JP2008521705A

JP2008521705A - 二線バスへのビット伝送インタフェースおよびビット伝送方法

Info

Publication number: JP2008521705A
Application number: JP2007543970A
Authority: JP
Inventors: ヴェーザーマーカス; マスマティアス; ズアマントーマス
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2004-12-01
Filing date: 2005-11-30
Publication date: 2008-06-26
Also published as: EP1820303A1; ATE422766T1; CN101069388A; US20090292841A1; DE602005012724D1; WO2006059285A1; EP1820303B8; EP1820303B1

Abstract

車載ネットワークは、高速のデータ・スループットを提供しつつ、安価で電磁環境適応性（ＥＭＣ）でなければならない。少なくとも１ビットを少なくとも１つの二線バス（１０，１２）、特に、例えばＩＳＯ１１８９８規格に基づく少なくとも１つのＣＡＮバスに伝送するための、少なくとも１つの物理層を備えたインタフェース（１００，１１０）及び方法を開示する。このデータ伝送は、ＬＩＮプロトコルに基づいて行うことを提案する。同じ技術をデバイスや回路装置において実現することができる。

Description

本発明は、少なくとも１つの二線バス、具体的には例えばＩＳＯ１１８９８規格に基づく少なくとも１つのＣＡＮ（Controller Area Network：車内ＬＡＮ規格の１つ）バスに少なくとも１ビットのデータを伝送するための、少なくとも一つの物理層を有するインタフェース及び方法とに関する。

米国特許第６６７２２８１号

スロットルバルブ用途および／またはガスペダル用途には、例えば米国特許第６６７２２８１号またはインターネットのホームページ http://www.auto-solve.com/etc.htm に記載のように、現在は主に電位差計を使用している。この場合、用いられるスロットルバルブ・センサは可変抵抗であり、この可変抵抗は、例えば加速または減速する際に、スロットルバルブの角度に応じた可変信号を伝送して燃料噴射量を調整する。

独国特許出願公開第１０１５４１５４号米国特許出願公開第２００２／０１４９３５８号

この種の電位差計は、現在徐々に非接触式の角度センサへの置き換えが進んでいる。この場合、主にホール・センサまたはＡＭＲ（Anisotropic Magneto Resistive：異方性磁気抵抗）センサが利用されている。この種のセンサは、例えば、独国特許出願公開第１０１５４１５４号または、米国特許出願公開第２００２／０１４９３５８号に記載されている。

角度情報はアナログ方式で送信される、すなわち、角度信号はセンサの出力電圧Ｖｏｕｔの線形関数である。この出力電圧Ｖｏｕｔは通常は電源電圧の約２．５パーセント〜約９５パーセントであり、推定される角度範囲は１２０度までである。この場合、スロットルバルブ用途のエンジン制御のために、例えば、０度から約２０度の範囲の小さい角度は、特に関心が持たれるところである。

アナログ伝送の１つの特有な不利点は、このような小角度での信号電圧の小ささである。電磁環境適合性（ＥＭＣ：Electro Magnetic Compatibility）のために、例えば、自動車のエンジン・スペース内で起こるような、例えば５０ミリボルトの一般的な妨害電圧は、完全に信号電圧と同等な範囲であり、妨害をもたらす。

デジタル・インタフェースを角度センサの代わりとして用いる場合は、以下の不利点が発生する：
ＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）プロトコルは、例えばホール・センサの場合などに用いるが、処理が非常に遅い。
ＳＰＩ（Serial Peripheral interface）原理は、短距離の用途にのみ最適化されており、
例えば２メートルのケーブル長の場合、電磁環境適合性（ＥＭＣ）の観点から問題が発生し、この理由のために、遮蔽ケーブルを使用しなければならない。
既知のＰＷＭおよびＳＰＩによる解決策のもう１つの不利点は、通常１つのＰＷＭインタフェースにつき１個のセンサのみが取り付け可能であり、あるいは、ＳＰＩの場合は多数の配線が用いられることである。

C.Gabriel and H.Horia: "Integrating Sensor Devices in a LIN bus network", 26th ISSE 2003, pages 150 to 153 R.Bannatyne and K.Klein:"Chassis Control System to Interface Sensors and Electronic Control Units", Motorola Inc. 1999, pages 137 to 144

ＣＡＮ（Controller Area Network）およびＬＩＮ（Local Interconnect Network：車内ＬＡＮ規格の１つ）等、自動車内で使用される様々なバス・システムを選択的に使用することが出来る（C.Gabriel and H.Horia: "Integrating Sensor Devices in a LIN bus network", 26th ISSE 2003, pages 150 to 153, or R.Bannatyne and K.Klein:"Chassis Control System to Interface Sensors and Electronic Control Units", Motorola Inc. 1999, pages 137 to 144）参照）。しかしながら、ＣＡＮはあまりに高価であり、単純なセンサ用途には過剰な仕様である一方、ＬＩＮはこれらのセンサ用途として十分なデータ・スループットを提供することができない。

自動車用バッテリが提供する１２ボルト〜４２ボルトの直流電圧の供給を受けることができるネットワーク内でのデジタルデータ伝送用に、ヤマー（Yamar）社はＣＡＮ、ＬＩＮあるいはＪ１８５０に関連したプロトコルに適合するＤＣ（Direct Current）バスを提供する（http://www.yamar.com/参照）。しかしながら、このＤＣ（Direct Current）バスのＥＭＣ特性は改善を要するものと考えられる。

従って、特に自動車分野における角度センサに関して、一方では費用効果的かつＥＭＣの面で安全であり、他方では高速のデータ・スループットを可能にする、新しいセンサ・インタフェース、特にデジタル・センサ・インタフェースを提供する必要性がある。

上述した欠点および不足点に基づいて、また、従来技術の概要の認識を以って、本発明の目的は、製造に当たり費用効果的でありつつ、特に良いＥＭＣ特性と高い伝送速度、例えば毎秒１メガビットのデータ伝送速度を提供するような方法で、前述した種類のインタフェースおよび方法をさらに進展させることにある。

この目的は、請求項１に特定する特徴を有するインタフェースによって、および、請求項８に特定する特徴を有する方法によって達成することができる。有利な実施形態および本発明の目的に沿った発展は、それぞれの従属請求項において特徴づけられる。

物理層、特にＣＡＮ（Controller Area Network）の物理層とＬＩＮ（Local Interconnect Network）プロトコルとを巧みに結合することによって、ＬＩＮプロトコルの費用優位性と物理層のＥＭＣ特性とを組み合せ、例えば自動車用途向けに、費用効果的でＥＭＣに適合したインタフェース、特にセンサ・インタフェースを最終的に生産する。例えば、特に自動車分野の電子制御システムでは、ＬＩＮプロトコルで動作するＣＡＮ物理層を備えた角度センサを使用することができる。

ＥＭＣについて最適化したＣＡＮ物理層を経由して、費用効果的なＬＩＮプロトコルの送信を行うことで、例えば車内でバス・システムを介した高速センサの接続が可能になる。

いわゆる「物理層」とは、データのビット伝送の役割を担うビット伝送層ないし物理レベルである。物理層（＝ＯＳＩ（Open System Interconnection）参照モデルの第１層）は、通常電気的、機能的および手続き的パラメータを定義し、ネットワーク上の装置間の物理接続を支援する。このような物理層は、例えば自動車内では１メガ・ボー（＝１メガビット／秒）までのデータ伝送に使用することができる。

本発明により使用する二線バス、特にいわゆる「高速ＣＡＮ物理層（High Speed CAN Physical Layer）」は、非常に優れたＥＭＣ特性を有することを特徴とし、この特性は、少なくとも２本のバス配線による差動伝送によって達成される。本発明の１つの有利な実施形態による実施例により、物理層は少なくとも第１伝送ライン、具体的にはＣＡＮＨ（Controller Area Network High：ＣＡＮハイ）ライン経由、及び第２伝送ライン、具体的にはＣＡＮＬ（Controller Area Network Low：ＣＡＮロー）ライン経由のビットの差動伝送用に設計されている。

対照的に、ＬＩＮバス・システムは、従来はいわゆる単線の物理層を利用し、このバス・システムは電磁環境適合性（ＥＭＣ）の理由から毎秒約２０キロビットまでのみ使用できるものだが、例えば自動車内のセンサ用途などとしては低速すぎて利用できない。

例えば、ＵＡＲＴ／ＳＣＩ（Universal Asynchronous Receiver Transmitter/Serial Communication Interface：非同期通信用送受信回路／シリアル通信インタフェース）など、直列／並列変換器を使用する標準的なマイクロコントローラ上のソフトウェアに変換可能な単純なバス・プロトコルである点がＬＩＮの優位な点である。このＵＡＲＴ/ＳＣＩインタフェースは、通常標準的なマイクロコントローラにおいて利用できる。対照的に、ＣＡＮプロトコル制御装置は通常、従来のマイクロコントローラを使用することはできず、この理由のため、従来は、ＣＡＮプロトコル制御装置の使用は、それ相応に追加的な経費を要した。

本発明はまた、デバイスにも関連し、特に、少なくとも１つの特性および／または少なくとも１つの設定および／または少なくとも１つの情報項目および／または少なくとも１つの特性の変化、および／または少なくとも１ビットに変換可能な設定および／または情報項目を、検出および／または記録および／または転送するアクチュエータまたはセンサに関連し、このデバイスは、
少なくとも１つの上述した種類のインタフェースを備え、
上述した種類の方法により動作する。

この場合、デバイスを少なくとも１個の非接触式の角度センサとして設計し、具体的には、少なくとも１個のＡＭＲ（Anisotropic Magneto Resistive）センサおよび／または少なくとも１個のホール・センサとして設計する。ＡＭＲ角度センサは、とりわけデジタル信号処理とともに動作し、従ってデジタル・インタフェースを有するので、特別な利点を有する。センサにおけるデジタルからアナログへの、そして、制御装置におけるアナログからデジタルへのいかなる信号変換の必要性も無いので、このことは特に有利である。

そのような角度センサ素子は、例えばパーマロイなど、少なくとも１個の強磁性合金の中で少なくとも部分的に形成できる点で有利である。パーマロイ（Ｎｉ８０Ｆｅ２０）は、低い電界強度および低いヒステリシス損失を同時に有しつつ、高い透磁率を有するという優位性がある。このような強磁性構造の磁気特性は、外部形状により所望のように設定することができる。

本発明は、回路装置にも関し、とくに、
少なくとも１つの送信／受信装置を有し、特に、少なくとも１つの二線バス、具体的には例えばＩＳＯ１１８９８標準に基づく少なくとも１つのＣＡＮ（Controller Area Network）バスにより、前述のタイプの少なくとも１個のデバイスに接続された少なくとも１個のＣＡＮ（Controller Area Network）トランシーバを有し、さらに、
特にＳＣＩ／ＵＡＲＴ（Serial Communication Interface/Universal Asynchronous Receiver Transmitter）規格に基づく送信／受信装置に接続された少なくとも１個のマイクロコントローラを有する集積回路に関する。

従来の技術と比較した本発明の他の有利な特徴は、この種の回路装置が最適なＥＭＣ特性を有し、さらに、多数のデバイス、特に多数のセンサまたは多数のアクチュエータを二線バスに接続することを可能とするということである。ここで、本発明によればＬＩＮプロトコルに基づく送信が行われ、このため、複雑なプロトコルを必要としないので、費用効果的なデバイスを利用することができる。

なお、さらに本発明によって達成できる効果に関連して、本発明により使用するＬＩＮプロトコルと、個々の場合に有利に使用されるＣＡＮ物理層との双方とも、それ自体が一般に認められた規格を表すものである。

最後に、本発明は、自動車内の電子応用製品用の、少なくとも１つの前述した種類のインタフェースおよび／または少なくとも１つの前述した種類のデバイスおよび／または少なくとも１つの前述した種類の回路装置および／または少なくとも１つの前述した種類の方法の使用に関し、特に例えばスロットルバルブおよび／またはガスペダルの非接触式角度測定などの角度測定に関する。

特に、本発明は自動車分野において、例えばフィリップス社製の少なくとも１個のスロットル・バルブ・センサおよび少なくとも１つのＣＡＮ物理層と関連して使用することができる。

既に前述したように、本発明の教示する内容を有利に構成し発展させるためのさまざまな可能性がある。この関係で、請求項１、請求項３、請求項５および請求項８に従属する請求項の参照を行う。

本発明を図面に示す実施例を参照しつつさらに説明する。ただし、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

図１において例示する本発明による回路装置３００は、本発明によるインタフェース１００の実施例を含む。インタフェース１００は、本発明による方法に従って動作し、本発明によるデバイス２００の実施例、すなわち、車両に関連するパラメータを検知するセンサに割り当てられる。

さらに、回路装置３００は、同様に本発明による方法に従って動作する本発明による第２のインタフェース１１０を備え、このインタフェースは第２のセンサ、すなわち自動車の環境パラメータを記録するための検出装置などに、割り当てられる。

インタフェース１００及び１１０は、いわゆるＣＡＮバスと呼ばれる単一かつ同一の二線バスに接続され、その物理層は、ドイツ工業標準規格で採用するＩＳＯ１１８９８規格により定められている。データバス１０および１２は２つのデータバス線、すなわち、
ＣＡＮＨ（ＣＡＮハイ：参照番号１０）と
ＣＡＮＬ（ＣＡＮロー：参照番号１２）と
を有し、このバス線を経由して、随意的に差動的に、ビットが送信される。

２本のデータ・バス線１０および１２は、いずれの場合も例えば３０オームの２つの（終端）抵抗１４，１６を介して相互に接続されているため、ＣＡＮバスの休止状態では、双方のデータバス線１０および１２は、ほぼ同じ電位である。２つの終端抵抗１４および１６の間にはコンデンサ１８を接続し、このコンデンサは例えば４．７ナノファラッドの容量を有し、このコンデンサの終端抵抗１４および１６に接続されていない方の端子は、グランドレベル、すなわちグランド電位ＧＮＤである（換言すれば「アースされている」）。

センサ素子２００および２１０により個々のビットを送信すると、データ・バス線ＣＡＮＨ１０の電位は上昇し、これに応じてデータ・バス線ＣＡＮＬ１２の電位は下降する。

図１に示す回路装置３００では、このことはトランシーバ２０内に統合された少なくとも１個のドライバによって行われる。図１に示す実施例では、このドライバは送受信装置２０内に、すなわち、フィリップス社のＴＪＡ１０４０タイプのトランシーバ（２００３年１０月１４日版の対応するフィリップス・データ・シートを参照）、または、例えばＴＪＡ１０５０やＴＪＡ１０４１等の同等なタイプのトランシーバ内に配置する。

このトランシーバ２０は、トランシーバ２０内に統合された少なくとも１個の受信機によって、及びトランシーバ２０内に統合された少なくとも１個の送信機によって、ＣＡＮバス１０および１２を介してデータの受信および送信を行う。ＣＡＮＨ線１０およびＣＡＮＬ線１２を経由して受信したアナログデータを、トランシーバ２０によってデジタルデータに変換し、このデータを少なくとも１つのＲｘＤ端末装置に転送する（参照番号２２）。

本発明によれば、アナログセンサ２００，２１０の代わりに、デジタル信号処理機能およびデジタル・インタフェースを有する少なくとも１個のセンサまたはアクチュエータを使用することが可能である。本発明によるインタフェース１００，１１０は、このようにアナログおよび／またはデジタル方式で動作することができる。デジタル信号処理機能およびデジタル・インタフェース１００，１１０を有するデバイスの場合は、デバイス２００，２１０内でデジタルからアナログに信号変換をする必要はなく、また、例えばトランシーバ２０などの制御装置でアナログからデジタルへの変換を行う必要もない。

トランシーバ２０のＲｘＤ端子から送信されＲｘＤ線２２を経て伝送されるＲｘＤ信号によって、また、ＴｘＤ線２４を経て伝送されトランシーバ２０のＴｘＤ端子に到達するＴｘＤ信号によって、トランシーバ２０はＳＣＩ（Serial Communication Interface）モジュールを有するマイクロコントローラ３０と通信する。

ＣＡＮバス線１０，１２上でのトランシーバ２０からの出力信号の伝送は、トランシーバ２０内に統合されたいわゆる（タイムアウトおよび）スロープ装置の使用によって、トランシーバ２０で発生する電磁放射が非常に低くなるように最適化され規定される。

またトランシーバ２０は、例えば電力を節減するために、スタンバイモードに切り替えることもできる。このスタンバイモードでは、トランシーバ２０の受信機および送信機はスイッチオフされ、バス線１０，１２は差動型低出力受信機によりモニタされる。

電力供給目的で、トランシーバ２０およびマイクロコントローラ３０は、（自動車用）バッテリ４０によって電源電圧Ｖｃｃを供給され、バッテリ４０の下流側には、整流ダイオード４２および電圧レギュレータ４４が接続されている。２つのセンサ２００，２１０は、基準電位としてグラウンド電位に接続され、言わばアースされている。

（参照番号のリスト）
１００インタフェース、特にデバイス２００のインタフェース
１１０インタフェース、特に第２のデバイス２１０のインタフェース
１０，１２二線バス、特にＣＡＮ（Controller Area Network）バスであって、例えばＩＳＯ１１８９８規格準拠のバスであり、ここに：
１０二線バス１０，１２、特にＣＡＮＨ（Controller Area Network High）ラインの第１伝送ライン
１２二線バス１０，１２、特にＣＡＮＬ（Controller Area Network Low）ラインの第２伝送ライン
１４抵抗、特にＣＡＮＨライン１０に割り当てられた終端抵抗
１６抵抗、特にＣＡＮＬライン１２に割り当てられた終端抵抗
１８容量素子、特にコンデンサ
２０送信／受信装置、特にＣＡＮトランシーバ、例えばフィリップス社製ＴＪＡ１０４０型高速ＣＡＮトランシーバ
２２受信ライン（ＲｘＤ）
２４送信ライン（ＴｘＤ）
３０マイクロコントローラ、特にＳＣＩ／ＵＡＲＴ（Serial Communication Interface/Universal Asynchronous Receiver Transmitter）規格に基づくマイクロコントローラ
４０バッテリ、特に自動車用バッテリ）
４２ダイオードまたは整流器
４４電圧レギュレータ
２００デバイス、特にアクチュエータまたはセンサ、例えば第１アクチュエータまたは第１センサ
２１０第２のデバイス、特に第２アクチュエータまたは第２センサ
３００回路装置、特に統合型システム
Ｖｃｃ電源電圧

本発明による方法に従い動作する、本発明による回路装置の実施例を図式的に示す図である。

Claims

少なくとも１つのビットを少なくとも１つの二線バス（１０，１２）、特に例えばＩＳＯ１１８９８標準に基づく少なくとも１つのＣＡＮバスに伝送するための少なくとも１つの物理層を備えたインタフェース（１００，１１０）において、ＬＩＮプロトコルに基づいて前記伝送を行うことを特徴とするインタフェース。
請求項１に記載のインタフェースにおいて、
前記物理層が、
少なくとも第１伝送ライン（１０）経由、特にＣＡＮＨ経由、および、
少なくとも第２伝送ライン（１２）を経由、特にＣＡＮＬ経由での、
前記ビットの差動伝送用に設計されていることを特徴とするインタフェース。
デバイス（２００，２１０）、特にアクチュエータまたはセンサであって、少なくとも１つの特性および／または少なくとも１つの設定および／または少なくとも１つの情報項目及び／または少なくとも１つの特性の変化、および／または少なくとも１ビットに変換可能な設定および／もしくは情報項目を、検出および／または記録および／または転送するデバイスにおいて、請求項１または２に記載のインタフェース（１００，１１０）を少なくとも１つ有することを特徴とするデバイス。
請求項３に記載のデバイスにおいて、
前記センサを、少なくとも１個の非接触式角度センサ、特に、少なくとも１個のＡＭＲセンサおよび／または少なくとも１個のホール・センサとして設計し、および／または、
前記センサを少なくとも部分的に少なくとも１個の強磁性合金、例えばパーマロイで形成したことを特徴とするデバイス。
回路装置（３００）、特に回路システムにおいて、
少なくとも１個の送信／受信装置（２０）、特にＣＡＮトランシーバであって、少なくとも１つの二線バス（１０，１２）、特に、例えばＩＳＯ１１８９８規格に基づく少なくとも１つのＣＡＮバスを経由して、少なくとも１個の請求項３または４に記載のデバイス（２００，２１０）に接続された送信／受信装置（２０）と、
前記送信／受信装置（２０）に接続された少なくとも１個のマイクロコントローラ（３０）、特にＳＣＩ／ＵＡＲＴ規格に基づくマイクロコントローラを有する回路装置と
を有する回路装置。
請求項５に記載の回路装置において、前記送信／受信装置（２０）が完結したメッセージも転送することを特徴とする回路装置。
請求項５または６に記載の回路装置において、前記送信／受信装置（２０）は、送信すべきデータおよび／または受信したデータのバッファ蓄積用の、少なくとも１個の記憶装置を有することを特徴とする回路装置。
少なくとも１ビットを、少なくとも１つの二線バス（１０，１２）、特に例えばＩＳＯ１１８９８規格に基づく少なくとも１つのＣＡＮバスに伝送するビット伝送方法において、
前記伝送をＬＩＮプロトコルに基づいて行うことを特徴とするビット伝送方法。
請求項８に記載の方法において、
前記ビットを前記二線バス（１０，１２）を経由して送信および受信することと、
ＳＣＩ／ＵＡＲＴ規格に従って、直列データを並列データに変換すること、および並列データを直列データに変化することができることと
を特徴とするビット伝送方法。
少なくとも１つの請求項１または２に記載のインタフェース（１００，１１０）および／または少なくとも１つの請求項３もしくは４に記載のデバイス（２００，２１０）および／または少なくとも１つの請求項５から７のいずれか一項に記載の回路装置（３００）および／または請求項８もしくは９に記載のビット伝送方法の、車載電子機器用途の使用、特に、例えばスロットルバルブおよび／またはガスペダルの非接触式角度測定用途の使用。