DE10257401A1

DE10257401A1 - Steuerflächennetzwerk (Can) unter Verwendung von Transformatoren

Info

Publication number: DE10257401A1
Application number: DE10257401A
Authority: DE
Inventors: Mike Armstrong; Paul Gottshall
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2001-12-27
Filing date: 2002-12-09
Publication date: 2003-07-10
Also published as: US20030123263A1; US7065152B2; JP2003273940A

Abstract

Es wird ein CAN-Datenlink vorgesehen, welches einen ersten Knoten und einen zweiten Knoten und eine Transformatorschaltung aufweist, und zwar letztere verbunden zwischen den ersten und zweiten Knoten, um elektrische Isolierung vorzusehen. Die Transformatorschaltung sieht die entsprechende elektrische Isolierung vor und ist bei hohen Temperaturen zuverlässig.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Steuerflächennetzwerke (controller area networks = CAN's) und insbesondere auf eine CAN-Implementierung die zur Isolation oder Trennung einen Transformator benutzt.

Hintergrund

CAN's werden in einer Anzahl von Industrien wie beispielsweise der Automobilindustrie verwendet, um Verbindungen zwischen einfachen industriellen Vorrichtungen wie beispielsweise Sensoren oder Aktuatoren bzw. Betätigern und Vorrichtungen eines höheren Niveaus vorzusehen, wie beispielsweise einem elektronischen Steuermodul (electronic control module = ECM). Eine Standardimplementierung eines isolierten CAN-Datenlinks oder einer CAN- Datenverbindung ist in folgender Literaturstelle beschrieben "Volume I: DeviceNet Communication Model and Protocol", Open DeviceNet Vendor Association, Inc., Release 2.0, 1997, Seiten 1-1. Eine Standard-CAN-Datenverbindung kann eine CAN-Steuervorrichtung aufweisen, und ferner einen Transceiver, ein Isolations- oder Trennmodul und eine isolierte Leistungsversorgung. Die CAN-Steuervorrichtung umfasst eine Vorrichtung, die ankommende und abgehende CAN-Messages handhabt. Die CAN-Steuervorrichtung kann Teil eines Mikroprozessors oder eines peripheren Gerätes sein. Der Transceiver weist einen Bus-Treiber und/oder -Empfänger auf und ist mit einer Seite des CANs verbunden und auf der anderen Seite mit der CAN- Steuervorrichtung über das Isolationsmodul. Das Isolationsmodul isoliert die Steuerlogik (wie beispielsweise die CAN-Steuervorrichtung) gegenüber Rauschen, Spannungsanstiegen und Spitzen. Das Isolationsmodul weist typischerweise Optokoppler auf, die Dioden verwenden können. Die isolierte Leistungsversorgung liefert eine Spannung an sowohl den Transceiver wie auch das Isolationsmodul.

Die Verwendung von Optokopplern für die elektrische Trennung oder Isolation ist relativ teuer. Nichts desto weniger kann die Standardimplementierung der isolierten CAN-Datenverbindung unter Verwendung von Optokopplern für die Isolation bei bestimmten Anwendungsfällen effektiv sein. Es gibt jedoch Situationen, wo die Standardimplementierung nicht ausreicht. Insbesondere kann das konventionelle CAN-Datenlink bei hoher Wärme wegen Fehlfunktionen der Optokoppler unzuverlässig werden. Die meisten Optokoppler können zuverlässig nicht bei höheren Betriebstemperaturen, wie beispielsweise 120° C arbeiten. Bei Anwendungen auf dem Gebiet der Automobiltechnik können Temperaturen bis zu 120°C auftreten, und zwar beispielsweise infolge von Schmutzansammlungen oder anderen Faktoren. Um dieses Problem zu überwinden verwendet der Industriestandard derzeit hermetisch abgedichtete Optokoppler. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung von Kraftstoffkühlmittel als eine Wärmeaufnahme. Beide dieser Verfahren sind jedoch teuer in der Ausführung.

Der Stand der Technik sieht daher keine preiswerte Installationskonstruktion vor, die für alle Arbeitsumgebungen verwenden werden kann. Die vorliegende Erfindung richtet sich auf die Überwindung eines, oder mehrerer Probleme, sowie der mit dem Stand der Technik verbundene Nachteile.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäss einem Aspekt der Erfindung ist ein Steuerflächennetzwerk (control area network = CAN) Datenlink oder Datenverbindung vorgesehen, und zwar mit einem ersten Knoten, einem zweiten Knoten und einer Transformatorschaltung verbunden zwischen den ersten und zweiten Knoten um elektrische Isolation vorzusehen.

Gemäss einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren vorgesehen zum Vorsehen einer elektrischen Isolation in einem CAN. Ein erster und ein zweiter Knoten sind vorgesehen. Eine Transformatorschaltung ist ebenfalls vorgesehen. Ein erstes Ende der Transformatorschaltung ist mit dem ersten Knoten gekoppelt und ein zweites Ende der Transformatorschaltung ist mit dem zweiten Knoten gekoppelt.

Man erkennt, dass sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung wie auch die folgende detaillierte Beschreibung beispielhaft sind und nicht die beanspruchte Erfindung einschränken sollen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die beigefügte Zeichnung bildet einen Teil der Beschreibung und veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung der Prinzipien der Erfindung.
In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm eines isolierten CAN-Datenlinks konsistent mit einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung

Fig. 1 veranschaulicht ein beispielhaftes isoliertes CAN-Datenlink 100 gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das CAN-Datenlink 100 weist einen ersten Knoten auf, wie beispielsweise eine CAN-Steuervorrichtung 110, ferner einen zweiten Knoten, wie beispielsweise einen Transceiver 120 sowie ein Isolationsmodul 130 und eine isolierte Leistungsversorgung 140. Die CAN- Steuervorrichtung 110 arbeitet allgemein sowie dies oben beschrieben wurde. Die Komponenten des isolierten CAN-Datenlinks oder der isolierten CAN- Datenverbindung können implementiert werden unter Verwendung von DeviceNET-CAN-Komponenten oder anderen geeigneten kommerziellen oder inhouse-verfügbaren Komponenten. Die DeviceNET-Komponenten sind von einer Bauart, wie im Handei verfügbare CAN-Komponenten. Beispielsweise kann die CAN-Steuervorrichtung 110 des Ausführungsbeispiels durch eine DeviceNET-Komponente 82527 implementiert werden oder durch irgendeine andere geeignete Vorrichtung. Der Transceiver 120 arbeitet im AIIgemeinen wie oben beschrieben und kann implementiert werden mit der DeviceNET- Komponente 82C251 oder irgendeiner anderen geeigneten Vorrichtung.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das Isolationsmodul 130 unter Verwendung einer Transformatorschaltung implementiert wenden, die beispielsweise 2R-C-Schaltung 131-132 und 134-135, zwei Transistoren 133 und 138, eine LED 136 und ein Transformator 137 aufweisen kann. Die Implementierung der R-C-Schaltungen und des LED sind im Stand der Technik bekannt. Die Transistoren 133 und 138 können durch irgendeinen geeigneten Transistor vorgesehen werden, wie beispielsweise MMBT2369 Transistoren die für Schaltanwendungsfälle in Frage kommen. Diese Transistoren 133, 138 können NPN-Transistoren enthalten, die als Stromverstärker arbeiten, obwohl irgendeine andere geeignete Vorrichtung verwendet werden kann. Der Transformator 137 kann durch irgendeinen geeigneten Transformator implementiert werden, wie beispielsweise einen Elytone Electronics Transformator wie er typischerweise bei Telefonleitungsanwendungsfällen eingesetzt wird. Lediglich als Beispiel sei erwähnt, dass das Ausführungsbeispiel einen YT- 6561-Transformator (180uH, 0,9 Ohm) verwendet.
Wie in Fig. 1 gezeigt, ist ein Ende der R-C-Schaltung 131-132 mit der CAN- Steuervorrichtung 110 gekoppelt. Das andere Ende ist mit der Basis des Transistors 133 gekoppelt. Der Emitter des Transistors 133 ist geerdet und der Kollektor ist mit einem Ende der R-C-Schaltung 134-135 gekoppelt. Ebenfalls mit dem Kollektor und mit dem gleichen Ende der R-C-Schaltung 134-135 ist ein Ende einer Diode 136 gekoppelt. Das andere Ende der R-C- Schaltung 134-135 ist mit einem Ende des Transformators 137 gekoppelt. Das andere Ende der Diode 136 ist mit dem anderen Ende des Transformators 137 gekoppelt und mit einer Spannung VCC. Ein Ende der anderen Seite des Transformators 137 ist geerdet. Das andere Ende dieser Seite des Transformators 137 ist mit der Basis des Transistors 138 gekoppelt. Der Emitter des Transistors 138 ist geerdet und der Kollektor des Transistors 138 ist mit dem Transceiver 120 gekoppelt und mit der isolierten Spannungsversorgung 140. Diese Komponenten arbeiten derart, dass sie die Logikkomponenten isolieren, und zwar gegenüber Rauschen, Spannungsanstiegen und Spannungsspitzen.

Industrielle Anwendbarkeit

Durch Verwendung von Transformatoren anstelle von Optokopplern in dem isolierten CAN-Datenlink ist das CAN weniger Ausfällen oder der Unzuverlässigkeit bei hohen Temperaturen ausgesetzt. Ferner sind im Allgemeinen Transformatoren weniger teuer als Optokopplervorrichtungen. Das System sieht jedoch noch immer hinreichend elektrische Isolation vor wie dies in der Industrie erforderlich ist, wie beispielsweise gemäss den DeviceNET- Standards. Obwohl die DeviceNET-CAN-Komponenten und die Standards hier illustriert wurden, sei doch darauf hingewiesen, dass die Erfindung auch bei anderen CAN-Vorrichtungen und Standards eingesetzt werden kann.
Der Fachmann erkennt, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen offensichtlich vorgenommen werden können, wobei solche Änderungen und Modifikationen in den Rahmen der beigefügten Ansprüche fallen.
Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich für den Fachmann aus der Betrachtung der Beschreibung sowie der Anwendung der hier beschriebenen Erfindung. Die Beschreibung und die Beispiele die in Betracht gezogen wurden sind beispielhaft zu verstehen und der echte Bereich und Sinn der Erfindung ist durch die folgenden Ansprüche und ihre Äquivalente angegeben.

Claims

1. Ein Steuerflächennetzwerk (CAN = controller area network) Datenlink welches folgendes aufweist:
einen ersten Knoten;
einen zweiten Knoten; und
eine Transformatorschaltung gekoppelt zwischen den ersten und zweiten Knoten um elektrische Isolation vorzusehen.

2. Das CAN-Datenlink nach Anspruch 1, wobei der erste Knoten eine CAN-Steuervorrichtung aufweist.

3. Das CAN-Datenlink nach Anspruch 1, wobei der zweite Knoten einen Transceiver aufweist.

4. Das CAN-Datenlink nach Anspruch 3, wobei der zweite Knoten eine isolierte Spannungsversorgung aufweist.

5. Das CAN-Datenlink nach Anspruch 1, wobei die Transformatorschaltung folgendes aufweist:
eine erste R-C-Schaltung mit einem ersten und einem zweiten Ende, wobei das erste Ende mit dem ersten Knoten gekoppelt ist;
einen ersten Transistor, wobei das zweite Ende der ersten R-C- Schaltung gekoppelt ist mit einem ersten Knoten des ersten Transistors und wobei ein zweiter Knoten des ersten Transistors mit Erde gekoppelt ist;
eine zweite R-C-Schaltung mit einem ersten und einem zweiten Ende, wobei das erste Ende der zweiten R-C-Schaltung gekoppelt ist mit einem dritten Knoten des ersten Transistors;
eine Diode mit einem ersten und einem zweiten Ende, wobei das erste Ende der Diode gekoppelt ist mit dem ersten Ende der zweiten R-C-Schaltung und das zweite Ende der Diode gekoppelt ist mit einer Spannungsversorgung;
ein Transformator mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, wobei ein erstes Ende der ersten Seite gekoppelt ist mit dem zweiten Ende der Diode und ein zweites Ende der ersten Seite gekoppelt ist mit dem zweiten Ende der zweiten R-C-Schaltung und schließlich ein erstes Ende der zweiten Seite gekoppelt ist mit Erde; und
ein zweiter Transistor, wobei ein erster Knoten des zweiten Transistors gekoppelt ist mit einem zweiten Ende der zweiten Seite des Transformators, ein zweiter Knoten des zweiten Transistors gekoppelt mit Erde und ein dritter Knoten des zweiten Transistors ist schließlich mit dem zweiten Knoten gekoppelt.

6. Das CAN-Datenlink nach Anspruch 1, wobei die Transformatorschaltung folgendes aufweist:
eine erste R-C-Schaltung mit einem ersten und einem zweiten Ende, wobei das erste Ende mit dem ersten Knoten gekoppelt ist;
einen ersten Transistor, wobei das zweite Ende der ersten R-C- Schaltung gekoppelt ist mit einer Basis des ersten Transistors und wobei ein Emitter des ersten Transistors mit Erde gekoppelt ist;
eine zweite R-C-Schaltung mit einem ersten und einem zweiten Ende, wobei das erste Ende der zweiten R-C-Schaltung gekoppelt ist mit einem Kollektor des ersten Transistors;
eine Diode mit einem ersten und einem zweiten Ende, wobei das erste Ende der Diode gekoppelt ist mit dem ersten Ende der zweiten R-C-Schaltung und wobei das zweite Ende der Diode gekoppelt ist mit einer Spannungsversorgung;
ein Transformator mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, wobei ein erstes Ende der ersten Seite gekoppelt ist mit dem zweiten Ende der Diode, ein zweites Ende der ersten Seite gekoppelt ist mit dem zweiten Ende der zweiten R-C-Schaltung und ein erstes Ende der zweiten Seite gekoppelt ist mit Erde; und
ein zweiter Transistor, wobei eine Basis des zweiten Transistors gekoppelt ist mit einem zweiten Ende der zweiten Seite des Transformators, ein Emitter des zweiten Transistors gekoppelt mit Erde und ein Kollektor des zweiten Transistors ist mit dem zweiten Knoten gekoppelt.

7. Ein Verfahren zum Vorsehen elektrischer Trennung in einem Steuerflächennetzwerk (CAN), wobei das Verfahren folgendes aufweist:
Vorsehen eines ersten und eines zweiten Knotens;
Vorsehen einer Transformatorschaltung;
Verbinden eines ersten Endes der Transformatorschaltung mit dem ersten Knoten; und
Verbinden eines zweiten Endes der Transformatorschaltung mit dem zweiten Knoten.

8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt des Vorsehens eines ersten und eines zweiten Knotens das Vorsehen einer CAN-Steuervorrichtung umfasst, und zwar zur Handhabung von ankommenden und abgehenden CAN-Nachrichten.

9. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt des Vorsehens eines ersten und zweiten Knotens das Vorsehen eines Transceivers umfasst.

10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Vorsehens eines ersten und zweiten Knotens ferner das Vorsehen einer isolierten Spannungsversorgung umfasst.

11. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt des Vorsehens einer Transformatorschaltung folgendes aufweist:
Vorsehen einer ersten R-C-Schaltung mit einem ersten und einem zweiten Ende, wobei das erste Ende mit dem ersten Knoten gekoppelt ist;
Vorsehen eines ersten Transistors, wobei das zweite Ende der ersten R-C-Schaltung gekoppelt ist mit einer Basis des ersten Transistors und ein Emitter des ersten Transistors mit Erde gekoppelt ist;
Vorsehen einer zweiten R-C-Schaltung mit einem ersten und einem zweiten Ende, wobei das erste Ende der zweiten R-C-Schaltung gekoppelt ist mit einem Kollektor des ersten Transistors;
Vorsehen einer Diode mit einem ersten und einem zweiten Ende, wobei das erste Ende der Diode gekoppelt ist mit dem ersten Ende der zweiten R-C- Schaltung und das zweite Ende der Diode gekoppelt ist mit einer Spannungsversorgung;
Vorsehen eines Transformators mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, wobei ein erstes Ende der ersten Seite gekoppelt ist mit dem zweiten Ende der Diode, ein zweites Ende der ersten Seite gekoppelt ist mit dem zweiten Ende der zweiten R-C-Schaltung und ein erstes Ende der zweiten Seite gekoppelt ist mit Erde; und
Vorsehen eines zweiten Transistors, wobei eine Basis des zweiten Transistors gekoppelt ist mit einem zweiten Ende der zweiten Seite des Transformators, wobei ein Emitter des zweiten Transistors gekoppelt mit Erde vorgesehen ist, und wobei schließlich ein Kollektor des zweiten Transistors mit dem zweiten Knoten gekoppelt ist.

12. Steuerflächennetzwerk (CAN)-Datenverbindung oder Datenlink, wobei folgendes vorgesehen ist:
Mittel zum Aussenden und Empfangen von CAN-Botschaften oder Messages;
Busmittel; und
Transformatormittel verbunden zwischen den Sende- und Empfangsmitteln und den Busmitteln zum Vorsehen elektrischer Isolation.