容錯通信系統(tǒng)的制作方法

本設(shè)備和方法涉及容錯通信系統(tǒng)的領(lǐng)域，并描述差分?jǐn)?shù)據(jù)總線系統(tǒng)，其可以維持無錯通信，除了數(shù)據(jù)總線線路之一中的故障以外。

背景技術(shù)：

存在用于將信息從一個電子設(shè)備傳輸?shù)搅硪浑娮釉O(shè)備的若干架構(gòu)。在圖1a中示出通常使用的架構(gòu)。在這個架構(gòu)中，設(shè)備共享常常被稱為數(shù)據(jù)總線或通信總線的公共通信結(jié)構(gòu)。在這個架構(gòu)中，連接到數(shù)據(jù)總線的每個設(shè)備可以在數(shù)據(jù)總線上傳輸信息，或接收在數(shù)據(jù)總線上傳輸?shù)娜魏涡畔?。此外，在?shù)據(jù)總線上傳輸?shù)男畔⒖梢詿o失真地通過每個設(shè)備。這樣的總線的示例是mil-std-1553、can、flexray等。

大量設(shè)備可以連接到如上所述的數(shù)據(jù)總線。在這些數(shù)據(jù)總線中的潛在問題是，在數(shù)據(jù)總線中的故障將防止信息在該故障之前和之后從設(shè)備通過。同一受讓人的us7,812,617描述了識別通信總線中的故障的方法。該方法基于識別在通信總線中的反射。反射由在通信數(shù)據(jù)鏈路之一中的故障引起并被稱為“信號尾部”。us7,812,617提議通過測量這樣的多個尾部的定時來識別故障的位置并使用三角測量來識別故障的位置的方法。

故障的示例是機械切口或在數(shù)據(jù)總線電線之一中的其它形式的斷開。在這樣的故障的出現(xiàn)期間，將接收到具有大量錯誤的在數(shù)據(jù)總線上的所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，這些錯誤可將數(shù)據(jù)總線的利用減小到小于其原始容量的10％。提供可以在差分?jǐn)?shù)據(jù)總線中的故障的情況下減少傳輸錯誤的數(shù)量的數(shù)據(jù)總線架構(gòu)是合乎需要的。

術(shù)語表

數(shù)據(jù)總線——如在當(dāng)前公開內(nèi)容中使用的，意指連接兩個或更多個電子設(shè)備并用于將電子數(shù)據(jù)信息從一個設(shè)備傳輸?shù)搅硪辉O(shè)備的一個或多個電線。

二進制數(shù)據(jù)總線——如在當(dāng)前公開內(nèi)容中使用的，意指具有一組兩個電壓電平的數(shù)據(jù)總線。

通信總線——如在當(dāng)前公開內(nèi)容中使用的，意指連接兩個或更多個電子設(shè)備并用于將電子數(shù)據(jù)信息從一個設(shè)備傳輸?shù)搅硪辉O(shè)備的一個或多個電線。

差分?jǐn)?shù)據(jù)總線——如在當(dāng)前公開內(nèi)容中使用的，意指包括兩個電線的數(shù)據(jù)總線，其中電子數(shù)據(jù)信息是在這兩個電線之間的電壓差。

數(shù)據(jù)總線線路——如在當(dāng)前公開內(nèi)容中使用的，意指在數(shù)據(jù)總線中使用的電線。

電壓電平——如在當(dāng)前公開內(nèi)容中使用的，意指數(shù)據(jù)總線線路的預(yù)定電壓。

差分發(fā)射機——如在當(dāng)前公開內(nèi)容中使用的，意指連接到數(shù)據(jù)總線線路并用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)總線線路上的電壓電平的電子設(shè)備。

差分接收機——如在當(dāng)前公開內(nèi)容中使用的，意指連接到數(shù)據(jù)總線線路并用于測量數(shù)據(jù)總線線路上的電壓電平的電子設(shè)備。

二進制數(shù)據(jù)總線——如在當(dāng)前公開內(nèi)容中使用的，意指具有一組兩個電壓電平的數(shù)據(jù)總線。

低電壓電平——如在當(dāng)前公開內(nèi)容中使用的，意指在二進制數(shù)據(jù)總線中使用的一組兩個電壓的較低電壓電平。

高電壓電平——如在當(dāng)前公開內(nèi)容中使用的，意指在二進制數(shù)據(jù)總線中使用的一組兩個電壓的較高電壓電平。

參考電壓——如在當(dāng)前公開內(nèi)容中使用的，意指與在差分?jǐn)?shù)據(jù)總線的這組電壓電平當(dāng)中的公共電壓對應(yīng)的電壓。

線電壓信號——如在當(dāng)前公開內(nèi)容中使用的，意指在數(shù)據(jù)總線線路上的時變電壓電平。

數(shù)據(jù)信號——如在當(dāng)前公開內(nèi)容中使用的，意指在差分?jǐn)?shù)據(jù)總線的兩個數(shù)據(jù)總線線路上的電壓電平之間的差異。

故障狀態(tài)—如在當(dāng)前公開內(nèi)容中使用的，意指故障、電氣斷開、開路、故障的連接器或防止電流流過數(shù)據(jù)總線線路的其它機構(gòu)。

電壓控制單元——如在當(dāng)前公開內(nèi)容中使用的，意指連接到數(shù)據(jù)總線并向數(shù)據(jù)總線提供參考電壓的單元。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

借助于限制在每個電線上的最大或最小電壓來增強使用兩個總線電線之間的差分信號的通信系統(tǒng)的能力。描述了限制電壓的各種方法。

附圖說明

圖1a是連接電子設(shè)備的數(shù)據(jù)總線的示例；

圖1b是在數(shù)據(jù)總線上的所接收的信號的示例；

圖1c是在數(shù)據(jù)總線中出現(xiàn)故障期間在數(shù)據(jù)總線上的所接收的信號的示例；

圖2是容錯數(shù)據(jù)總線的示例；

圖3是在連接電子設(shè)備的容錯數(shù)據(jù)總線上的所接收的信號的示例；

圖4a是用于支持容錯數(shù)據(jù)總線的端子單元的示例；

圖4b是用于支持容錯數(shù)據(jù)總線的端子單元的另一示例；

圖5a是連接到數(shù)據(jù)總線的電子設(shè)備的示例；以及

圖5b是連接到數(shù)據(jù)總線的電子設(shè)備的示例。

具體實施方式

圖1a是提供將電子設(shè)備(101、103)相互連接的模塊的數(shù)據(jù)總線(119、121)的示例。圖1a是數(shù)據(jù)總線的示例，其中設(shè)備101經(jīng)由線路111、113連接到數(shù)據(jù)總線(119、121)，并且設(shè)備103經(jīng)由線路115和117連接到數(shù)據(jù)總線(119、121)。設(shè)備(101、103)通過在數(shù)據(jù)總線(119、121)上施加電壓來傳輸數(shù)據(jù)。在一個示例中，在差分?jǐn)?shù)據(jù)總線中，數(shù)據(jù)總線線路119的初始線電壓電平等于數(shù)據(jù)總線線路121的初始線電壓電平。當(dāng)設(shè)備(101、103)傳輸數(shù)據(jù)時，它們產(chǎn)生由一組電壓電平組成的時變電壓信號。比特是最小數(shù)據(jù)信息單元。其可以具有兩個值“1”或“0”。每個比特由一組兩個電壓電平定義，電壓電平在對應(yīng)于比特持續(xù)時間的持續(xù)時間期間由設(shè)備(101、103)施加在數(shù)據(jù)總線(119、121)上。端子電阻器(130、132)提供在總線的端子點處的匹配阻抗并防止來自總線的端子點的信號反射。

圖1b是在數(shù)據(jù)總線(119、121)上的線電壓信號(151、153)的示例。因而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信號(155)是在線電壓信號(151、153)之間的電壓差。線路151是在一個數(shù)據(jù)總線線路(119)上的線電壓信號，并且線路153是在第二數(shù)據(jù)總線(121)上的線電壓信號。線路151包括兩個電壓電平。電壓電平的示例是3v的高電壓電平和2.5v的低電壓電平。在相關(guān)通信標(biāo)準(zhǔn)(例如can總線規(guī)范2.0，iso11898-2)中描述了其它電壓電平的示例。在can總線規(guī)范中，在總線電線(119)上的can高電壓是3.5v，并且在數(shù)據(jù)線路電線(121)上的can低電壓是1.5v。信號被命名為主導(dǎo)的和隱性的。也被稱為“0”的主導(dǎo)信號是當(dāng)在總線電線(119、121)之間的電壓差高于2v時。也被稱為“1”的隱性信號是當(dāng)在電壓差為0v(零)且兩個電線在2.5v的公共電壓上浮置時。線路153包括兩個電壓電平。在一個示例中，線路153的高電壓電平等于線路151的低電壓電平。在另一示例中，數(shù)據(jù)總線線路153的高電壓電平低于數(shù)據(jù)總線線路151的低電壓電平。在一個示例中，數(shù)據(jù)總線線路153的高電壓電平相對于數(shù)據(jù)總線線路151的低電壓電平低多于0.5v。

圖1b所述的數(shù)據(jù)信號由多個位組成。在一個示例中，在橢圓145中示出“1”位。在一個示例中，當(dāng)在線電壓151中的電壓電平高時并且當(dāng)在線電壓153中的電壓電平低時，得到“1”數(shù)據(jù)信號，如在橢圓141中所示的。在另一示例中，在橢圓147中示出“0”數(shù)據(jù)信號。在一個示例中，當(dāng)在線電壓151中的電壓電平低時并且當(dāng)在線電壓153中的電壓電平高時，得到“0”數(shù)據(jù)信號，如在橢圓143中所示的。

圖1c是在故障狀態(tài)期間在數(shù)據(jù)總線(119、121)上的線電壓信號和數(shù)據(jù)信號的示例。故障狀態(tài)的示例是數(shù)據(jù)總線電線121之一中的接觸的“斷開”或缺乏。在圖1a中的圓125中示出故障狀態(tài)的示例。在這個示例中，在數(shù)據(jù)總線線路119上的線電壓信號從其正常操作值保持不變并被標(biāo)記為線路151。在數(shù)據(jù)總線線路121上的線電壓從圖1b中的線路153改變?yōu)閳D1c中的線路161。數(shù)據(jù)總線線路121的線電壓信號(161)追蹤數(shù)據(jù)總線線路119的線電壓信號(151)。在電壓信號中的差異是由于差分?jǐn)?shù)據(jù)總線線路的電阻和電容。163是因而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信號，其為在線電壓信號(161、151)之間的差異。因而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信號(163)是不對應(yīng)于“1”(177)或“0”(175)信號的模擬數(shù)據(jù)信號，并將引起在電子設(shè)備(101、103)的接收機中的錯誤。

圖2是容錯數(shù)據(jù)總線的示例。通過將電壓控制單元201、203、205、207添加到數(shù)據(jù)總線(119、121)來實現(xiàn)對故障的容限。電壓控制單元201、203、205和207提供數(shù)據(jù)總線(119、121)的參考電壓。在一個示例中，參考電壓是數(shù)據(jù)總線線路(119、121)的這組電壓的公共電壓電平。在數(shù)字示例中，如果在數(shù)據(jù)總線線路119上的電壓電平分別是2.5v和3v并且在數(shù)據(jù)總線線路121上的電壓電平分別是2v和3.5v，則公共電壓是2.5v。單元(201、203、205、207)防止圖1c中的信號161出現(xiàn)。在一個示例中，當(dāng)在數(shù)據(jù)總線中有故障(125)時，在有故障的數(shù)據(jù)總線線路(121)中的線電壓信號將跟隨數(shù)據(jù)總線線路的線電壓信號而沒有故障(119)，如在圖1c中描繪的。當(dāng)線路121的線電壓信號跟隨119的線電壓信號時，數(shù)據(jù)信號(其為在數(shù)據(jù)總線線路121和119中的線電壓信號之間的差異)減小，并且數(shù)據(jù)總線不能用于傳輸信息。在一個示例中，單元207將防止數(shù)據(jù)總線線路(121)的線電壓信號(圖1c中的161)超過參考電壓。

圖3是在數(shù)據(jù)總線線路(圖2中的119、121)上的線電壓信號(151、301)的示例。線電壓信號151是沒有故障的數(shù)據(jù)總線線路119的線電壓信號。線路301是在故障之后的數(shù)據(jù)總線線路121上的線電壓信號。在線路上的最大電壓電平由單元207控制并由參考電壓定義。在數(shù)據(jù)總線線路(121)上的最小電壓電平是線路121的原始低電壓電平。在一個示例中，概述相應(yīng)的電壓；在線數(shù)據(jù)總線119上的高電壓電平是3v；在線數(shù)據(jù)總線119上的低電壓電平是2.5v；在線數(shù)據(jù)總線121上的在故障狀態(tài)之前的高電壓電平是2.5v；在數(shù)據(jù)總線線路121上的在故障狀態(tài)之前的低電壓電平是2v；參考電壓是2.5v；在數(shù)據(jù)總線線路121上的在故障狀態(tài)之后的高電壓電平由單元207限制到小于參考電壓。

由于這個圖2是包括下列項的容錯通信系統(tǒng)的示例：由兩個數(shù)據(jù)總線線路組成的差分?jǐn)?shù)據(jù)總線；參考電壓；被配置為產(chǎn)生在差分?jǐn)?shù)據(jù)總線上的線電壓信號的至少一個發(fā)射機；被配置為從差分?jǐn)?shù)據(jù)總線接收線電壓信號的至少一個接收機；以及連接到差分?jǐn)?shù)據(jù)總線的至少一個電壓控制單元；其中電壓控制單元將一個數(shù)據(jù)總線線路中的電壓維持為高于參考電壓并且將第二數(shù)據(jù)總線線路中的電壓維持為低于參考電壓。

圖4a是支持容錯數(shù)據(jù)總線的電壓控制單元(圖2中的203、205、207、209)的示例。電壓控制單元(圖2中的203、205、207、209)由電壓源(401)或電壓調(diào)節(jié)器和二極管(403)組成。在一個示例中，電壓控制單元(圖2中的207)連接到數(shù)據(jù)總線線路(圖2中的121)。電壓控制單元(圖2中的207)將防止數(shù)據(jù)總線線路121中的電壓超過v0(零)。電壓源(401)提供由vs＝v0+vd給出的電壓，其中vs是電壓源(401)的電壓，并且vd是二極管(403)的正向電壓。在另一示例中，如果電壓超過v0，則二極管將與面向電壓源的正向端子相反地被組裝。在這個示例中，電壓源(401)的電壓vs由vs＝v0-vd給出。

在另一示例中，電阻器(405)可以串聯(lián)地電連接到二極管(403)以減小電壓尖脈沖，作為電壓控制單元(圖2中的201、203、205、207)起作用的結(jié)果?？傊?，在一個示例中，電壓控制單元包括連接到數(shù)據(jù)總線線路(121)的二極管(403)和連接到二極管(403)的電壓源(401)。在另一示例中，電壓控制單元(圖2中的203、205、207、209)包括連接到數(shù)據(jù)總線線路的二極管和連接到二極管的電阻器和連接到電阻器的電壓源。在另一示例中，電壓控制單元包括連接到數(shù)據(jù)總線線路的電阻器和連接到二極管的電阻器和連接到電阻器的電壓源。

在另一示例中，連接單元407是電子開關(guān)，其在故障被檢測到時被激活。在這個示例中，在正常操作條件下，電壓控制單元(圖2中的201、203、205、207)從數(shù)據(jù)總線線路(圖2中的119、121)斷開。當(dāng)故障狀態(tài)由連接到數(shù)據(jù)總線的設(shè)備(101、103)檢測到時，檢測到故障的設(shè)備(101、103)操作連接單元407，以將電壓控制單元(圖2中的201、203、205、207)連接到數(shù)據(jù)總線電路(圖2中的119、121)。當(dāng)電壓控制單元(圖2中的201、203、205、207)連接到數(shù)據(jù)總線線路(圖2中的119、121)時，數(shù)據(jù)總線(119、121)繼續(xù)傳輸除了故障以外的信息。在這個示例中，電壓控制單元包括被配置為在故障狀態(tài)的情況下將電壓控制單元連接到數(shù)據(jù)總線線路(119、121)的連接單元。連接單元407僅連接有故障的線路的電壓控制單元。在一個示例中，當(dāng)故障在線路121中時，連接單元將連接電壓控制單元203和207。

圖4b是支持容錯數(shù)據(jù)總線(例如rs485)的電壓控制單元(圖2中的201、203、205、207)的另一示例。電壓控制單元(圖2中的201、203、205、207)由電壓源(401)或電壓調(diào)節(jié)器組成。電壓源(401)通過電阻器(411、413)連接到接地端子(415)?？偩€線路(121)經(jīng)由電阻器413連接到接地端子(415)并經(jīng)由電阻器411連接到電壓源(401)。在總線線路(121)處的電壓由v*r2/(r1+r2)給出，其中v是電壓源的電壓，r1是電阻器411的電阻，并且r2是電阻器413的電阻。電阻器411和413的值被選擇為類似于圖2中的端接電阻器130和132。在一個示例中，電阻器411是120ohm，并且電阻器413是120ohm。在額外的示例中，電阻器411在100ohm和150ohm之間，并且電阻器413在100ohm和150ohm之間。在故障狀態(tài)(例如在圖2中的線路121的切口(在圖2中的125))的情況下，線路121中的電壓由電阻器(411、413)和在電壓控制單元中的電壓源(401)限定?？傊?，電壓控制單元包括電壓源(401)和至少兩個電阻器，電壓源連接到電阻器，第二電阻器連接到第一電阻器，并且第二電阻器連接到接地端子，其中數(shù)據(jù)總線線路連接到第一和第二電阻器。

為了理解在圖4b中所述的電路的操作，我們審查在電路的不同元件處的電壓。在115處的電壓是0v(零)，如由101強調(diào)的。在117處的電壓由圖4b的電阻器411、413和圖2的電阻器132的網(wǎng)絡(luò)限定。例如，如果所有三個電阻器具有相同的值，則在121處(117)的電壓是401的電壓的1/3。在示例中，當(dāng)在401處的電壓是3v時，在121處的電壓是1v。在103處的輸入端處的電壓差因此是1v。在103處的差分閾值是200mv的示例中，則103將檢測101的所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

類似地，當(dāng)101傳輸相反的值例如在110處的3v時和在113處的0v時，在117處的電壓是2v，提供相反極性的1v差異。

對稱地，當(dāng)103傳輸?shù)?01且125被切割時，101將由于電壓控制電路201和203接收信息。

圖5a是電子設(shè)備(例如在圖1中的連接到數(shù)據(jù)總線(圖1中的119、121)的設(shè)備101和103)的示例。在一個示例中，電子設(shè)備(101)包括電子功能單元(501)、差分接收機(503)、差分發(fā)射機(505)、在差分發(fā)射機(505)、差分接收機(503)和電子功能單元(501)之間的電連接(511、513)、以及電壓控制單元(515、517)。電壓控制單元(515、517)執(zhí)行與電壓控制單元(圖2中的201、203、205、207)相同的功能。在一個示例中，電壓控制單元515被配置為防止線路111的電壓下降到規(guī)定電壓之下。電壓控制單元517被配置為防止線路113的電壓超過規(guī)定電壓。

圖5b是電子設(shè)備(例如圖1中的連接到數(shù)據(jù)總線(圖1中的119、121)的設(shè)備101和103)的示例。在一個示例中，電子設(shè)備(101)包括電子功能單元(501)、差分接收機(503)、差分發(fā)射機(505)、在差分發(fā)射機(505)、差分接收機(503)和電子功能單元(501)之間的電連接(511、513)。在這個示例中，差分接收機(503)或差分發(fā)射機或這兩者可以包括電壓控制單元(515、517、519、512)。在另一示例中，差分接收機(503)、差分發(fā)射機(505)可以被實現(xiàn)為一個集成電路，或具有嵌入的電壓控制單元(515、517)的一個電子模塊。在一個示例中，電壓控制單元515被配置為防止線路111的電壓下降到規(guī)定電壓之下。電壓控制單元517被配置為防止線路113的電壓超過規(guī)定電壓?？傊?，電壓控制單元(515、517、519、512)可以嵌入在差分發(fā)射機(505)或差分接收機(503)中。

在另一示例中，當(dāng)高電壓差大于1v且發(fā)射機的實際高電壓差是1.9v時。在總線線路(例如121)和電壓控制單元(圖2中的203、207)的操作中的故障的情況下，高電壓差將減小到1v。減小的高電壓差可以防止所傳輸?shù)男盘柕臋z測。為了克服這個問題，建議使用所提出的方法的在通信系統(tǒng)中的發(fā)射機傳輸電壓差，其為對協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)允許的最大值。例如在can總線系統(tǒng)中，所傳輸?shù)碾妷翰钍?.5v。在另一示例中，當(dāng)電壓控制單元(圖5b中的515、517)嵌入在發(fā)射機(圖5b中的505)中時，當(dāng)故障狀態(tài)出現(xiàn)時，發(fā)射機將其發(fā)射電壓增加到最大允許的電壓。