有源开关星形节点以及利用这种星形节点互连的站构成的网络

摘要

在网络中，星形节点(SN1)将多个站(ST1～ST3)互相连接起来。节点(SN1)拥有接口(I1～I3)，每一个都有一个连接端(BP)，用于将这些站中选中的一个与星形节点(SN1)连接，每个接口都在一个连接端(BP)从这个接口连接的站接收一个信号，并且将收到的信号转发给其它接口的连接端(BP)。星形节点(SN1)还有一个公共端(RT1)，每一个接口都有用于从连接的站接收信号，与连接端(BP)连接的一个接收器(CMP1)，与连接端(BP)连接的一个发送器(TR)，用于响应接收器(CMP1)一个输入端(CIP1)上的信号变化产生第一个活动信号(AS1)的第一个活动检测器(A1)，用于响应公共端(RT1)上信号的变化产生第二个活动信号(AS2)的第二个活动检测器(A2)，响应第二个活动信号(AS2)禁止信号从接收器(CMP1)传送给公共端(RT1)的第一个开关(SW1)，以及响应第一个活动信号(AS1)禁止信号从公共端(RT1)传送给发送器(TR)的第二个开关(SW2)。接口的结构允许在星形节点(SN1)内和一个数据协议内很容易地扩充接口的数量而不需要前缀。

说明书

本发明涉及将网络中的多个站(ST1～ST3)互相连接起来的一种星形节点(SN1)，这种星形节点(SN1)包括一些接口(I1～I3)，每一个都有一个连接端(BP)，用于将这些站中选定的一个与这个星形节点(SN1)连接起来，每个接口都拥有装置用来在连接端(BP)接收这个接口连接的站发送过来的信号，还拥有将所述信号转发给其它接口的连接端(BP)。

本发明还涉及用这种星形节点互相连接起来的站构成的一种网络。这种网络可以用于，例如，汽车和其它嘈杂环境。

在网络中，特别是在高速网络中，网络中的反射会导致信号的完整性发生问题。当比特时间与网络中的传播延迟相比并不大的时候这一个问题更加突出。可以利用终端连接适当负载的连接传输线将所有站都与一个星形节点连接来构成一个网络。在这种星形网络中，星形节点的任务是将一个站发送过来的数据转发给其它站。第4903015号美国专利介绍了这样一种星形网络和星形节点。已知的这种网络采用具有适当终端负载的传输线，因此适合用于高速传输。在这些站之间来回传输的信号通过同样的传输线，这样能够节省连接器和导线。但是，在已知的这种网络的星形节点里，需要相当复杂的逻辑电路来实现发送和接收开关机制。这种逻辑电路的复杂性随着能够与这个星形节点连接的站的数量增加而增加。

本发明的一个目的是提供一种不那么复杂的星形节点。因此，本发明开头一段中描述的星形节点的特征在于这种星形节点有一个公共端，还在于其中的接口有一个接收器，它的一个输入端与连接端连接，用于接收连接的这个站的信号，还有一个发送器，它的一个输出端与所述连接端连接，有第一个活动检测器，在接收器输入端有信号变化的时候用于产生第一个活动信号，第二个活动检测器，用于响应公共端的信号变化产生第二个活动信号，第一个交换装置，用于响应第二个活动信号，禁止接收器的输出端向公共端传输信号，以及第二个交换装置，用于响应第一个活动信号，禁止公共端向发送器的输入端传输信号。

第一个和第二个交换装置，与第一个和第二个活动检测器一起，能够防止从一个接口连接的输入信号发送回同一个站，确保进来的信号只是传送给其它站。所有接口都相同，增加接口数量的时候元件的数量不会增加。

在从属权利要求2要求保护的实施方案中，接口驱动器、电阻和公共端构成一个有线OR系统，它能够自由扩展。电子开关为信号提供正确的路由选择。

从属权利要求3和4以及从属权利要求6和7要求保护的实施方案提供快速和简单的实施方案，权利要求5和8要求保护的实施方案是一种全平衡的实施方案。

本发明中星形节点比较简单使得快速和有效的数据传输成为可能，因为配置星形节点几乎不会损失任何时间。因此，在发送的数据的协议中不需要任何前缀在这个星形节点中完成开关功能。这就使得配备了本发明中的星形节点的网络适合用于不规定前缀的协议，比如TTP/C(C类时间触发协议(高速，≥1Mbps))。本发明的星形节点还允许进行非常容易的扩展。可以通过将一个接口与另一个星形节点的一个接口相连接来增加星形节点。

下面将参考附图，阐明本发明的这些方面和其它方面，其中：

图1画出了通过本发明的一个星形节点互相连接起来的站构成的一个网络；

图2画出了用于本发明的星形节点的第一种接口的一个框图；

图3说明第一个接口从一个站收到的信号；

图4说明第一个接口发送数据给一个站的时候出现的信号；

图5是用于本发明的星形节点的第二种接口的一个框图；

图6说明图1中的一个站已经被另一个星形节点替换了以后的网络。

在这些附图中，相似的部分用相似的引用符号表示。

图1以实例的形式说明一个网络，它包括三个站ST1、ST2和ST3，它们通过本发明的一个星形节点SN1互相连接。在汽车中，这个站可以是一个温度传感器，一个刹车传感器，等等，它们有适当的接口用于将传感器与网络连接。又例如，星形节点SN1包括三个接口I1、I2和I3。接口I1、I2和I3具有相应的连接端BP和BM，用于将ST1、ST2和ST3中相应的一个站与星形节点SN1连接。这些站ST1、ST2和ST3通过双绞传输线TWP1、TWP2和TWP3与接口I1、I2和I3连接。但是，也可以采用其它类型的传输线，比如同轴电缆或者单线线路。站和接口的数量不限于3个，2个以上的任意数字都行。

接口I1、I2和I3具有平衡输入端BP和BM，用于连接双绞线，还有平衡的公共端RT1和RT2。接口I1、I2和I3的公共端RT1通过第一个公共上拉电阻RP1全部与一个电源正极PST连接。接口I1、I2和I3的公共端RT2同样通过第二个公共上拉电阻RP2和电源正极PST连接。

图2画出了接口I1～I3的一个框图。这个接口有一个接收器，它包括两个比较器CMP1和CMP2和一个发送器TR。比较器CMP1有一个同相输入端CIP1与连接端BP连接，反相输入端CIN1与连接端BM连接。比较器CMP2有一个同相输入端CIP2与连接端BM连接，反相输入端CIN2与连接端BP连接。因此，这两个比较器的输入端分别与连接端连接。发送器TR有平衡的输出TO1和TO2分别与连接端BM和BP连接。端电阻RTM连接在BP和BM之间，用于提供一个正确的终端阻抗给连接站的双绞线。

这个接口还具有第一个和第二个信号活动检测器A1和A2。第一个信号活动检测器A1检测输入信号的变化，也就是接收器从连接在这一接口的站收到的信号的变化。第二个活动检测器检测输出信号的变化，也就是发送器发送给与接口连接的站的信号的变化。

这两个比较器CMP1和CMP2的输出CO1和CO2通过第一个开关装置SW1分别与公共端RT1和RT2连接。在第二个活动检测器A2第二个活动信号AS2的控制下，第一个开关装置SW1禁止信号从输出端CO1和CO2传送给公共端RT1和RT2。第一个开关装置SW1与第一个和第二个电子开关SW11和SW12一起使用，它们通常处于闭合状态，在第二个活动检测器AS2的第二个活动信号AS2的控制下打开。第一个和第二个电子开关SW11和SW12分别将CO1和CO2与驱动器DR的第一个和第二个驱动输入端DR1和DR2连接起来或者断开连接，这个驱动器DR在比较器CMP 1和CMP2的输出CO1和CO2提供的互补驱动信号的控制之下将公共端RT1和RT2的电位拉下来，或者是释放它们。

驱动器DR与第一个和第二个N沟道晶体管M1和M2一起使用。第一个晶体管M1的沟道连接在第一个公共端RT1和用作信号地的电源负极GND之间。第一个晶体管M1的控制电极也就是栅极用作驱动输入端DR1。栅极收到正信号的时候，第一个晶体管M1的沟道在公共端RT1和电源负极GND之间形成一个电流通道，第一个晶体管M1将第一个公共端RT1的电压下拉到地电平。第二个晶体管M2的沟道连接在第二个公共端RT2和电源负极GND之间。第二个晶体管M2的栅极用作驱动输入端DR2。栅极收到正信号的时候，晶体管M2的沟道在第二个公共端RT2和电源负极GND之间形成一个电流通道，第二个晶体管M2将第二个公共端RT2的电压下拉到地电平。

公共上拉电阻RP1和RP2以及相应接口I1、I2和I3的第一个和第二个晶体管M1和M2在这些接口之间构成一个简单的有线-或互连系统，在这个星形节点SN1内它能够非常简单地扩展到任意数量的接口，而不需要按照接口数量增加或者改变每个接口的电子设计。所有接口都具有相同的电路。

除了公共上拉电阻RP1、RP2和对应的下拉电阻M1、M2以外，驱动器DR还可以用其它的驱动级来实现，它们在比较器CMP1和CMP2的输出CO1和CO2平衡信号的控制下，在第一个和第二个公共端RT1和RT2之间提供高阻或者低阻。

发送器TR有一个反相输入端TIN和一个同相输入端TIP，通过第二个开关装置SW2分别与第一个和第二个公共端RT1和RT2连接。在第一个活动检测器A2提供的第一个活动信号AS1的控制下，第二个开关装置SW2禁止公共端RT1和RT2的信号传送给反相输入端TIN和同相输入端TIP。第二个开关装置SW2有第一个和第二个电子开关SW21和SW22，它们通常都是闭合的，在第一个活动检测器AS1的第一个活动信号AS1的控制下打开。第二个开关装置SW2的第一个和第二个电子开关SW21和SW22将第一个和第二个公共端RT1和RT2与发送器的反相输入端TIN和同相输入端TIP连接起来或者断开。

第一个活动检测器A1的输入端A11和A12与驱动输入端DR1和DR2连接，以便检测输入信号中的信号活动。这些输入端A11和A12也可以和连接端BP和BM连接，或者与输出端CO1和CO2连接，同样能够获得这种效果。第二个活动检测器A2的输入端A21和A22分别与发送器TR的反相输入端TIN和同相输入端TIP连接，以便检测输出信号的信号活动。这些输入端A21和A22也可以和公共端RT1和RT2连接，或者与连接端BP和BM连接，获得同样的效果。

图3说明接口从一个站接收数据的时候的信号，从上而下：连接端BP和BM上的互补数据信号，公共端RT1和RT2上的信号，第一个活动信号AS1和第二个活动信号AS2。图4说明接口发送数据给一个站的时候对应的信号。

在这个网络中，数据在连接端BP和BM之间作为互补电压差从一个站发送给另一个站，这些电压按照数据的内容改变极性。不发送任何数据的时候，连接端BP和BM之间的电压差为0，网络处于空闲状态。假设站ST1是发送站，那么在接口I1中由两个比较器CMP1和CMP2检测电压差，这两个比较器具有固有的门限，用来抑制接收数据信号中的噪声。比较器的输出信号通过通常处于闭合状态的电子开关SW11和SW12驱动第一个和第二个晶体管M1和M2的栅极。第一个活动检测器A1检测输入信号的电压差，用它的第一个活动信号AS1快速地激活第二个开关装置SW2。这样一来就打开了第二个开关装置SW2的第一个和第二个电子开关SW21和SW22，第一个和第二个公共端RT1和RT2上的信号从发送器TR的输入端TIN和TIP断开。电子开关SW11和SW12保持闭合状态，因为接口的输出分枝上没有任何信号活动。为了能够正常工作，在公共端RT1和RT2上的数据信号到达第二个活动检测器A2的输入端A21和A22之前，第一个活动检测器A1必须将电子开关SW21和SW22打开，从而使输入信号不受干扰。

其它接口I2和I3不在它们的连接端BP和BM接收输入信号，但是它们共享公共端RT1和RT2上由接收接口I1产生的信号。在其它接口I2和I3中，开关SW21和SW22闭合，因为它们的第一个活动检测器A1没有检测到输入信号的信号电压差。但是，公共端RT1和RT2上的信号电压差却被它们的第一个活动检测器A1检测到，从而导致第一个和第二个电子开关SW11和SW12响应第二个活动信号AS2而打开。因此，在其它接口I2和I3中，公共端RT1和RT2上的信号被传送给发送器TR的输入端TIN和TIP，发送给其它接口连接的站。打开的开关SW11和SW12能够防止公共端上的信号造成干扰。为了能够正常工作，第二个活动检测器A2必须在发送器TR发送的数据信号到达第一个活动检测器A1的输入端A11和A12之前打开电子开关SW11和SW12。

通过这种方式，从站ST1到站ST2和ST3建立起一条数据流路径，只要这个站ST1继续发送数据。当这个站ST1停止发送数据的时候，接口I1的连接端BP和BM之间的电压差成为0，网络进入空闲状态。在接口I1中，第一个活动检测器A1停止检测活动，第二个开关装置SW2的电子开关SW21和SW22回到正常闭合位置，将公共端RT1和RT2重新与接口I1的接收器TR的输入端TIN和TIP连接起来。由于网络处于空闲状态，公共端RT1和RT2上的信号维持高电平，表明它处于空闲状态。这一点又使得其它接口I2和I3的电子开关SW11和SW12返回它们的正常闭合位置。到此为止，所有接口的所有开关都闭合，星形节点SN1准备好从任何一个站接收新的数据信号。

在空闲状态中，所有接口的发送器和接收器都是活动的，都与网络连接，因此所有数据路径都是打开的。来自一个站的的任何消息都会被星形节点SN1不受影响地迅速中继。这就意味着将星形节点级连起来扩充网络是非常容易的事情。星形节点SN1的快速工作使得它同时适合于采用协议的网络中，比如TTP/C，它不规定一个前缀，因而允许星形节点有时间重新安排站之间的互连。还可以使帧间间隙更小，从而提高实际数据的可用带宽。帧间带宽是让开关从一个发送站切换到另一个发送站必须保留的时间。对于数据传输而言，这一段时间是损失掉的时间。

活动检测器A1和A2可以包括一个电容器，当网络处于空闲状态的时候，也就是连接端BP和BM之间的电压差为零的时候，它被缓慢充电，发送数据的时候，也就是比较器CMP1和CMP2检测到电压差的时候，它迅速地放电。

前面已经说过，输入端A11和A12可以和输出CO1和CO2连接，输入端A21和A22可以和公共端RT1和RT2连接，或者与连接端BP和BM连接，获得同样的开关效果。图5画出了具有这种连接结构的一个接口。活动信号AS1和AS2被提供给判决逻辑DL的输入端，它提供驱动信号来打开和关闭开关SW11、SW12、SW21和SW22。如果输出CO1和CO2之一是高电平，第一个活动信号AS1就迅速地变成高电平，输出CO1和CO2都回到低电平一段时间也就是没有任何活动以后，第一个活动信号AS1回到低电平。第二个活动检测器A2按照类似的方式工作。如果公共端RT1和RT2中的一个成为低电平，第二个活动信号AS2迅速地成为高电平。输出RT1和RT2都成为高电平一段时间以后，第二个活动信号AS2成为低电平。

判决逻辑DL具有三种状态：空闲、接收和发送。当第一个活动信号AS1和第二个活动信号AS2都是低电平的时候，判决逻辑DL处于空闲状态，开关SW11、SW12、SW21和SW22全部闭合。当第一个活动信号AS1变成高电平的时候，在连接端BP和BM有活动，判决逻辑DL处于接收状态。在接收状态中，开关SW11和SW12维持闭合，开关SW21和SW22被打开。由于公共端RT1和RT2上存在活动，因此第二个活动信号AS2变成高电平，但是这一点不会改变判决逻辑DL的状态。只有在第一个和第二个活动信号AS1和AS2都变成低电平的时候，判决逻辑DL才会回到空闲状态。当连接端BP和BM上的活动停止的时候，第一个活动信号AS1变成低电平，短时间以后，第二个活动信号AS2变成低电平，判决逻辑DL回到它的空闲状态。当第二个活动检测器A2是首先检测到公共端RT1和RT2上的活动的检测器的时候，成为发送状态。然后开关SW11和SW12打开，开关SW21和SW22保持闭合。

图6画出的是图1中一个站被另一个星形节点SN2替换掉以后的网络。现在，星形节点SN1的第三个接口I3的连接端BP、BM与例如第二个星形节点SN2的第一个接口I1的对应连接端连接。星星节点SN1和SN2的其余接口都与站连接。通过这种方式，可以随意地增加星形连接和站的数量。

图中所示的接口和站具有完全平衡电路结构。但是，单端版也是可行的。平衡连接端BP、BM与单个公共端的混合结构同样可行。接收器和第一个开关装置SW1的组合功能也可以用一个开关增益放大器来实现。这一点同样可以用于发送器和第二个开关装置的组合功能。