CN110892681B - 发送/接收装置、总线***及识别短路的方法 - Google Patents

发送/接收装置、总线***及识别短路的方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种用于CAN总线***（1）的发送/接收装置（4、5、2）和一种用于利用CAN发送/接收装置（4、5、2）识别短路的方法。发送/接收装置（4、5、2）具有：发送器（44），用于将发送信号发送到所述总线***的总线（1）的第一总线芯线（11），在所述总线***的情况下保证用户站（站n，m）对所述总线***（1）的总线（1）至少暂时的排他、无冲突的访问，并且用于将所述发送信号发送到所述总线（1）的第二总线芯线（12）；接收器（41、42、43），用于接收在总线芯线（11、12）上传输的总线信号；以及诊断单元（5），用于识别所述总线***（1）中的短路，其中所述诊断单元（5）被设计为仅在所述总线信号的预定通信阶段中执行诊断。

Description

发送/接收装置、总线***及识别短路的方法
技术领域
本发明涉及一种用于CAN总线***的发送/接收装置和一种用于利用CAN发送/接收装置识别短路的方法。所述发送/接收装置特别是可以在CAN FD总线***中用于识别所述总线***的总线的各个总线线路或总线芯线的短路。
背景技术
CAN总线***在一些技术应用中用于消息或数据的传输。对此的示例是交通工具或技术生产设施等中的传感器与控制设备之间的通信。在这样的总线***中，借助于如在ISO-11898-1：2015标准中作为使用CAN FD的CAN协议规范所描述的CAN协议和/或CAN FD协议来传输消息。在CAN FD总线***的情况下，数据传输速率可以大于每秒1 Mbit（兆比特）（1 Mbps），例如2 Mbit/s，5Mbit/s或任何其他大于1Mbit/s的数据传输速率等。此外，CAN-HS总线***（HS=Highspeed=高速）是已知的，其中最高每秒500kbit（千比特）（500kbps）的数据传输速率是可能的。
CAN总线***是一种通信***，其中总线状态被主动驱动。在此，分离地驱动用于总线信号CAN_H的信号和用于总线信号CAN_L的信号。为了发送和接收，在CAN总线***中对各个通信用户通常使用发送/接收装置，该发送/接收装置也被称为CAN收发器或CAN FD收发器等。
所述发送/接收装置的电压供应经由大小为5V的电压VCC进行，该电压VCC连接到地GND。例如在交通工具中，所述电压VCC由具有电压Ubat的电池提供，所述电压VCC特别是具有12V或14V的值。
在CAN总线***中，用于网关控制设备的发送/接收装置需要所谓的诊断功能。因此，所述发送/接收装置必须既对CAN又对CAN FD识别以下错误：
用于到Ubat的CAN_H的总线芯线的短路
用于到VCC5V的CAN_H的总线芯线的短路
用于到GND的CAN_H的总线芯线的短路
用于到Ubat的CAN_L的总线芯线的短路
用于到VCC5V的CAN_L的总线芯线的短路
用于到GND的CAN_L的总线芯线的短路。
发明内容
因此，本发明的任务是提供一种用于CAN总线***的发送/接收装置以及一种用于利用CAN发送/接收装置识别短路的方法，它们解决了上述问题。
该任务通过具有本发明的特征的用于总线***的发送/接收装置来解决。所述发送/接收装置包括：发送器，用于将发送信号发送到所述总线***的总线的第一总线芯线，在所述总线***的情况下保证用户站对所述总线***的总线至少暂时的排他、无冲突的访问，并且用于将所述发送信号发送到所述总线的第二总线芯线；接收器，用于接收在这些总线芯线上传输的总线信号；以及诊断单元，用于识别所述总线***中的短路，其中所述诊断单元被设计为仅在所述总线信号的预定通信阶段中执行诊断。
利用所描述的发送/接收装置可以实现关于短路的期望的诊断能力。结果，特别是可以检测到所述总线芯线的短路，例如从CAN_H到Ubat和/或从CAN_H到VCC5V和/或从CAN_H到GND和/或从CAN_L到Ubat和/或从CAN_L到VCC5V和/或从CAN_L到GND安全识别的。
此外，所述发送/接收装置的优点是，在所述发送/接收装置的操作期间可以识别到可能的短路。在此，所述发送/接收装置的操作不受所执行的诊断的干扰。
在以下说明书中描述了所述发送/接收装置的有利的其他设计。
可能地，所述诊断单元被设计为在所述总线信号的以下通信阶段中执行诊断，在所述通信阶段中如果在所述发送/接收装置之前连接有电感为100μH的共模扼流圈，则所述总线信号的传输速率等于或小于500kbit/s，和/或在所述通信阶段中所述总线信号的传输速率低于所述总线信号的其他通信阶段中的传输速率。
根据一个实施例，所述诊断单元被设计成在仲裁阶段中执行诊断，在所述仲裁阶段中确定接下来哪个用户站暂时获得对所述总线***的总线的排他、无冲突访问。
根据另一变型，所述诊断单元可以被设计为执行关于预定位序列的诊断。在此，所述预定位序列确定例如要在所述总线上传输的消息的结尾。此外，可以将所述诊断单元设计为仅关于所述预定位序列的一部分执行诊断。也可以考虑在多个用户站同时发送的通信阶段中发送所述预定位序列。
在一个特别的设计中，所述接收器可以具有用于接收所述总线信号的接收比较器，其中通信阶段检测块与所述接收比较器的输入端并联连接，并且其中所述通信阶段检测块被设计用于检测所述总线信号的当前通信阶段，并且其中所述诊断单元被设计为根据所述通信阶段检测块的检测结果激活或停用所述诊断单元的诊断。
上述发送/接收装置可以是总线***的一部分，所述总线***具有总线和至少两个用户站，所述至少两个用户站经由所述总线彼此连接，使得它们可以彼此通信。在此，所述至少两个用户站中的至少一个用户站具有上述发送/接收装置。
此外，通过具有本发明的特征的用于利用CAN发送/接收装置识别短路的方法也解决了上述任务。所述方法利用用于总线***的发送/接收装置来执行，在所述总线***的情况下保证用户站对所述总线***的总线至少暂时的排他、无冲突的访问。在此，所述发送/接收装置具有发送器、接收器和诊断单元，其中所述方法包括以下步骤：利用所述发送器将发送信号发送到所述总线的第一总线芯线，将所述发送信号发送到所述总线的第二总线芯线，利用所述接收器接收在这些总线芯线上传输的总线信号，并且仅在所述总线信号的预定通信阶段中利用所述诊断单元执行诊断，以识别所述总线***中的短路。
所述方法提供了与前面关于所述发送/接收装置讲述的相同的优点。
本发明的其他可能的实现方式还包括上面或下面关于实施例描述的特征或实施方式的未明确提及的组合。在此，本领域技术人员还将增加各个方面作为对本发明的各自基本形式的改进或补充。
附图说明
下面参考附图并基于实施例更详细地描述本发明。
图1示出了根据第一实施例的总线***的简化框图；
图2示出了根据第一实施例的总线***中的第一发送/接收装置的电路图；
图3示出了说明由根据第一实施例的总线***的用户站发送的消息的结构的图；以及
图4示出了根据第一实施例的总线***中的第二发送/接收装置的电路图。
在附图中，除非另有说明，否则相同或功能相同的元件具有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了总线***1，该总线***1例如至少局部地可以是CAN总线***、CAN FD总线***等。总线***1可以用在交通工具中，特别是机动车辆、飞机等中，或者用在医院等中。
在图1中，总线***1具有多个用户站10、20、30，每个用户站连接到具有第一总线芯线41和第二总线芯线42的总线40。总线芯线41、42也可以称为CAN_H和CAN_L，并且用于在发送状态下耦合输入显性电平。信号形式的消息45、46、47可以经由总线40在各个用户站10、20、30之间传输。用户站10、20、30可以例如是机动车辆的控制设备或显示装置。
如图1中所示，用户站10，30分别具有通信控制装置11和发送/接收装置12。每个发送/接收装置12都包括诊断单元15。相反，用户站20具有通信控制装置11和发送/接收装置13。发送/接收装置13包括诊断单元16。用户站10、30的发送/接收装置12和用户站20的发送/接收装置13分别直接连接到总线40，即使这在图1中未示出。
通信控制装置11用于控制各自的用户站10、20、30经由总线40与连接到总线40的用户站10、20、30中的另一个用户站的通信。发送/接收装置12用于发送和接收信号形式的消息45、47并在此使用诊断单元15，如稍后更详细地描述的。通信控制装置11可以特别地如常规的CAN-FD控制器和/或CAN控制器那样予以实施。发送/接收装置12可以特别地如常规的CAN收发器和/或CAN-FD收发器那样予以实施。发送/接收装置13用于发送和接收信号形式的消息46并且在此使用诊断单元16，如稍后更详细描述的。否则，发送/接收装置13可以如常规的CAN收发器那样予以实施。
图2示出了具有诊断单元15和存储单元18的发送/接收装置12的基本结构。发送/接收装置12在连接端126、127处经由共模扼流圈50连接到总线40，更确切地说连接到所述总线的用于CAN_H的第一总线芯线41和用于CAN_L的第二总线芯线42。共模扼流圈50具有例如100μH的电感。用于第一和第二总线芯线41、42的电压供应，特别是CAN供应经由连接端128在发送/接收装置12处进行。发送/接收装置12与地或CAN_GND的连接经由连接端129实现。为了结束第一和第二总线芯线41、42，在所示示例中设置了终端电阻49。
在发送/接收装置12的情况下，第一和第二总线芯线41、42与也被称为传送器的发送器121和也被称为接收器的接收器122连接。发送器121和接收器122都与连接单元125连接，以用于经由连接端111、112向通信控制装置11驱动信号。
为了驱动连接端111、112的信号，连接单元125具有用于发送信号TxD的发送信号驱动器1251，所述发送信号TxD也称为TxD信号并且在连接端111处从通信控制装置11接收。此外，连接单元125具有用于接收信号RxD的接收信号驱动器1252，该接收信号RxD也被称为RxD信号。接收信号RxD借助于接收器122从总线芯线41、42接收，并经由连接端112传递到通信控制装置11。驱动器1251、1252经由数字部件1253与发送器121和接收器122连接。数字部件1253可以监视信号TxD，RxD。
根据图2，发送器121具有用于第一总线芯线41的信号CAN_H的常规驱动器1211和用于第二总线芯线42的CAN_L信号的常规驱动器1212。
接收器122具有接收比较器1221、总线偏压单元1223和通信阶段检测块1225，所述接收比较器的输入端连接在电阻性的、特别是对称的分压器1222（更确切地说是该分压器的中心抽头）中。总线偏压单元1223在其一端向电阻性分压器1222馈送预定的总线偏置电压或预定的总线偏置电势。电阻性分压器1222在其另一端连接到第一和第二总线芯线41、42。接收比较器1221的输入端与通信阶段检测块1225的输入端并联地连接。如在图2的示例中所示，通信阶段检测块1225可以具有差分放大器，该差分放大器的输入端与接收比较器1221的输入端并联连接。
通信阶段检测块153可以检测和识别或区分总线40上的不同通信阶段，这将在下面参考图3进行解释。
诊断单元15根据通信阶段检测块1225的检测结果来诊断或检查总线芯线41、42上是否存在短路。在此，诊断单元15仅当存在预定的通信阶段时才执行其诊断。换句话说，诊断单元15被设计为根据通信阶段检测块1225的检测结果来激活或停用所述诊断单元的诊断。
将利用诊断单元15的检测结果写入寄存器181、182中的存储单元18中。可以根据需要读出寄存器181、182，从而在检测到短路时例如可以输出警告消息。
根据图3，要在消息45以及消息46、47中传输的信息或数据以字节或位的形式存储，它们可以采用两种不同的位状态或电压状态。当经由总线40传输消息45、46、47时，发送信号TxD的不同的位状态导致不同的总线状态401、402。在所示的示例中，第一总线状态401对应于显性总线状态。第二总线状态402对应于隐性总线状态。
图3在其上部基于消息45示出了由发送/接收装置12或发送/接收装置13发送的CAN帧。在图3的下部中，示出了可以替代地由发送/接收装置12发送的CAN-FD帧。
对于总线40上的CAN通信，CAN帧和CAN-FD帧基本上被分为两个不同的通信阶段，即仲裁阶段451、453和数据区域452，在CAN-HS的情况下数据区域452也称为数据字段，而在CAN-FD的情况下数据区域452也称为数据阶段。数据区域452在其结尾以至少一个结束位454终止，该结束位也称为EOF，其中EOF代表帧的结束或消息的结束。对于CAN或CAN FD，EOF是11个隐性位（即具有第二总线状态402的位）组成的位序列。在至少一个结束位454之前是确认阶段455。
在CAN-FD的情况下，与经典的CAN相比在仲裁阶段451的结尾用于随后的数据阶段的比特率提高到例如2、4、8Mbps。由此意味着在CAN-FD的情况下，仲裁阶段451、453中的比特率低于数据区域452中的比特率。在CAN-FD的情况下，与CAN帧的数据区域452相比显著缩短了数据区域452。
在CAN帧和CAN-FD帧的情况下，仲裁阶段451、453用于判断总线***1的哪个节点或哪个用户站10、20、30承载最重要的消息45、46、47。具有最重要的消息45、46、47的用户站10、20、30赢得仲裁，因此允许在所述仲裁阶段结束之后发送所述消息。然后，在传输所述最重要的消息时其他所有用户站都是侦听器。在此，发送/接收装置12、13以低欧姆驱动总线40，以便建立显性总线状态402或位状态作为两个不同总线状态401、402或位状态之一。相反，在作为两个不同总线状态401、402中的另一个总线状态的隐性状态下，发送/接收装置12、13是相对高欧姆的。
图2的通信阶段检测块1225可以特别地识别仲裁阶段451、453，数据区域452和数据区域453的结尾，即所述至少一个结束位（EOF）454。
因此，根据期望，诊断单元15的功能只能用于以下通信阶段，在这些通信阶段中CAN帧或CAN FD帧中的数据传输速率低于其他通信阶段中的数据传输速率。由此，在总线***1中的较慢通信阶段中执行诊断单元15的诊断。具有较低传输速率的这种通信阶段在电感为100μH的共模扼流圈50的情况下等于或小于特别是500kbit/s。在500kbits时，一个位持续2μs。特别地，CAN帧或CANFD帧中的这种通信阶段是仲裁阶段451、453。
如果共模扼流圈50具有小于100μH的电感，则诊断单元15的诊断可以以大于或等于500kbit/s的传输速率执行。相反，诊断单元15的诊断在共模扼流圈50的更高感应值100μH的情况下将以低于500kbit/s的传输速率执行。
在当前的实施例中，诊断单元15仅在仲裁阶段451、453中执行诊断。
由此保证了发送/接收装置12可以可靠地检测短路。这也意味着发送/接收装置12在从隐性过渡到显性或从第二总线状态402过渡到第一总线状态401之后，通过扼流圈50解耦地应该在大约1μs的时间内创建显性状态。在这种情况下，在这样的时间窗期间无法识别到总线侧的短路。因此，诊断单元15被设计成使得在从隐性过渡到显性之后等待明显高于lμs的时间，然后检测到总线电压CAN_H、CAN_L和/或它们的差分电压VDIFF以用于诊断。所述时间确保等待一段等待时间，直到在从隐性过渡到显性或从第二总线状态402过渡到第一总线状态401之后在总线电压CAN_H，CAN_L中发生的振动消失为止。所述振动通过共模扼流圈50和寄生电容产生。所述等待时间为诊断单元15的诊断提供时间窗，该时间窗与CAN帧或CAN FD帧中的比特率无关。但是，通过发送/接收装置12的发送电平和共模扼流圈50的时间常数来确定所述时间窗。
在发送/接收装置12的修改中，仅基于显性状态（即第一总线状态401）来进行是否存在短路的评估。与短路相比，可以在仲裁阶段451、453中识别显性状态。
根据图4，发送/接收装置13在很大程度上与发送/接收装置12相同地予以实施。然而，发送/接收装置13具有诊断单元16而不是诊断单元15。
诊断单元16例如被设计为仅基于CAN帧的隐性状态或消息46的隐性状态或基于具有第二总线状态402的位来关于可能存在的短路进行诊断。在此，诊断单元16特别是可以检查至少一个结束位（EOF）454，以判断是否存在短路。
对于至少一个结束位（EOF）454，可以特别是在诊断单元16的情况下设置过滤器元件161，该过滤器元件161识别6至11个连续的隐性位或具有第二总线状态402的位。在这方面，至少一个结束位（EOF）454提供比较长的时间窗，以便在隐性状态下执行所述诊断。因此，诊断单元16被设计为仅关于至少一个结束位（EOF）454的预定位序列的一部分执行诊断。
由此，诊断单元16还提供对总线芯线41、42的短路的可靠检测。
在发送/接收装置12或发送/接收装置13的修改中，基于显性状态和隐性状态来评估是否存在短路。在此，特别是在仲裁阶段451、153中评估显性状态。
根据另一种修改，发送/接收装置12也可以具有滤波器元件161，以便仅关于预定位序列的一部分来执行诊断。
因此，利用诊断单元15、16分别执行用于利用各自的发送/接收装置12、13来检测短路的方法。
根据第二实施例，利用发送/接收装置13（更确切地说是其诊断单元16）基于至少一个结束位（EOF）454和基于根据图3或CAN帧的确认阶段455或消息46的确认阶段455来评估是否存在短路。在CAN帧中的至少一个结束比特（EOF）454之前包括两个位的确认阶段455中，多个发送/接收设备12、13同时发送。在低欧姆短路的情况下，基于确认阶段455的诊断结果与在没有确认的显性位期间的诊断结果相同。否则，此处原则上必定出现其他电压电平或总线状态。
根据第二实施例的诊断单元16实现与关于根据第一实施例的诊断单元15、16所提到的相同的优点。
诊断单元15、16，发送/接收装置12、13，用户站10、20、30，根据第一和第二实施例及其修改的总线***1以及在其中执行的方法的所有上述设计可以单独地或以所有可能的组合加以使用。附加地，特别是可以考虑以下修改。
根据基于CAN协议的总线***描述了根据第一和第二实施例的上述总线***1。然而，根据第一和/或第二实施例的总线***1也可以是其他类型的通信网络。有利的、但不是必需的前提是：在总线***1的情况下至少在确定的时间段内保证用户站10、20、30对总线导线40或总线导线40的公共信道的排他、无冲突的访问。
根据第一和/或第二实施例及其修改的总线***1特别是CAN网络或CAN-HS网络或CAN FD网络或FlexRay网络。然而，总线***1也可以是其他的串行通信网络。
在根据第一实施例和第二实施例及其修改的总线***1中的用户站10、20、30的数量和布置是任意的。特别地，也可以在第一或第二实施例的总线***1中只存在用户站10或用户站20或用户站30。与此无关地，也可以仅存在根据上述各种设计变型的诊断单元15或仅诊断单元16。
可以在收发器或发送/接收装置12、13或收发器或CAN收发器或收发器芯片组或CAN收发器芯片组等中实现上述实施例的功能。附加地或替代地，它可以集成到现有产品中。特别地，所考虑的功能可以在收发器中实现为单独的电子器件（芯片），或者嵌入在仅存在一个电子器件（芯片）的集成整体解决方案中。

Claims (10)

1.一种用于CAN总线***（1）的发送/接收装置（12；13），具有：
发送器（121），用于将发送信号（TxD）发送到所述总线***（1）的总线（40）的第一总线芯线（41），在所述总线***（1）的情况下保证用户站（10、20、30）对所述总线***（1）的总线（40）至少暂时的排他、无冲突的访问，并用于将所述发送信号（TxD）发送到所述总线（40）的第二总线芯线（42），
接收器，用于接收在所述总线芯线（41、42）上传输的总线信号（CAN_H，CAN_L），以及
诊断单元（15;16），用于识别所述总线***（1）中的短路，
其中所述诊断单元（15；16）被设计为仅在所述总线信号（CAN_H，CAN_L）的预定通信阶段中执行诊断。
2.根据权利要求1所述的发送/接收装置（12；13），其中，所述诊断单元（15；16）被设计为在所述总线信号（CAN_H，CAN_L）的以下通信阶段中执行诊断，在所述通信阶段中如果在所述发送/接收装置（12；13）之前连接有电感为100μH的共模扼流圈（50），则所述总线信号（CAN_H，CAN_L）的传输速率等于或小于500kbit/s，和/或在所述通信阶段中所述总线信号（CAN_H，CAN_L）的传输速率低于在所述总线信号（CAN_H，CAN_L）的其他通信阶段中的传输速率。
3.根据权利要求1或2所述的发送/接收装置（12），其中，所述诊断单元（15；16）被设计为在仲裁阶段（451；453）中执行诊断，在所述仲裁阶段中确定哪个用户站（10、20、30）接下来暂时获得对所述总线***（1）的总线（40）的排他、无冲突访问。
4.根据权利要求1至2中任一项所述的发送/接收装置（12；13），其中，所述诊断单元（15；16）被设计为执行关于预定位序列的诊断。
5.根据权利要求4所述的发送/接收装置（13），其中，所述预定位序列确定要经由所述总线（40）传输的消息（45、47；46）的结尾。
6.根据权利要求4所述的发送/接收装置（12；13），其中，所述诊断单元（15；16）被设计为仅关于所述预定位序列的一部分执行诊断。
7.根据权利要求4所述的发送/接收装置（13），其中，在以下通信阶段中发送所述预定位序列，在所述通信阶段中多个用户站（10、20、30）同时发送。
8.根据权利要求1至2中任一项所述的发送/接收装置（12；13），
其中，所述接收器（122）具有用于接收所述总线信号（CAN_H，CAN_L）的接收比较器（1221），
其中，通信阶段检测块（1225）与所述接收比较器（1221）的输入端并联连接，并且
其中，所述通信阶段检测块（1225）被设计为检测所述总线信号（CAN_H，CAN_L）的当前通信阶段，以及
其中，所述诊断单元（15、16）被设计为根据所述通信阶段检测块（1225）的检测结果来激活或停用所述诊断单元的诊断。
9.一种总线***（1），具有
总线（40），和
至少两个用户站（10；20；30），所述至少两个用户站经由所述总线（40）相互连接，使得它们能够相互通信，
其中所述至少两个用户站（10；20；30）中的至少一个用户站具有根据前述权利要求中任一项所述的发送/接收装置（12）。
10.一种用于利用CAN发送/接收装置（12；13）识别短路的方法，其中所述方法是利用用于总线***（1）的发送/接收装置（12；13）来执行的，在所述总线***的情况下保证用户站（10、20、30）对所述总线***（1）的总线（40）至少暂时的排他、无冲突访问，其中所述发送/接收装置（12；13）具有发送器（121）、接收器（122）和诊断单元（15；16），其中所述方法具有以下步骤：
利用所述发送器（121）将发送信号（TxD）发送到所述总线（40）的第一总线芯线（41），
将所述发送信号（TxD）发送到所述总线（40）的第二总线芯线（42），
利用所述接收器（122）接收在所述总线芯线（41、42）上传输的总线信号（CAN_H，CAN_L），以及
利用所述诊断单元（15；16）仅在所述总线信号（CAN_H，CAN_L）的预定通信阶段中执行诊断，以识别所述总线***（1）中的短路。
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