CN209299249U - 扩展局域互连网络总线和从局域互连网络总线收发器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及扩展局域互连网络总线和从局域互连网络总线收发器。一种扩展LIN总线，其特征在于包括：串行总线；和从LIN总线收发器，该从LIN总线收发器在串行总线上以第一波特率接收第一LIN帧头，该第一LIN帧头具有用于快速数据帧的帧标识符，并且在串行总线上以第二波特率发送快速数据响应消息，第二波特率大于第一波特率。

Description

扩展局域互连网络总线和从局域互连网络总线收发器

技术领域

本公开整体涉及用于数字电子器件的通信总线，并且更具体地，涉及与局域互连网络(LIN)标准兼容的快速数据总线，即扩展局域互连网络总线和从局域互连网络总线收发器。

背景技术

现代汽车装配有大量种类繁多的传感器。例如，汽车现在通常配备有超声波传感器的阵列，以监测汽车与任何附近人员、宠物、车辆或障碍物之间的距离。由于环境“噪声”和安全问题，可要求传感器中的每个在汽车运动时每秒提供数十次测量。随着汽车工业向自动驾驶车辆的生产方向发展，预计传感器的数量(和传感器测量速率)将大幅增加，从而对将传感器测量传递给电子控制单元(ECU)和/或负责将测量转换为情景信息和控制决策的其他处理模块的通信总线带来了越来越大的负担。许多制造商对“传感器融合”的期望可能加剧通信负担，这需要以使得处理单元能够组合来自多个传感器的测量的方式将相对原始的测量信息传送到中央处理单元。此类组合可以经由例如三角测量，反演和多模态采集来获得新颖的、改进的和/或更稳健的测量。

在设计以适应增加的通信负担时，某些抵消考虑因素开始发挥作用。优选地，使可靠性最大化，同时使材料成本最小化、复杂性最小化、电磁干扰(EMI)最小化。因此，例如，不希望增加额外的总线导体或提高信号的频谱能量含量，其中可能增加电磁辐射和干扰的敏感性。

实用新型内容

为了解决在不过度增加材料成本、复杂性或EMI的情况下适应增加的通信负担的这些技术问题，这里公开了适用于在局域互连网络(LIN)兼容总线上提供快速数据消息的各种收发器。

根据本申请的一个方面，提供了一种扩展LIN(局域互连网络)总线，其特征在于包括：串行总线；和从LIN总线收发器，该从LIN总线收发器在串行总线上以第一波特率接收第一LIN帧头，该第一LIN帧头具有用于快速数据帧的帧标识符，并且在串行总线上以第二波特率发送快速数据响应消息，所述第二波特率大于所述第一波特率。

在一个实施方案中，扩展LIN总线的特征在于从LIN总线收发器还：在串行总线上接收第二LIN帧头，该第二LIN帧头具有用于标准LIN帧的帧标识符；并且在串行总线上以第一波特率发送标准LIN响应消息，该标准LIN响应消息具有最多八个数据字节和一字节校验和，其中所述快速数据响应消息具有多于八个数据字节。

在一个实施方案中，扩展LIN总线的特征在于快速数据响应消息具有至少二十个数据字节，快速数据响应消息和标准LIN响应消息的每个数据字节前面有起始位并且后面有停止位。

在一个实施方案中，扩展LIN总线的特征在于，从LIN总线收发器使用正弦脉冲整形限制高于第二波特率的快速数据响应消息的频谱能量，结果是第一LIN帧头具有特征频谱，所述特征频谱在高于第二波特率的任何频率下超过或近似等于快速数据响应消息的频谱能量。

在一个实施方案中，扩展LIN总线的特征在于，第一波特率为20kHz，并且第二波特率为至少40kHz。

根据本申请的另一方面，提供一种扩展LIN总线，特征在于其包括：串行总线；和主LIN总线收发器，该主LIN总线收发器在串行总线上以第一波特率发送第一LIN帧头，该第一LIN帧头具有用于快速数据帧的帧标识符，并且在串行总线上以第二波特率接收快速数据响应消息，所述第二波特率大于所述第一波特率。

在一个实施方案中，扩展LIN总线的特征在于主LIN总线收发器包括UART(通用异步接收器/发送器)，并且作为所述发送的一部分，主LIN总线收发器将UART设置为20kHz波特率并且作为所述接收的一部分，主LIN总线收发器将UART设置为至少40kHz的波特率。

在一个实施方案中，扩展LIN总线的特征在于主LIN总线收发器还：在串行总线上发送第二LIN帧头，该第二LIN帧头具有用于标准LIN帧的帧标识符；以及在串行总线上以第一波特率接收标准LIN响应消息，标准LIN响应消息具有最多八个数据字节和一字节校验和，其中快速数据响应消息具有多于八个数据字节，并且其中快速数据响应消息和标准LIN响应消息的每个数据字节前面有起始位并且后面有停止位。

根据本申请的另一方面，提供了一种从LIN总线收发器，特征在于其包括：比较器，该比较器用于检测串行总线上的第一波特率的偏置电压的幅度调制，以接收第一LIN帧头，该第一LIN帧头具有用于快速数据帧的帧标识符；以及DAC(数模转换器)，该DAC响应地驱动具有多于八个数据字节的快速数据响应消息。

在一个实施方案中，从LIN总线收发器的特征在于，DAC在串行总线上以第二波特率驱动快速数据响应消息，第二波特率大于第一波特率。

在一个实施方案中，从LIN总线收发器的特征在于，DAC将脉冲整形应用于快速数据响应消息的位，以限制高于第二波特率的频谱能量。

在一实施方案中，从LIN总线收发器的特征在于：比较器在串行总线上接收第二LIN帧头，该第二LIN帧头具有用于标准LIN帧的帧标识符；DAC响应地在串行总线上以第一波特率驱动标准LIN响应消息，该标准LIN响应消息具有最多八个数据字节和一字节校验和，快速数据响应消息和标准LIN响应消息的每个数据字节前面有起始位并且后面有停止位。

应当指出的各种实施方案的各种方面可以以任何合适的组合单独地或共同地使用。

附图说明

在附图中：

图1为配备有超声波传感器的例示性车辆的俯视图。

图2为例示性高级驾驶员辅助系统的框图。

图3为示例性超声波传感器的电路示意图。

图4为例示性飞行时间测量的图示。

图5为采用LIN总线通信的例示性传感器布置的框图。

图6a为例示性LIN总线兼容的主接口和从接口的示意图。

图6b为例示性快速数据LIN总线主和从接口的示意图。

图7为适用于LIN兼容的快速数据通信的例示性帧格式的图示。

图8A为比较例示性快速数据和传统LIN信号的图表。

图8B为比较例示性快速数据和传统LIN信号的频谱的图表。

图9为例示性LIN兼容的快速数据通信方法的流程图。

应当理解，附图和对应的详细描述并不限制本公开，而是相反，为理解落在所附权利要求范围内的所有修改形式、等同形式和替代形式提供基础。

具体实施方式

本专利申请要求授予发明人Marek Hustava和Tomas Suchy的题为“LIN兼容的快速数据总线(LIN-compatible fast-data bus)”并且提交于2018年6月11日的美国专利申请16/005031的优先权，该专利申请继而要求授予发明人Marek Hustava和Tomas Suchy的题为“在ADAS系统中用于停车辅助传感器的通信(Communication for park assistsensors in ADAS systems)”并且提交于2017年11月20日的临时美国专利申请62/588737的优先权。

图1示出了配备有一组用于先进驾驶员辅助的超声波传感器104的例示性车辆102。传感器布置中的传感器的数量和配置不同，并且每个保险杠上有八个传感器并且每侧上有六个附加传感器用于区域监测并不罕见。车辆可在采用各传感器进行单独测量以及协作测量(例如，三角测量)的情况下采用所述传感器布置检测和测量到各种检测区带内的物体的距离。

超声波传感器为收发器，意指每个传感器可发射和接收超声波声音的脉冲。所发射的脉冲从车辆向外传播，直至其遇到物体或者某一其他形式的声阻失配并由其反射。反射脉冲作为发射脉冲的“回波”返回到车辆。发射脉冲和接收到的回波之间的时间(亦称“飞行时间”)指示到反射点的距离。在许多具体实施中，一次只有一个传感器传输，但所有传感器均可被配置成测量所产生的回波。在其他具体实施中，多个传感器同时传输，依靠不同频率或波形来区分来自不同来源的回声。

图2示出了通过形成星形拓扑的点对点链路耦合到包括一组超声波传感器203、LIDAR(光检测和测距)单元204和相机205的各种传感器的电子控制单元(ECU)202。为了提供自动驾驶员辅助，ECU 202可另外连接到一组致动器，诸如，转弯信号致动器206、转向致动器208、制动致动器210和节流阀致动器212。ECU 202可进一步被耦接到用户交互界面214以接受用户输入并且提供各种测量和系统状态的显示。使用所述界面、传感器和致动器，ECU202可提供自动停车、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。其他总线拓扑也是合适的，如下面所论述。

如图3所示，除了两个电源端子(Vbat和GND)之外，例示性超声波传感器中的每个仅通过局域互连网络(“LIN”)总线的单个输入/输出(“I/O”或“IO”)线连接到ECU 202。传感器控制器302包括I/O接口303，I/O接口303监视它应响应的LIN帧标头的I/O线。当接收具有适当帧标识符(ID)的LIN帧头时，I/O接口303发送响应消息来传达传感器测量或其他所需的信息。ECU 202可以通过供应合适的帧头之后供应自生成的响应消息来提供寄存器设置和/或启动传感器测量的获取。

传感器控制器302包括核心逻辑304，该逻辑根据存储在非易失性存储器305中的固件和参数来操作，以解析来自ECU的命令并且进行适当操作，包括超声波脉冲的发射和接收。为了发射超声波脉冲，将核心逻辑304耦合至发射器306，该发射器驱动传感器控制器302上的一对发射端子。发射器端子经由变压器M1耦合到压电换能器PZ。变压器M1使来自传感器控制器的电压(例如，12伏)逐步提高至用于驱动压电换能器的合适电平(例如，48伏)。压电换能器PZ具有利用并联电容器C3被调谐至期望值(例如，48kHz)的谐振频率以及利用并联电阻器R1调谐的谐振品质因数(Q)。

一对DC隔离电容器C1、C2将压电换能器耦合至传感器控制器的一对接收端子以防止高电压。通过接收端子上的内部电压钳提供进一步保护。对于压电换能器正在进行发射的间隔而言需要此类保护。然而，接收的回波信号通常在毫伏或微伏范围内，相应地，低噪声放大器308将来自接收端子的信号放大。通过具有集成模数转换器(ADC)的数字信号处理器(DSP)310对经放大的接收信号进行数字化和处理。

DSP 310应用可编程方法测量在脉冲的发射期间换能器的致动周期(包括随后的混响或“振铃”周期)，以及检测和测量任何接收到的脉冲或“回波”的幅度和到达时间。此类方法可采用相关、匹配或带通滤波、阈值比较、最小间隔、峰值检测、过零检测和计数、噪声电平确定以及为了改善可靠性和准确性而定制的其他可定制技术。DSP 310可以另外处理放大的接收信号以分析换能器的特性，诸如谐振频率和衰减率，并且可以另外检测错误状况诸如过短或长的致动周期、欠压或过压、热关机等。可以记录任何错误状况并将其存储在内部寄存器或非易失性存储器305中。

图4示出了例示性传感器测量，其开始于从压电换能器传输超声波脉冲402。在传输期间，接收电子器件可被电压钳位或以其他方式保护免受压电传感器电压的影响。一旦换能器的残余振动衰减到低电平，则接收电子器件可检测到脉冲的反射作为回波404、406(未按比例示出)。接收电子器件可以包括相关器或滤波器，该相关器或滤波器对接收电压进行操作，以检测回波的包络(图4中的信号CORR)。因此，包络405对应于回波404，并且包络407对应于回波406。回波到达时间408、410可被视为包络达到峰值的点、包络线越过阈值的点，或任何其他合适的度量。脉冲传输时间与每个回波到达时间之间经过的时间代表超声波脉冲能量在换能器和反射器之间的往返行程时间。

在一些设想的实施方案中，每个传感器响应于每个传输的脉冲测量多达N个回波的到达时间和峰值幅度，以便与ECU通信。预期的N值在10至20的范围内，但其他值也可以是合适的。在其他设想的实施方案中，每个传感器在每个脉冲(大约1000个样本)之后以大约50微秒的间隔对接收信号进行采样约50毫秒，并将数字样本数据传送到ECU进行处理。可采用各种现有的信号压缩技术来使将数字样本数据传送到ECU所需的位数最小化。

图5示出具有分层拓扑的传感器布置。ECU 502由嵌入式系统存储器503中的固件配置，以从传感器阵列中的传感器中的每一者收集测量结果。ECU 502经由内部集成电路(I2C)或串行外围接口(SPI)总线耦合到一个或多个串行总线桥506A至506C。总线桥可以是例如来自美信集成产品公司(Maxim Integrated)的具有FIFO芯片的MAX14830四线串行UART。总线桥可缓冲针对每个UART(通用异步接收器发射器)传输和接收数据流。每个UART可以经由LIN收发器耦合到对应的LIN总线，所述LIN收发器可以实现为例如NCV7424四通道LIN收发器芯片的一部分，该芯片提供LIN兼容的电压转变以及单向传输和接收与半双工双向通信之间的转换。这些芯片的数据表据此以引用方式并入本文。收发器芯片508A至508C各自充当用于四个独立LIN总线的LIN总线主设备，每个总线具有作为LIN总线从设备操作的四个传感器。因此，三个收发器芯片508A至508C支持与每组十六个传感器的三组510A至510C的通信。当然，其他总线布置亦可适用。

图6A为用于LIN总线的例示性主设备和从设备收发器的示意图。总线主收发器602经由二极管和上拉电阻器将电源电压VB耦合到I/O线。(可包括第二二极管和电容器以减小功率瞬态对总线操作的影响)。传输信号施加到n沟道MOSFET的栅极，以在发送“0”位时将I/O线耦合到接地，并在发送“1”位时(或者监听帧响应时)将I/O线从接地去耦。另选地，可采用其他合适的偏置晶体管或开关。

当I/O线从接地退耦用于监听时，比较器将I/O线电压与参考电压进行比较，以检测来自总线从收发器的响应消息位。总线从收发器604、606、608可以类似的方式传输和接收位。暂时参考图8A，以实线示出例示性I/O线电压波形。LIN标准提供快速转换和锐角。即使在20kHz波特率下对电压摆动进行了规定限制，所产生的信号频谱也可能具有高于40kHz的显著信号能量(见图8B)。请注意，高于约45kHz的任何信号能量都有可能干扰调谐到48kHz的压电换能器的操作。

图6B是用于新颖的快速数据LIN总线的例示性收发器的示意图。所示实施方案保持相同的总线主收发器602，因为期望保持与现有控制器和总线桥的兼容性，尽管可能需要固件升级，如下面另外论述。修改总线从收发器614、616和618以支持更高的波特率和用于其传输信号的脉冲整形。收发器614至618的晶体管不是将I/O线耦合和解耦到接地，而是将I/O线耦合和解耦到数模转换器或另一个合适的驱动器的输出端，以用于设置I/O线的电压。晶体管在监听时将I/O线退耦以隔离驱动器，并在传输时将I/O线连接到驱动器。

利用此种配置，总线从收发器中的每个总线从收发器可以在传输时声明对I/O线的更大控制，使它们能够提供脉冲整形。优选地，收发器提供正弦脉冲整形，即其中每个位转换由正弦曲线的峰-谷或谷-峰部分(或其合理近似)表示的技术。正弦曲线的频率优选地与波特率匹配，使得交替的零-一-零-一-零......位模式产生I/O线电压的正弦变化。利用其他脉冲整形技术(例如，高斯脉冲、正弦脉冲或其他合适的脉冲波形)可以实现类似的结果。

图8A将40kHz波特率的正弦脉冲整形传输信号与20kHz波特率的传统LIN总线信号进行比较，图8B示出了每个信号的功率谱密度。利用适当的脉冲整形，高于其波特率的快速数据信号的频谱能量可以保持在或低于传统LIN总线信号的频谱能量。因此，总线从收发器可以采用脉冲整形来使响应消息波特率加倍，同时保持符合电磁发射的规范。

图7示出了LIN总线的例示性帧格式。根据LIN总线规范，每个LIN总线事务以总线主设备发送帧头702开始。帧头包括间断字段(将I/O线驱动为低至少13位间隔，然后在至少一个位间隔内返回高电平)、同步字节字段(起始位后跟交替位和停止位的字节)和标识符字段(起始位、六位帧标识符，之后是两个奇偶校验位和停止位)。响应于帧头702，总线从收发器中的一个总线从收发器(如由帧标识符确定)发送帧响应704。根据该标准，帧响应704以与帧头相同的波特率发送，并包括一到八个字节的数据，之后是校验和字节。响应704中的每个字节之前是低(零)起始位，并且之后是高(一)停止位。

为了容纳由例如四个传感器创建的数据量，每个传感器大约每40毫秒提供多达20个回波幅度和到达时间，至少一些预期的实施方案提供对帧头的快速数据帧响应。快速数据帧响应不仅限于八个字节的数据，而是可以提供增加的最大数据字节数。根据总线和传感器配置，快速数据帧响应中的最大数据字节数可以是16、20、32、40、50、64、100或一些其他合适的值。此外，每帧中的数据字节之后可以是一字节校验和、两字节循环冗余校验、或能够进行错误检测的一些其他形式的信息。如前所述，另选的传感器实施方案可以以压缩形式提供“原始”接收信号的数字样本，其使得能够由ECU执行回声检测，类似地需要通过总线传送显著提高的数据级。

另外，其中总线从机收发器应用脉冲整形，该快速响应帧的响应可以比在更高的波特率发送的帧头，例如，在两次(或甚至三倍)的波特率的帧头。因此，如果标头在20kHz下发送，则响应可在40kHz或更高频率下发送。一些设想的实施方案使用更高的波特率(例如，60千赫)的快速数据帧响应。

图9为例示性LIN兼容快速数据通信方法的流程图。在方框902中，总线主设备轮询总线从设备以识别从设备及其能力。据设想，快速数据收发器将能够与符合LIN标准的现有收发器在同一总线上共存。在识别了从设备之后，总线主设备将该信息传达给ECU，使ECU能够开始系统地迭代通过总线从设备中的每个总线从设备以与每个总线从设备进行通信，从而在查询列表中最后一个之后返回第一个总线从设备。在方框904中，ECU选择要查询哪个从设备，并且在方框906中，ECU检查以查看选定的从设备是否支持快速数据响应。如果不是，ECU将在方框908中查询所选择的从设备(经由总线主设备)、发送标准帧头，其具有所选择的从设备的标识符和所需信息。标头以第一波特率(例如，20kHz)发送。在方框910中，总线主设备从选定的从设备接收帧响应，也在第一波特率和8字节限制下接收帧响应，并将信息传送到ECU。

否则，如果选定的从设备支持快速数据响应，则在方框912中ECU(经由总线主设备)以第一波特率用LIN兼容帧头查询所选择的从设备。然而，用于帧头的标识符向所选择的从设备指示期望快速数据响应。在方框914中，总线主设备接收具有较大有效载荷(例如，32字节)并且可能具有来自所选从设备的第二较大波特率(例如，40kHz)的快速数据响应。当使用较大的波特率时，所选择的从属设备提供脉冲整形以保持快速数据信号发射符合适用的标准。

需注意，为了以更高的数据速率接收，ECU可能需要设置总线主控器(或在图5的情况下，总线桥UART)以更高的波特率运行至少在此期间可能会出现快速数据响应。虽然现有硬件有望支持更高的波特率，但可能需要更新ECU的固件以根据需要切换UART的波特率。如果固件或ECU不支持快速数据响应特征，则传感器可被配置为模拟标准LIN总线从收发器的操作，否则作为传统传感器操作。

虽然出于说明的目的将图9中所示和所述的操作视为顺次发生，但在实践当中，可通过多个集成电路部件来进行该方法，所述集成电路部件同时并且甚至可能推测性地操作以实现无序操作。所述的顺次论述并不旨在构成限制。此外，前述论述的重点是超声波传感器，但该原则适用于可能会受益于以更高的数据速率发送的任何LIN总线从设备。一旦完全理解了上述公开的内容，对于本领域技术人员来说这些和许多其他修改形式、等价形式和替代形式就将变得显而易见。旨在使以下权利要求书被解释为在适用情况下包含所有此类修改形式、等价形式和替代形式。

Claims (12)

1.一种扩展局域互连网络总线，其特征在于，包括：

串行总线；和

从局域互连网络LIN总线收发器，从LIN总线收发器在所述串行总线上以第一波特率接收第一LIN帧头，所述第一LIN帧头具有用于快速数据帧的帧标识符，并且所述从LIN总线收发器在所述串行总线上以第二波特率发送快速数据响应消息，所述第二波特率大于所述第一波特率。

2.根据权利要求1所述的扩展局域互连网络总线，其特征在于，所述从LIN总线收发器还：

在所述串行总线上接收第二LIN帧头，所述第二LIN帧头具有用于标准LIN帧的帧标识符；并且

在所述串行总线上以所述第一波特率发送标准LIN响应消息，所述标准LIN响应消息具有最多八个数据字节和一字节校验和，

其中所述快速数据响应消息具有多于八个数据字节。

3.根据权利要求2所述的扩展局域互连网络总线，其特征在于，所述快速数据响应消息具有至少二十个数据字节，所述快速数据响应消息的每个数据字节和所述标准LIN响应消息的每个数据字节之前为起始位并且之后为停止位。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的扩展局域互连网络总线，其特征在于，所述从LIN总线收发器使用正弦脉冲整形来限制高于所述第二波特率的所述快速数据响应消息的频谱能量，使得所述第一LIN帧头的特征频谱在高于所述第二波特率的任何频率下超过或近似等于所述快速数据响应消息的所述频谱能量。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的扩展局域互连网络总线，其特征在于，所述第一波特率为20kHz并且所述第二波特率为至少40kHz。

6.一种扩展局域互连网络总线，其特征在于，包括：

串行总线；和

主局域互连网络LIN总线收发器，主LIN总线收发器在所述串行总线上以第一波特率发送第一LIN帧头，所述第一LIN帧头具有用于快速数据帧的帧标识符，并且所述主LIN总线收发器在所述串行总线上以第二波特率接收快速数据响应消息，所述第二波特率大于所述第一波特率。

7.根据权利要求6所述的扩展局域互连网络总线，其特征在于，所述主LIN总线收发器包括通用异步收发器UART，并且所述主LIN总线收发器将作为发送部的所述UART设置为20kHz波特率，所述主LIN总线收发器将作为接收部的所述UART设置为至少40kHz的波特率。

8.根据权利要求6至7中任一项所述的扩展局域互连网络总线，其特征在于，所述主LIN总线收发器还：

在所述串行总线上发送第二LIN帧头，所述第二LIN帧头具有用于标准LIN帧的帧标识符；并且

在所述串行总线上以所述第一波特率接收标准LIN响应消息，所述标准LIN响应消息具有最多八个数据字节和一字节校验和，

其中所述快速数据响应消息具有多于八个数据字节，并且其中所述快速数据响应消息的每个数据字节和所述标准LIN响应消息的每个数据字节之前为起始位并且之后为停止位。

9.一种从局域互连网络总线收发器，其特征在于，包括：

比较器，所述比较器检测串行总线上的第一波特率下的偏置电压的振幅调制，以接收第一局域互连网络LIN帧头，第一LIN帧头具有用于快速数据帧的帧标识符；和

数模转换器DAC，所述DAC响应地驱动快速数据响应消息，所述快速数据响应消息具有多于八个数据字节。

10.根据权利要求9所述的从局域互连网络总线收发器，其特征在于，所述DAC在所述串行总线上以第二波特率驱动所述快速数据响应消息，所述第二波特率大于所述第一波特率。

11.根据权利要求10所述的从局域互连网络总线收发器，其特征在于，所述DAC施加脉冲整形至所述快速数据响应消息的位，以限制高于所述第二波特率的频谱能量。

12.根据权利要求11所述的从局域互连网络总线收发器，其特征在于，

所述比较器在所述串行总线上接收第二LIN帧头，所述第二LIN帧头具有用于标准LIN帧的帧标识符；

所述DAC响应地在所述串行总线上以所述第一波特率驱动标准LIN响应消息，所述标准LIN响应消息具有最多八个数据字节和一字节校验和，所述快速数据响应消息的每个数据字节和所述标准LIN响应消息的每个数据字节之前为起始位并且之后为停止位。