DE19509133C2 - Anordnung zur Überwachung von Zweidraht-Busleitungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Überwachung von Zweidraht-Busleitungen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Anordnung für ein CAN-Bussystem in einem Fahrzeug ist beispielsweise zur Er­ zeugung eines wake-up Signals aus der WO 90/09713 bekannt. Neben einem Empfangskom­ parator, dessen Eingänge im ungestörten Betriebszustand mit den beiden Signalleitungen der Zweidraht-Busleitung verbunden sind, sind in einer Fehlererkennungsschaltung zwei weitere Komparatoren vorgesehen, deren Eingänge im ungestörten Fall mit jeweils einer der beiden Signalleitungen und mit einer von zwei Hilfsspannungen verbunden sind. Die beiden weiteren Komparatoren sind zusammen mit einem ODER-Gatter Bestandteile einer Fehlererkennungs­ schaltung. Im Fall einer Leitungsstörung kann anstelle einer der beiden Signalleitungen eine Mittenspannung an je einen der Eingänge der drei Komparatoren angelegt werden, wodurch u. U. ein Eindrahtbetrieb aufrechterhalten werden kann.

Die WO 93/23940 offenbart eine Vorrichtung zur Erkennung und Korrektur von Polaritäts­ fehlern in einem local area network (LAN). Die Vorrichtung ist im Zusammenhang mit Compu­ tersystemen beschrieben und soll beim Ethernet eine Fehlverdrahtung erkennen. Es sind hierbei drei Komparatoren beschrieben, die bei der Fehlererkennung im Zusammenhang mit einem Verdrahtungsproblem herangezogen werden. Ein erster Komparator ist dabei mit zwei Signalleitungen des LAN-Netzwerks verbunden und zwei weitere Komparatoren vergleichen die Signalpegel des LAN-Netzwerks mit einem Schwellwert. Aufgrund eines speziellen Daten­ formatbereichs, beispielsweise dem End-of-file-Datenbyte, wird über eine Logikschaltung ein Verdrahtungsfehler erkannt. Die vorliegende Entgegenhaltung befasst sind jedoch nicht mit einer Reduzierung des Auswertungsaufwands, wie dies im Zusammenhang mit Verkehrsmit­ tel-Empfangsschaltungen für Datenbussysteme erforderlich ist. Die Dimensionierung der Hilfsspannung zur Vereinfachung der Fehlerauswertung mittels der Ausgangssignale der Komparatoren ist hier nicht beschrieben.

Die EP 0 529 602 B1 zeigt ein Multiplex-Übertragungsgerät im Zusammenhang mit Telefonlei­ tungen. Auch hier sind zur Auswertung drei Komparatoren eingesetzt, wobei deren Ausgangs­ signale über Zähler mit einer Auswertelogik verbunden sind, die die Zeitabschnitte bis zu ei­ nem Signalwechsel (high, low) zählen. Wenn die Komparatoren länger als eine vorgegebene Zeit in einem Logikzustand (high oder low) verweilen, wird ein Normal- oder Fehlerbetrieb er­ kannt. Diese Fehlerauswertung führt zu einer komplexen Logikschaltung, die insbesondere im Zusammenhang mit Kraftfahrzeugen und den dabei vorhandenen EMV-Problemen störanfällig ist.

Die US 4792950 offenbart eine Logikschaltung zur Fehlererkennung bei einem Datenbus, die gemäß Tabelle in Spalte 5 prüft, ob ein vollständiges Start of Message-Signal (Fig. 3c) be­ stehend aus mehreren Bits am Ausgang eines jeden Komparators ankommt. Ein fehlerfreier Zustand wird also angezeigt, wenn an jedem der drei Kanäle ein vollständiges Start of Messa­ ge-Signal angekommen ist. Die eingesetzte Logikschaltung ist bei der Umsetzung in Halblei­ tertechnik aufwendig und erfordert einen erhöhten Aufwand mit logischen Schaltungen.

Die US 5031176 zeigt ebenfalls eine Schaltung mit mehreren Komparatoren zur Fehlererken­ nung bei einem Datenbus. Dabei werden anhand der Flanken der Signale bzw. vorhandener invertierter Signale Flip-Flops gesetzt und rückgesetzt. Es handelt sich um eine andere Art der Fehlerauswertung, die eine fehlerfreie Funktion bei vorhandenen inversen Spannungspegeln auf dem Bus anzeigt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung zur Überwachung von Zweidraht- Busleitungen anzugeben, die mit geringem Aufwand herstellbar ist, insbesondere auch in in­ tegrierter Schaltungstechnik und die zuverlässig und flexibel einsetzbar ist.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Unteransprüche enthalten vorteilhaf­ te Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Die erfindungsgemäße Anordnung signalisiert auftretende Störungen unverzögert, überlässt aber die Reaktion auf Störungen nachgeschalteten Auswerteeinrichtungen und ist somit ein­ fach aufzubauen und in Systemen mit beliebiger Art von Systemsteuerung im Störungsfall einsetzbar. Besonders vorteilhaft ist, dass die zur Störungsdetektion eingesetzten Komparato­ ren zugleich auch als Empfangskomparatoren für unterschiedliche Störungszustände einsetz­ bar sind, deren Ausgänge je nach Art der festgestellten Störung über einen Demultiplexer mit nachfolgenden Empfängerschaltungen verbindbar sind. Die eingesetzte Logikschaltung kann vorteilhaft in der Technik integrierter Injektionslogik (I²L) ausgeführt werden. Die Komparato­ reneingänge sind ständig, also auch im Störungsfall mit den Busspannungen beaufschlagt, so daß zusätzliche Schaltmittel in den wich­ tigen Signalwegen entfallen. Darüberhinaus kann auch im Eindrahtbetrieb u. U. der Wegfall einer nur vorübergehenden Störung oder deren Weiterbestehen durch die Logik erkannt werden. Der erste Komparator kann durch einen einfachen geringen Spannungsoffset an einem Eingang auch einen Kurz­ schluß zwischen den Busleitungen signalisieren und vor­ teilhafterweise mit seinem Ausgang ebenfalls der Logik­ schaltung zugeführt sein, die dann nur bei Übereinstimmung aller Komparatorausgangssignale einen fehlerfreien Be­ trieb, ansonsten eine Störung signalisiert.

Dabei zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines integrierten CAN- Busttreibers mit der erfindungsgemäßen Anordnung

Fig. 2 die Eingangsbeschaltung der Komparatoren gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch einge­ hend veranschaulich.

Dem in Fig. 1 skizzierten Bustreiber 100 ist ein CAN-Bus­ system zugrunde gelegt, dessen rezessiver Bitzustand gleich dem Zustand ohne einen sendeaktiven Busteilnehmer ist, wobei die Spannungen der Busleitung mit den beiden Si­ gnalleitungen H und L vorzugsweise durch ein passives Wi­ derstandsnetzwerk festgelegt sind. Im Sendefall wird in bekannter Weise nach Maßgabe eines Sendesteuersignals T_x und einer Treiberstufe 130 ein dominanter Bitzustand der Busleitung über die Schaltertransistoren 101 und 102 durch gegenläufiges Verschieben der Signalspannungen auf H und L aufgeprägt. In die Zuleitungen der Transistoren zu den Si­ gnalleitungen sind noch Dioden 103, 105 und Vorwiderstände 104, 106 in ebenfalls bekannter Weise eingefügt.

Über eine RC-Filteranordnung 110 sind die Signalleitungen H und L an die hochohmigen Empfangseingänge F1 bzw. Fo des Bustreibers 100 angelegt. Die Betriebsspannung +UB des Treiberbausteins gegen Bezugspotential GND betrage bei­ spielsweise 5 V. Die Signalspannungen U1 und UO der Signal­ leitungen H und L an den Eingängen F1 bzw. FO seien für ein rezessives Bit R zu U1_R = 2 V und Uo_R = 3 V und für ein dominantes Bit D zu U1_D = 3 V und UO_D = 2 V angenommen.

Eine Teilerkette mit Widerständen 123, 124 und 127 zwi­ schen +UB und GND erzeugt zwei Hilfsspannungen U2 und U3, die vorzugsweise symmetrisch zur Mittenspannung +UB/2 lie­ gen und nur gering, z. B. 50 mV gegen diese versetzt sind, im Beispielsfall also U2 = 2,55 V und U3 = 2,45 V.

Um bei hohen Gleichtaktstörungen und Massepotentialunter­ schieden noch Reserven zu haben, können die Spannungen von H und L über das Filter 110 und die Widerstände 125, 126 auf die Umgebung von UB/2 eingeengt werden. Die Komparato­ ren sind mit Offsetspannungen von z. B. maximal ±5 mV so genau, daß die Spannungssprünge an F1 und Fo beispiels­ weise auf ein Fünftel von denen an H und L beschränkt wer­ den können, ohne eine korrekte Signaldetektion zu gefähr­ den.

Die skizzierte bevorzugte Anordnung enthält drei Kompara­ toren 120, 121 und 122 zur Überwachung der Busleitung auf das Auftreten einer Störung. Der erste Komparator liegt mit seinem nicht invertierenden Eingang (+) über F1 und Filter 110 an der Signalleitung H und in analoger Weise mit seinem invertierenden Eingang (-) an L. Der zweite Komparator 120 liegt mit seinem nichtinvertierenden Ein­ gang an H und mit seinem invertierenden Eingang an der er­ sten Hilfsspannung U2. Der dritte Komparator liegt mit seinem invertierenden Eingang an L und mit seinem nichtinvertierenden Eingang an der zweiten Hilfsspannung U3. Die Signale an den Komparatorausgängen sind im folgen­ den ohne Berücksichtigung des konkreten Spannungswerts als logische Zustände "O" und "1" bezeichnet je nach Polarität der Differenzspannung zwischen invertierenden und nichtinvertierenden Eingang des jeweiligen Komparators.

Die Ausgänge A1, A2, A3 aller drei Komparatoren sind mit Eingängen einer Logikschaltung 140 verbunden, die als Aus­ gangssignal ein logisches Störungszustandssignal ER ab­ gibt. Beispielhaft sei ER = O für den ungestörten Zustand und ER = 1 für Erkennen eines Störzustands angenommen.

Wie nachfolgend anhand verschiedener Störzustände unter Bezugnahme auf die Tabelle noch weiter veranschaulicht, ist die skizzierte Ausführung der Beschaltung der Kompara­ toren vorteilhafterweise so gewählt, daß die einzelnen Ausgangssignale nicht nur eine Information über einen Stö­ rungszustand erlauben sondern zugleich als Empfangssignale im ungestörten oder im Eindraht-Betrieb herangezogen wer­ den können. Zur Auswahl des in Abhängigkeit vom festge­ stellten Störzustand jeweils als Empfangssignal Rx ge­ eigneten Ausgangssignals ist ein Demultiplexer 160 vorge­ sehen, der von einer Auswertungseinrichtung über ein 2- Bit-Steuersignal (AS, BS) unter eventueller Zwischenschal­ tung einer Auswahllogik 150 gesteuert ist. Für Störungszu­ stände, die keinen auswertbaren Datenempfang mehr zulas­ sen, kann der Empfangssignalausgang Rx über den Multiple­ xer auf konstantes Potential GND gelegt werden. Die Logik­ schaltung signalisiert lediglich das Erkennen irgend eines Störungszustands, ohne diesen zu bewerten. Die Störungsbe­ wertung erfolgt in einer nachgeschalteten Auswerteeinrich­ tung.

Die Logikschaltung ist vorzugsweise so ausgeführt, daß sie die drei Komparatorausgangssignale so zu einem Störungszu­ standssignal ER verknüpft, daß ER = O für A1 = A2 = A3 = O oder für A1 = A2 = A3 = 1 und ER = 1 sonst. Dies ermöglicht eine besonders einfache Realisierung in I²L-Technik, unter Einsatz z. B. von Standard-I²L-Gattern mit einer Basis und drei Kollektoren, die als verdrahtete ODER-Schaltung auf die Basis eines nachgeschalteten Transistors wirken. Mög­ lichkeiten zur Realisierung im einzelnen sind dem Fachmann aus dem umfangreichen Gebiet der I²L-Technik allgemein be­ kannt. Andere Techniken integrierter Halbleiterschaltungen sind gleichfalls geeignet zur Implemmtierung der Logik­ schaltung.

Abänderungen des in Fig. 1 und Fig. 2 skizzierten speziel­ len Beispiels durch Änderung von Polaritäten an Eingängen und/oder Ausgängen und damit verbunden eine angepaßte lo­ gische Verknüpfung in der Logikschaltung 140 liegen im Be­ reich fachmännischen Könnens.

Die nachfolgende Tabelle listet unterschiedliche Be­ triebszustände, die dabei an L und H auftretenden Spannungen und die logischen Pegel der Signale A1, A2, A3, ER sowie die geeignete Stellung M des Multiplexers 160 und das daraus resultierende Signal Rx jeweils für das rezes­ sive (R) und dominante (D) Leitungsbit auf (? steht dabei für einen undefinierten Zustand)

Im ungestörten Zustand a) enthält das Differenzsignal zwi­ schen H und L die gültige Information, die von Komparator 121 mit großem Störabstand ausgewertet werden kann. Die Komparatoren 120 und 122, die nur mit einem Eingang an je­ weils eine der beiden Signalleitungen H bzw. L und mit dem anderen Eingang an eine der Hilfsspannungen in der Nähe der Mittenspannung +UB/2 angeschlossen sind, können mit geringem Störabstand ebenfalls ein korrektes Empfangssi­ gnal liefern. Dies wird in an sich bekannter Weise für den Eindraht-Betrieb ausgenutzt, wo auf eine Information aus einer gestörten Signalleitung bewußt verzichtet wird.

Der Spannungsversatz zwischen den Hilfsspannungen U2 und U3 ist nicht zwingend, gewährleistet aber, daß im Leerlauf kein dominantes Empfangssignal an Rx abgegeben wird.

Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, ist der Wert des Stö­ rungszustandsignals auch von dem jeweiligen Nachrichten­ bitwert D oder R abhängig. ER = 1 tritt auf, wenn minde­ stens eines der Komparatorausgangssignale falsch ist. Die Wahl der Reaktion auf eine über ER signalisierte Störung kann in nachfolgenden Auswerteeinrichtungen implementiert werden. Beispielsweise kann das Auftreten eines Störungs­ signals in einer Mehrzahl von Bittaktschritten abgewartet werden, bis durch eine Umschaltung des Demultiplexers ein Eindrahtbetrieb oder ein Ruhen des Empfangs gewählt wird. Für die Wahl eines alternativen Betriebszustands kann auf die aus dem Stand der Technik bekannten Maßnahmen zurück­ gegriffen werden.

Das Störungszustandssignal ER ist unabhängig von der Schaltstellung des Demultiplexers und ständig verfügbar, so daß nicht nur eine Störung, sondern auch der Wegfall einer Störung aus dem Signal ER schnell erkennbar ist.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2, in welcher für glei­ che Teile der Anordnung wie in Fig. 1 gleiche Bezugszei­ chen verwandt sind, ist nur eine Hilfsspannung UR vorgese­ hen, welche vorzugsweise gleich UB/2 ist. Diese wird be­ reitgestellt am Mittenabgriff des aus den gleichen Wider­ ständen 123, 127 gebildeten Spannungsteilers. In der skiz­ zierten Ausführungsform ist ein Eingang, z. B. der nichtin­ vertierende Eingang des ersten Komparators 121 mit einem Spannungsoffset, dargestellt durch eine Spannungsquelle 180, beaufschlagt. Der Betrag der Offsetspannung ist klein gegenüber dem Signalhub auf den Busleitungen zwischen re­ zessivem und dominantem Bitzustand und beträgt beispiels­ weise 20 mV. Das Vorzeichen der Offsetspannung ist vorzugs­ weise so, daß bei einem Kurzschluß der Busleitungen H und L gegeneinander und damit gleichen Signalspannungen an F1 und F0 am Ausgang des ersten Komparators ein rezessiver Bitzustand signalisiert wird. Die Realisierung des Span­ nungsoffsets ist abhängig vom Aufbau des Komparators im Detail und erfolgt vorzugsweise isoliert gegen die Buslei­ tungen, z. B. durch Einfügen zwischen zwei Stufen eines zweistufigen Eingangsverstärkers.

Die Erfindung ist in den vorstehenden Beispielen unter der Annahme beschrieben, daß die Betriebsspannung des Treiber­ bausteins auf einen konstanten Wert stabilisiert ist und die Busspannungen und die Hilfsspannungen aus der stabili­ sierten Spannung abgeleitet sind. Eine andere vorteilhafte Ausführungsform sieht demgegenüber vor, daß die Busspan­ nungen und die Hilfsspannung aus einer unstabilisierten Spannung, insbesondere der Batteriespannung eines Kraft­ fahrzeugs, abgeleitet sind. Busspannungen und Hilfsspannungen können dann mit variierender Batteriespannung schwanken. Es bleiben aber feste Beziehungen zwischen Bus­ spannungen und Hilfsspannungen erhalten. Insbesondere gilt, daß die an F1, F0 abgreifbaren Busspannungen im un­ gestörten Zustand im wesentlichen symmetrisch zu der Hilfsspannung UR bzw. der Mittenspannung von U2 und U3 verlaufen. Zusätzlich können Widerstandsnetzwerke zur Re­ duzierung von Spannungen, insbesondere bei höheren Bus­ spannungen und niedriger stabilisierter Spannung für die elektronischen Bauteile wie Komparatoren, Logikschaltung usw. vorgesehen sein.

Claims (6)

1. Anordnung zur Erkennung bestimmter Fehlerzustände bei einem Zweidraht-Bussystem eines Verkehrsmittels, wobei auf den beiden Signalleitungen (H, L) des Zweidraht-Bussystems eine serielle Übertragung digitaler Daten durch Umschalten von Signalspannungen (High, Low) erfolgt und die Anordnung eine Empfangsschaltung eines Bussteilnehmers mit mindestens drei Komparatoren (120, 121, 122) bildet, jeweils ein Eingang des ersten Komparators (121) mit einer der beiden Signalleitungen (H, L) des Zweidraht-Bussystems verbunden ist und an die Eingänge des zweiten und dritten Komparators (120 bzw. 122) jeweils eine der beiden Signalspannungen und je eine Hilfsspannung (U2, U3) angelegt sind, wobei die logischen Ausgangssignale (A1, A2, A3) zumindest des zweiten und des dritten Komparators (120 bzw. 122) einer Logikschaltung zugeführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsspannung (U2, U3) für den zweiten und dritten Komparator (120 bzw. 122) jeweils so gewählt ist, dass sowohl bei rezessivem als auch bei dominantem Signalpegel auf den Signalleitungen (H, L) des Zweidraht-Bussystems im störungsfreien Zustand das logische Ausgangssignal (A2, High oder Low) des zweiten Komparators (120) mit dem logischen Ausgangssignal (A3, High oder Low) des dritten Komparators (122) übereinstimmt und dass die Logikschaltung bei Übereinstimmung aller drei Ausgangssignale (A1, A2, A3) der zugeführten Komparator-Ausgangssignale (alle 0 bzw. alle 1) sowohl im rezessiven als auch im dominanten Signalzustand einen fehlerfreien Zustand (ER = 0) des Bussystems signalisiert.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Komparatoren zugleich die Empfangskomparatoren für ungestörten Betrieb und für Eindrahtbetrieb bei ver­ schiedenen Störzuständen bilden und daß ein umschaltbarer Demultiplexer eines der Komparator-Ausgangssignale an eine Empfangsauswerteeinrichtung weiterleitet.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Logikschaltung in I²L-Technik ausge­ führt ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eingang des ersten Komparators mit einer Offsetspannung beaufschlagt ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ausgang des ersten Komparators gleich­ falls der Logikschaltung zugeführt ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Busspannungen und Hilfsspannungen aus einer unstabilisierten Versorgungsspannung abgeleitet sind und mit dieser variieren.