DE3809485C2 - Schnittstellenschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schnittstellenschaltung zur Verbindung einer Einrichtung zum Empfangen und gegebenenfalls zum Senden von Signalen mit einem zwei Leitungen umfassenden symmetrischen Datenbus, wobei die Einrichtung zum Empfangen und gegebenen­ falls zum Senden zwei Anschlüsse aufweist, die zur Verbindung mit den Leitungen vorgesehen sind.

Zur Übertragung von Daten sind Bussysteme bekannt, bei denen die Verbindung zwischen einzelnen Sende/- Empfangseinrichtungen mit Hilfe zweier symmetrisch betriebener Leitungen erfolgt. Haig A. Sarkissian "Control System/3× peripheral communication with one chip", in: Electronic Design 11. Juni 1987, S. 159-162, 164, 166. Bei der Verwendung eines derartigen Bussystems in einem Kraftfahrzeug können erhebliche Störeinflüsse auftreten. So sind beispielsweise Kurzschlüsse einer oder beider Lei­ tungen nach Masse und Überspannungen bis zu 36 V möglich. Ferner können Unterbrechungen der Leitungen und HF-Einstrahlungen auftreten. Außerdem sind Tran­ sienten nicht zu vermeiden, die durch Schaltvorgänge anderer elektrischer Einrichtungen innerhalb des Kraftfahrzeugs hervorgerufen werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schnittstellenschaltung anzugeben, welche einerseits durch die erwähnten Einflüsse nicht beschädigt oder zerstört wird und andererseits eine einwandfreie Übertragung der Daten auch bei Defekten im Bereich der Leitungen weitgehend sicherstellt.

Die erfindungsgemäße Schnittstellenschaltung ist durch die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruchs 1 charakterisiert.

Die erfindungsgemäße Schnittstellenschaltung ermög­ licht unter anderem eine Fortsetzung der Datenüber­ tragung, wenn eine der beiden Datenleitungen kurz­ geschlossen ist.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnah­ men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse­ rungen der im Hauptanspruch angegebenen Erfindung möglich.

Insbesondere tragen Weiterbildungen zum Schutz vor Transienten und HF-Einstrahlungen bei, während andere Weiterbildungen einen Überspannungsschutz bewirken.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbei­ spiels,

Fig. 2 ein detaillierteres Schaltbild und

Fig. 3 Spannungszeitdiagramme.

Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Bei der Schaltung nach Fig. 1 ist an die Leitungen 1, 2 eines Datenbusses eine Schutzschaltung 3 ange­ schlossen, welche die weiteren Teile der Schaltung vor Überspannungen und Transienten schützt. Über die Schutzschaltung 3 und Schaltungen 4, 5 zur Potential­ entkopplung sind die Leitungen 1, 2 mit Ein/Ausgän­ gen A, B einer Sende/Empfangseinrichtung 6 verbun­ den. Diese ist an sich bekannt und beispielsweise unter der Typenbezeichnung 75176 als Bustreiber-Bau­ stein erhältlich, der sich zum Anschluß an verschie­ dene TTL- und CMOS-Mikroprozessoren eignet. Die Sende/Empfangseinrichtung 6 kann in Abhängigkeit von einem dem Eingang 7 zugeführten Umschaltsignal als Sendeeinrichtung oder als Empfangseinrichtung betrie­ ben werden. Beim Betrieb als Sendeeinrichtung werden von einer nicht dargestellten Datenquelle über einen Dateneingang 8 die zu sendenden Daten eingegeben und über die dann als Ausgänge geschalteten Anschlüsse A und B als Gegentakt-Rechtecksignale über die Schal­ tungen 4, 5 und 3 den Leitungen 1 und 2 zugeführt. Ein Ausgang 9 dient zur Weiterleitung von empfan­ genen Daten, wenn über den Eingang 7 die Sende/Empfangseinrichtung auf Empfang geschaltet ist.

Die Sende/Empfangseinrichtung 6 benötigt zur Abgabe von definierten Signalen am Ausgang 9 eine Spannungs­ differenz von mindestens 0,2 V zwischen den Anschlüs­ sen A und B. Der logische Pegel der Ausgangssignale hängt dann vom Vorzeichen dieser Differenz ab. Durch einen Schluß einer der Leitungen mit Massepotential oder mit einer Betriebsspannung würde ohne die erfin­ dungsgemäße Schnittstellenschaltung der entsprechen­ de Anschluß A bzw. B der Sende/Empfangseinrichtung 6 mit einer Spannung beaufschlagt werden, die außer­ halb des Amplitudenbereichs der Signale bei ungestör­ tem Betrieb liegt. Damit ist im Falle eines derarti­ gen Defekts das Vorzeichen der Spannungsdifferenz zwischen den Anschlüssen A und B immer gleich und somit ein Erkennen der ankommenden Daten nicht mög­ lich.

Mit Hilfe von Schwellwertschaltungen 10, 11 wird bei der erfindungsgemäßen Schnittstellenschaltung er­ kannt, ob die Spannung auf der betreffenden Leitung 1 bzw. 2 außerhalb des Amplitudenbereichs liegt. Ist dieses der Fall, so wird von der betreffenden Schwellwertschaltung 10, 11 dem jeweiligen Anschluß A, B eine Spannung zugeführt, welche zwischen den logischen Pegeln des der anderen Leitung entnommenen Signals liegt. Somit wird die Sende/Empfangseinrich­ tung 6 in die Lage versetzt, ankommende Signale auch dann auszuwerten, wenn eine der Leitungen auf Masse­ potential liegt oder einen Schluß zu einer höheren Spannung aufweist. Damit die Zuführung einer geeigne­ ten Spannung von den Schwellwertschaltungen 10, 11 zu den Anschlüssen A, B auch dann möglich ist, wenn die betreffende Leitung 1, 2 kurzgeschlossen ist, sind Potentiatentkopplungsschaltungen 4, 5 vorgese­ hen.

Die in Fig. 1 dargestellte Schnittstellenschaltung wird mit einer stabilisierten Betriebsspannung von + 5 V betrieben. In Hinblick auf die höheren Bord­ netzspannungen von 12 V bzw. 24 V in Kraftfahrzeugen ist jedoch eine Spannungsfestigkeit bis zu 36 V erforderlich. Aus der Betriebsspannung ergibt sich der Amplitudenbereich der über die Leitungen über­ tragenen Signale.

Eine genauere Erläuterung des Ausführungsbeispiels erfolgt im Zusammenhang mit Fig. 2. Dabei sind aus Symmetriegründen die Schwellwertschaltungen 10 und 11, die Potentialentkopplungsschaltungen 4 und 5 und die den Leitungen 1, 2 zugeordneten Bereiche der Schutzschaltung 3 jeweils untereinander gleich. Deren Teile sind daher der Einfachheit halber auch mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Im folgenden wird in Anlehnung an den angelsächsi­ schen Sprachgebrauch der jeweils untere logische Pegel mit L (=low) und der obere logische Pegel mit H (=high) bezeichnet.

Je ein Widerstand 21 und zwei antiparallelgeschaltete Dioden 22, 23 bilden Poten­ tialentkopplungsschaltungen zwischen den Leitungen 1, 2 und den Anschlüssen A, B. Die antiparallelge­ schalteten Dioden 22, 23 ermöglichen eine Unterschei­ dung eines Kurzschlusses einer Leitung nach Masse von einem L-Pegel. Es wird eine Spannungsdifferenz von 0,7 V zwischen den Anschlüssen und den entspre­ chenden Leitungen erzwungen. Die Diodenpaare 24, 25 dienen zur Ableitung von Überspannungen, während jeweils ein Kondensator 26 mit dem Widerstand 21 einen Tiefpaß bildet, um hochfrequente Störungen und Transienten zu unterdrücken. Außerdem schützen die Widerstände 21 die Anschlüsse A, B der Sende/Empfangseinrichtung vor unzulässig hohen Strömen bei Kurzschluß der Leitung. Ferner dienen die Widerstän­ de 21 zur Entkopplung der an einen Datenbus ange­ schlossenen Teilnehmer vom Datenbus, indem sie ein direktes Potentialklemmen auf den Leitungen durch einen der Teilnehmer verhindern.

Die Leitungen 1, 2 sind ferner mit je einem Wider­ stand 27 verbunden, der als Schutzwiderstand dient und mit einem Kondensator 28 einen Tiefpaß bildet, der die nachfolgenden Schaltungsteile vor Störspit­ zen und Hochfrequenzeinstrahlungen schützt. Der Aus­ gang des von dem Widerstand 27 und dem Kondensator 28 gebildeten Tiefpasses ist mit zwei Schwellwert­ schaltungen verbunden. Die erste Schwellwertschal­ tung wird von einer Diode 31, einer Z-Diode 32, einem Transistor 33 und einem Basis-Widerstand 34 gebildet. Eine zweite Schwellwertschaltung besteht aus einem Widerstand 35, einer Z-Diode 36, einer Diode 37, einem Transistor 38 und einem Basis-Wider­ stand 39.

Die Kollektoren der Transistoren 33, 38, also die Ausgänge der Schwellwertschaltungen sind über einen Widerstand 40 bzw. eine Z-Diode 41 mit dem zugehöri­ gen Anschluß A, B der Sende/Empfangseinrichtung 6 verbunden.

Bei normalem Arbeiten des Bussystems kann die Span­ nung auf den Leitungen 1, 2 nicht kleiner als die Dioden-Durchlaßspannung werden. Somit erhalten die Transistoren 33 und 38 keinen Basisstrom, so daß die Anschlüsse A, B der Sende/Empfangseinrichtung 6 von den Schwellwertschaltungen unbeeinflußt bleiben.

Wird beispielsweise die Leitung 1 nach Masse kurz­ geschlossen, so wird die Z-Diode 32, deren Schwel­ lenspannung bei 3,6 V liegt, leitend, wodurch der Transistor 33 Basisstrom erhält. Der Kollektorstrom des Transistors 33 fließt dann durch die Widerstände 40 und 21 sowie durch die Diode 23. Entsprechend dem Verhältnis der Spannungsabfälle stellt sich am Anschluß A eine Spannung von etwa 2,5 V ein, die etwa in der Mitte des Amplitudenbereichs des über die Leitung 2 dem Anschluß B zugeführten Signals Liegt.

Die Sende/Empfangseinrichtung 6 ist daher auch bei einer kurzgeschlossenen Leitung in der Lage, die übertragenen Signale auszuwerten.

Überschreitet in einem anderen Fehlerfall die Span­ nung einer Leitung den H-Pegel, so wird die Z-Diode 36, die eine Schwellenspannung von 5,1 V hat, bei einer Signalspannung von etwa 2,5 V durchgeschaltet, so daß der Transistor 38 in den leitenden Zustand gesteuert wird. Damit wird der Anschluß 8 über die Z-Diode 41, deren Schwellenspannung etwa 2,1 V be­ trägt, mit Massepotential verbunden, so daß wiederum eine entsprechende, zwischen beiden Signalpegeln liegende Spannung am Anschluß A liegt.

Um auch bei einer Unterbrechung einer Leitung noch eine Datenübertragung über die andere Leitung zu ermöglichen, kann an den mit den Leitungen 1, 2 verbundenen Eingängen je ein Spannungsteiler 42, 43 vorgesehen sein, der einer unterbrochenen, und somit hochohmigen Leitung ein Potential zwischen 0 und 5 V gibt. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, daß damit eine zusätzliche Belastung des Datenbusses erfolgt, die mit wachsender Zahl der angeschlossenen Schnitt­ stellen größer wird.

Um beim Sendebetrieb eine Belastung der Ausgänge A, B der Sende/Empfangseinrichtung 6 durch leitend werdende Transistoren 38 zu verhindern, ist ein weiterer Transistor 44 vorgesehen, dessen Kollektor über Dioden 45 mit den Basiskreisen der Transistoren 38 verbunden ist.

Der Transistor 44 ist mit Hilfe des über den Eingang 7 und einen Widerstand 46 zugeführten Umschaltsig­ nals steuerbar. Bei Empfangsbetrieb ist der Transi­ stor 44 nichtleitend, so daß die beschriebene Funk­ tion der Schwellwertschaltungen möglich ist. Beim Sendebetrieb wird der Transistor 46 jedoch leitend und verhindert somit ein Leitendwerden der Transisto­ ren 38.

Zur weiteren Erläuterung des Ausführungsbeispiels ist in Fig. 3 der Verlauf der Signale an den Anschlüssen A und B dargestellt. Dabei zeigen die Diagramme a) bis c) den Verlauf der Signale ohne erfindungsgemäße Maßnahmen, während die Diagramme d) bis f) die Signale bei einer erfindungsgemäßen Schal­ tung darstellen. Es sind jeweils die dem Anschluß A zugeführten Signale bzw. Spannungen mit durchgezo­ genen Linien und die dem Anschluß B zugeführten Signale bzw. Spannungen gestrichelt dargestellt.

Fig. 3a zeigt die Vorgänge bei fehlerfreier Über­ tragung. Die Sende/Empfangseinrichtung kann die Signale einwandfrei erkennen, da je nach Informa­ tionsinhalt das Vorzeichen der Differenz wechselt. Fig. 3b zeigt die Verhältnisse bei kurzgeschlosse­ ner Leitung 2. Die Spannung am Anschluß B ist prak­ tisch gleich 0, während die Spannung am Anschluß A unabhängig vom jeweiligen logischen Pegel L bzw. H größer als die Spannung am Anschluß B ist. Eine Auswertung ist somit nicht möglich. Ahnliches gilt für den in Fig. 3c dargestellten Fall, bei dem die Leitung 2 und somit der Anschluß 8 auf einer Span­ nung liegt, die oberhalb des Amplitudenbereichs zwischen L und H liegt.

Bei den Darstellungen gemäß Fig. 3d bis 3f wurde der Übersichtlichkeit halber von einer Berücksichti­ gung des durch die Dioden 22, 23 verursachten Span­ nungsabfalls abgesehen. Deshalb entspricht der Sig­ nalverlauf nach Fig. 3d demjenigen nach Fig. 3a. Tritt jedoch bei der erfindungsgemäßen Schnittstel­ lenschaltung ein Kurzschluß der Leitung 2 auf, so wird - wie in Fig. 3b gezeigt - dem Anschluß B ein mittleres Potential zugeführt, so daß über den An­ schluß A die über die Leitung 1 zugeführten Signale empfangen und ausgewertet werden können.

Wird die Leitung 2 durch einen entsprechenden Defekt auf eine höhere Spannung gebracht, so wird ebenfalls dem Anschluß B eine mittlere Spannung zugeführt, was in Fig. 3f dargestellt ist.

Claims (7)

1. Schnittstellenschaltung zur Verbindung einer Ein­ richtung zum Empfangen und gegebenenfalls zum Senden von Signalen mit einem zwei Leitungen umfassenden symmetrischen Datenbus, wobei die Einrichtung zum Empfangen und gegebenenfalls zum Senden zwei An­ schlüsse aufweist, die zur Verbindung mit den Leitun­ gen vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Leitungen (1, 2) Eingänge von Schwellwertschal­ tungen (10, 11) verbunden sind, deren Schwellwerte den bei ungestörtem Betrieb zulässigen Amplitudenbe­ reich der Signale umfassen, wobei je Leitung (1, 2) eine erste und eine zweite Schwellwertschaltung vorgesehen ist, daß die erste Schwellwertschaltung (31 bis 34) bei einer Eingangsspannung, welche unterhalb eines unteren Sig­ nalpegels bei ungestörtem Betrieb liegt, von einer Betriebsspannungsquelle dem Anschluß (A, B) Strom zuführt, und daß die zweite Schwellwertschaltung (35 bis 39) bei einer Eingangsspannung, welche oberhalb des oberen Signalpegels bei ungestörtem Betrieb liegt, dem Anschluß (A, B) von Massepotential aus­ gehend Strom zuführt und daß die Leitungen (1, 2) mit den Anschlüssen (A, B) über eine Reihenschaltung aus je einem Widerstand (21) und je zwei antiparallelgeschalteten Dioden (22, 23) verbunden sind.

2. Schnittstellenschaltung nach Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwertschaltungen im wesentlichen aus je einem Transistor (33, 38) bestehen, in dessen Basiskreis eine Z-Diode (32, 36) eingeschaltet ist.

3. Schnittstellenschaltung nach Anspruchs 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des Transistors (33) der ersten Schnittstellenschaltung über einen Widerstand (40) mit dem Anschluß (A, B) verbunden ist und daß der Kollektor des Transistors (38) der zweiten Schnittstellenschaltung über eine weitere Z-Diode (41) an den Anschluß (A, B) angeschlossen ist.

4. Schnittstellenschaltung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den Schwellwertschaltungen Tiefpässe (27, 28) vorgeschal­ tet sind.

5. Schnittstellenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungspunkte zwischen den Widerständen (21) und den antiparallelgeschalte­ ten Dioden (22, 23) jeweils über je eine Diode (24, 25) mit Massepotential und mit Betriebsspannung verbunden sind.

6. Schnittstellenschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungspunkte über je einen Kondensator (26) mit Massepotential verbunden sind.

7. Schnittstellenschaltung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche mit einer Einrichtung zum Empfan­ gen und zum Senden von Signalen, gekennzeichnet durch eine Schalteinrichtung (44, 45), welche die zweiten Schwellwertschaltungen (35 bis 39) beim Senden von Signalen außer Betrieb setzt.