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Die Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf digitale Systeme, und insbesondere auf eine Busstruktur für einen seriellen Bus mit einem Sendekanal und einem Empfangskanal, und ein Verfahren zum Betreiben eines seriellen Bussystems mit einem Sendekanal und einem Empfangskanal.
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In digitalen Verarbeitungssystemen kommunizieren Vorrichtungen durch Datenaustausch. Zu diesem Zweck sind die kommunizierenden Vorrichtungen kommunikativ miteinander verbunden, d. h. es besteht eine Verbindung zwischen dem wenigstens einen Sender und einem Empfänger. Diese Verbindung, die auch als Kommunikationskanal bekannt ist, benötigt beispielsweise einen Pfad zum Senden/Empfangen der Daten und ein Datenübertragungsprotokoll, das den Datenaustausch spezifischer definiert.
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Bei herkömmlichen Datenübertragungssystemen sind eine Vielzahl von Hardware-Architekturen und eine entsprechende Vielzahl von Datenübertragungsprotokollen bekannt, wobei spezifische Hardware-Architekturen spezifischen Übertragungsprotokollen zugeordnet werden können, und umgekehrt. Protokolle können beispielsweise spezifizieren, Daten seriell oder parallel zu übertragen. Parallele Datenübertragungsprotokolle spezifizieren, dass z. B. ein Datenbyte mittels acht paralleler Drähte gleichzeitig signalisiert wird, so dass wenigstens acht parallele Leitungen in einem Sendekanal benötigt werden. Im Gegensatz dazu können Datenübertragungsprotokolle spezifizieren, Daten seriell zu übertragen.
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Bei seriellen Datenübertragungsprotokollen werden die Bits der zu übertragenden Daten nacheinander mittels einer Leitung oder eines Drahts signalisiert, wobei das Protokoll spezifizieren kann, dass die Daten in Datenframes gepackt werden. Ein Datenframe kann die zu übertragenden Daten und spezifische Protokolldaten, beispielsweise eine Adresse, die den Adressaten der Daten angibt, einen Frame-Identifizierer und Daten zum Sicherstellen der Datenintegrität aufweisen. Zum Übertragen von Daten zwischen Computervorrichtungen sind zahlreiche herkömmliche serielle Datenübertragungsprotokolle bekannt, beispielsweise Universal Serial Bus (USB) oder IEEE 1394 (Firewire).
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Außer der bekannten Verwendung bei Personalcomputern werden serielle Bussysteme erfolgreich in verschiedenen Industriemaschinen zum Steuern der darin enthaltenen Vorrichtungen eingesetzt. Zahlreiche serielle Datenübertragungsprotokolle wurden speziell zum Steuern von Vorrichtungen in Maschinen entwickelt, die beispielsweise als Controller Area Network (CAN) oder Local Interconnect Network (LIN) oder Inter-Integrated Circuit (I2C) bekannt sind. Diese Protokolle wurden beispielsweise für den Einsatz in der Automobilindustrie oder in der Automatisierungsbranche oder in sogenannten eingebetteten Systemen entwickelt, z. B. zum Steuern verschiedener Bedienungselemente oder Systeme. Obwohl sich die Protokolle in verschiedenen Spezifikationsdetails unterscheiden, haben sie gemeinsam, dass die Busknoten wenigstens eine Leitung zum Übertragen/Senden und zum Empfangen von Daten miteinander teilen, wobei die gemeinsame Leitung zum Senden oder Empfangen von Daten mittels eines differentiellen Signals, wie es beispielsweise aus dem physikalischen Protokoll des CAN-Busses bekannt ist, implementiert werden kann, oder mittels einer einzigen Leitung mit Erde als Referenzpotential, d. h. wie es beispielsweise aus dem LIN-Bus bekannt ist.
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Typischerweise wird die Logik zum Implementieren eines Kommunikationsprotokolls von einem Mikrocontroller bereitgestellt, wobei der Mikrocontroller Anschlüsse bereitstellt, die die über das Bussystem zu sendenden Daten liefern und des Weiteren eine weitere Schnittstelle, die an eine zu steuernde Vorrichtung gekoppelt ist. Der Mikrocontroller kann des Weiteren eine andere Funktionalität zum Steuern der gekoppelten Vorrichtung gemäß über den Bus empfangener Daten oder zum Senden von Daten, die von der Vorrichtung erzeugt wurden, bereitstellen. Der Mikrocontroller dient demgemäß als Schnittstelle der Vorrichtung mit dem Bussystem eines spezifischen Kommunikationsprotokolls.
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Die von dem Mikrocontroller zum Senden der Daten über das Bussystem bereitgestellten Datensignale können normalerweise nicht direkt an die physikalischen Busdrähte gekoppelt werden, da die von dem Bus bereitgestellten Logikdaten nicht alle Erfordernisse des Bussystems erfüllen. Bei der Betrachtung der Signalintegrität muss beispielsweise die Ausgangsstufe Signale eines vorgegebenen Spannungspegels bereitstellen. Demgemäß wird, da herkömmliche Mikrocontroller nicht so ausgelegt sind, dass sie Signalpegel bereitstellen, deren Signalintegrität mit Langdrähten konform ist, bei herkömmlichen Bussystemen ein Mikrocontroller über einen Transceiver an die physikalischen Busdrähte gekoppelt. Der Transceiver, der ein kombinierter Sender und Empfänger in einem einzigen Gehäuse mit einer gemeinsamen Schaltung ist, stellt die Funktionalität zum Anlegen der Signale von dem Sende(transmit; TxD)-Anschluss des Mikrocontrollers zu dem Busdraht und auch zum Koppeln von Daten, die auf dem Busdraht signalsiert werden, an den Empfangs(receive; RxD)-Anschluss des Mikrocontrollers bereit. Durch Verbinden der TxD- und RxD-Anschlüsse jedes Busknotens über einen Transceiver mit der gemeinsamen Leitung bildet die Leitung ein Wired-AND (verdrahtetes UND).
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Bei Strukturen, bei denen sich die Busknoten in verschiedenen Spannungsbereichen befinden, in denen unterschiedliche Referenzpotentiale, d. h. unterschiedliche Bezugspotentialpegel, verwendet werden, verwenden die Busknoten verschiedene Spannungen als Referenzpotentiale. Da die Busknoten ein Signal des RxD- oder TxD-Anschlusses auf ihr individuelles Referenzpotential beziehen, können Bussignale Spannungen haben, die nicht mit dem spezifischen Knoten konform sind. Demgemäß muss bei Bussystemen, die mehr als einen Spannungsbereich abdecken, zusätzlich die galvanische Trennung der verschiedenen Spannungsbereiche erfolgen. Ein Entkoppler, beispielsweise ein Optokoppler/Optoisolator oder ein Transformator kann eine solche galvanische Trennung bereitstellen.
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Bei einem Bussystem, das eine Vielzahl von Busknoten in verschiedenen Spannungsversorgungsbereichen aufweist, werden Knoten, die sich in Versorgungsbereichen befinden, die eine andere Referenzspannung haben, als das Bussystem, galvanisch von dem Bussystem abgekoppelt. Demgemäß sind bei herkömmlichen Systemen die RxD- und TxD-Anschlüsse eines Mikroprozessors jeweils mit einer Entkopplungsvorrichtung gekoppelt, die Entkopplungsvorrichtung ist an einen Transceiver gekoppelt, der wiederum an die Busdrähte gekoppelt ist. Da sich die Entkopplungsvorrichtungen zwischen den Mikroprozessoren und den Transceivern befinden, sind die Mikroprozessoren galvanisch von den Transceivern entkoppelt. Alle Transceiver können demgemäß in einem einzigen Spannungsbereich platziert werden, d. h. sie können in einem einzigen Spannungsbereich versorgt werden, und jeder Mikroprozessor kann durch jeden beliebigen anderen Spannungsbereich versorgt werden.
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In der Druckschrift
US 4,514,841 A ist eine Busstruktur für einen seriellen Bus mit einem Sendekanal und einem Empfangskanal zum kommunikativen Koppeln einer Vielzahl von Knoten offenbart, wobei der Sendekanal als Empfangskanal an die Empfangsanschlüsse der gekoppelten Knoten zurückgeschleift wird.
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In der
US 3,891,804 A ist eine asynchrone Daten-Übertragungs-Anordnung beschrieben, bei der ein serieller Bus verwendet wird, und ein Zurückschleifen eines Sendekanals als Empfangskanal an an den Bus gekoppelte Knoten erfolgt.
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Bei herkömmlichen Bussystemen benötigt jede Verbindung eines Knotens mit dem Bus, d. h. ein Mikroprozessor, der die Buslogikfunktionen implementiert, wenigstens einen Transceiver und, wenn der Knoten sich in einem Spannungsbereich befindet, der sich von dem Busspannungsbereich unterscheidet, zusätzliche Entkopplungsvorrichtungen zum galvanischen Trennen der unterschiedlichen Spannungsbereiche. Daher besteht ein Bedarf an einer verbesserten Busstruktur, und einem verbesserten Verfahren zum Betreiben eines seriellen Bussystems. Die Erfindung löst die o. g. bzw. weitere Probleme durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 10. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die beigefügten Zeichnungen werden einbezogen, um ein weitergehendes Verständnis der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen, und sind in diese Schrift aufgenommen und stellen einen Teil davon dar. Die Zeichnungen zeigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern der Grundgedanken der Erfindung. Andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und viele der angestrebten Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ohne weiteres erkannt werden, wenn sie unter Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung besser verstanden werden.
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1 zeigt eine schematische Struktur eines Bussystems in einem einzigen Spannungsbereich;
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2 zeigt eine schematische Struktur eines Bussystems mit einer Vielzahl von Knoten in unterschiedlichen Spannungsbereichen, wobei der Empfangskanal des Busses in einer ersten Konfiguration konfiguriert ist;
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3 zeigt eine weitere Busstruktur eines Bussystems mit einer Vielzahl von Knoten in unterschiedlichen Spannungsbereichen, wobei der Empfangskanal in einer zweiten Konfiguration konfiguriert ist;
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4 zeigt eine weitere Busstruktur eines Bussystems mit einer Vielzahl von Knoten in unterschiedlichen Spannungsbereichen, wobei der Empfangskanal in einer dritten Konfiguration konfiguriert ist;
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5 zeigt eine weitere Busstruktur eines Bussystems mit einer Vielzahl von Knoten in unterschiedlichen Spannungsbereichen, wobei die Struktur so konfiguriert und ausgelegt ist, dass sie Knoten einzeln an den Bus koppelt.
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In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in denen zur Erläuterung bestimmte Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung praktiziert werden kann. Es ist selbstverständlich, dass andere Ausführungsformen verwendet und strukturelle oder anderweitige Änderungen vorgenommen werden können, ohne dass vom Umfang der vorliegenden Erfindung abgewichen wird. Die folgende detaillierte Beschreibung soll daher nicht im beschränkenden Sinne aufgefasst werden, und der Umfang der vorliegenden Erfindung wird von den beigefügten Ansprüchen definiert.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer seriellen Busstruktur 100, die drei Busknoten 110, 120 und 130 aufweist. Jeder der Knoten ist mit seinen Busanschlüssen, d. h. mit seinem Sendeanschluss TxD und mit seinem Empfangsanschluss RxD, an die Busdrähte des Busses 140 gekoppelt.
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Bei der gezeigten Ausführungsform kann der Knoten 110 als erster Knoten betrachtet werden, der an den Bus 140 gekoppelt ist, da kein weiterer Knoten an den Empfangskanal 140b zu koppeln ist. Der Sendeanschluss TxD des Knotens 110 ist an den ersten der beiden Buskanäle gekoppelt, der in der Beschreibung im folgenden Sendekanal 140a genannt wird. Der zweite Knoten 120 ist über ein Verknüpfungs-Gatter 150, das eine logische AND-Operation für das vorhandene Signal des Sendekanals und das an dem TxD-Anschluss des Knotens 120 ausgegebene Sendesignal durchführt, an den Sendekanal 140a gekoppelt. Der Ausgang des Verknüpfungs-Gatters 150 wird dann auf dem Sendekanal 140a weitergeleitet. Ähnlich wird der Ausgang des TxD-Anschlusses des Knotens 130 an den Bus, d. h. an den Sendekanal 140a, über ein weiteres Verknüpfungs-Gatter 151 gekoppelt. Der Knoten 130 kann als letzter an den Bus zu koppelnder Knoten betrachtet werden, da in der Kette kein weiterer Knoten vorhanden ist, dessen TxD-Anschluss an den Sendekanal 140a gekoppelt werden muss, so dass der Sendekanal 140a als Empfangskanal 140b zurückgeschleift werden kann. Auf diese Weise kann eine Vielzahl von Busknoten an den Bus gekoppelt werden, wobei jeder Sendeanschluss TxD eines Knotens, außer des ersten Knotens, über ein Verknüpfungs-Gatter an den Sendekanal 140a des Busses 140 gekoppelt ist. Der Kanal 140a bildet auf diese Weise ein Wired-AND (verdrahtetes UND) der TxD-Anschlüsse aller Busknoten, die an den Bus 140 gekoppelt sind. Die Kette von Busknoten kann so erweitert werden, dass sie weitere Busknoten enthält, indem Busknoten wie der Knoten 120 zwischen den Knoten 110 und 130 hinzugefügt werden.
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Nachdem der TxD-Ausgang des letzten Knotens an den Sendekanal 140a gekoppelt worden ist, wird der Kanal an die Empfangsanschlüsse, d. h. die RxD-Anschlüsse, aller Busknoten zurückgeschleift, so dass diese Leitung einen Empfangskanal 140b bildet. Der Kanal 140b reflektiert auf diese Weise den tatsächlichen Signalstatus des Kanals 140a nach Durchlauf aller Verknüpfungs-Gatter 150, 151 bis zum letzten an den Bus zu koppelnden Knoten 130 und stellt das Signal für den Empfangsanschluss, d. h. RxD-Anschluss, jedes Knotens, der an den Bus 140 gekoppelt ist, bereit.
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Wahlweise kann das von der letzten Verknüpfung 151 ausgegebene Signal beispielsweise von einer Invertervorrichtung – die in der Zeichnung nicht gezeigt ist – invertiert werden, bevor es an die RxD-Anschlüsse der Knoten gekoppelt wird, so dass die Signale auf dem Sendekanal 140a und auf dem Empfangskanal 140b komplementäre Signale bilden. Es wird angemerkt, dass das optionale Inverter-Gatter nach dem letzten Verknüpfungs-Gatter 151 angeordnet wird, so dass es das invertierte Wired-AND-Signal als gemeinsames Empfangssignal ausgibt. Das komplementäre RxD-Signal kann lokal in den Kommunikationscontrollern auf seinen ursprünglichen Pegel zurückinvertiert werden. So können Kurzschlüsse zwischen RxD- und TxD-Leitungen außerhalb des Kommunikationscontrollers ermittelt werden.
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Bei einem Beispiel kann das Bussystem 100 verwendet werden, um Knoten zu koppeln, die das CAN-Bus-Protokoll verwenden, das ein asynchrones serielles Busübertragungsprotokoll implementiert, das zwei Drähte verwendet, wobei das Signal auf den Drähten ein differentielles Signal ist. Der Busknoten 110 kann beispielsweise ein Mikrocontroller sein, der das Protokoll implementiert und der an seinen TxD- und RxD-Anschlüssen Signale bereitstellt, die beispielsweise einen TTL-Pegel haben. Ähnlich anderen herkömmlichen Bussystemen verwendet das CAN-Protokoll ein Carrier Sense Multiple Access and Collision Resolution (CSMA/CR) (Mehrfachzugriff mit Trägerprüfung und Kollisionsauflösung) – Verfahren zur Bus-Arbitration. Die Verknüpfung der TxD-Signale aller gekoppelten Busknoten unterstützt die notwendige Funktionalität, indem ein dominanter Signalpegel, d. h. in diesem Falle eine logische 0, ein rezessives Signal, d. h. entsprechend eine logische 1, außer Kraft setzt. Es wird angemerkt, dass das CAN-Busprotokoll das dominante Signal, d. h. die logische 0, als einen niedrigen Pegel und einen rezessiven Pegel als einen hohen Pegel spezifiziert, so dass bei einer Verknüpfung, d. h. einer logischen AND-Kombination, der niedrige Pegel als dominanter Pegel einen rezessiven hohen Pegel außer Kraft setzt. Weitere Feldbussysteme, die ähnliche Protokolleigenschaften implementieren, sind LIN und I2C.
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Es wird angemerkt, dass die Busstruktur von 1 auch für Busprotokolle verwendet werden kann, bei denen ein dominanter Pegel als logische 1 definiert ist und ein logisches 0-Signal demgemäß das rezessive Signal definiert, wenn, die von den Vorrichtungen 150, 151 durchgeführte logische Operation eine OR-Operation (ODER-Operation) ist. Das Signal am Ende der Sendeleitung 140a, d. h. nachdem für die TxD-Signale aller Knoten eine OR-Operation durchgeführt worden ist, bildet somit ein Wired-OR (verdrahtetes ODER). Auch ein optionaler Inverter kann in diesen Strukturen enthalten sein, um den invertierten Sendekanal als gemeinsamen Empfangskanal bereitzustellen.
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Es ist möglich, dass herkömmliche Mikroprozessoren, die beispielsweise in CMOS-Technologie implementiert sein können, keine Signale bereitstellen, die geeignet sind, direkt an die Drähte eines Bussystems gekoppelt zu werden. Ähnlich ist es möglich, dass herkömmliche Logik-Vorrichtungen, die eine Verknüpfung oder ein logisches OR implementieren, keine geeigneten Signale bereitstellen. In diesen Fällen, d. h. wenn die Signalstärke der Ausgangsanschlüsse es nicht ermöglicht, das Signal direkt an lange Busdrähte zu koppeln, wie es beispielsweise bei einem Fahrzeug oder einer Maschine notwendig ist, kann die vorgenannte Busstruktur mittels kurzer Busdrähte implementiert werden. Das heißt, die Busknoten können beispielsweise auf derselben Platine angebracht werden oder in einer integrierten Schaltung integriert werden, beispielsweise in einer Application Specific Integrated Circuit (ASIC) (anwendungsspezifische integrierte Schaltung). Diese Unzulänglichkeiten können jedoch zumindest mittels Logikgattern behoben werden, d. h. mit Vorrichtungen, die logisches AND oder OR durchführen, oder einem Inverter, der beispielsweise Schaltungen zum Ausgeben eines geeigneten Ausgangssignals, d. h. eines Signals, das eine geeignete Signalintegrität hat, um an einen Draht gekoppelt zu werden, aufweist. Bei einer Ausführungsform können die Logikgatter beispielsweise einen Verstärker zum Verstärken eines Ausgangssignals oder eine besondere Schaltung zum weiteren Formen des Ausgangssignals aufweisen, damit es bestimmte Signalerfordernisse, wie sie von dem verwendeten Übertragungsprotokoll benötigt werden, erfüllt.
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Die Struktur kann entweder mittels herkömmlicher Drähte zum Leiten eines Spannungs- oder eines Stromsignals implementiert werden, oder mittels Glasfasern, wenn das Signal ein Lichtsignal ist, wobei elektrische Signale einfach mittels herkömmlicher Spannungs-Licht-Wandler-Elemente in Lichtsignale umgewandelt werden können.
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Die in 1 gezeigte Struktur 100 offenbart auf diese Weise eine Struktur für einen seriellen Bus mit einem Sendekanal und einem Empfangskanal zum kommunikativen Koppeln einer Vielzahl von aktiven Knoten, wobei jeder Knoten über ein Logikgatter an den Sendekanal gekoppelt ist, wobei das Gatter für jeden Knoten lokal ist, und wobei der Sendekanal als gemeinsamer Empfangskanal zurückgeschleift ist, um Anschlüsse aller gekoppelten Knoten zu empfangen. Die Empfangsanschlüsse aller gekoppelten Knoten werden demgemäß galvanisch an den Empfangskanal gekoppelt. Das Logikgatter zum Koppeln eines Sendeanschlusses, d. h. TxD, an den Sendekanal kann entweder ein AND-Gatter oder ein OR-Gatter sein. Wahlweise kann ein Inverter-Gatter an den Sendekanal gekoppelt werden, um den invertierten Sendekanal als Empfangskanal bereit zu stellen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform können Knoten, die an den Bus gekoppelt sind, von verschiedenen Versorgungsquellen versorgt werden, wobei die Quellen unterschiedliche Referenzpotentiale haben können. In Anbetracht des Sendekanals muss jeder gekoppelte Knoten, d. h. sein TxD-Anschluss, notwendigerweise einen Signalpegel bereitstellen, der mit dem Signalbereich des Kanals konform ist. Ähnlich muss der Signalpegel des Empfangskanals mit dem erlaubten Signalbereich des Knotens, d. h. mit dem erlaubten Signalbereich seines RxD-Anschlusses, konform sein. Folglich müssen bei einer Busstruktur, die verschiedene Spannungsbereiche durchquert, d. h. bei der sich die Spannungen eines Knotens auf ein unterschiedliches Referenzpotential beziehen, die Signalpegel an/in das individuelle Referenzpotential angepasst/transformiert werden. Bei Anwendungen in Fahrzeugen ist das Referenzpotential, d. h. die 0V-Referenz, normalerweise das Fahrgestell des Fahrzeugs. Busknoten können jedoch in Schaltungen arbeiten, die an verschiedene Spannungspegel gekoppelt sind, die sich von dem Fahrzeuggestell-Pegel unterscheiden, so dass sie kein gemeinsames Referenzpotential haben und eine Kommunikationsdiskrepanz stattfinden kann.
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2 zeigt eine Busstruktur 200 mit Busknoten 210, 220 und 230, wobei der Knoten 210 in einem ersten Spannungsbereich 270 angeordnet ist und versorgt wird, der Knoten 220 in einem anderen Spannungsbereich 271 angeordnet ist und versorgt wird, und der Konten 230 in einem anderen Spannungsbereich 272 angeordnet ist und versorgt wird. Die Referenzpotentiale der Spannungsbereiche 270, 271 und 272 bei dieser Ausführungsform können sich beispielweise dahingehend unterscheiden, dass die Referenzspannung des Spannungsbereichs 271 höher ist, als die des Bereichs 270, und dass das Referenzpotential des Bereichs 272 höher ist, als das des Bereichs 271.
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Um den Signalpegel auf den Busdrähten in jedem Spannungsbereich anzupassen, sind die Vorrichtungen 280, 281, 282 und 283 in den Sendekanal 240a bzw. den Empfangskanal 240b integriert. Die Vorrichtung 280 transformiert das Signal des Sendekanals 240a in dem Spannungsbereich 270 in den Signalpegel des Spannungsbereichs 271 hinauf und entkoppelt die Busdrähte in dem Spannungsbereich 270 galvanisch von den Busdrähten in dem Spannungsbereich 271. Ähnlich transformiert die Entkopplungsvorrichtung 282 den Signalpegel in dem Spannungsbereich 271 in den Signalpegel in dem Spannungsbereich 272, d. h. den Signalpegel, der sich auf das Referenzpotential des Spannungsbereichs 272 bezieht, hinauf. Umgekehrt, d. h. von einem höheren Spannungsbereich in einen Bereich niedrigerer Spannung, transformieren die Vorrichtungen 281 und 283 das Bussignal des Empfangskanals 240b hinunter, so dass die Signalpegel des Empfangskanals direkt galvanisch an die RxD-Anschlüsse der Knoten 210 und 220 gekoppelt werden können. Auf diese Weise transformieren die Vorrichtungen 280–283 die Signalpegel der Sendekanäle 240a bzw. 240b zwischen zwei benachbarten Spannungsbereichen hinauf und hinunter, so dass alle Busknoten in einem Spannungsbereich an den Bus gekoppelt werden können, wobei ein Paar von Vorrichtungen, eine Vorrichtung zum Hinauftransformieren und eine Vorrichtung zum Hinuntertransformieren des Bussignals, verwendet wird, um die Bussignale zwischen zwei benachbarten Spannungsbereichen zu transformieren.
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Bei einer Ausführungsform können die Vorrichtungen 280–283 basierend auf Optokopplern, die auch als Photokoppler oder Optoisolatoren bekannt sind, implementiert werden, die an ihrem Eingang das Bussignal aufnehmen, das einen Signalpegel eines ersten Spannungsbereichs hat, und die ein entsprechendes Signal ausgeben, aber wobei sich der Signalpegel auf ein anderes Referenzsignal bezieht, so dass das Eingangssignal, d. h. das Bussignal, von einem Spannungsbereich in einen anderen transformiert wird. Alternativ können die Vorrichtungen 280–283 basierend auf kernlosen Transformatoren implementiert werden. Alternativ kann jede beliebige Vorrichtung, die zum Schieben des Spannungspegels des Bussignals zwischen einem ersten und einem zweiten Spannungsbereich geeignet ist, verwendet werden.
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In Fällen, in denen die Bussignale durch einen Spannungsbereich geroutet werden müssen, wobei sich in dem Bereich kein Busknoten befindet, der an den Bus gekoppelt werden kann, können die Bussignale ohne Signalumwandlung durch den Spannungsbereich geroutet werden.
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Die gezeigte Kette von Busknoten kann so erweitert werden, dass sie weitere Busknoten aufweist, die in anderen Spannungsbereichen angeordnet sind, indem die Bussignale in diesen Spannungsbereich transformiert werden, und dann der neue Knoten an die transformierten Bussignale gekoppelt wird. Die Spannungsbereiche des neuen Knotens, der an das Bussystem zu koppeln ist, können eine höhere oder eine niedrigere Spannung haben. Das Signal des Sendekanals 240a muss hinauf- oder hinunter transformiert werden, und das Signal des Empfangskanals 240b muss entsprechend hinunter- oder hinauf transformiert werden. Auf diese Weise kann ein Busknoten, der in einem Spannungsbereich angeordnet ist, der sich auf ein willkürliches Referenzpotential bezieht, an das Bussystem 200 gekoppelt werden.
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Die in 2 gezeigte Struktur zeigt somit eine serielle Busstruktur, die wenigstens eine Transformiervorrichtung zum Transformieren eines Bussignals, das sich auf ein erstes Referenzpotential bezieht, in ein Bussignal, das sich auf ein zweites, unterschiedliches Referenzpotential bezieht, aufweist. Insbesondere weist die Struktur wenigstens ein Paar von Transformiervorrichtungen auf zum Transformieren eines Sendekanal-Signals, das sich auf das erste Referenzpotential bezieht, in ein Sendekanal-Signal, das sich auf das zweite Referenzsignal bezieht, und zum Transformieren eines Empfangskanal-Signals, das sich auf das zweite Referenzpotential bezieht, in ein Empfangskanal-Signal, das sich auf das erste Referenzpotential bezieht.
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Obwohl es im Prinzip möglich ist, ein Bussignal zwischen zwei willkürlichen Spannungsbereichen hinauf- und hinunter zu transformieren, d. h. ein Signal von einem ersten Referenzpotential in ein anderes Referenzpotential, während der absolute Signalpegel beibehalten wird, ist die Abwärtstransformation in der Schaltung komplexer, wenn Pegelschieber basierend auf MOSFETs verwendet werden.
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3 zeigt eine Busstruktur 300 mit Busknoten 310, 320 und 330, die eine Kette von Knoten bilden. Ähnlich den oben beschriebenen Strukturen kann der Knoten 310 als erster Knoten betrachtet werden, der Knoten 330 kann als letzter Knoten, d. h. das Ende der Kette, betrachtet werden und der Knoten 320 veranschaulicht wenigstens einen Knoten, der zwischen den Start- und den Endknoten der Kette gekoppelt ist. Jeder der Knoten 310–330 befindet sich in einem Spannungsbereich und wird von ihm versorgt, d. h. den Spannungsbereichen 370–372, dessen Spannung sich von dem des benachbarten Bereichs unterscheidet, wobei sich der Spannungsbereich 370 auf ein niedrigeres Referenzpotential bezieht, als der Bereich 371, der sich wiederum auf ein niedrigeres Referenzpotential bezieht, als der Bereich 372.
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Die Signale des Busses 340 müssen demgemäß in Signale transformiert werden, die sich auf das jeweilige Referenzpotential beziehen. In Anbetracht dessen, dass der Aufwand zum Transformieren eines Signals, das sich auf ein erstes Referenzpotential bezieht, in ein Bussignal, das sich auf ein höheres Referenzsignal bezieht, geringer ist, als der Aufwand zum Transformieren eines Bussignals in ein niedrigeres Referenzpotential, werden die Busknoten mit ansteigendem Referenzpotential an das Sendesignal 340a gekoppelt. Folglich bildet der Knoten, der sich auf das niedrigste Referenzsignal bezieht, den Startknoten, d. h. das TxD-Signal des Startknotens ist nicht über ein Logikgatter an ein bestehendes Sendesignal gekoppelt. Bei der hier gezeigten Struktur ist dies der Busknoten 310. Das TxD-Signal des Knotens 310 wird dann durch die Vorrichtung 380 in das Referenzpotential des Spannungsbereichs 371 hinauf transformiert. Wenn das TxD-Signal des Knotens 320 logisch mit dem hinauf transformierten Sendesignal des Kanals 340a kombiniert wird, wird das Signal wieder hinauf transformiert, um ein Bussignal 340a zu bilden, das sich auf das nächsthöhere Referenzpotential bezieht, das in diesem Fall das Referenzpotential des letzten Busknotens 330 ist. Das TxD-Signal des Knotens 330 wird dann mit dem hinauf transformierten Sendesignal kombiniert, so dass das Sendesignal 340a auf dieser Stufe das Wired-AND (verdrahtete UND) aller TxD-Signale reflektiert. Wahlweise kann dieses Signal dann von einem Inverter-Gatter invertiert werden.
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Nachdem das TxD-Signal des letzten Knotens in der Kette von Busknoten mit dem Sendesignal kombiniert worden ist, wird das Signal, das von diesem Zeitpunkt an das Signal des Empfangskanals 340b bildet, in das niedrigste der Referenzpotentiale der Spannungsbereiche durch die Abwärtstransformier-Vorrichtung 382 hinunter transformiert. Gemäß dem Referenzpotential, auf das sich das Signal bezieht, wird das hinunter transformierte Signal des Empfangskanals 340b an den Busknoten gekoppelt, der sich auf dieses Referenzpotential bezieht.
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Zum Koppeln anderer Busknoten, d. h. des Knotens 320, die sich auf höhere Referenzpotentiale beziehen, an den Empfangskanal 340b wird das Signal in den Spannungsbereich hinauf transformiert, der sich auf das nächst höhere Referenzpotential bezieht, d. h. durch den Aufwärtstransformator 383. Das heißt, der Knoten 320 wird an den Empfangskanal des Busses 340 gekoppelt, danach wird das Signal in das niedrigste Referenzpotential hinunter transformiert und dann auf das spezifische Referenzpotential hinauf transformiert. Des Weiteren wird, um zusätzliche Knoten in der Kette zu koppeln, die sich auf ein Referenzpotential zwischen dem niedrigsten und dem höchsten Referenzpotential beziehen, das Signal des Empfangskanals 340b in das nächsthöhere Referenzpotential hinauf transformiert, und das Signal wird an den RxD-Anschluss des spezifischen Knotens gekoppelt. Auf diese Weise wird das Signal des Empfangskanals 340b nur ein Mal hinunter transformiert, so dass nur eine Abwärtstransformier-Vorrichtung 382 und eine Vielzahl von Transformier-Vorrichtungen zum Transformieren eines Signals, damit es sich auf ein höheres Referenzpotential bezieht, benötigt werden.
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Die Struktur 300 beschreibt demgemäß eine Busstruktur mit einer Transformier-Vorrichtung zum Transformieren des Empfangskanal-Signals, das sich auf das höchste Referenzpotential bezieht, in ein entsprechendes Signal, das sich auf das niedrigste Referenzpotential bezieht.
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Aufgrund der Struktur wird das Signal des Empfangskanals 340b ein Mal hinunter transformiert und dann stufenweise in höhere Referenzpotentiale hinauf transformiert. Das heißt, das Empfangskanal-Signal wird von einer Vielzahl von Aufwärtstransformatoren hinauf transformiert, die jeweils das Signal verzögern, so dass ein Busknoten in einem Spannungsbereich, der sich auf das zweithöchste Referenzsignal bezieht, die längste Verzögerung hat.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform, die eine Kette von Busknoten 410, 420 und 430 aufweist, die an den Bus 440 gekoppelt ist, wobei die Knoten in unterschiedlichen Spannungsbereichen 470–472 angeordnet sind, so dass die Bussignale an den Anschlüssen der Knoten sich auf verschiedene Referenzpotentiale beziehen. Daher wird das Signal des Sendekanals 440a von dem Spannungsbereich 410 in den Spannungsbereich 420 hinauf transformiert, ähnlich wie oben beschrieben, so dass das TxD-Signal jedes Knotens über ein einfaches Verknüpfungs-Gatter an den Bus gekoppelt werden kann. Ähnlich wie oben beschrieben kann das Signal des Empfangskanals 440b optional durch ein Inverter-Gatter invertiert werden. Dann kann das Signal des Empfangskanals 440b direkt an den RxD-Anschluss des Knotens 430 gekoppelt werden, da sich das Signal in dieser Stufe noch immer auf das Referenzpotential des Spannungsbereichs 430 bezieht.
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Um das Empfangskanal-Signal gleichzeitig an die Knoten 410 und 420 zu koppeln, wird das Signal durch parallele Transformatoren 482 bzw. 483 in jeden spezifischen Spannungsbereich transformiert. Auf diese Weise wird das Signal des Empfangskanals 440b individuell für jeden Spannungsbereich transformiert, der sich auf eine Referenzspannung bezieht, die sich von der unterscheidet, auf die sich der letzte Knoten in der Kette, d. h. hier der Knoten 430, bezieht. Demgemäß transformieren bei der oben beschriebenen Ausführungsform, d. h. bei der sich die Spannungsbereiche 470 und 471 auf ein niedrigeres Spannungspotential beziehen, die Transformatoren 482 und 483 das Empfangskanal-Signal hinunter. Alternativ können in Fällen, in denen sich die Spannungsbereiche 470 oder 471 auf ein höheres Referenzpotential beziehen, als der Spannungsbereich 472, die Transformatoren das Empfangskanal-Signal 440b hinauf transformieren. Das heißt, die Busstruktur 400 kann eine Vielzahl von parallel geschalteten Transformier-Vorrichtungen aufweisen, die jeweils an das Empfangskanal-Signal 440b, wie es von dem letzten Knoten ausgegeben wurde, gekoppelt sind, um das Signal für jeden spezifischen Knoten individuell zu transformieren, wobei ein Transformator das Signal des Empfangskanals 440b entweder in ein höheres Referenzpotential oder ein niedrigeres Referenzpotential transformieren kann.
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Auf diese Weise weist die Struktur 400 eine Vielzahl von Transformier-Vorrichtungen auf, die parallel an den Empfangskanal gekoppelt sind, um das Empfangskanal-Signal individuell in eine Vielzahl von Empfangskanal-Signalen zu transformieren, die sich auf unterschiedliche Referenzpotentiale beziehen.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Busstruktur mit einer Vielzahl von Knoten 510, 520, die an einen seriellen Bus 540 gekoppelt sind, der einen Sendekanal 540a und einen entsprechenden Empfangskanal 540b aufweist. Die Knoten sind über Logikgatter 550, 551, welche eine Verknüpfung darstellen, an den Sendekanal 540a gekoppelt. Der Empfangskanal 540b ist eine Schleife des Sendekanals und ist direkt and die Empfangsanschlüsse der Knoten gekoppelt.
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Bei dieser Ausführungsform teilen sich die Knoten 510 und 520 einen gemeinsamen Spannungsbereich 570, d. h. beide Knoten beziehen sich auf dasselbe Referenzpotential. Demgemäß besteht kein Bedarf an einem Transformator, um die Bussignale zwischen den Busknoten 510 und 520 zu transformieren. Der Spannungsbereich 570 ist über Transformatoren 580–583 an benachbarte Spannungsbereiche gekoppelt, die weitere Knoten aufweisen können, die an den Bus 540 gekoppelt sind. Beispielsweise kann der Spannungsbereich 571 einen – in der Zeichnung nicht gezeigten – weiteren Knoten aufweisen und kann noch an einen weiteren Spannungsbereich gekoppelt sein, der einen weiteren Knoten aufweist, oder der Spannungsbereich 571 kann den letzten Knoten in der Kette von Busknoten aufweisen, so dass der Sendekanal 540a optional invertiert und als Empfangskanal 540b zurückgeschleift werden kann. Ähnlich kann der Spannungsbereich 570 an eine willkürliche Anzahl von Upstream-Spannungsbereiche gekoppelt werden, d. h. Spannungsbereiche, die über die Transformatoren 580 und 583 an den Spannungsbereich 570 gekoppelt werden.
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Bei dieser Anordnung können die Busknoten individuell an den Bus 540 gekoppelt werden, indem die Schalter 590–593 gesteuert werden, wobei ein Konten an den Bus gekoppelt werden kann, wenn alle Upstream-Knoten an diesen Bus gekoppelt sind. Das heißt, der Knoten 520 kann gekoppelt werden, wenn der Knoten 510 an den Bus gekoppelt worden ist, und die Knoten in dem Spannungsbereich 571 können an den Bus gekoppelt werden, wenn alle Upstream-Knoten, d. h. Knoten auf der linken Seite, an den Bus gekoppelt sind. Auf diese Weise gibt es eine vordefinierte Reihenfolge zum Koppeln der Knoten nacheinander und nach unten an den Bus.
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Zunächst werden alle Multiplexer, d. h. 590–593, so gesteuert, dass sie in Position 0 sind, so dass alle Downstream-Knoten, d. h. der Knoten 520, permanent ein rezessives Signal empfangen. Der Empfangskanal 540b reflektiert in dieser Situation den geschleiften Sendekanal des Knotens 510 und aller Upstream-Knoten. Demgemäß ist der Knoten 510 der letzte an die Kette von Knoten gekoppelte Knoten.
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Zum Koppeln des Knotens 520 an den Bus 540 werden die Schalter 590 und 591 so gesteuert, dass sie ihren Zustand in Zustand 1 ändern, wodurch das Signal des Sendekanals 540a an das Logikgatter 551 weitergeleitet wird, das den Sendeanschluss TxD des Knotens 520 an den Sendekanal 540a koppelt, und der Empfangsanschluss des Knotens 520 an den Empfangskanal 540b gekoppelt wird, so dass es ermöglicht wird, dass der Knoten 520 die Signale des Busses 540 empfängt. Der Schalter 592 wird in der Position 0 gehalten, so dass er den Ausgang des Gatters 551 als Empfangskanal 540b zurückschleift, und der Schalter 593 wird in der Position 0 gehalten und blockiert so den Sendekanal 540a für Downstream-Busknoten. Sobald der Knoten 520 kommunikativ an den Bus 540 gekoppelt ist, kann der Knoten an der Buskommunikation teilnehmen. Beispielsweise kann eine der ersten Nachrichten, die an einen Knoten gesendet wird, der zuletzt mit dem Bus gekoppelt wurde, einen Identifizierer für den Knoten kommunizieren, den der Knoten bei späteren Kommunikationen als eindeutige Adresse verwenden wird. Nachdem er den Identifizierer und wahlweise weitere Anfangsinformationen erhalten hat, kann der Knoten wie jeder beliebige andere Knoten in dem Bus agieren. Auf diese Weise kann in Bussystemen, in denen Knotenidentifizierer dynamisch zugeordnet werden können, jeder Knoten zunächst seinen Identifizierer empfangen, nachdem er an den Bus gekoppelt worden ist, dann kann der nächste Knoten, d. h. vorliegend die Knoten in dem Spannungsbereich 571, an den Bus gekoppelt werden, um den entsprechenden Identifizierer zu empfangen. Auf diese Weise kann eine Vielzahl von Knoten dynamisch mit dem Bussystem verbunden werden, wobei die Knoten nacheinander an den Bus gekoppelt werden.
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Es wird angemerkt, dass bei Variationen der Ausführungsform alle Busknoten in einem einzigen Spannungsbereich angeordnet sein können, so dass das Prinzip des Integrierens von Multiplexern in die Buskanäle mit der Verwendung von Transformatoren angewendet werden kann. Auch die Funktion des Invertierens des Signals des Sendekanals 540a kann in die gezeigte Ausführungsform integriert werden, um das Signal des Empfangskanals 540b als invertierten Sendekanal bereit zu stellen.
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Die Schaltung 500 weist auf diese Weise wenigstens eine Schaltvorrichtung in dem Sendekanal 540a und eine Schaltvorrichtung in dem Empfangskanal 540b zum Koppeln eines Knotens an den Bus auf.
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Obwohl hier bestimmte Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurden, ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass eine Reihe von alternativen und/oder äquivalenten Implementierungen statt der dargestellten und beschriebenen bestimmten Ausführungsformen verwendet werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die vorliegende Anmeldung soll jegliche Adaptionen oder Varianten der hier erörterten bestimmten Ausführungsformen abdecken. Daher soll die Erfindung nur durch die Patentansprüche und deren Äquivalente beschränkt sein.
