过程。初始校准周期在通电之后或当传感器复位时开始。在检测到同步脉冲之后,传感器开始获取脉冲的前沿之间的周期测量结果。在一个设想的实施方案中,传感器使用耦接到计数器或“分频器”的本地电压控制振荡器。控制电压被设定为默认中间范围值,并且设定调节值的最高有效位。如果下一个同步脉冲在计数器过去之前到达,则控制电压增大调节值以增大本地振荡器频率。相反地,如果在下一个同步脉冲到达之前计数器过去,则控制电压减小调节值到偏移值,以减小本地振荡器频率。然后将调节值切成两半,使得仅其第二最高有效位被断言。重复该过程,直到调节值的仅最低有效位被断言为止。
一旦达到并应用最小调节值,传感器就可以从校准模式转变到跟踪模式。在跟踪模式期间,传感器响应于每个同步脉冲而发送测量数据,但是监测同步脉冲之间的周期,并在每个周期测量结果之后添加最小调节值或从控制电压减去最小调节值。在一些具体实施中,传感器可以检测何时调节在符号上规则地交替并且可以应用误差滤波器或者可以另外增加用于控制电压的每次适配的同步脉冲的数量。
图5为可以由传感器设备实施的例示性数据通信方法的流程图。在框501中,传感器针对差分信号中的脉冲沿监测导体。在框502中,传感器测试该沿是否是同步脉冲的前沿,并且如果不是,则在框504中确定校准阶段是否完成。如果校准正在进行,则控制返回到框501。否则,在框506中,传感器使用该沿来启动数据帧到总线控制器的传输。期望将独立于同步信号来获取被传输的测量数据,并且因此要求提高的精度的具体实施可以将测量时间戳与测量数据一起传输。在数据帧完成之后,控制返回到框501。
如果在框502中,传感器确定该沿为前沿,则在框508中,传感器确定本地振荡器频率是过高还是过低。在框510中,传感器确定校准阶段是否正在进行,并且如果是,则在框512中,使用时序误差利用粗略调节值来调节振荡器频率。如先前所述,粗略调节值随着每个循环减小,直到校准阶段完成为止。
如果在框510中,确定校准阶段完成,则在框514中,传感器检查初始跟踪阶段是否完成。在初始跟踪阶段期间,传感器仅执行对振荡器控制电压的最低有效位(LSB)调节以在框516中提供对振荡器周期的精细调节。一旦本地振荡器频率/周期收敛,传感器就可以在框518中使用来自多个同步脉冲循环的时序误差测量来提供自适应优化。
虽然出于说明的目的将图5中所示和所述的操作视为顺次发生,但在实践当中,可以通过多个集成电路部件同时操作而执行该方法。该顺次论述并不旨在构成限制。
期望在传感器与总线控制器之间实现的时钟同步允许高得多的数据传输速率,包括高于在原本符合CAN-FD汽车总线标准的总线上的约8Mbps的速率。与其他总线类型(诸如其中总线控制器采用问答协议来选择性地从多个可寻址传感器设备检索数据的总线)相比,所公开的同步接口时钟配置使得传感器能够使用最小但稳健的信令协议来向控制器连续地供应测量信息,而不限制传感器获取测量信息的方式。
概括地说,已公开了各种实施方案。一种例示性传感器,该例示性传感器包括:时钟信号发生器;总线接口,该总线接口耦接到差分信号导体以检测来自总线控制器的周期性同步脉冲;以及控制器,该控制器将来自时钟信号发生器的时钟信号与周期性同步脉冲调准。总线接口在周期性同步脉冲之间向总线控制器发送数字数据,从而使用时钟信号来控制符号转变。
一种例示性控制器区域网络,该例示性控制器区域网络包括:总线控制器,该总线控制器耦接到一对差分信号导体以发射周期性同步脉冲;传感器,该传感器耦接到该一对差分信号导体以接收周期性同步脉冲,该传感器具有将时钟信号与周期性同步脉冲调准的控制器;以及总线接口,该总线接口在周期性同步脉冲之间向总线控制器发送数字数据,从而使用时钟信号来控制符号转变。
一种例示性数字通信方法,该例示性数字通信方法包括:生成本地时钟信号;将本地时钟信号与来自总线控制器的周期性同步脉冲调准;以及在周期性同步脉冲之间向总线控制器发送数字数据并使用时钟信号来控制符号转变。
可以单独地或结合地采用前述实施方案中的每个实施方案,并且它们可以进一步以任何合适的组合采用以下任选特征中的一个或多个特征。1.作为所述调准的一部分,控制器调节时钟信号的周期以匹配同步脉冲的周期的1/N,N为整数。2.控制器使用同步脉冲的前沿来确定时钟信号的周期。3.控制器使用同步脉冲的后沿来设定时钟信号的相位。4.作为所述调准的一部分,在总线接口开始发送数字数据之前,控制器执行粗略校准阶段。5.作为所述调准的一部分,在总线接口开始发送数字数据之后,控制器执行自适应跟踪阶段。6.独立于所述时钟信号收集测量结果的换能器电子器件,控制器使用时钟信号来捕获所述测量结果并从其导出数字数据。7.控制器使用时钟信号来捕获从测量结果导出数字数据的独立获取的测量结果。8.所捕获的测量结果包括时间戳信息。
Claims (10)
1.一种传感器,其特征在于,所述传感器包括:
时钟信号发生器;
总线接口,所述总线接口耦接到差分信号导体以检测来自总线控制器的周期性同步脉冲;以及
控制器,所述控制器将来自所述时钟信号发生器的时钟信号与所述周期性同步脉冲调准,
所述总线接口在所述周期性同步脉冲之间向所述总线控制器发送数字数据并使用所述时钟信号来控制符号转变。
2.根据权利要求1所述的传感器,其特征在于,所述控制器使用所述同步脉冲的前沿来确定所述时钟信号的周期。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的传感器,其特征在于,所述控制器使用所述同步脉冲的后沿来设定所述时钟信号的相位。
4.根据权利要求1至2中任一项所述的传感器,其特征在于,作为所述调准的一部分,所述控制器在所述总线接口开始发送数字数据之前执行粗略校准阶段,并且在所述总线接口开始发送数字数据之后执行自适应跟踪阶段,所述控制器调节所述时钟信号的周期以匹配所述同步脉冲的周期的1/N,N为整数。
5.根据权利要求1至2中任一项所述的传感器,其特征在于,所述传感器进一步包括独立于所述时钟信号收集测量结果的换能器电子器件,所述控制器使用所述时钟信号来捕获所述测量结果并从所述测量结果导出所述数字数据。
6.一种数字通信方法,其特征在于,所述数字通信方法包括:
生成本地时钟信号;
将所述本地时钟信号与来自总线控制器的周期性同步脉冲调准;以及
在所述周期性同步脉冲之间向所述总线控制器发送数字数据,并使用所述时钟信号来控制符号转变。
7.根据权利要求6所述的数字通信方法,其特征在于,所述调准包括从所述周期性同步脉冲的前沿导出所述时钟信号的周期。
8.根据权利要求7所述的数字通信方法,其特征在于,所述调准进一步包括基于所述周期性同步脉冲的后沿来设定所述时钟信号的相位。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的数字通信方法,其特征在于,所述数字通信方法进一步包括:使用所述时钟信号来捕获独立获取的测量结果,其中所述数字数据是从所述测量结果导出的。
10.根据权利要求9所述的数字通信方法,其特征在于,所捕获的测量结果包括时间戳信息。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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