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Die
Erfindung betrifft einen elektrischen Schaltkreis zur Bestimmung
eines Fehlers in einem Bussystem und ein entsprechendes Verfahren.
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Zur
Kommunikation zwischen elektronischen Steuergeräten sowie zur Steuerung und Überwachung
von Sensoren und Aktuatoren in Kraftfahrzeugen werden heutzutage
zunehmend Bussysteme, wie z.B. das Controller-Area-Network (CAN)
verwendet, welches auch kurz als CAN-Bus bezeichnet wird. Dabei
ist eine Übertragung
von elektrischen Signalen zwischen einem sendenden und einem empfangenden
Busteilnehmer vorgesehen, welche über elektrische Leitungen erfolgt.
Derartige Leitungen können im
Betrieb aufgrund mechanischer Belastung oder anderer Einflüsse beschädigt werden,
was Fehler bei der Übertragung
verursacht. Beschädigte
Leitungen sollten in einem Bussystem nicht mehr verwendet werden,
jedoch können
herkömmliche
Systeme nur in begrenztem Umfang Fehler auf den Leitungen eines
Bussystems detektieren. Folglich kann nur eingeschränkt, z.B.
durch Abschalten der beschädigten Strecke,
auf einen detektierten Fehler reagiert werden. Herkömmliche
Mechanismen zur Prüfung
von Busleitungen sind außerdem
auf die Messung der Spannung der Busleitungen beschränkt. Dies
hat den wesentlichen Nachteil, dass Busleitungen, die aufgrund einer
bestimmten Leitungslänge
zum Schwingen neigen, nicht zuverlässig auf Fehler überwacht
werden können.
Das betrifft z.B. Kurzschlüsse zu
Fremdspannungen (wie z.B. der Versorgungsspannung) oder Kurzschlüsse zur
Masse.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, existierende Verfahren
und Vorrichtungen zur Erkennung von Fehlern in Bussystemen zu verbessern.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels einem
elektrischen Schaltkreis zum Betreiben eines Busses eines Feldbussystems
gelöst,
welcher Mittel zum Bestimmen eines Fehlers, insbesondere eines Fehlerstromes,
des Busses umfasst. Die Mittel zum Bestimmen des Fehlers beinhalten
gemäß diesem Aspekt der
Erfindung erste Mittel zum Bestimmen eines ersten Stromes einer
ersten Busleitung, zweite Mittel zum Bestimmen eines zweiten Stromes
einer zweiten Busleitung und Detektionsmittel zum Detektieren eines
Fehlers basierend auf dem ersten und dem zweiten Strom. Die vorliegende
Erfindung ist grundsätzlich
für alle
Mehrdrahtbusse einsetzbar, bei welchen Summenströme zu überwachen sind. Insbesondere
für Bussysteme
mit Zweidrahtleitungen ist die vorliegende Erfindung vorteilhaft.
Hierzu gehört der
CAN-Bus, aber auch der RS-485-Bus. Bei vielen Feldbussystemen, wie
z.B. dem CAN-Bus ist eine Übertragung
von Steuer- und Dateninformationen zwischen den Busteilnehmern über Zwei-
oder Mehrdrahtbusleitungen vorgesehen, an denen die Busteilnehmer
angekoppelt sind. Im ungestörten
Betrieb fließt
ein definierter Strom in eine erste Leitung des Busses (oder einen
Teil des Busses) und über
eine zweite Leitung des Busses fließt ein ebenso großer Strom
wieder heraus. Dabei wird der Strom z.B. über eine Leitung in die eine
Richtung geschickt und kehrt über
einen Abschlusswiderstand auf die zweite Leitung zurück. Die
vorliegende Erfindung schlägt
vor, die beiden Ströme
zu bestimmen und basierend auf dieser Messung einen Fehler des Busses
zu detektieren. Im Unterschied zu herkömmlichen Verfahren wird somit
keine Spannungsmessung in den Busleitungen vorgenommen. Statt dessen
werden die Ströme
auf den Leitungen gemessen. Dadurch wird insbesondere bei langen
Busleitungen vermieden, dass aufgrund von Schwingungsneigungen der
Busleitungen die Messungen unzuverlässig sind oder eine verhältnismäßig lange
Zeit dauern. Zudem lassen sich bestimmte Fehler durch eine reine
Spannungsmessung unter gewissen Randbedingungen nicht bestimmen.
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Die
vorliegende Erfindung ist auf alle Bussysteme anwendbar, bei denen
ein definierter Strom auf einer ersten Busleitung in die eine Richtung
und in entgegengesetzter Richtung auf einer zweiten Busleitung fließt. Die
Mittel zum Bestimmen der Ströme
können
beispielsweise vorteilhaft als Shunt-Widerstände ausgebildet und direkt
in die jeweilige Busleitung gekoppelt sein. Die Spannung, die über den Widerständen abfällt, gibt
den Strom durch die Busleitung wieder. Andere Möglichkeiten der Strombestimmung
basieren auf induktiver Kopplung, wie z.B. Reed-Sensoren. Die Mittel
zum Detektieren des Fehlers werden basierend auf dem jeweiligen
Messverfahren durch Vergleich von auf den Strömen basierenden Spannungen
implementiert. Beispielsweise können
hier Komparatoren zum Einsatz kommen, welche die entsprechenden
Spannungswerte vergleichen.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung
wird eine Treiberstufe zum Treiben einer Busleitung als Mittel zum Bestimmen
eines Stromes der Busleitung ausgestaltet und genutzt. Gemäß diesem
vorteilhaften Aspekt der Erfindung wird demnach keine eigene zusätzliche
Komponente in die Busleitung geschaltet, wie z.B. der vorstehend
erwähnte
Shunt-Widerstand. Stattdessen
wird ein Bestandteil einer Treiberstufe genutzt. Bei einer solchen
Treiberstufe handelt es sich vorteilhaft um eine Komponente, die
zum bestimmungsgemäßen Betrieb
der Busleitung vorgesehen ist. Derartige Komponenten sind z.B. in
sogenannten CAN-Transceivern anzutreffen, welche die Verbindung
zwischen einem CAN-Controller für
das Busprotokoll und den beiden oder einer Vielzahl von Busleitungen
bereitstellt. Der Datenaustausch zwischen den Busteilnehmern wird über die
vom CAN-Transceiver bereitgestellte Schnittstelle bewirkt. In anderen
Bussystemen kommen ähnliche Komponenten
vor. Diese können
in gleicher Weise von den vorgenannten Vorteilen der vorliegenden
Erfindung profitieren. Im Falle eines CAN-Busses beinhaltet der
Sendeteil einen Treiber für
jede Busleitung und einen Treibersteuerungsschaltkreis. Der sogenannte
High-Side-Treiber ist mit der Versorgungsspannung des CAN-Transceivers gekoppelt
und lässt Strom
in die erste Busleitung hineinfließen. Ein sogenannter Low-Side-Treiber
ist mit Masse gekoppelt und nimmt den Strom aus einer weiteren Busleitung auf.
Allgemein sind bei derartigen Treiberstufen Komponenten direkt in
den stromführenden
Pfad der Busleitungen geschaltet. Gemäß diesem Aspekt der vorliegenden
Erfindung werden diese Komponenten zur Bestimmung des Stromes genutzt.
Dies ist beispielsweise möglich,
indem die Spannung, welche über den
Komponenten abfällt,
zur Bestimmung des Stromes eingesetzt wird. Insbesondere kann bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ein Treibertransistor der Treiberstufe
als Mittel zum Bestimmen eines Stromes eingesetzt werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird eine Schutzdiode einer
an eine Busleitung gekoppelten Treiberstufe zum Bestimmen des Stromes
ein gesetzt. Der Vorteil einer solchen Anordnung besteht darin, dass
die Schutzdioden aufgrund einer nicht-linearen Kennlinie die Messempfindlichkeit
deutlich erhöhen
können.
Somit können
bereits kleine Abweichungen von einem gewünschten Strom detektiert werden.
Das Gleiche gilt für
Transistoren, die sich wie Dioden verhalten oder andere elektrische Bauteile,
die ein nicht-lineares Verhalten aufweisen. Die Diode oder der Transistor
können
zu diesem Zweck beispielsweise im Rückkopplungszweig einer Verstärkerschaltung,
wie z.B. einem Spannungsfolger oder Ähnlichem, angeordnet werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass in dem elektrischen
Schaltkreis Vergleichsmittel zum Vergleichen von Spannungswerten
vorgesehen sind, wobei die Spannungswerte auf dem ersten Strom und
dem zweiten Strom basieren und die Vergleichsmittel ausgestaltet
sind, um mindestens zwei getrennte Vergleichsoperationen auszuführen. Erfindungsgemäß ist also
vorgesehen, dass eine Mehrzahl von Vergleichsoperationen ausgeführt werden
können,
die eine Zuordnung von Fehlern zu bestimmten Fehlertypen an den
beiden Busleitungen ermöglichen.
So können
z.B. Kurzschlüsse
jeder einzelnen Leitung gegenüber
Masse oder Fremdspannungen sowie Kurzschlüsse zueinander oder Unterbrechungen
der Leitungen ermittelt werden. Das gelingt dadurch, dass mehr als
ein Vergleich stattfinden kann.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der elektrische Schaltkreis
ausgestaltet, um das Bestimmen des Fehlers in Abhängigkeit
des Sendezustandes des Busses vorzunehmen. Dadurch wird gewährleistet,
dass ein vordefinierter Betriebszustand der Busleitungen gegeben
ist, was die Bestimmung der spezifischen Fehler erleichtert. Beim
CAN-Bus werden beispielsweise dominante und rezessive Buszustände unterschieden.
Ein rezessiver Zustand liegt vor, wenn alle Treiber aller an den
Bus angeschlossenen Busteilnehmer passiv sind. Der Bus weist dann
ein spezifisches Potential der Leitungen auf. Wenn mindestens einer
der Treiber eines Busteilnehmers aktiv ist, gilt dies als dominanter
Zustand. Im dominanten Zustand liegt eine spezifische Potentialdifferenz
zwischen den Busleitungen vor. Außerdem ist in diesem Betriebszustand
ein definierter Stromfluss gegeben. Vorteilhaft ist eine Bestimmung des
Fehlers in dem dominanten Sendebe trieb, weil sich in diesem Zustand
die Ströme
bestimmungsgemäß auf den
Leitungen in der zuvor definierten Weise ausbreiten. Weichen der
oder die Ströme
auf den Leitungen von den Vorgaben ab, ist im dominanten Zustand
die Bestimmung eines Fehlerstromes möglich.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung des elektrischen Schaltkreises
sieht vor, dass in Reaktion auf einen Fehler des Busses eine oder
mehrere defekte Busleitungen abgeschaltet werden. Diese Busleitungen
werden für
die weitere Datenübertragung nicht
mehr verwendet. Stattdessen kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass
defekte Busleitungen, für
welche ein Fehler detektiert wurde, durch funktionsfähige redundante
Busleitungen ersetzt werden. Dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung
ist insbesondere für
Mehrkanalbussysteme interessant, in denen eine Vielzahl von getrennten
Bussen vorliegen.
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Gemäß einem
weiteren vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die
Mittel zum Detektieren des elektrischen Schaltkreises ausgestaltet, um
einen Kurzschluss einer der Busleitungen gegenüber Masse oder einen Kurzschluss
einer der Busleitungen gegenüber
einer Fremdspannung zu detektieren. Insbesondere ist von der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
des elektrischen Schaltkreises auch eine Detektion beider Fehler
vorgesehen. Da erfindungsgemäß die Ströme auf den
Busleitungen bestimmt werden, können
durch Vergleich der Ströme nach
ihren absoluten und relativen Werten bestimmte Fehlertypen des Bussystems
unterschieden werden. Es kann also nicht nur festgestellt werden,
dass überhaupt
ein Fehler vorliegt, sondern dieser kann auch einem bestimmten Defekt
zugeordnet werden. Dies ermöglicht
eine flexible Reaktion auf den Fehler. Außerdem findet auf diese Weise
bereits eine Diagnose des Bussystems statt.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ebenfalls durch ein Verfahren
zum Bestimmen eines Fehlers in einem Mehrkanalbussystem gelöst, welches
die Schritte beinhaltet: Bestimmen eines ersten Stromes einer ersten
Busleitung, Bestimmen eines zweiten Stromes einer zweiten Busleitung,
Vergleichen von Werten, die von dem ersten und dem zweiten Strom
abgeleitet sind und Ausgeben eines Vergleichsergebnisses, welches
einem Fehler auf den Busleitungen entspricht, wobei die erste Busleitung und
die zweite Busleitung zwei Busleitungen einer gemeinsamen Busstrecke
eines Bussystems sind. Gemäß dieser
vorteilhaften Abfolge von Verfahrensschritten ist es möglich, allgemein
die Fehler, die auf einer aus mindestens zwei elektrischen Leitungen bestehenden
Busstrecke eines Mehrkanalbussystems auftreten können, zu bestimmen. So ist
bei bestimmten Bussystemen, wie z.B. dem CAN-Bus, eine Übertragung
von Steuer- und
Dateninformation zwischen den Busteilnehmern vorgesehen. Im ungestörten Betrieb
fließt
ein definierter Strom in eine erste Leitung der Busstrecke hinein,
und über
eine zweite Leitung der Busstrecke fließt ein ebenso großer Strom
heraus. Erfindungsgemäß wird diese
Symmetrie ausgenutzt, um Kurzschlüsse oder Unterbrechungen der
Busleitungen zu bestimmen.
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Gemäß einem
weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung umfasst der Schritt
des Vergleichens mindestens einen ersten Vergleich und einen zweiten Vergleich,
wobei der erste Vergleich dafür
vorgesehen ist, einen ersten Fehlerzustand des Busses zu bestimmen
und der zweite Vergleich dafür
vorgesehen ist, einen zweiten Fehlerzustand des Busses zu bestimmen.
Erfindungsgemäß betreffen
der erste und der zweite Fehlerzustand unterschiedliche physikalische
Defekte des Busses. Anhand der genannten vorteilhaften Ausgestaltung
wird deutlich, dass das erfindungsgemäße Verfahren geeignet ist,
eine Vielzahl unterschiedlicher Fehlersituationen auf einen Bus
zu unterscheiden. So können
die Busleitungen nicht nur auf das Über- oder Unterschreiten vorgegebener
Pegel untersucht werden. Zusätzlich
können Kurzschlüsse der
beiden Busleitungen einzeln oder zueinander ermittelt werden. Durch
die Messung von Strömen,
die auf den Busleitungen geführt
werden, werden zudem die Nachteile einer Spannungsmessung vermieden.
Dies hat die positive Folge, dass auch lange Busleitungen, die ein
Schwingverhalten aufweisen können,
zuverlässig
geprüft
werden können.
Insbesondere ein Kurzschluss gegen Masse kann erfindungsgemäß ebenfalls
erkannt werden. Außerdem
können
einseitige Kurzschlüsse
einer Busleitung zu einer Fremdspannung oder zur Masse, die zu Kommunikationsfehlern
führen
können,
detektiert werden.
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Gemäß einem
weiteren vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bei
dem ersten Vergleich eine erste Vergleichsspannung, welche auf dem
Mittelwert der beiden Spannungen der Busleitungen basiert, mit einem
zweiten Vergleichswert verglichen, welcher auf einer Kombination
des Mittelwertes der Spannungen auf den Busleitungen und Spannungen
basiert, die von den Strömen
durch die erste und zweite Busleitung abgeleitet sind.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Schaltkreis können die
Vorgänge
bezüglich
eines CAN-Busses wie folgt beschrieben werden: Bei einem Kurzschluss einer
zweiten Busleitung nach Masse fließt der Strom von der ersten
Busleitung über
den Bus zur zweiten Busleitung und von dort direkt nach Masse. Damit nimmt
der Strom nicht den regulären
Weg über
die Busleitungen. Ist ein ("zweites") Sensierungsmittel (z.B.
Shunt-Widerstand) in die zweite Leitung gekoppelt, fließt weniger
Strom über
das zweite Sensierungsmittel. Aufgrund dessen verschiebt sich das Spannungsverhältnis dahingehend,
dass eine zweite Vergleichsspannung am zweiten Sensierungsmittel einen
niedrigeren Wert annimmt. Hierdurch wechselt der Ausgang des zweiten
Vergleichsmittels von einem ersten Ausgangszustand in einen zweiten,
z.B. von High nach Low. Ein analoger Vorgang ist zu beobachten,
wenn ein Kurzschluss der ersten Busleitung gegen Masse vorliegt.
Bei einem Kurzschluss der ersten Busleitung zu einer Fremdspannung
fließt durch
das erste Sensierungmittel, welches in die erste Busleitung gekoppelt
ist, kein Strom. Über
den Bus fließt
von der Position des Kurzschlusses aus ein Fehlerstrom von der ersten
Busleitung zur zweiten Busleitung und von dort über das zweite Sensierungsmittel
gegen Masse zurück.
Damit verschiebt sich das Spannungsverhältnis an den Vergleichsmitteln,
so dass die zweite Vergleichsspannung einen höheren Wert annimmt. Hierdurch
wechselt der Ausgang des ersten Vergleichsmittels von einem ersten logischen
Zustand in einen zweiten, z.B. von High nach Low. Genauso verhält sich
die Schaltung bei einem Kurzschluss der zweiten Busleitung zu einer Fremdspannung.
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Im
rezessiven Zustand fließen
weder durch das erste noch das zweite Sensierungsmittel Ströme. Die
Sensierungsmittel sind so angeordnet, dass sie den Strom in den
Busleitungen sensieren können. Hierfür können die
Sensierungs mittel als Shunt-Elemente (Widerstand, Diode, Transistor,
etc.) in die Leitungen geschaltet sein. Vorteilhaft ist die Anordnung zwischen
den Treibern und den Anschlusspunkten für die Leitungen. Wie zuvor
dargestellt, können
die Sensierungsmittel auch als Teile der Treiberstufen realisiert
werden, indem z.B. ein Spannungsabfall über einem Transistor der Treiberstufe
ermittelt wird.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen erläutert.
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Es
zeigt
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1 ein
vereinfachtes Schaltbild eines elektrischen Schaltkreises gemäß einem
Ausführungsbeispiel
gemäß einem
vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung,
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2 ein
vereinfachtes Schaltbild eines Schaltkreises gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
gemäß einem
weiteren vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung,
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3 ein
vereinfachtes Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels gemäß einem
weiteren vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung,
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4 ein
vereinfachtes Schaltbild eines vierten Ausführungsbeispiel gemäß einem
weiteren vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung, und
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5 ein
Zeitablaufdiagramm zur Erläuterung
der Pegel auf einem Bussystem.
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1 zeigt
ein vereinfachtes Schaltbild eines Ausführungsbeispiels gemäß einem
vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung. Ein erfindungsgemäßer Fehlerdetektionsschaltkreis
SENS ist zwischen den beiden Übertragungsleitungen
CAN-H, CAN-L eines CAN-Bussystems angeordnet. in einem typischen CAN-Bussystem
sind eine Vielzahl von Zweidrahtübertragungsstrecken
mit jeweils zwei Übertragungsleitungen
CAN-H, CAN-L vorgesehen. Die Leitung CAN-H ist an einen Ausgangstreiber High-Side-Treiber
HS-D (High-Side-Driver) gekoppelt. Dieser erzeugt Spannungs- und/oder
Strompegel gemäß einer
standardisierten Spezifikation. Gleiches gilt für die Übertragungsleitung CAN-L, welche an
einen entsprechenden Treiber LS-D (Low-Side-Driver) gekoppelt ist.
In die Leitungen CAN-H und CAN-L sind Widerstände R-H und R-L als erste und zweite
Sensierungsmittel eingekoppelt. An diese ist ein Detektionsmittel,
nämlich
der Schaltkreis DET zum Detektieren eines Fehlers, bzw. zum Detektieren
von Fehlerströmen
angeschlossen. Über
den Spannungsteiler R1/R2 wird der Mittelwert der Spannung am Knoten
N1 gebildet. Dieser wird den Komparatoren CP1 und CP2, welche als
Vergleichsmittel arbeiten, jeweils an einem positiven und einem
negativen Eingang zugeführt.
Die jeweils anderen Anschlüsse
der Komparatoren CP1 und CP2 erhalten ihre Spannungen von einer
Widerstandskette R3, R4 und R5. Die Widerstände R1 und R2 sind gemäß einem
vorteilhaften Aspekt der Erfindung gleich groß gewählt, so dass sich im Rahmen
gewisser Toleranzen am Knoten N1 genau das mittlere Potential der beiden
Spannungen auf den Leitungen CAN-H und CAN-L ergibt. Der Spannungsteiler
R3, R4 und R5 ist so dimensioniert, dass die Spannungen an den Knoten
N2 und N3 gegenüber
dem Potential am Knoten N1 im Normalbetrieb, also ohne dass ein
Fehler auftritt, ein konstantes vordefiniertes Ausgangssignal liefern.
Im vorliegenden Fall können
die Komparatoren CP1 und CP2 an ihren Ausgängen COUT1 und COUT2 jeweils
einen logischen High- oder "1"-Pegel aufweisen.
Dabei wird erfindungsgemäß berücksichtigt,
dass im Normalbetrieb ein in die Leitung CAN-H hineinfließender Strom
dem Betrage nach dem Strom entspricht, welcher diesen Teil der Busstrecke über die
Leitung CAN-L verlässt.
Dazu wird der Strom über
einen Abschlusswiderstand R-CAN zurückgeführt. Solange die vorgenannte
Bedingung erfüllt
ist, also im Normalbetrieb, befinden sich die Eingangsspannungen
für die
Komparatoren in einem Verhältnis
zueinander, welches die Ausgänge COUT1
und COUT2 der Komparatoren CP1 und CP2 in einen Zustand versetzt,
der als Normalzustand oder fehlerfreier Zustand definiert ist. Tritt
nun in dem gestrichelten Bereich, also außerhalb des Fehlerdetektionsschaltkreises
SENS der Busstrecke ein Fehler auf, z.B. durch einen Kurzschluss
gegen Masse oder einen Kurzschluss zu einer Fremdspannung, wird
dies dazu führen,
dass zwischen den beiden Strömen
auf der CAN-H- und der CAN-L-Leitung eine Differenz entsteht. Die
Spannungsteiler zwischen den Leitungen reagieren auf einen Fehlerzustand durch
veränderte
Knotenspannungen an den Knoten N1, N2 und N3. Überschreitet der Fehler einen
bestimmten Grenzwert, verändern
sich die Knotenspannungen N1, N2 und N3 so sehr, dass die Komparatoren
CP1 und CP2 hierauf mit einem Umschalten der Ausgänge COUT1
und COUT2 reagieren. Insgesamt können
die beiden Ausgänge
COUT1 und COUT2 der Komparatoren in Kombination drei verschiedene
Zustände
annehmen. Daher lassen sich insgesamt z.B. ein Normalzustand und
zwei verschiedene Fehlerzustände
detektieren. Bei einem Kurzschluss von CAN-L nach Masse fließt der Strom von
CAN-H über
den Bus zu CAN-L und von dort direkt nach Masse und somit nicht über R-L.
Dadurch verschiebt sich das Spannungsverhältnis, so dass die zweite Vergleichsspannung
N3 am Komparator CP2 einen niedrigen Wert annimmt. Hierdurch wechselt
der Ausgang COUT2 des Komparators CP2 von High nach Low. Analog
hierzu verhält
sich die Schaltung bei einem Kurzschluss von CAN-H nach Masse. Bei
einem Kurzschluss von CAN-H zu einer Fremdspannung fließt durch
R-H kein Strom. Über
den Bus fließt
vom Kurzschluss an CAN-H ein Fehlerstrom zu CAN-L und dort über R-L nach Masse zurück. Damit verschiebt
sich das Spannungsverhältnis,
so dass die zweite Vergleichsspannung COUT2 am zweiten Komparator
CP2 einen höheren
Wert annimmt. Hierdurch wechselt der Ausgang COUT1 des Komparators
CP1 von High nach Low. Analog verhält sich die Schaltung bei einem
Kurzschluss von CAN-L zu einer Fremdspannung. Im rezessiven Zustand
fließen
weder durch R-H noch durch R-L Ströme.
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Zur
weiteren Verdeutlichung der Funktionsweise zeigt 2 ein
vereinfachtes Schaltbild eines Schaltkreises gemäß einem vorteilhaften Aspekt
der vorliegenden Erfindung. Die Schaltung ist in weiten Teilen gleich
oder ähnlich
ausgestaltet, wie der zuvor bezüglich 1 beschriebene
Schaltkreis. Zusätzlich
ist nun der Widerstand R4 in zwei Teile aufgeteilt und bietet die
Möglichkeit,
eine Knotenspannung N4 abzugreifen. Zwischen den Knoten N1 und N4
ergibt sich die Brückenspannung
Ubr. Ist der Strom durch R-H genau so groß wie der Strom durch R-L,
wobei die Ströme
bei Normalbetrieb, wie zuvor beschrieben, in umgekehrte Richtung
fließen,
ergibt sich die Brückenspannung
Ubr zu null. Ist jedoch der Strom durch R-H (der herausfließende Strom)
größer als der
Strom durch R-L (der hereinfließende
Strom), wird die (virtuelle) Brückenspannung
Ubr positiv. Überschreitet
Ubr einen Schwellwert, so wird der Komparator CP2 umgeschaltet.
Damit wird angezeigt, dass der Fehlerstrom IFehler =
I–H +
I–L zu
groß ist
und eine Verbindung zu einem Fremdpotential vorliegt. Der Komparator
CP2 erzeugt das komplementäre
Fehlersignal. Das heißt,
er gibt an, wenn der Fehlerstrom das umgekehrte Vorzeichen aufweist.
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3 zeigt
ein vereinfachtes Schaltbild einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung
der vorliegenden Erfindung. Die Schaltung gemäß 3 ist im Wesentlichen
gleich ausgeführt
wie die Schaltung der 1 und 2. Zusätzlich sind
nun noch Dioden D1 und D2 vorgesehen. Da ausschließlich im
dominanten Zustand der Ausgangstreiber HS-D und LS-D eine Stromsumme überwacht
wird, besteht eine vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung
in der Verwendung der High-Side- und der Low-Side-Schalter als Überbrückungselemente (Shunts).
Entsprechend ist der Widerstand R-H der Durchgangswiderstand Ron-HS
des High-Side-Treibertransistors HS-D. Der zweite Widerstand R-L
wird durch den Durchgangswiderstand Ron-LS des Low-Side-Treibertransistors
implementiert.
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Der
CAN-Bus kann zwei Zustände
einnehmen: einen rezessiven und einen dominanten Zustand. Der rezessive
Zustand liegt vor, wenn alle Treiber der am Bus angeschlossenen
Komponenten (typischerweise Transceiver) passiv sind, d.h. keiner der
Treiber im Sendezustand ist. In dieser Situation beträgt die Differenzspannung
zwischen den beiden Busleitungen etwa 0 V. Die möglichen Toleranzen der Spannung
im rezessiven Zustand sind standardisiert (ISO 11898). Demnach können die
Spannungspegel zwischen etwa –50
mV und +500 mV liegen. Der logische Pegel, welcher diesem Zustand
zugeordnet ist, ist als High-Pegel oder logisch "1" definiert.
Sobald mindestens ein Treiber am Bus in den aktiven Zustand wechselt,
wird der gesamte Bus als dominant bezeichnet. Die Differenzspannung
auf dem Bus liegt dann bei typischerweise 2,25 V, wobei auch diese
Spannung in einem definierten Bereich variieren kann. Demnach darf
die Spannung zwischen 1,5 V und 3 V annehmen. Dieser dominante Zustand
wird als logisch "0"- oder Low-Pegel
definiert. Die Dioden D1 und D2 sind die Schutzdioden des High-Side-Treibers
HS-D und des Low-Side-Treibers LS-D. Diese können bei entsprechender Kopplung
außerhalb
der Schaltung, also zwischen den Ausgängen der Schaltung und den
zu sensierenden Busleitungen CAN-H, CAN-L angeordnet sein. Bei dieser
vorteilhaften Ausgestaltung wird der Spannungsteiler aus R3, R4
und R5 dauerhaft mit Spannung versorgt. Hierdurch ergeben sich im
rezessiven Zustand definierte Referenzspannungen an den Komparatoreingängen, wodurch
eine Fehlersensierung auch im rezessiven Zustand ermöglicht wird.
Eine andere Anordnung ergibt sich aus 4.
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4 zeigt
eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
Bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung werden nicht nur die Widerstände R-H
und R-L (gemäß 1)
durch die Durchgangswiderstände
der Treiberstufen Ron-HS, Ron-LS implementiert, sondern zusätzlich in
den Überbrückungspfad
auch noch die Dioden (Schutzdioden der Treiberstufen) D1 und D2
in die Überbrückungszweige
mit aufgenommen. Diese Ausgestaltung ist deshalb besonders vorteilhaft,
weil die nicht-lineare Diodenkennlinie zu einer erhöhten Empfindlichkeit
bei sehr kleinen Fehlerströmen
durch die Dioden führt.
Bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung wird der Spannungsteiler
aus R3, R4 und R5 dauerhaft mit Spannung versorgt. Hierdurch ergeben
sich im rezessiven Zustand definierte Referenzspannungen an den
Komparatoreingängen,
wodurch eine Fehlersensierung auch im rezessiven Zustand ermöglicht wird.
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5 zeigt
die zeitlichen Verläufe
der Signale an den Busleitungen CAN-H und CAN-L. Darüber hinaus
sind ein Logiksignal TX0 und die Signale an den Komparatoren CP1
und CP2 dargestellt. Solange kein Sendebetrieb auftritt, TX0 sich
also auf logisch High befindet, sind die Komparatoren bei den Ausgestaltungen
nach 1 und 2 in einem undefinierten Zustand.
Sobald TX0 den Sendebetrieb einleitet, wechselt der Bus vom rezessiven
in den dominanten Zustand. Zum Zeitpunkt T0 kann ein Ausgangswert
der Komparatoren CP1 und CP2 abgegriffen werden und anhand dieser
Werte ein Fehler auf einer der Busleitungen bestimmt werden. Erfindungsgemäß findet
die Fehlerdetektion, also die Bestim mung eines Fehlers der Busleitungen
in Abhängigkeit
von dem Betriebszustand des Busses statt.