DE10101196A1

DE10101196A1 - Interfaceschaltung und Verfahren für Digitalsignale

Info

Publication number: DE10101196A1
Application number: DE10101196A
Authority: DE
Inventors: Peter Miller; Peter Hartnett
Original assignee: Motorola Ltd
Current assignee: Continental Automotive Systems Inc
Priority date: 2000-01-14
Filing date: 2001-01-11
Publication date: 2001-07-19
Anticipated expiration: 2021-01-12
Also published as: GB2358303A; GB2358303B; GB0000907D0; DE10101196B4; US6901111B2; US20010008548A1

Abstract

Eine Interfaceschaltung (100) und ein Verfahren zur Interfacebearbeitung von Digitalsignalen, mit einem Bus, weisen auf: Mittel (TxcuC) zum Empfangen von auf ein erstes Massepotential bezogenen Digitalsignalen, die auf den Bus zu übertragen sind; Transformatormittel (106) zum weiterleiten von Flanken der empfangenen Digitalsignale; und Rekonstruktionsmittel (110) zum Rekonstruieren von Signalen aus den Flanken der durch die Transformatormittel weitergeleiteten Signale, um für die Übertragung auf den Bus auf ein zweites Massepotential bezogene Digitalsignale zu erzeugen. Wobei eine ähnliche Schaltung (CANL, 130, 134) von dem Bus empfangene Signale von dem zweiten Massepotential auf das erste Massepotential umsetzt. Die Rekonstruktionsmittel können Schmitt-Trigger verwenden, deren Bias-Punkte durch Oszillatoren eingestellt werden können, die weitere Schmitt-Trigger (120, 142) umfassen, die auf dem gleichen Halbleiterchip angeordnet sind, um Temperaturveränderlichkeiten zu verringern.

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft Schnittstellen- beziehungsweise Interfaceschaltungen für Digitalsignale.

Hintergrund der Erfindung

In elektronischen Systemen, wie sie beispielsweise in einem Automobil verwendet werden, sind elektronische Steuereinheiten (Electronic Control Units = ECUs), die über ein Fahrzeug verteilt sind, typischerweise mit einem Kommunikationsbus wie beispielsweise einem Controller Area Network- (CAN-) Bus verbunden, der in Industrie- und Automobilanwendungen gut bekannt ist. Im Betrieb können Spannungsunterschiede zwischen verschiedenen ECUs an dem Bus, die beispielsweise durch Unterschiede im Massepotential bei den verschiedenen ECUs hervorgerufen werden können, Kommunikationsfehler verursachen.

Es wurde bereits vorgeschlagen, dieses Problem durch die Verwendung von Optokopplern zum Isolieren beziehungsweise galvanischen Trennen der von unterschiedlichen ECUs erzeugten Signale zu lösen. Ein derartiger Vorschlag weist jedoch eine Anzahl von Nachteilen auf: erstens sind Optokoppler teuer; zweitens kann die Betriebszuverlässigkeit von Optokopplern nicht ausreichend robust sein, um den in einem Automobil erzeugten mechanischen Bedingungen und Temperaturbedingungen standzuhalten.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Interfaceschaltung und ein Verfahren für Digitalsignale vorzusehen, bei denen die oben erwähnten Nachteile vermieden oder zumindest vermindert werden können.

Zusammenfassung der Erfindung

Entsprechend einem ersten Grundgedanken der Erfindung wird eine Interfaceschaltung für Digitalsignale gemäß Anspruch 1 vorgesehen.

Entsprechend einem zweiten Grundgedanken der Erfindung wird eine Interfaceschaltung für Digitalsignale gemäß Anspruch 7 vorgesehen.

Entsprechen einem dritten Grundgedanken der Erfindung wird ein Verfahren zur Interfacebearbeitung (Interfacing) von Digitalsignalen gemäß Anspruch 9 vorgesehen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Eine die Erfindung verkörpernde ECU-Interfaceschaltung zum Isolieren von Signalen von Einheiten an einem CAN-Bus wird nun, lediglich als Beispiel, unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung erläutert, in der:

Fig. 1 einen schematischen Schaltplan von einer CAN-Bus- ECU-Interfaceschaltung zeigt.

Ausführliche Beschreibung

Gemäß Fig. 1 umfasst eine Schaltung 100, die dazu vorgesehen ist, eine ECU 200 an einen CAN-Bus 300 anzuschließen (Interfacing), Anschlüsse TxduC, GnduC und RxduC zur jeweiligen Verbindung mit Transmit- (Übertragungs-), Ground- (Masse-) und Receive- (Empfangs-) Anschlüssen der ECU 200. Die Interfaceschaltung 100 weist weiterhin CANH-, CANL- und CANGnd-Anschlüsse auf, die dazu vorgesehen sind, mit jeweiligen High-, Low- und Masse- Anschlüssen des CAN-Busses 300 verbunden zu werden.

Der TxduC-Anschluss ist über einen Widerstand 102 und eine Kapazität 104 an ein Ende einer Wicklung eines Transformators beziehungsweise Übertragers 106 angeschlossen, wobei das andere Ende der Wicklung mit der Erdung verbunden ist. Bei einer anderen Wicklung des Transformators 106 ist ein Ende mit einer Bezugsspannung "0 "verbunden, während das andere Ende der Wicklung über eine Kapazität 108 mit dem Eingang eines Schmitt-Triggers 110 verbunden ist. Der Ausgang des Schmitt-Triggers 110 ist mit dem Tx-Anschluss eines konventionellen CAN- Treibers 112 verbunden, der Signale mit geeigneter Spannung, Zeitlagensteuerung etc. erzeugt, die dem CAN- Busstandard entsprechen. Auch der Ausgang des Schmitt- Triggeis 110 ist über einen Widerstand 114 mit der Bezugsspannung "0" verbunden, und sein Eingang ist über einen Widerstand 116 mit der Bezugsspannung "0" verbunden. Der Eingang des Schmitt-Triggers 110 ist über einen Widerstand 118 weiterhin mit dem Eingang eines Schmitt-Triggers 120 verbunden. Der Ausgang des Schmitt- Triggers 120 ist über einen Widerstand 122 und eine Kapazität 124 mit der Bezugsspannung "0" verbunden. Der Eingang des Schmitt-Triggers 120 ist weiterhin mit einem Knoten zwischen dem Widerstand 122 und der Kapazität 124 verbunden.

Der GnduC-Anschluss ist mit der Erdung verbunden.

Der Rx-Anschluss des CAN-Treibers 112 ist (über einen optionalen Impulsverlängerer 148) über einen Widerstand 126 und eine Kapazität 128 mit einem Ende einer Wicklung eines Transformators beziehungsweise Übertragers 130 verbunden, wobei das andere Ende der Wicklung mit der Bezugsspannung "0" verbunden ist. Bei einer anderen Wicklung des Transformators 130 ist ein Ende mit der Erdung verbunden, während das andere Ende der Wicklung über eine Kapazität 132 mit einem Eingang eines Schmitt- Triggers 134 verbunden ist. Der Ausgang des Schmitt- Triggers 134 ist mit dem RxduC-Anschluss verbunden. Der Ausgang des Schmitt-Triggers 134 ist über einen Widerstand 136 auch mit der Erdung verbunden, und sein Eingang ist über einen Widerstand 138 mit der Erdung verbunden. Der Eingang des Schmitt-Triggers 134 ist über einen Widerstand 140 auch mit dem Eingang eines Schmitt- Triggers 142 verbunden. Der Ausgang des Schmitt-Triggers 142 ist über einen Widerstand 144 und eine Kapazität 146 mit der Erdung verbunden. Der Eingang des Schmitt- Triggers 142 ist auch mit einem Knoten zwischen dem Widerstand 144 und der Kapazität 146 verbunden.

Die CANH- und CANL-Anschlüsse des CAN-Treibers 112 sind mit entsprechenden CANH- und CANL-Anschlüssen des CAN- Busses 300 verbunden. Der CANGnd-Anschluss ist mit der Bezugsspannung "0" verbunden.

Es ist zu erkennen, dass die Interfaceschaltung 100 aus zwei ähnlichen komplementären Interfaceschaltungen 150 (Elemente 102-110 und 114-124) und 152 (Elemente 126-148) besteht, die Impulse zur Übertragung auf den Bus 300 und von dem Bus 300 empfangende Impulse entsprechend interfacebearbeiten.

Impulse (bezogen auf das Erdungspotential), die von dem TxduC-Anschluss der ECU 200 empfangen werden, werden von der Kapazität 104 differenziert, um entsprechend den positiv verlaufenden und den negativ verlaufenden Übergängen der Impulse positiv verlaufende und negativ verlaufende Spitzen zu erzeugen, die von dem Transformator 106 weitergeleitet werden. Das sich ergebende Signal (bestehend aus positiv verlaufenden und negativ verlaufenden Spitzen, die durch einen Gleichspannungs- beziehungsweise DC-Pegel getrennt sind) an der Ausgangswicklung des Transformators 106 wird dem Schmitt-Trigger 110 zugeführt, bei dem eine positiv verlaufende Spitze an seinem Eingang verursacht, dass sein oberer Triggerpegel gekreuzt wird (was bewirkt, dass der Ausgang des Schmitt-Triggers low wird), und bei dem eine negativ verlaufende Spitze an seinem Eingang verursacht, dass sein unterer Triggerpegel gekreuzt wird (was verursacht, dass das Ausgangssignal des Schmitt- Triggers high wird). Somit rekonstruiert der Schmitt- Trigger 110 (aus dem von dem Transformator 106 übertragenen Impulsflankensignal) das Impulssignal, das an dem Anschluss TxduC empfangen wird. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass, während das an dem TxduC- Anschluss empfangene Impulssignal auf das Erdungspotential bezogen ist (zum Beispiel an der Eingangswicklung des Transformators 106), das rekonstruierte Impulssignal am Ausgang des Schmitt- Triggers 110 auf die Bezugsspannung "0" bezogen ist. Somit dient die Interfaceschaltung 150 zum Isolieren von auf den CAN-Bus 300 zu übertragenden Signalen zwischen dem Massepotential (der Erdung) der ECU 200 und dem Massepotential (der Bezugsspannung "0") des CAN-Busses 300.

Es ist nachvollziehbar, dass die komplementäre Interfaceschaltung 152 analog funktioniert (ein auf die Bezugsspannung "0" bezogenes Impulssignal an dem Rx- Anschluss des CAN-Treibers 112 empfängt, die Flanken von diesem Signal durch den Transformator 130 überträgt und aus dem Flankensignal ein auf Erdungspotential bezogenes Impulssignal rekonstruiert, das dem am Rx-Anschluss empfangenen Signal entspricht), um von dem CAN-Bus 300 empfangene Impulssignale zwischen seinem Massepotential (Bezugsspannung "0") und dem Massepotential (Erdung) der ECU 200 zu isolieren.

Die Transformatoren 106 und 130 sind kleine, kostengünstige Transformatoren, die beim Betrieb der Interfaceschaltung 100 als isolierende Elemente wirken. Nur die Flanken von Impulssignalen werden über die Transformatoren übertragen, was erlaubt, dass die Transformatoren eine niedrige Induktivität aufweisen (und daher kostengünstig sind), während eine sehr niedrige Laufzeitverzögerung erzielt wird.

Wie vorstehend erläutert, wird die Signalrekonstruktion (die Rekonstruktion von Impulsen aus über die Transformatoren übertragenen Flanken) für die Sende- und Empfangsfunktionen der Schaltung entsprechend durch die Schmitt-Trigger 110 und 134 durchgeführt. Der optimale Bias-Punkt für den DC-Pegel des in jeden der Schmitt- Trigger 110 und 134 eingegebenen Signals wird durch die Verwendung der zusätzlichen Schmitt-Trigger 120 beziehungsweise 142 automatisch bestimmt, wobei alle Schmitt-Trigger 110, 134, 120 und 142 auf dem (nicht dargestellten) gleichen Chip einer integrierten Schaltung gebildet sind. Die zusätzlichen Schmitt-Trigger 120 und 142 sind derart angeordnet, dass sie als einfache Oszillatoren mit einem Nenn-Betriebszyklus von 50% arbeiten. Es ist klar, dass sich die Triggerpunkte der Schmitt-Trigger bei Temperaturänderungen ändern. Es ist jedoch nachvollziehbar, dass bei den Interfaceschaltungen 150 und 152 der Schaltung 100 jeder temperaturänderungsbedingten Veränderung des Triggerpunktes von dem Schmitt-Trigger 110 oder 134 durch die Veränderung des Bias-Punktes des entsprechenden Schmitt-Triggers entgegengewirkt wird, durch eine Veränderung des Betriebszyklus des durch den zusätzlichen Schmitt-Trigger 120 beziehungsweise 142 gebildeten Oszillators, weil die Veränderung des Bias-Punktes von diesem zusätzlichen Schmitt-Trigger durch die gleiche Temperaturänderung hervorgerufen wird. Daher werden die Bias-Punkte von den zur Rekonstruktion der Impulssignale verwendeten Schmitt-Triggern 110 und 142 dynamisch und optimal eingestellt.

Es ist nachvollziehbar, dass die Interfaceschaltung 100 durch die Verwendung der kleinen kostengünstigen Isolationstransformatoren 106 und 130 und die den Bias- Punkt selbständig einstellende Anordnung von Schmitt- Triggern 110, 134, 120 und 142 eine einfache und wirksame Isolierung von Signalen auf dem CAN-Bus 300 ergibt.

Es ist klar, dass die vorstehend beschriebene Interfaceschaltung weiter verbessert werden könnte. Beispielsweise könnte ein Impulsverlängerer 148 zusätzlich verwendet werden, um die Ausbreitung von Impulsen mit sehr kurzer Dauer sicherzustellen, wie dies bei einigen CAN-Anwendungen erforderlich sein kann.

Es ist nachvollziehbar, dass, obwohl bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform eine Interfaceschaltung 100 (die komplementäre Interfaceschaltungen 150 und 152 aufweist) als eine ECU 200 an den CAN-Bus 300 koppelnd dargestellt ist, in der Praxis zwei oder mehr (nicht dargestellte) ECUs durch ihre eigenen entsprechenden Schaltungen wie beispielsweise die Interfaceschaltung 100 angeschlossen werden können, um Signale auf dem CAN-Bus zwischen dem Massepotential des Busses und den einzelnen Massepotentialen der ECUs zu isolieren.

Es ist weiterhin nachvollziehbar, dass es zum Anschluss einer bestimmten ECU nicht erforderlich sein muss, dass die Interfaceschaltung die beiden oben beschriebenen komplementären Interfaceschaltungen 150 und 152 aufweist.

Wenn eine ECU beispielsweise lediglich dazu vorgesehen ist, Signale auf den Bus zu übertragen (ohne zu empfangen), kann nur eine Interfaceschaltung wie beispielsweise die Interfaceschaltung 150 vorgesehen sein, oder, wenn eine ECU lediglich Signale von dem Bus empfängt (ohne zu übertragen), kann nur eine Interfaceschaltung wie beispielsweise die Interfaceschaltung 152 vorgesehen sein.

Als ein Ergebnis der oben beschriebenen Eigenschaften der guten Isolation ist es weiterhin nachvollziehbar, dass die Interfaceschaltung 100, obwohl sie zum Betrieb mit einer Nenn-CAN-Bus-Systemspannung von 12 V eingestellt ist, statt dessen mit 24 V- oder auch 42 V-Systemen verwendet werden könnte, wobei die gute Isolation den Betrieb mit einem mit der Batterie oder Masse kurzgeschlossenen Leiter erlaubt.

Claims

1. Interfaceschaltung für Digitalsignale, aufweisend:
Empfangsmittel zum Empfangen von auf ein erstes Massepotential bezogenen Digitalsignalen;
Transformatormittel, die mit den Empfangsmitteln verbunden sind, um Flanken von bei den Empfangsmitteln empfangenen Signalen weiterzuleiten; und
Rekonstruktionsmittel, die mit den Transformatormitteln verbunden sind, um aus den durch die Transformatormittel weitergeleiteten Flanken von Signalen Signale zu rekonstruieren, um Digitalsignale bezüglich einem zweiten Massepotential zu erzeugen.

2. Interfaceschaltung nach Anspruch 1, bei der die Rekonstruktionsmittel Schmitt-Trigger-Mittel aufweisen.

3. Interfaceschaltung nach Anspruch 2, bei der die Schmitt-Trigger-Mittel Bias-Mittel zum Voreinstellen des DC-Pegels der Flankensignale zwischen die Triggerpegel der Schmitt-Trigger-Mittel aufweisen.

4. Interfaceschaltung nach Anspruch 2, bei der die Rekonstruktionsmittel weiterhin Oszillatormittel aufweisen, die mit den Schmitt-Trigger-Mitteln verbunden sind, um den Bias-Punkt der Schmitt- Trigger-Mittel einzustellen, um deren Temperaturveränderlichkeit zu verringern.

5. Interfaceschaltung nach Anspruch 4, bei der die Oszillatormittel eine Schmitt-Trigger-Anordnung aufweisen.

6. Interfaceschaltung nach Anspruch 5, bei der die Schmitt-Trigger-Mittel und die Schmitt-Trigger- Anordnung auf dem gleichen Halbleiterchip angeordnet sind.

7. Interfaceschaltung, um Digitalsignale zu und von einem Bus zu übertragen, aufweisend:
erste Empfangsmittel zum Empfangen von auf ein erstes Massepotential bezogenen Digitalsignalen, um sie auf den Bus zu übertragen;
erste Transformatormittel, die mit den ersten Empfangsmitteln verbunden sind, um Flanken von bei den ersten Empfangsmitteln empfangenen Signalen weiterzuleiten;
erste Rekonstruktionsmittel, die mit den ersten Transformatormitteln verbunden sind, um aus den Flanken der von den ersten Transformatormitteln weitergeleiteten Signale Signale zu rekonstruieren, um Digitalsignale zu erzeugen, die auf ein zweites Massepotential bezogen sind, um sie auf den Bus zu übertragen;
zweite Empfangsmittel zum Empfangen von auf das zweite Massepotential bezogenen Digitalsignalen von dem Bus;
zweite Transformatormittel, die mit den zweiten Empfangsmitteln verbunden sind, um Flanken von bei den zweiten Empfangsmitteln empfangenen Signalen weiterzuleiten; und
zweite Rekonstruktionsmittel, die mit den zweiten Transformatormitteln verbunden sind, um aus den Flanken der durch die zweiten Transformatormittel weitergeleiteten Signale Signale zu rekonstruieren, um Digitalsignale von dem Bus zu erzeugen, die auf das erste Massepotential bezogen sind.

8. Interfaceschaltung nach Anspruch 7, bei der die ersten und zweiten Rekonstruktionsmittel jeweils erste und zweite Schmitt-Trigger-Mittel aufweisen.

9. Verfahren zum Interfacebearbeiten, von Digitalsignalen, mit den Schritten:
Empfangen von auf ein erstes Massepotential bezogen Digitalsignalen;
Zuführen der empfangenen Digitalsignale zu Transformatormitteln, um Flanken der empfangenen Digitalsignale weiterzuleiten; und
Rekonstruieren von Signalen aus den durch die Transformatormittel weitergeleiteten Signalflanken, um Digitalsignale zu erzeugen, die auf ein zweites Massepotential bezogen sind.

10. Verfahren zur Interfacebearbeitung von Digitalsignalen nach Anspruch 9, bei dem der Schritt der Rekonstruktion das Zuführen der von den Transformatormitteln weitergeleiteten Signalflanken zu Schmitt-Trigger-Mitteln umfasst, um Digitalsignale zu erzeugen, die auf ein zweites Massepotential bezogen sind.