JP6601341B2 - 送信回路 - Google Patents

Description

本開示は、差動信号を送信する送信回路に関する。

ＣＡＮプロトコルが適用された通信システムが知られている。ＣＡＮは、Controller Area Networkの略であり登録商標である。この種の通信システムにおいて、伝送線路上の信号がドミナントである場合、伝送線路に接続されたドライバのいずれかが駆動状態にあるため、伝送線路はローインピーダンスの状態となる。一方、伝送線路上の信号がレセッシブである場合、伝送線路に接続されたすべてのドライバが非駆動状態にあるため、伝送線路はハイインピーダンスの状態となる。このため、伝送線路では、ローインピーダンスからハイインピーダンスに変化するタイミング、即ち、ドミナントからレセッシブに変化するタイミングで大きなリンギングが発生しやすい。このリンギングは、通信速度が高速であるほどその影響が大きくなる。

また近年では、ＣＡＮプロトコルを拡張したＣＡＮ−ＦＤプロトコルが普及しつつある。ＣＡＮ−ＦＤは、Controller Area Network with Flexible Data rateの略である。ＣＡＮ−ＦＤプロトコルでは、送受信されるフレームに、バス調停に使用される調停領域とデータが格納される非調停領域とを設け、非調停領域では調停領域と比較して高速なデータ転送を可能としている。

そして、特許文献１には、高速な通信が行われる非調停領域において、上述のようなリンギングを抑制する方法として、レセッシブの出力時に、ドミナントとは逆極性の差動電圧が伝送線路に発生するようにドライバを駆動する技術が開示されている。つまり、レセッシブ出力時に、ドライバを非駆動状態とするのではなく駆動状態とし、伝送線路のインピーダンスを低下させることで、リンギングを抑制するものである。

米国特許出願公開第２０１４／０３３０９９６号明細書

しかしながら、特許文献１に記載の従来技術では、ドミナントとレセッシブとの間で差動信号のレベル差、即ち、差動信号の振幅が２倍になり、伝送線路からの放射ノイズが増大するという問題があった。

本開示は、リンギングおよび放射ノイズをいずれも抑制する送信回路を提供する。

本開示の送信回路（５０）は、第１送信部（５１）と、第２送信部（５２）とを備える。
第１送信部は、２値で表現された送信信号に応じて、伝送線路への給電を行う駆動状態、および伝送線路への給電を遮断する非駆動状態を切り替えることで、送信信号に応じた差動信号を伝送線路に送信するように構成されている。第２送信部は、第１送信部が駆動状態となる期間をドミナント期間、第１送信部が非駆動状態となる期間をレセッシブ期間として、ドミナント期間に非駆動状態、レセッシブ期間に駆動状態となり、レセッシブ期間の差動信号が、ドミナント期間の差動信号より小さく且つ逆極性となるように伝送線路への給電を行うように構成されている。

このような構成によれば、レセッシブ期間における伝送線路のインピーダンスを低く保ったまま、差動信号の振幅が従来装置より小さくなる。その結果、レセッシブからドミナントへの切り替わりタイミングで発生するリンギングを抑制しつつ、伝送線路からの放射ノイズも抑制することができる。

なお、この欄及び特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本開示の技術的範囲を限定するものではない。

通信システムの構成を示すブロック図である。 送信回路の構成を示す回路図である。 ドミナント駆動部およびレセッシブ駆動部の等価回路を示す説明図である。 送信回路の動作を示すタイミング図である。 本実施形態における差動信号の波形と受信閾値との関係を示す説明図である。 従来装置における差動信号の波形と受信閾値との関係を示す説明図である。 受信閾値と受信データのパルス幅歪との関係を示す説明図である。

以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態を説明する。
［１．構成］
図１に示す通信システム１は、車両に搭載された複数の電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ）３と、前記複数のＥＣＵ３を相互に接続する伝送線路７とを備える。なお、ＥＣＵは、Electronic Control Unitの略である。各ＥＣＵ３は、伝送線路７を介してＣＡＮ−ＦＤプロトコルに従った通信を実行することで各種情報を提供または取得し、取得した情報に基づいて、自身に割り当てられた機能を実現するための各種処理を実行する。

ＣＡＮ−ＦＤプロトコルで使用される通信フレーム（以下、ＣＡＮ−ＦＤフレーム）は、調停領域と非調停領域とを有する。調停領域のビットレートは、従来のＣＡＮと同等のビットレート（例えば、５００ｋｂｐｓ）に設定されている。一方、非調停領域のビットレートは、調停領域よりも高速の最大５Ｍｂｐｓまでのビットレートを選択可能とされている。調停領域では、複数のＥＣＵ３からの送信信号が衝突した場合に調停等を行い、データフェーズでは、調停勝ちしたＥＣＵ３からのデータが送信される。以下では、調停領域を低速領域、非調停領域を高速領域ともいう。

［２．伝送線路］
伝送線路７は、差動信号を伝送する一対の信号線７１，７２で構成されたバス状線路である。伝送線路７は、その両端に、信号の反射を抑制するための終端回路７３，７４を備える。以下では、前記一対の信号線７１，７２の一方をＣＡＮＨ、他方をＣＡＮＬとも称する。

［３．ＥＣＵ］
ＥＣＵ３は、ＥＣＵ３は、制御部４と、トランシーバ５とを備える。
制御部４は、ＣＰＵ４１と、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ等の半導体メモリ（以下、メモリ）４２と、を有する周知のマイクロコンピュータを中心に構成される。また、制御部４は、ＣＡＮ−ＦＤプロトコルに従った通信を実行する通信コントローラ４３を備える。

通信コントローラ４３は、ＣＡＮ−ＦＤフレームを表す送信データＴＸＤ、およびその送信データＴＸＤに同期して、低速領域でロウレベルとなり高速領域でハイレベルとなる許可信号ＥＮをトランシーバ５に供給する。また、通信コントローラ４３は、トランシーバ１１から受信データＲｘＤの供給を受け、その受信データＲＸＤがＣＡＮ−ＦＤプロトコルに従った正常なＣＡＮ−ＦＤフレームであれば、データ領域のデータを抽出する。

ＣＰＵ４１は、他のＥＣＵ１０に提供するデータを通信コントローラ４３に提供する送信処理、通信コントローラ４３で受信されたデータを利用して各種処理を実行する受信処理を少なくとも実行する。

［４．トランシーバ］
トランシーバ５は、送信回路５０と受信回路６０を備える。
受信回路６０は、伝送線路７を介して受信する差動信号の信号レベルが、予め設定された受信閾値Ｖthより大きい場合にハイレベル、受信閾値Ｖth以下である場合にロウレベルと判定し、その判定結果を受信データＲＸＤとして通信コントローラ４３に供給する。なお、受信閾値Ｖthは、ＣＡＮ規格に従い０．７Ｖに設定されている。

送信回路５０は、図２に示すように、第１送信部５１と、第２送信部５２を備える。
第１送信部５１は、第１駆動回路５１１、トランジスタＴ１１，Ｔ１２、ダイオードＤ１１，Ｄ１２を備える。トランジスタＴ１１は、Ｐチャネル型の電界効果トランジスタであり、ソースが直流電圧ＶDDの電源線５３に接続されている。トランジスタＴ１２は、Ｎチャネル型の電界効果トランジスタであり、ソースがグランド線５４に接続されている。ダイオードＤ１１は、アノードがトランジスタＴ１１のドレインに接続され、カソードがＣＡＮＨに接続されている。ダイオードＤ１２は、アノードがＣＡＮＬに接続され、カソードがトランジスタＴ１２のドレインに接続されている。

第１駆動回路５１１は、送信データＴＸＤに従い、送信データＴＸＤと同じ信号レベルの出力である非反転出力Ｓ１１と、送信データＴＸＤを反転させた出力である反転出力Ｓ１２とを生成する。第１駆動回路５１１は、例えば図３に示すように、バッファ回路Ｌ１と、反転回路Ｌ２とで構成することができる。そして、非反転出力Ｓ１１は、トランジスタＴ１１のゲートに印加され、反転出力Ｓ１２は、トランジスタＴ１２のゲートに印加されるように接続されている。

つまり、送信データＴＸＤがハイレベルの場合、トランジスタＴ１１，Ｔ１２はいずれもオフ（即ち、ハイインピーダンス）となるため、第１送信部５１からの伝送線路７に対する給電は行われない。一方、送信データＴＸＤがロウレベルの場合、トランジスタＴ１１，Ｔ１２はいずれもオンするため、第１送信部５１からの伝送線路７に対する給電が行われる。

第２送信部５２は、第２駆動回路５２１、トランジスタＴ２１，Ｔ２２、ダイオードＤ２１，Ｄ２２，Ｄ２３，Ｄ２４を備える。トランジスタＴ２１は、Ｐチャネル型の電界効果トランジスタであり、ソースが直流電圧ＶDDの電源線５３に接続されている。トランジスタＴ２２は、Ｎチャネル型の電界効果トランジスタであり、ソースがグランド線５４に接続されている。ダイオードＤ２１，Ｄ２２は直列接続され、そのアノード側端がトランジスタＴ２１のドレインに接続され、カソード側端がＣＡＮＬに接続されている。ダイオードＤ２３，Ｄ２４は直列接続され、そのアノード側端がＣＡＮＨに接続され、カソード側端がトランジスタＴ２２のドレインに接続されている。

第２駆動回路５２１は、送信データＴＸＤおよび許可信号ＥＮに従って反転駆動出力Ｓ２１、非反転駆動出力Ｓ２２を生成する。具体的には、許可信号ＥＮがハイレベルの時には、反転出力Ｓ２１は送信データＴＸＤの信号レベルを反転させた出力となり、非反転出力Ｓ２２は、送信データＴＸＤの信号レベルを反転させた出力となる。許可信号ＥＮがロウレベルの時には、送信データＴＸＤの信号レベルに関わらず、反転出力Ｓ２１はハイレベルとなり、非反転出力Ｓ２２はロウレベルとなる。第２駆動回路５２１は、例えば図３に示すように、ＮＡＮＤ回路Ｌ３と、ＡＮＤ回路Ｌ４とで構成することができる。そして、非反転出力Ｓ２１は、トランジスタＴ２１のゲートに印加され、反転出力Ｓ２２は、トランジスタＴ２２のゲートに印加されるように接続されている。

［５．動作］
以下では、送信データＴＸＤがハイレベルである期間をレセッシブ期間、送信データＴＸＤがロウレベルである期間をドミナント期間ともよぶ。また、トラジスタＴ１１，Ｔ１２，Ｔ２１，Ｔ２２のオン電圧をＶon、ダイオードＤ１１，Ｄ１２，Ｄ２１〜Ｄ２４の順電圧をＶｆとする。

［５−１．低速領域での動作］
通信コントローラ４３がロウレベルの許可信号ＥＮを出力する調停領域、即ち低速領域での動作について説明する。図４に示すように、低速領域では、送信データＴＸＤの信号レベルに関わらず、第２送信部５２のトランジスタＴ２１，Ｔ２２はいずれもオフとなる。このため、低速領域では、ＣＡＮＨおよびＣＡＮＬの信号レベル、ひいては伝送線路７を介して伝送される差動信号の信号レベルは、第１送信部５１によって決定される。

送信データＴＸＤがハイレベルの場合、すなわちレセッシブ期間では、トランジスタＴ１１，Ｔ１２はいずれもオフとなり、第１送信部５１および第２送信部５２のいずれからも伝送線路７に対する給電は行われない。

但し、ＣＡＮＨとＣＡＮＬは、終端回路７３，７４を介して接続されているため、図５に示すように、ＣＡＮＨの電位ＶＨとＣＡＮＬの電位ＶＬは同電位（即ち、ＶＨ＝ＶＬ）となる。その結果、（１）式で表される差動信号の信号レベルＤＶは約０Ｖとなる。

ＤＶ＝ＶＨ−ＶＬ （１）
一方、送信データＴＸＤがロウレベルの場合、すなわちドミナント期間では、トランジスタＴ１１，Ｔ１２はいずれもオンするため、第１送信部５１から伝送線路７に対して給電が行われる。このとき、（２）式で表されるＣＡＮＨの電位ＶＨは約３．５Ｖ、（３）式で表されるＣＡＮＬの電位ＶＬは約１．５Ｖとなる。その結果、（１）式で表される作動信号の信号レベルＤＶは約２Ｖとなる。

ＶＨ＝ＶDD−Ｖon−Ｖｆ （２）
ＶＬ＝０＋Ｖon＋Ｖｆ （３）
［５−２．高速領域での動作］
通信コントローラ４３がハイレベルの許可信号ＥＮを出力する非調停領域、即ち、高速領域での動作について説明する。高速領域では、第１送信部５１だけでなく第２送信部５２も送信データＴＸＤの信号レベルに応じて動作する。

送信データＴＸＤがハイレベルの場合、すなわちレセッシブ期間では、トランジスタＴ１１，Ｔ１２がいずれもオフし、トランジスタＴ２１，Ｔ２２がいずれもオンする。これにより、ＣＡＮＨ，ＣＡＮＬの電位は、第２送信部５２からの伝送線路７に対する給電によって決定される。具体的には、ＣＡＮＨの電位ＶＨは（４）式で表され約２．２Ｖとなり、ＣＡＮＬの電位ＶＬは（５）式で表され約２．８Ｖとなる。その結果、（１）式で表される作動信号の信号レベルＤＶは約−０．６Ｖとなる。

ＶＨ＝０＋Ｖon＋２×Ｖｆ （４）
ＶＬ＝ＶDD−Ｖon−２×Ｖｆ （５）
一方、送信データＴＸＤがロウレベルの場合、すなわちドミナント期間では、トランジスタＴ１１，Ｔ１２がいずれもオンし、トランジスタＴ２１，Ｔ２２がいずれもオフする。これによりＣＡＮＨ，ＣＡＮＬの電位は、第１送信部５１からの伝送線路７に対する給電によって決定される。具体的には、先に説明した低速領域でのドミナント期間の動作と同じであり、差動信号の信号レベルＤＶは約２Ｖとなる。

このように、差動信号は、低速領域では、ドミナント期間に約２Ｖ、レセッシブ期間に約０Ｖとなり、約２Ｖの振幅を有した信号となり、高速領域では、ドミナント期間に約２Ｖ、レセッシブ期間に約−０．６Ｖとなり、約２．６Ｖの振幅を有した信号となる。そして、高速領域では、ドミナント期間の信号レベルと、レセッシブ期間の信号レベルとが、０．７Ｖの受信閾値Ｖthに対して対称となる。

［６．効果］
以上詳述した通信システム１によれば、以下の効果を奏する。
（６ａ）高速領域では、第２送信部５２を作動させることで、送信データＴＸＤがハイレベル、すなわちレセッシブ期間でも、伝送線路７への給電が行われる。このため、レセッシブ期間における伝送線路７のインピーダンスを低下させることができ、ドミナント期間からレセッシブ期間への変化時に発生するリンギングを抑制することができる。

（６ｂ）第２送信部５２の作動時におけるレセッシブ期間での差動信号の振幅ＤＶが、ドミナント期間での差動信号の振幅ＤＶより抑制されている。このため、レセッシブ期間での作動信号の振幅を抑制しない従来技術と比較して、高速領域での差動信号の振幅が抑制され、放射ノイズを抑制することができる。なお、図６には、比較のため、振幅の抑制を行わない従来技術における差動信号の波形を例示する。

（６ｃ）第２送信部５２の作動時におけるレセッシブ期間の差動信号の振幅が、ビット判定閾値Ｖthを中心としてドミナント時の差動信号の振幅とは対称となるように設定されている。このため、受信側において、高速領域と低速領域とで受信閾値Ｖthを切り替えることなく、パルス幅歪みが抑制された受信データＲＸＤを生成してコントローラに供給することができる。このことは、通信システム１ではＣＡＮの従来規格のレシーバをそのまま使用することができることを意味する。

つまり、図７に示すように、受信閾値Ｖthが差動信号の振幅の中心（すなわち、Ｖth＝Ｍ）にあれば、ハイレベルの時のパルス幅Ａとロウレベルの時のパルス幅Ｂはほぼ等しくなる。しかし、図中のＶth＝Ｈの場合に示す通り、受信閾値Ｖthが作動信号の振幅の中心から離れるほどパルス幅Ａ，Ｂの差、すなわちパルス幅歪みが大きくなる。しかもその影響は、ビットレートが高いほど大きくなる。図６の従来の差動信号の波形では、高速領域での受信閾値Ｖthが差動信号の中心からずれており、波形歪みの影響を受けることがわかる。

［７．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。

（７ａ）上記実施形態では、振幅を抑制するための構成、すなわち振幅抑制部として、直列接続されたダイオードＤ２１，Ｄ２２およびＤ２３，Ｄ２４を用いているが、これに限定されるものではない。例えば、直列接続されたダイオードの一方、すなわちＤ２１、Ｄ２２のいずれか一方、およびＤ２３，Ｄ２４のいずれか一方を、抵抗に置き換える等してもよい。

（７ｂ）上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

（７ｃ）上述した送信回路５０のほか、送信回路５０を構成要素とするトランシーバ５、ＥＣＵ３、通信システム１等、種々の形態で本開示を実現することもできる。

１…通信システム、３…ＥＣＵ、４…制御部、５…トランシーバ、７…伝送線路、１０…ＥＣＵ、１１…トランシーバ、４１…ＣＰＵ、４３…通信コントローラ、５０…送信回路、５１…第１送信部、５２…第２送信部、５３…電源線、５４…グランド線、６０…受信回路、７１，７２…信号線、７３，７４…終端回路、５１１…第１駆動回路、５２１…第２駆動回路、Ｄ１１，Ｄ１２，Ｄ２１〜Ｄ２４…ダイオード、Ｔ１１，Ｔ１２，Ｔ２１，Ｔ２２…トランジスタ。

Claims (6)

1. 差動信号を伝送する伝送線路に接続される送信回路（５０）であって、
   ２値で表現された送信信号に応じて、前記伝送線路への給電を行う駆動状態、および前記伝送線路への給電を遮断する非駆動状態を切り替えることで、前記送信信号に応じた前記差動信号を前記伝送線路に送信するように構成された第１送信部（５１）と、
   前記第１送信部が駆動状態となる期間をドミナント期間、前記第１送信部が非駆動状態となる期間をレセッシブ期間として、前記ドミナント期間に前記非駆動状態、前記レセッシブ期間に前記駆動状態となり、前記レセッシブ期間の前記差動信号が、前記ドミナント期間の前記差動信号より小さく且つ逆極性となるように前記伝送線路への給電を行うように構成された第２送信部（５２）と、
   を備える送信回路。
2. 前記送信信号は、予め設定された基準速度で送信される低速領域と、前記基準速度より速い速度で送信される高速領域とを有し、
   前記第２送信部は、前記高速領域にて作動するように構成されている
   請求項１に記載の送信回路。
3. 前記伝送線路を介して受信する前記差動信号の信号レベルを判定する閾値を受信閾値として、
   前記第２送信部の作動時における前記レセッシブ期間の前記差動信号の信号レベルは、前記受信閾値を中心として、前記ドミナント期間の前記差動信号の信号レベルと対称な大きさを有するように設定されている
   請求項２に記載の送信回路。
4. 前記送信信号は、ＣＡＮ−ＦＤプロトコルに従い、前記ＣＡＮ−ＦＤプロトコルにおける調停領域の信号が前記低速領域の信号であり、前記ＣＡＮ−ＦＤプロトコルにおける非調停領域の信号が前記高速領域の信号である、
   請求項２または請求項３に記載の送信回路。
5. 前記伝送線路は、第１信号線（７１）と第２信号線（７２）とを有し、
   前記送信信号は、第１信号レベルと第２信号レベルで表現され、
   前記第１送信部は、
   予め設定された第１の電位を有する第１電源線と前記第１信号線との間に接続された第１スイッチ（Ｔ１１）と、
   前記第１の電位より低く設定された第２の電位を有する第２電源線と前記第２信号線との間に接続された第２スイッチ（Ｔ１２）と、
   前記送信信号が前記第１信号レベルの時に、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチを導通させるように構成された第１駆動回路（５１１）と、
   を備え、
   前記第２送信部は、
   前記第１電源線と前記第２信号線との間に接続された第３スイッチ（Ｔ２１）と、
   前記第２電源線と前記第１信号線との間に接続された第４スイッチ（Ｔ２２）と、
   前記送信信号が前記第２信号レベルの時に、前記第３スイッチおよび前記第４スイッチを導通させるように構成された第２駆動回路（５２１）と、
   前記第３スイッチおよび前記第４スイッチの導通時における前記差動信号の信号レベルを抑制するように構成された振幅抑制部（Ｄ２１〜Ｄ２４）と、
   を備える請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の送信回路。
6. 前記振幅抑制部として、前記第３スイッチおよび前記第４スイッチのそれぞれに直列接続されたダイオードを有する
   請求項５に記載の送信回路。

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