控制器用通讯接管电路、方法、控制器、系统及电动车辆与流程

文档序号:33713735发布日期:2023-04-01 02:33阅读:76来源:国知局
控制器用通讯接管电路、方法、控制器、系统及电动车辆与流程

1.本发明涉及电动车辆控制器用通信控制技术领域,特别涉及一种控制器用通讯接管电路、方法、控制器、系统及电动车辆。


背景技术:

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术,并不必然构成现有技术。
3.随着电动车辆安全性、智能驾驶、智能座舱及节能环保的发展要求,诞生了很多新的汽车电子控制系统,这些控制器之间需要进行大量数据的通讯,通讯的方式主要有lin、can、canfd、flexray等。
4.发明人发现,上述通讯方式基本都是通过一个mcu(microcontroller unit,微控制单元)和相应的通讯收发器芯片组成,一旦mcu发生了故障,如跑飞、自身硬件故障等情况,控制器向通讯总线上发送的报文信息将处于不可控的状态,影响总线上其余控制器对故障控制器的信号处理逻辑,严重情况下会影响电动车辆的行驶安全。


技术实现要素:

5.为了解决现有技术的不足,本发明提供了一种控制器用通讯接管电路、方法、控制器、系统及电动车辆,解决了主mcu失效的情况下总线通讯也跟随失效的问题,满足了电动车辆的安全要求,同时没有新增额外的通讯收发器芯片及附属电路,节约了成本。
6.为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
7.本发明第一方面提供了一种控制器用通讯接管电路。
8.一种控制器用通讯接管电路,包括:
9.第一微控制单元、第二微控制单元、控制电路和通讯收发器;
10.控制电路至少包括:第一信号转换器、第二信号转换器、第三信号转换器和第四信号转换器;
11.第一微控制单元的发送端口通过第一信号转换器与通讯收发器的发送端口连接,第二微控制单元的发送端口通过第二信号转换器与通讯收发器的发送端口连接,第一信号转换器的输出端和第二信号转换器的输出端汇接后通过第一电阻与电源连接;
12.通讯收发器的接收端口分别与第三信号转换器的输入端以及第四信号转换器的输入端连接,第三信号转换器的输出端与第一微控制单元的接收端口连接,第四信号转换器的输出端与第二微控制单元的接收端口连接;
13.第二微控制单元的控制引脚通过电平控制电路与第一微控制单元的发送端口连接。
14.作为可选的一种实现方式,电平控制电路,包括:pmos管、nmos管、第二电阻和第三电阻;
15.pmos管的栅极与nmos管的漏极连接,pmos管的源极与电源连接,pmos管的源极通过第二电阻与nmos管的漏极连接;
16.nmos管的源极接地,nmos管的栅极通过第三电阻与第一微控制单元的控制引脚连接。
17.作为可选的一种实现方式,第四信号转换器的输出端通过第四电阻与电源连接,第三信号转换器的输出端通过第五电阻与电源连接。
18.作为可选的一种实现方式,所述电源均为+5v。
19.作为可选的一种实现方式,第一电阻的取值范围为:大于或等于0.5kω,且小于或等于10kω。
20.作为可选的一种实现方式,第一信号转换器、第二信号转换器、第三信号转换器和第四信号转换器的结构相同,均包括非门和nmos管,非门的输入端作为信号转换器的输入端,非门的输出端与nmos管栅极连接,nmos管源极接地,nmos管漏极作为信号转换器的输出端。
21.本发明第二方面提供了一种控制器用通讯接管方法。
22.一种控制器用通讯接管方法,利用本发明第一方面所述的控制器用通讯接管电路,包括以下过程:
23.当第二微控制单元检测到第一微控制单元工作异常时,通过第二微控制单元的控制引脚输出高电平信号,进而使得电平控制电路输出高电平信号给第一微控制单元的发送端口,第一信号转换器的输出为高阻态;
24.第二微控制单元的输出串口信号由持续高电平状态转变为低电平状态,通过第二信号转换器与通讯收发器进行正常通讯。
25.作为可选的一种实现方式,第二微控制单元实时监测第一微控制单元的运行情况,当监测到第一微控制单元正常运行时,第二微控制单元的输出串口引脚持续输出高电平;
26.第二信号转换器的输出为高阻态,此状态不影响第一信号转换的输出信号波形,第一微控制单元的发送端口正常发送信号,当第一微控制单元的发送端口为低电平时,第一信号转换器输出低电平信号;
27.当第一微控制单元发送端口为高电平时,由于第一信号转换器和第二信号转换器的输出端通过第一电阻上拉到电源对应电压,第一信号转换器的输出为高电平。
28.作为可选的一种实现方式,第一微控制单元正常与通讯收发器通讯时,通讯收发器通过发送端口将通讯信号先发送到第三信号转换器和第四信号转换器;
29.通讯收发器发送端口发送的信号经过第三信号转换器到第一微控制单元的接收端口,通过第四信号转换器到第二微控制单元的接收端口,此时第一微控制单元和第二微控制单元均正常接收到通讯收发器的接收端口信号。
30.作为可选的一种实现方式,电平控制电路包括pmos管、nmos管、第二电阻和第三电阻时;
31.当第二微控制单元检测到第一微控制单元工作异常时,通过第二微控制单元的控制引脚输出高电平信号,经过第三电阻使nmos管的栅极为高电平,nmos管的栅极为高电平时,nmos管的源极接地,nmos管栅极电压比源极电压高,nmos管的漏极和地导通,nmos管的漏极电压为低电平;
32.由于nmos管的漏极和pmos管的栅极相连,pmos管的栅极电压也为低电平,pmos管
的源极连接电源高电平,pmos的栅极电压比源极电压低,pmos管的源极和漏极导通,将第一微控制单元的发送端口与电源导通,第一微控制单元的发送端口为高电平;
33.当第一微控制单元正常通讯时,第二微控制单元的控制引脚持续输出低电平,nmos管的栅极电压和源极电压相同,nmos处于关闭状态,第二电阻使得pmos管的栅极电压和源极电压相同,pmos管持续处于断开状态,pmos不对第一微控制单元的发送端口信号产生影响,在nmos关闭时,第二电阻将pmos管的栅极电压和源极电压保持相同,从而关断pmos管。
34.本发明第三方面提供了一种控制器,包括本发明第一方面所述的控制器用通讯接管电路。
35.本发明第四方面提供了一种控制系统,包括本发明第三方面所述的控制器以及与所述控制器通信连接的至少一个外控制器。
36.本发明第五方面提供了一种车辆,包括本发明第一方面所述的控制器用通讯接管电路;或者,包括本发明第三方面所述的控制器;或者,包括本发明第四方面所述的控制系统。
37.与现有技术相比,本发明的有益效果是:
38.1、本发明所述的控制器用通讯接管电路、方法、控制器、系统及电动车辆,解决了主mcu失效的情况下总线通讯也跟随失效的问题,满足了电动车辆的安全要求,同时没有新增额外的通讯收发器芯片及附属电路,节约了成本。
39.2、本发明所述的控制器用通讯接管电路、方法、控制器、系统及电动车辆,备份mcu(即第二微控制单元)的tx引脚持续输出高电平,不会影响主mcu(即第一微控制单元)与通讯收发器的tx信号通讯,tx信号电平和逻辑没有改变,主mcu(即第一微控制单元)可以正常发送tx信号到通讯收发器的tx引脚,避免了主备mcu之间的相互影响。
40.3、本发明所述的控制器用通讯接管电路、方法、控制器、系统及电动车辆,通过设置第三信号转换器,利用信号转换器的单向性,将主mcu(即第一微控制单元)和备份mcu(即第二微控制单元)的rx引脚隔离开来,使其相互不影响,同时产生一个时间延迟tdelay,使rx与tx的时间延迟同步。
41.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
42.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。
43.图1为本发明实施例1提供的通讯接管电路的连接示意图。
44.图2为本发明实施例1提供的信号转换器的电路连接示意图。
45.图3为本发明实施例4提供的控制系统的电路连接示意图。
具体实施方式
46.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
47.应该指出,以下详细说明都是示例性的,旨在对本发明提供进一步的说明。除非另
有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
48.需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
49.在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
50.实施例1:
51.如图1所示,本发明实施例1提供了一种控制器用通讯接管电路,包括:主mcu、备份mcu、通讯收发器、控制电路和电源。
52.控制器正常运行时,主mcu负责控制器的信号采集、逻辑控制和通讯功能;备份mcu同样负责控制器信号采集功能,同时监控主mcu的运行情况,在主mcu异常的情况下,负责接管主mcu的通讯功能;
53.通讯收发器负责将主mcu或备份mcu的发送串口信号(即图2中tx)转换为总线所需的通讯信号,如lin或can信号;同时通讯收发器将总线上控制器1、控制器2

控制器n发送的通讯信号转换为串口信号(即图2中rx)发送给主mcu和备份mcu;
54.电源模块负责给控制器的所有模块提供正常工作所必需的+5v电源,即图2中的+5v;
55.控制电路主要功能如下:(1)主mcu正常工作时,正常传输主mcu和通讯收发器之间的tx、rx信号,信号电平和逻辑均保持一致;(2)主mcu异常时,禁止主mcu的tx信号发送,同时传输备份mcu的tx信号到通讯收发器,传输通讯收发器的rx信号至备份mcu。
56.如图2所示,为控制器内部和本发明相关的部分电路组成,对图1中控制电路进行了细化。
57.控制电路具体包括:信号转换1(即第一信号转换器)、信号转换2(即第一信号转换器)、信号转换3(即第一信号转换器)、信号转换4(即第一信号转换器)、电阻r1(即第一电阻)、电阻r2(即第二电阻)、电阻r3(即第三电阻)、电阻r4(即第四电阻)、电阻r5(即第五电阻)、pmos管q1和nmos管q2。
58.主mcu的tx输出连接至信号转换1的输入in和pmos漏极(d),信号转换1的输出out连接至通讯收发器的tx和电阻r1的第一端,电阻r1的第二端连接电源+5v;
59.备份mcu的tx输出连接至信号转换2的输入in,信号转换2的输出out连接至通讯收发器的tx和电阻r1的第一端。
60.通讯收发器的rx输出连接至信号转换3输入in和信号转换4的输入in,信号转换3的输出out连接至备份mcu的rx和电阻r5的第一端,信号转换4的输出out连接至主mcu的rx和电阻r4的第一端。
61.电阻r4的第二端连接至电源+5v,电阻r5的第二端连接至电源+5v。
62.pmos管q1的栅极(g)连接至nmos管q2的漏极(d)和电阻r2的第一端,pmos管q1的源极(s)和电阻r2的第二端均连接至电源+5v;nmos管q2的源极(s)连接控制器的地gnd,q2的栅极(g)连接至备份mcu的gpio控制引脚。
63.如图3所示,信号转换1、信号转换2、信号转换3、信号转换4的内部电路完全一致,
其内部主要由逻辑非门和nmos组成,信号转换器的输入in连接至逻辑非门的输入,逻辑非门的输出连接至nmos管q的栅极(g),nmos管q源极(s)连接至控制器的地gnd,nmos管q漏极(d)连接至信号转换器的输出out,由于nmos管是开漏输出,所以信号转换器的输入in和输出out的逻辑关系如下:
64.inhloutz(高阻态)l
65.由于信号转换器存在z(高阻态)的输出状态,可以利用此特性将主mcu和备份mcu的tx输出进行并联与通讯收发器进行通讯,达到同时只传输一路tx信号,同时禁止掉另外一路tx信号的功能,而不会造成两路tx信号相互干扰。
66.实施例2:
67.本发明实施例2提供了一种控制器用通讯接管方法,利用实施例1所述的控制器用通讯接管电路,包括以下过程:
68.备份mcu通过spi通讯实时监测主mcu的运行情况,当监测到主mcu正常运行时,备份mcu的tx引脚持续输出高电平,信号转换2的out为高阻态,此状态不会影响信号转换1的out输出信号波形,即通过拉高备份mcu的tx引脚,与信号转换2结合,将备份mcu的tx信号给屏蔽掉了;
69.主mcu正常发送tx信号,当主mcu发送tx为低电平信号时,信号转换1输出低电平信号;当主mcu发送tx为高电平信号时,由于信号转换1和2的out输出通过电阻r1上拉到+5v,所以此时信号转换1的out输出为+5v的高电平信号;
70.上拉电阻r1的作用为当信号转换1或2的out输出为高阻态时,通过电阻r1的上拉+5v电平给信号转换1或2的out输出一个确定的高电平信号;
71.当信号转换1或2输出out为低电平信号时,电阻r1不会对低电平信号及信号上升下降沿产生影响,同时电阻r1还应起到限流作用,防止+5v与信号转换1或2的输出mos直通,因此r1的阻值选型范围为0.5kω≤r1≤10kω。
72.因此此时信号转换1的输入与输出的信号关系如下:
73.inhlouthl
74.综上,备份mcu的tx引脚持续输出高电平,不会影响主mcu与通讯收发器的tx信号通讯,tx信号电平和逻辑没有改变,主mcu可以正常发送tx信号到通讯收发器的tx引脚。由于tx信号经过信号转换1,输入in和输出out会有一个时间延迟tdelay;由于信号转换器本身是纯硬件的信号转换,因此时间延迟tdelay非常小,一般tdelay≤10ns,不会对信号传输产生影响。
75.综上,信号转换器具有单向性,信号只能从输入in到输出out流动;由于主mcu或备份mcu与通讯收发器之间的tx、rx也都是有方向性的,非常适合使用信号转换器进行信号传输。
76.主mcu正常与通讯收发器通讯时,通讯收发器也会通过rx引脚将通讯信号先发送到信号转换3和信号转换4,rx信号经过信号转换3到主mcu的rx引脚,通过信号转换4到备份mcu的rx引脚,此时主mcu和备份mcu均可以正常接收到通讯收发器的rx信号,而互不影响;电阻r4和电阻r5的作用与电阻r1相同,均是信号转换器out输出端的上拉电阻。
77.增加信号转换3的作用主要有:(1)利用信号转换器的单向性,将主mcu和备份mcu的rx引脚隔离开来,使其相互不影响;(2)产生一个时间延迟tdelay,使rx与tx的时间延迟同步。
78.当备份mcu通过spi检测到主mcu工作异常时,通过备份mcu的gpio引脚输出高电平信号,经过电阻r3,使nmos管q2的栅极(g)为高电平,电阻r3的作用为限流和信号传输;
79.nmos管q2的栅极(g)为高电平时,由于其源极(s)接地gnd,栅极(g)电压比源极(s)电压高,所以nmos管q2的漏极(d)和地gnd导通,q2的漏极(d)电压为低电平;
80.由于q2的漏极(d)和pmos管q1的栅极(g)相连,所以pmos管q1的栅极(g)电压也为低电平,而pmos管q1的源极(s)连接+5v高电平,导致q1的栅极(g)电压比源极(s)电压低,pmos管q1的源极(s)和漏极(d)导通,将主mcu的tx引脚与+5v电源导通,强制将主mcu的tx引脚拉高,由于主mcu的tx信号转换1的输入in相连接,所以信号转换1的in为高电平,由于信号转换1的特性,当输入in为高电平时,输出为高阻态;
81.与上述屏蔽备份mcu的tx功能类似,当主mcu工作异常时,通过将信号转换1的输入in拉高,屏蔽掉主mcu的tx功能。
82.与屏蔽掉主mcu的tx功能同时,备份mcu的tx信号由此前的持续高电平状态转变为正常发送状态,通过信号转换2与通讯收发器进行正常通讯,工作原理与主mcu的tx与通讯收发器通讯原理一致,此处不再赘述;
83.通讯收发器发送的rx信号通过信号转换3转换后可以正常被备份mcu的rx引脚接收到,与主mcu的rx信号通讯原理一致,此处不再赘述;由此可以实现在屏蔽掉主mcu与通讯收发器之间的通讯同时,实现备份mcu与通讯收发器之间的正常通讯,实现了紧急情况下备份mcu接管主mcu通讯的目的。
84.当主mcu正常通讯时,连接电阻r3的备份mcu的gpio引脚持续输出低电平,nmos管q2的栅极(g)电压和源极(s)电压相同,q2处于关闭状态;此时由于上拉电阻r2的存在使得pmos管的栅极(g)电压和源极(s)电压相同,pmos管q1持续处于断开状态,q1不会对主mcu的tx信号产生影响;上拉电阻r2的作用是在q2关闭时,将q1的栅极(g)电压和源极(s)电压保持相同,从而关断q1。
85.上述举例的通讯收发器是tx和rx两线通讯,实际可以是多线形式通讯的。
86.实施例3:
87.本发明实施例3提供了一种控制器,包括实施例1所述的控制器用通讯接管电路。
88.实施例4:
89.如图3所示,本发明实施例4提供了一种控制系统,包括实施例3所述的控制器,所述控制器与控制器1、控制器2

及控制器n之间是通过通讯总线进行信息的通讯的,通讯总线的数量可以是单根(如lin通讯)、双根(如can通讯等)。
90.实施例5:
91.本发明实施例5提供了一种车辆,包括本发明实施例1所述的控制器用通讯接管电路;或者,包括本发明实施例3所述的控制器;或者,包括本发明实施例4所述的控制系统。
92.以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
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