JP6530557B2

JP6530557B2 - 車載処理装置及び車載システム

Info

Publication number: JP6530557B2
Application number: JP2018507228A
Authority: JP
Inventors: 晃一宗樂; 長田　健一; 健一長田
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2016-03-25
Filing date: 2017-03-13
Publication date: 2019-06-12
Anticipated expiration: 2037-03-13
Also published as: EP3435607A4; US10454722B2; CN108432195A; EP3435607B1; EP3435607A1; US20190028303A1; CN108432195B; WO2017163948A1; JPWO2017163948A1

Description

本発明は、車載処理装置及び車載システムに関する。

安全運転支援や自動運転技術の進展により車載ネットワークの通信量が増加している。これらに対応するためデータ送信時の高速化およびデータ長拡張が可能なCAN FD（CAN with Flexible Data Rate）通信方式が知られている。CAN FDでは送受信を行うノードは一般的に車載処理装置としての電子コントロールユニット(ECU：Electronic Control Unit)であり、各ノードはバスにより電気的に接続されている。送信ECUは通信データに識別子(ID)を付加してメッセージを構成し、電気信号に変換してバス上に送信する。各ECUはバス上の電気信号を監視して、通信中のIDを取得し、受信すべきメッセージを特定する。

複数のメッセージが同時に送信された場合にはIDに応じて通信の優先順位が決定される。IDを送信し優先順位によりメッセージを送ることができるECUを決定するフェーズをアービトレーション（調停）フェーズと呼ぶ。アービトレーションフェーズでは複数のECUが同時に出力するため従来CANと同じ速度たとえば500kbpsで通信される。アービトレーションによりメッセージを送信するECUが決定した後はデータを送信するデータフェーズとなる。出力するECUが１つに特定されるデータフェーズでは送信速度は例えば2Mbpsとなる。

しかしながら500kbpsで通信できている従来のネットワーク構成で2Mbpsに通信速度を上げると反射の影響で正しいデータを送れないことが問題となる。これらの反射によるノイズを取り除く手法としてノイズを除去するフィルタ回路とフィルタ回路に電流を流す抵抗からなる構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開2015-53633号公報

しかしながら、特許文献1に開示されるような技術ではライン間に抵抗が接続されるため、例えばドミナント時にDC電流が流れることにより、信号（データ）の振幅が低減し信号品質の低下や消費電力の増大という問題が生じる。

本発明の目的は、送受信されるデータの品質低下を抑制しつつ消費電力を低減することができる車載処理装置及び車載システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、CAN FDプロトコルに従ってデータを送受信するデータ送受信装置と、前記データ送受信装置を制御するプロセッサと、を備え、前記データ送受信装置は、差動伝送路を構成する第１の通信線及び第２の通信線を含み、前記第１の通信線に設けられる第１のローパスフィルタと、前記第２の通信線に設けられる第２のローパスフィルタから構成され、前記データの反射により前記データに重畳されるノイズを減衰させるフィルタ装置と、前記フィルタ装置に流れる定常電流を抑制し且つ前記フィルタ装置に流れる過渡電流を促進する定常電流抑制回路と、を有する車載処理装置であって、前記定常電流抑制回路は、キャパシタと、前記キャパシタに直列接続されるスイッチ素子を含み、前記プロセッサは、前記データ送受信装置が前記データを送信する期間であるCAN FDのデータフェーズのみにおいて前記スイッチ素子をオンする。

本発明によれば、送受信されるデータの品質低下を抑制しつつ消費電力を低減することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の第1の実施形態によるECUの構成を示すブロック図である。本発明の第2の実施形態によるECUの構成を示すブロック図である。本発明の第3の実施形態によるECUの構成を示すブロック図である。本発明の第1の実施形態によるECUを適用した車載システムの構成図である。

以下、図面を用いて、本発明の第1〜第3の実施形態による車載処理装置としてのECUの構成及び動作について説明する。なお、各図において、同一符号は同一部分を示す。

（第1の実施形態）
第1の実施の形態によるECU（100A）の構成を図1に示す。ECU（100A）には1対のCANバス(CAN_H,CAN_L)が接続される。ECU（100A）は、MPU（10: Micro Processing Unit）とデータ送受信装置20Aで構成される。

換言すれば、ECU 100A（車載処理装置）は、データを送受信するデータ送受信装置20Aと、データ送受信装置20Aを制御するMPU 10（プロセッサ）を備える。

データ送受信装置20Aではフィルタ回路(101,102)がCANバス(CAN_H,CAN_L)と内部ノード(N0、N1)の間に接続される。内部ノード(N0、N1)はCANFDトランシーバ30（CANFDドライバ）に接続される。

換言すれば、データ送受信装置20Aは、差動伝送路を構成する内部ノードN0（第１の通信線）及び内部ノードN1（第２の通信線）を含む。

フィルタ回路(101,102)として、たとえば抵抗とコイルからなる回路と等価であるフェライトビーズが用いられる。フィルタ回路(101,102)は、データの反射によりデータに重畳されるノイズを減衰させるフィルタ装置FDを構成する。

換言すれば、フィルタ装置FDは、内部ノードN0（第１の通信線）に設けられるフィルタ回路101（第１のローパスフィルタ）と、内部ノードN1（第２の通信線）に設けられるフィルタ回路102（第２のローパスフィルタ）から構成される。

また内部ノード(N0、N1)の間には過渡電流の流れを促進し定常電流を抑制する定常電流抑制回路113Aとなるキャパシタ103が接続される。

換言すれば、定常電流抑制回路113Aは、フィルタ装置FDに流れる定常電流を抑制し且つフィルタ装置FDに流れる過渡電流（ノイズ電流）を促進する。定常電流抑制回路113Aは、一端が内部ノードN0（第１の通信線）に接続され、他端が内部ノードN1（第２の通信線）に接続される。

CAN FDではレセッシブとドミナントと呼ばれるモードでデータ送信を行う。レセッシブでは図示しないがCANバス上に存在する終端回路によりバス対を同電位とし、ドミナントではCANFDトランシーバ30により対となるバスCAN_HとCAN_Lに電位差を生じさせる。これにより0または1のデータを送る。

ドミナントモードからレセッシブモードへ送信するデータが切り替わるときCANバス内での信号の反射によりノイズが発生する。発生したノイズはキャパシタ103を通じてCAN_H,CAN_L間で過渡電流が流れることによりフィルタ回路(101,102)に電流が流れノイズが減衰されていく。

ドミナントやレセッシブの定常状態ではキャパシタ103により定常電流が抑制され電位が保たれる。またDC電流が流れないため消費電力も削減できる。

換言すれば、データ送受信装置20Aは、CAN FDプロトコルに従ってデータを送受信する。定常電流抑制回路113Aは、ドミナント又はレセッシブの定常状態において、フィルタ装置FDに流れる定常電流を抑制し、ドミナントからレセッシブへ遷移したときに、フィルタ装置FDに流れる過渡電流を促進する。

以上説明したように、本実施形態によれば、キャパシタ103により定常電流（DC電流）が抑制されCANバス(CAN_H,CAN_L)の電位が保たれるため、送受信されるデータに対応する信号波形の振幅は低減しない。また、キャパシタ103によりフィルタ装置FDに流れる過渡電流（ノイズ電流）が促進されるため、送受信されるデータに重畳されるノイズが減衰される。信号波形の振幅は低減せずにノイズが減衰されることにより、送受信されるデータの品質低下を抑制することができる。

また、キャパシタ103により定常電流が抑制されるため、抵抗を介してCAN_HからCAN_Lへ定常電流が流れる従来例と比較して、消費電力を低減することができる。

本実施形態では、定常電流抑制回路113Aとしてキャパシタ103を用いているがキャパシタ103の代わりにアクティブ制御の電流源やトランジスタなどのスイッチ素子（スイッチング素子）を用いることで同様の効果を得られる。

（第2の実施形態）
第2の実施の形態によるECU（100B）の構成を図2に示す。本実施形態では、第1の実施形態と比較して、定常電流抑制回路113Bはスイッチ114をさらに備える。

すなわち、第2の実施形態の定常電流抑制回路113Bは、キャパシタ103と内部ノードN0又はN1のいずれかとの間にMPUによってON/OFF制御されるスイッチ114を備える。このスイッチ114は通常、OFF状態であり定常電流抑制回路113Bは内部ノードN0とN1を接続せず、ノード間は切り離されている。MPU10からの制御によりスイッチ114は、ECU10がCANバスに対して送信状態の時にONとなり、定常電流抑制回路113Bによりノード(N0、N1)の間が接続され、第1の実施形態と同等の回路が形成される。

換言すれば、定常電流抑制回路113Bは、データ送受信装置20Bがデータを送信する期間に、フィルタ装置FDに流れる定常電流を抑制し且つフィルタ装置FDに流れる過渡電流を促進する。

詳細には、定常電流抑制回路113Bは、キャパシタ103に直列接続されるスイッチ114（スイッチ素子）を含む。MPU10（プロセッサ）は、データ送受信装置20Bがデータを受信する期間にスイッチ114（スイッチ素子）をオフし、データ送受信装置20Bがデータを送信する期間にスイッチ114をオンする。

ノイズはECUが送信状態の時に発生することから送信時のみ定常電流抑制回路113Bが接続され、それ以外の時に切り離されることによりCANバス(CAN_H,CAN_L)の負荷容量を低減し、消費電力の低減や信号品質の向上を図ることができる。

また、スイッチ114に関しては高速レートとなるデータフェーズの時のみノイズの影響を受けることから、ECU（100B）が送信状態かつデータフェーズの時のみ定常電流抑制回路113Bを接続する制御も有効である。

換言すれば、データ送受信装置20Bは、CAN FDプロトコルに従ってデータを送受信する。データ送受信装置20Bは、データフェーズにおいてフィルタ装置FDに流れる定常電流を抑制し且つフィルタ装置FDに流れる過渡電流を促進する。

以上説明したように、本実施形態によれば、送受信されるデータの品質低下を抑制しつつ消費電力を低減することができる。

本実施形態では、特に、データを受信する期間にスイッチ114がオフとなりキャパシタ103が切り離されるため、CANバス(CAN_H,CAN_L)の負荷容量を低減することができる。

（第3の実施形態）
第3の実施の形態によるECU（100C）の構成を図3に示す。定常電流抑制回路113Cは抵抗117とスイッチ114を備える。換言すれば、定常電流抑制回路113Cは、図2に示す定常電流抑制回路113Bにおいてキャパシタ103を抵抗117に置き換えたものに相当する。詳細には、定常電流抑制回路113Cは、抵抗117と、抵抗117に直列接続されるスイッチ114（スイッチ素子）から構成される。

MPU10は、第2の実施形態と同様にスイッチ114をON/OFF制御する。すなわち、MPU10（プロセッサ）は、データ送受信装置20Cがデータを受信する期間にスイッチ114（スイッチ素子）をオフし、データ送受信装置20Cがデータを送信する期間にスイッチ114をオンする。

ノイズはECU（100C）が送信状態の時に発生することから送信時のみ抵抗117が接続され、それ以外の時に切り離されることによりCANバスの定常電流を低減し、消費電力の低減や信号品質の向上を図ることができる。本実施形態では、特に、抵抗117がノイズを吸収して熱に変換することでノイズの減衰を促進することができる。

また、スイッチ114に関しては高速レートとなるデータフェーズの時のみノイズの影響を受けることから、ECU（100C）が送信状態かつデータフェーズの時のみ定常電流抑制回路113Cを接続する制御も有効である。

本実施形態では、特に、データを受信する期間にスイッチ114がオフとなり抵抗117が切り離されるため、従来例に比較して消費電力を低減することができる。また、データを送信する期間にスイッチ114がオンとなり抵抗117が接続されるため、ノイズの減衰を促進することができる。

（車載システムへの適用例）
第1の実施形態によるECU（100A）を適用した車載システム200の構成を図4に示す。車載システム200は、主として、第1の実施形態で説明したECU（100A）と同じ構成のECU(123,124)と、ECU（100A）から定常電流抑制回路113Aを取り除いたECU(121,126)と、ECU（100A）からフィルタ回路(101,102)および定常電流抑制回路113Aを取り除いたECU(122,125)で構成される。

ECU121には支線1が、ECU122には支線2が、ECU123には支線3が、ECU124には支線4が、ECU125には支線5が、ECU126には支線6がそれぞれ接続されている。

換言すれば、車載ネットワークは、幹線7と複数の支線1〜6を含む。車載システム200は、車載ネットワークに接続される複数の車載制御装置121〜126を含む。

支線1,2,3は幹線7とスター型に接続される。また支線4,5,6も別の場所で幹線7とスター型に接続される。幹線7の両端には終端を持つECU（151,152）がそれぞれ接続される。

支線3および支線4は比較的長い（たとえば4m程度）であり、支線2および支線5は比較的短い（たとえば1m未満）であり、支線1と6はその中間である。ノイズの収束にかかる時間は送信状態にあるECUに接続される支線の長さに依存する。長い支線（3,4）が接続されるECU(123,124)に関してはフィルタ回路と定常電流抑制回路を組み合わせた回路構成（129,130）としノイズの収束を早める。

換言すれば、少なくとも複数の支線1〜6のうち最も長い支線3，4に接続されるECU 123，124（車載処理装置）は、第1の実施形態によるECU（100A）と同じ構成である。

短い支線（2,5）が接続されるECU(122,125)に関してはフィルタ回路も定常電流抑制回路も搭載しない構成（128,131）としノイズの収束を早める回路は挿入しない。

その中間の長さの支線（1,6）が接続されるECU(121,126)に関してはフィルタ回路のみを搭載する構成（127,132）とすることで、中程度の早さでノイズを収束させる。

換言すれば、少なくとも複数の支線1〜6のうち２番目に長い支線1,6に接続されるECU 121,126（車載処理装置）は、第1の実施形態によるECU（100A）から定常電流抑制回路113Aを取り除いた構成である。

このようにノイズの収束時間に応じた回路構成とすることでコストの削減が可能となる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

上記実施形態では、CAN FDプロトコルによりデータの送受信が行われるが、他の通信プロトコルにより行われてもよい。

上記適用例では、車載ネットワークのトポロジーは、信号の反射が発生しやすいスター型であるが、バス型など他の形態を採用してもよい。
上記適用例では、車載システム200を構成するECUとして、第1の実施形態によるECU（100A）と同じ構成のECU(123,124)を用いているが、これに代えて第2又は第3の実施形態によるECUを用いてもよい。

なお、本発明の実施形態は、以下の態様であってもよい。

（１）車載ネットワークからデータを送受信するデータ送受信装置を備え、前記データ送受信装置は、データの反射波を減衰させるフィルタ回路と、前記フィルタ回路に流れる定常電流を抑制し且つ前記フィルタ回路に流れる過渡電流を促進する定常電流抑制回路(Ｒ以外のＣ等を含む。)と、を備える車載処理装置。

（２）（１）に記載の車載処理装置において、データを送受信する２本の通信線を備え、前記２本の通信線には、それぞれ前記フィルタ回路が直列に接続され、前記２本の通信線が前記定常電流抑制回路によって接続された、車載処理装置。

（３）（１）に記載の車載処理装置において、前記定常電流抑制回路は、キャパシタ回路である、車載処理装置。

（４）（１）に記載の車載処理装置において、前記定常電流抑制回路は、アクティブ制御される電流源である、車載処理装置。

（５）（１）に記載の車載処理装置において、前記定常電流抑制回路は、スイッチ素子である、車載処理装置。

（６）（１）に記載の車載処理装置において、前記定常電流抑制回路と前記フィルタ回路とのON、OFFを切り替える切替部を有する、車載処理装置。

（７）（６）に記載の車載処理装置において、前記切替部は、前記車載ネットワークに接続される他の車載処理装置から前記データを受信する場合は、前記定常電流抑制回路と前記フィルタ回路とを切断し、他の車載処理装置へ前記データを送信する場合は、前記定常電流抑制回路と前記フィルタ回路とを接続する、車載処理装置。

（８）車載ネットワークとそれぞれ通信線で接続された複数の車載処理装置を備え、前記複数の車載処理装置の各々は、他の車載処理装置とデータの送受信を行うデータ送受信装置を有し、前記複数の車載処理装置のうち、第１の車載処理装置は、前記データ送受信装置が、データの反射波を減衰させるフィルタ回路と、前記フィルタ回路に流れる電流を促進する電流促進回路(Rも含み、その他、キャパシタＣ、アクティブ制御の電流源、電流経路を形成するトランジスタ)と、を有し、前記複数の車載処理装置のうち、前記第１の車載処理装置と異なる第２の車載処理装置は、前記データ送受信装置が、データの反射波を減衰させるフィルタ回路を有する、車載ネットワークシステム。

（９）（８）に記載の車載ネットワークシステムにおいて、前記車載ネットワークと前記第１の車載処理装置とを接続する第１の通信線は、前記車載ネットワークと前記第２の車載処理装置とを接続する第２の通信線より長い、車載ネットワークシステム。

すなわち、定常電流(DC電流)は流さずかつノイズ電流(過渡電流)の流れを促進する定常電流抑制回路(キャパシタ、アクティブ制御の電流源、電流経路を形成するトランジスタ等)を用いてライン間を接続し、十分なノイズ電流がフィルタ回路を流れるようにする。

定常電流抑制回路によりCAN_H,CAN_L間に不要なDC電流が流れないため、信号品質や消費電力の悪化を防ぎ、ノイズ電流がCAN_HとCAN_L間で流れることによりフィルタ回路でノイズが削減できる。

1〜6…支線7…幹線10…MPU20A,20B,20C…データ送受信装置30…CANFDトランシーバ101,102…フィルタ回路103…キャパシタFD…フィルタ装置113A,113B,113C…定常電流抑制回路114…スイッチ121,126…フィルタ回路のみ搭載したECU122,125…フィルタ回路及び定常電流抑制回路なしのECU123,124…フィルタ回路及び定常電流抑制回路を搭載したECU127,132…フィルタ回路のみを搭載する構成128,131…フィルタ回路及び定常電流抑制回路を搭載しない構成129,130…フィルタ回路及び定常電流抑制回路を搭載する構成151,152…終端を持つECU200…車載システム

Claims

CAN FDプロトコルに従ってデータを送受信するデータ送受信装置と、
前記データ送受信装置を制御するプロセッサと、を備え、
前記データ送受信装置は、
差動伝送路を構成する第１の通信線及び第２の通信線を含み、
前記第１の通信線に設けられる第１のローパスフィルタと、前記第２の通信線に設けられる第２のローパスフィルタから構成され、前記データの反射により前記データに重畳されるノイズを減衰させるフィルタ装置と、
前記フィルタ装置に流れる定常電流を抑制し且つ前記フィルタ装置に流れる過渡電流を促進する定常電流抑制回路と、を有する車載処理装置であって、
前記定常電流抑制回路は、
キャパシタと、
前記キャパシタに直列接続されるスイッチ素子を含み、
前記プロセッサは、
前記データ送受信装置が前記データを送信する期間であるCAN FDのデータフェーズのみにおいて前記スイッチ素子をオンする
ことを特徴とする車載処理装置。
請求項１に記載の車載処理装置であって、
前記定常電流抑制回路は、
前記データ送受信装置が前記データを送信する期間に、前記フィルタ装置に流れる定常電流を抑制し且つ前記フィルタ装置に流れる過渡電流を促進する
ことを特徴とする車載処理装置。
請求項２に記載の車載処理装置であって、
前記定常電流抑制回路は、
一端が前記第１の通信線に接続され、他端が前記第２の通信線に接続される
ことを特徴とする車載処理装置。
請求項１に記載の車載処理装置であって、
前記プロセッサは、
前記データ送受信装置が前記データを受信する期間に前記スイッチ素子をオフする
ことを特徴とする車載処理装置。
請求項２に記載の車載処理装置であって、
前記データ送受信装置は、
前記定常電流抑制回路は、
前記データフェーズにおいて前記フィルタ装置に流れる定常電流を抑制し且つ前記フィルタ装置に流れる過渡電流を促進する
ことを特徴とする車載処理装置。
請求項２に記載の車載処理装置であって、
前記定常電流抑制回路は、
ドミナント又はレセッシブの定常状態において、前記フィルタ装置に流れる定常電流を抑制し、
前記ドミナントから前記レセッシブへ遷移したときに、前記フィルタ装置に流れる過渡電流を促進する
ことを特徴とする車載処理装置。
幹線と複数の支線を含む車載ネットワークと、
前記車載ネットワークに接続される複数の車載制御装置を含む車載システムであって、
少なくとも前記複数の支線のうち最も長い支線に接続される車載処理装置は、
請求項１に記載の車載処理装置である
ことを特徴とする車載システム。
請求項７に記載の車載システムであって、
少なくとも前記複数の支線のうち２番目に長い支線に接続される車載処理装置は、
データを送受信するデータ送受信装置と、
前記データ送受信装置を制御するプロセッサと、を備え、
前記データ送受信装置は、
前記データの反射により前記データに重畳されるノイズを減衰させるフィルタ装置を有する
ことを特徴とする車載システム。