用于通过串行接口收发器进行故障检测和报告的系统和方法与流程

用于通过串行接口收发器进行故障检测和报告的系统和方法
1.相关专利申请的交叉引用
2.本技术在35u.s.c.
§
119(e)的条款下与以下专利申请相关并要求其优先权的权益：于2020年3月29日提交的题为“systems and methods for fault detection and reporting through serial interface transceivers”的美国临时专利申请序列号63/001,392，并且其发明人被列为ling liu和robert gee；以及于2021年1月15日提交的题为“systems and methods for fault detection and reporting through serial interface transceivers”的美国非临时专利申请序列号17/150,148，并且其发明人被列为ling liu和robert gee。本专利文档中提及的每个参考文献以其整体并且出于所有目的通过引用方式并入本文。
技术领域
3.本公开一般地涉及用于电路中的改进的故障排除的系统和方法。更特别地，本公开涉及用于检测、诊断和报告包括串行接口收发器电路的电路中的故障的系统和方法。


背景技术：

4.一些串行收发器采用故障检测电路，该故障检测电路利用专用故障引脚来向本地微控制器(例如，以中断的形式)指示故障的存在。然而，尚无已知的设计能够生成错误码并且报告适当的故障消息以清楚地识别已经发生了多种类型的故障中的哪一种，从而使许多故障排除有待猜测。结果，每当现有的故障检测电路标记错误时，技术人员就不得不花费大量的时间来弄清存在哪种类型的问题。除了不知道故障的本质之外，技术人员还没有简单的方法来知道故障发生的确切位置，例如，给定网络内的精确节点位置。
5.因此，需要能够更高效地进行故障排除由此减少设备停机时间、维护成本等的智能系统和方法。
附图说明
6.将参考本发明的实施例，其示例可以在附图中示出。这些图旨在是说明性的，而非限制性的。尽管一般地在这些实施例的上下文中描述了本发明，但是应当理解，不旨在将本发明的范围限制于这些特定的实施例。附图中的项目未按比例绘制。
7.图1示出了根据本公开的各种实施例的在常规收发器模式中的示例性收发器。
8.图2示出了根据本公开的各种实施例的包括示例性故障报告块的示例性收发器。
9.图3是根据本公开的各种实施例的示例性故障报告块图。
10.图4是示出根据本公开的各种实施例的用于使用示例性故障检测和报告电路的过程的流程图。
11.图5示出了根据本公开的实施例的用于在故障模式中操作的收发器电路的示例性故障路径。
12.图6示出了根据本公开的各种实施例的过电流(短路状况)检测电路的示例性模拟
实施方式。
13.图7是示出根据本公开的各种实施例的用于启用短路检测电路的示例性过程的流程图。
14.图8示出了根据本公开的各种实施例的示例性超范围共模电压(cmr)检测电路。
15.图9示出了根据本公开的各种实施例的示例性传输失败检测电路。
16.图10是示出根据本公开的各种实施例的用于启用开路检测电路的示例性过程的流程图。
17.图11示出了根据本公开的各种实施例的在示例性多节点网络中对开路故障状况和短路故障状况的故障排除。
具体实施方式
18.在下面的描述中，出于解释的目的，阐述了具体细节以便提供对本发明的理解。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，可以在没有这些细节的情况下实践本发明。此外，本领域技术人员将认识到，可以以多种方式(例如，过程、装置、系统、设备或有形计算机可读介质上的方法)来实施下面描述的本发明的实施例。
19.图中示出的部件或模块是本发明的示例性实施例的说明，并且意在避免使本发明难以理解。还应当理解的是，在整个讨论中，可以将部件描述为可以包括子单元的单独的功能单元，但是本领域技术人员将认识到，各个部件或其部分可以被划分为单独的部件或可以集成在一起，包括集成在单个系统或部件内。应当注意，本文讨论的功能或操作可以被实施为部件。部件可以以软件、硬件或其组合来实施。
20.此外，附图内的部件或系统之间的连接不旨在限制于直接连接。而是，可以由中间部件修改、重新格式化或以其他方式改变这些部件之间的数据。而且，可以使用附加连接或更少的连接。还应当注意，术语“耦合”、“连接”或“通信地耦合”应当被理解为包括直接连接、通过一个或多个中间设备的间接连接以及无线连接。
21.在说明书中对“一个实施例”，“优选实施例”，“实施例”或“多个实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构、特性或功能被包括在本发明的至少一个实施例中，并且可以被包括在多于一个实施例中。而且，在本说明书的不同地方出现的上述短语不一定全部指代同一个实施例或多个实施例。
22.在本说明书中的不同地方中使用某些术语是用于说明的并且不应被解释为限制性的。服务、功能、或资源不限制于单个服务、功能、或资源；对这些术语的使用可以指代可以是分布的或聚集的一组相关服务、功能、或资源。
23.术语“包括(include)”、“包括(including)”、“包含(comprise)”、和“包含(comprising)”应当被理解为是开放性术语并且以下任何列表是示例并且不意在限制于所列出的项目。本文使用的任何标题仅用于组织目的，并且不应当用于限制说明书或权利要求书的范围。本专利文档中提及的每个参考文献以其整体通过引用方式并入本文。
24.此外，应当注意，本文描述的实施例是在can和rs
‑
485收发器的上下文中给出的，但是本领域技术人员将认识到，本公开的教导不限制于此，并且可以等同地用于除了涉及串行接口收发器的那些应用之外的应用中。此外，应当理解，尽管提出的单引脚实施例相对于更复杂的设计(例如，要求两个引脚的i2c设计或要求三个或四个引脚的spi)具有某些优
点，但是本公开的教导不限制于任何特定的设计。
25.在本文档中，术语“传输失败”和“开路失败”可互换使用。类似地，术语“块”、“模块”和“电路”可互换使用。“收发器”包括本领域技术人员认识到的任何收发器。术语“收发器模式”和“活动的正常收发器模式”指代常规操作模式，即，没有任何故障或错误的传输状态。
26.图1示出了根据本公开的各种实施例的在常规收发器模式中操作的示例性收发器。收发器100包括输入引脚102(标记为txd)、输出引脚104(标记为rxd)、备用引脚106以及输出数据线108、110(分别标记为canh和canl)。
27.在操作中，当收发器100在常规操作模式中时，不存在故障干扰，如由具有低电压(或“0”)信号的备用引脚106和故障引脚112所指示的。通过输出数据线108、110驱动在输入端102处接收到的数据，该输出数据线108、110实际上将输入端102处的单端数据线转换为用于输出数据线108、110的差分信号。在收发器模式中，在输出引脚104处接收到的数据与通过输出数据线108、110传输的在输入引脚102上接收到的数据在本质上是相同的数据，由此关闭常规txd到rxd的环路120。输出端104可以耦合到控制器(图1中未示出)，例如，能够读取数据的微控制器。本领域技术人员将认识到，可以将在输出数据线108、110处接收到的数据传送到一个或多个其他收发器(也未在图1中示出)，每个收发器可以表示通信网络中的节点。
28.图2示出了根据本公开的各种实施例的包括示例性故障报告块的示例性收发器。以类似于图1中的收发器的方式，收发器200包括输入引脚102、输出引脚104、故障引脚112、输出数据线108、110和备用引脚106。如图2中描绘的，收发器200还包括故障报告块240，在实施例中，该故障报告块240可以取决于输入端102和输出端104处的数据的存在来启用故障检测、收集和清除故障检测码(fdc)以及执行其他故障检测相关任务。如下面参考图3更详细地讨论的，在实施例中，可以在例如已经将多个上升沿脉冲传输到输入引脚102之后启用故障检测电路中的故障检测。在实施例中，响应于检测电路检测到数据线canh 108和/或canl 110上的一个或多个故障状况，故障引脚112可以改变其状态(例如，从低变为高)，由此破坏常规的传输环路120，使得可以关断到输出数据线108、110的驱动器。
29.应当注意，故障引脚112不需要在检测到故障状况之后立即标记其状态改变。相反，在实施例中，电路100可以首先等待例如预定的等待时段，以确保检测到的状况不是间歇的。通过使用状态机、计数器或本领域已知的任何其他手段对时钟周期进行计数，可以促进合适的等待时段。如参考图3更详细地讨论的，故障报告块240还可以包括用于为故障错误指派优先级的电路，例如，以便优先确定应当将哪个(那些)故障错误视为比其他故障更关键，使得可以报告(或首先报告)具有最高优先级的故障错误。
30.在实施例中，一旦例如在建立时间(其可以包括等待输入端102接收多个脉冲)之后故障引脚112已经被标记，并且已经将输出数据线108、110关断(例如，通过假设高阻抗状态)，fdc可以通过一个或多个寄存器移位并且从输出引脚104输出。fdc可以由本地微控制器进一步处理，以例如生成错误消息或警报，从而利用fdc来正确地识别并且报告错误类型和/或位置。
31.在实施例中，故障引脚112处的状态改变可以触发与微控制器相关联的中断，并且还导致驱动器(图2中未示出)禁用输出数据线108、110和/或接收器输出端104。在实施例
中，响应于故障引脚112被标记，输入引脚102可以作为边沿触发时钟来操作，其例如经由用于存储fdc的(一个或多个)寄存器来帮助将fdc移位到输出引脚104。
32.应当理解，虽然将fdc数据主要描述为向外移位到输出引脚104上，但是在实施例中，故障引脚112可以等效地用作用于fdc数据的路径，实际上是用作双重功能引脚。类似地，诸如备用引脚106的其他引脚可以例如通过使用缓慢的转换速率来控制不同的模式而用于多个目的。
33.图3是根据本公开的各种实施例的示例性故障报告块图。故障报告模块300包括故障检测启用模块302、故障检测配置模块304、开路检测模块306、故障码存储和移位模块308以及收发器时钟生成模块310。如图3中指示的，故障报告块图300包括若干输入端和输出端，例如，可以接收图1中的输入信号102的输入端312(标记为“txd”)、可以输出图1中的输出信号104的输入端314(标记为“rxd”)。输入端316可以例如从短路检测电路中接收输出信号。输入端318可以例如从共模范围检测电路中接收输出信号。
34.在实施例中，输入端320可以处理来自配置寄存器的信号，例如，可以根据该信号来选择一个或多个fdc用于报告。输出端330可以输出故障信号以重置故障引脚(例如，图1中的引脚112)处的电压，并且输出端332可以到达接收器输出端104，如先前所提及的，可以将fdc向外移位到接收器输出端104上。
35.在实施例中，启用模块302可以生成一个或多个脉冲，该脉冲确定何时启用故障检测。故障报告块300中的输出端334和336表示在相应的上升沿和/或下降沿上触发的信号。在实施例中，开路检测块306可以用于例如根据在输入端312处存在信号但在输入端314处不存在信号的事实来推断开路状况。
36.在实施例中，故障报告块300可以用于实施包括优先级顺序的优先级方案，该优先级方案指示何时检测到的短路状况应当接收比开路状况更高的优先级，该开路状况进而接收比检测到的(cmr)超范围检测失败更高的优先级。一旦已经建立了优先级顺序，故障报告块300就可以响应于检测到故障状况而等待和/或考虑一个或多个附加故障状况，以在使用故障信号330标记故障引脚并且确定与故障状况相关联的合适的fdc之前，根据优先级方案选择具有更高优先级的故障状况。
37.在实施例中，一旦已经检测到错误并且报告了fdc，故障信号330就可以用于重置故障引脚电压。在实施例中，可以通过对可以由微控制器驱动的输入信号312的多个脉冲(例如，10个上升沿脉冲)进行计数来清除故障信号330。应当注意，计数或等待多个脉冲通过可以容纳电路建立时间，以有利地增加电路中正确检测到的故障的数量。
38.应当理解，在实施例中，重置或清除fdc可以包括可以由例如技术人员执行的手动重置。在实施例中，收发器时钟生成模块310可以使用输入端312作为内部时钟，而无需依赖于振荡器或一般意义上的“真实”时钟来启用输入端312的双重功能。
39.图4是示出根据本公开的各种实施例的用于使用故障检测和报告电路的迭代过程的流程图。在实施例中，过程400可以在步骤402处开始，当检测到导致故障引脚电压中的状态改变的一个或多个故障状况时，例如响应于使用在收发器输入端处接收到的一系列脉冲而开始故障检测周期。状态改变可以表示多种可能的收发器故障中的一种。在实施例中，可以例如根据区分短路、开路和cmr状况的优先级顺序，在一个或多个输出数据线处检测一个或多个故障状况。
40.在步骤404处，响应于状态改变，收发器输入端用于生成与故障状况相关联的故障检测码。
41.在步骤406处，响应于收发器输入端接收到一个或多个信号，可以将故障检测码移位到收发器输出端的外部，并且可以将故障检测码传送到控制器，例如，耦合到收发器的输出端的微控制器。在一些示例中，故障检测码被移位到一个或多个收发器的外部。
42.在步骤408处，响应于收发器输入端接收到第二组信号，可以重置故障引脚电压以例如清除故障检测码。
43.最后，在步骤410处，响应于清除故障检测码，过程400可以重新开始使用故障检测电路的步骤。
44.本领域技术人员将认识到：(1)可以可选地执行某些步骤；(2)步骤可能不限于本文阐述的特定顺序；(3)可以以不同顺序执行某些步骤；以及(4)可以同时进行某些步骤。
45.图5示出了根据本公开的实施例的用于在故障模式中操作的收发器电路的示例性故障路径。与图1中相同的附图标记表示相同的元件。电路500包括逻辑电平502、504、接收器驱动器508、故障路径510和寄存器(例如，512)。在实施例中，取决于故障状态，输出端104可以输出常规数据(例如，在活动的正常收发器模式中)或fdc(例如，在故障模式中)。
46.在操作中，输入端102可以接收can输入信号，并且在没有任何错误的情况下，故障引脚112上的电压保持为“低”。在实施例中，响应于检测到故障(即，故障引脚112上的电压变为“高”)，并且根据常规的can收发器逻辑，电路500进入到故障模式中，在该故障模式中，输出数据线108、110被禁用或关闭。
47.如图5中描绘的，在故障模式中，启用虚线故障路径510，并且时钟信号可以被馈送到输入端102以经由逻辑电平504将故障位从寄存器(例如，512)移位到接收器驱动器508和输出端104的外部。应当注意，在主导模式中，输出数据线108为高，并且输出数据线110为低，从而导致差分电压或“1”。
48.与本文描述的任何其他附图一样，电路500不限制于图5中示出的或所附文本中描述的构造细节。如本领域技术人员将认识到的，合适的电路可以包括若干附加的和不同的元件。
49.图6示出了根据本公开的各种实施例的过电流(短路状况)检测电路的示例性模拟实施方式。可以被耦合到总线的模拟电路600包括限流电阻器602、604，开关606、608，电源620，以及输出数据线108、110。
50.在常规操作中，即，在数据被传输到收发器输入端并且没有在电路600中不存在故障时的主导状态中，在输出数据线108与110之间存在非零阻抗(例如，60ohm)，该非零阻抗将从电源620到总线上地的电流限制为例如60ma。当故障由于某个不期望的短路状况而存在时，输出数据线108与110之间的阻抗降到大约零，使得从电源620到地流经电阻器602、604的电流将超过100ma。在实施例中，当电路600在主导模式中时，此电流可以被监视，例如作为电阻器602和电阻器604处的电压降，并且可以用于触发短路故障检测。
51.应当注意，在故障模式中，开关606、608断开，因此在输出数据线108、110之间创建高阻抗(即，开路)状况，使得在假设共模电压的输出数据线108、110之间实际上没有电流流动。
52.在实施例中，脉冲检测器(未示出)可以用于确保电路600事实上在主导模式中。图
7示出了示出根据本公开的各种实施例的用于启用短路检测电路的示例性过程的流程图。在实施例中，一旦脉冲检测器检测到(702)可以从收发器输入端接收的多个脉冲，脉冲检测器就可以启用(704)短路检测电路，使得当检测到(706)过电流状况时，故障引脚上的电压可以设置为高(708)，以指示故障的存在。相反地，当没有过电流状况被检测到时，故障引脚上的电压可以设置或者允许保持正常(712)，以指示不存在故障。
53.在实施例中，如果脉冲检测器未能检测到预定数量的脉冲(例如，100个脉冲)，则不启用或禁用短路检测电路(710)。
54.图8示出了根据本公开的各种实施例的示例性超范围共模电压(cmr)检测电路。如所描绘的，电路800可以包括数据线108、110电阻器812
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818、vcm输入端820、以及使用相应的电压826、836(例如，内部参考电压)的比较器826、834。如所描绘的，数据线共模电压(被标记为vcm)可以通过使用电阻器812
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818来被内部地划分，电阻器812
‑
818可以在输入端820处将共模电压划分到例如vdd/2。
55.在操作中，比较器826、834可以检测节点822、832处的相应的电压是否落在预定共模范围(例如， /
‑
25v)之外。在实施例中，cmr检测可以是连续的，并且输出电压信号828、838可以(例如，作为3位数字码)被存储在检测块(未示出)的寄存器中以用于故障读回。
56.本领域技术人员将理解，为了避免cmr故障的错误或过早触发，在实施例中，可以将安全性裕度构建到范围中。例如，对于所描绘的 /
‑
25v的范围，合适的裕度可以是 /
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3v，其可以通过选择适当的内部参考826、836来实施。
57.图9示出了根据本公开的各种实施例的示例性传输故障检测电路。电路900被描绘为包括输入端102、输出端104、输出数据线908、910、电阻器912、故障输入端912、驱动器920和接收器922的电路。在一些示例中，电路900可以包括数字电路部件。
58.在常规的can收发器操作中，被传输到输入端102中的数据在接收器输出端104处被接收，例如，在环路延迟之后，只要内部收发器环路930关闭。一旦开路状况存在于输出数据线908和/或910上，接收器输出端104处将没有可用的数据。因此，与上面参考图6和图7讨论的短路检测场景类似，脉冲检测器(图9中未示出)可以用于检测接收器输出端104处的脉冲，以便确定由于开路状况而在这里存在的传输失败。
59.图10是示出根据本公开的各种实施例的用于启用开路检测电路的示例性过程的流程图。在实施例中，一旦脉冲检测器检测到(1002)可以从收发器输入端接收的多个脉冲，脉冲检测器就可以启用(1004)开路检测。
60.在实施例中，当在接收器输出端处上检测到(1006)信号(例如，预定脉冲组)时，故障引脚处的电压可以被设置或允许保持(1012)低，以指示不存在故障。相反地，当在接收器输出端上未检测到信号时，故障引脚上的电压可以被设置为高(1008)，以指示存在故障。
61.与参考图7提及的用于启用短路检测电路的过程一样，在实施例中，如果脉冲检测器未能检测到预定数量的脉冲，则可以不启用或禁用(1010)开路检测电路。
62.图11示出了根据本公开的各种实施例的示例性多节点网络。网络1100包括收发器1110
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1116，每个收发器1110
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1116可以表示网络1100中的节点。如所描绘的，收发器1110
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1116可以经由输出数据线108、110彼此耦合，并且可以包括收发器输入端(例如，102)、收发器输出端(例如，104)、以及故障引脚(例如，112)。实际上，收发器1110
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1116可以彼此相对远离，从而使得现有的故障排除方法的使用很麻烦。
63.本领域技术人员通过阅读本公开将显而易见的是，在实施例中，使用提出的系统和/或方法允许用户调试各种故障，例如多节点网络1100中的开路和短路故障状况。例如，在实施例中，相同的测试数据可以被提供到每个收发器1110
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1116并且被每个收发器1110
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1116共享。如果开路或短路存在于收发器1110
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1116中的任一个上，则相应的故障引脚(例如，112)将为高。通过监视存储在一个或多个寄存器中的故障数据，用户可以有利地查明故障的类型以及其位置，或者换言之，查明检测到的故障已经发生在收发器1110
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1116中的哪一个处。
64.对于本领域技术人员来说将显而易见的是，在实施例中，使用收发器输入端或输出端(例如，102)作为也用于故障报告的双重功能引脚显著地简化了收发器电路(例如，多节点收发器网络1100)中的常见错误的故障排除。有利地，该双重功能允许电路消除对用于读取fdc的独立生成的时钟的需要。另外，还消除了对用于在收发器的输入端与内部时钟之间进行同步的复杂电路和方法的需要，例如，由于收发器输入信号在某些情况下可以包括随机数据。此外，还可以消除错误报告或者甚至错误检测，其否则可以出现在固有复杂的电路中。
65.应当理解，本文提出的模拟电路可以将任何已知的电路用于将模拟输出转换为合适用于由数字电路处理的数字格式，例如，先前提及的微控制器。应当进一步理解，在实施例中，本文提出的电路可以使用辅助部件来实施。例如，取决于特定实施方式，在模拟域中已经检测到的故障可以被转换为数字0或1。
66.本发明的各个方面可以用一个或多个处理器或处理单元的指令被编码在一个或多个非暂时性计算机可读介质上，以使得步骤被执行。应当注意，一个或多个非暂时性计算机可读介质应当包括易失性和非易失性存储器。应当注意，替代实施方式是可能的，包括硬件实施方式或软件/硬件实施方式。硬件实施的功能可以使用(一个或多个)asic、可编程阵列、数字信号处理电路等来实现。因此，任何权利要求中的“手段”术语旨在涵盖软件实施方式和硬件实施方式二者。类似地，如本文所使用的术语“计算机可读介质”包括在具有其上体现的指令程序的软件和/或硬件，或其组合。考虑到这些实施方式替代选择，应当理解，附图和所附描述提供了本领域技术人员编写程序代码(即，软件)和/或制造电路(即，硬件)以执行所需处理将需要的功能信息。
67.应当注意，本发明的实施例可以进一步涉及具有非暂时性的、有形计算机可读介质的计算机产品，该有形计算机可读介质具有其上用于执行各种计算机实施的操作的计算机代码。介质和计算机代码可以是出于本发明的目的而被特别设计和构造的那些，或者它们可以是相关领域的技术人员已知或可用的种类。有形计算机可读介质的示例是磁性介质，例如硬盘、软盘和磁带；光学介质，例如cd
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rom和全息设备；磁光介质；以及被专门配置为存储或者存储并执行程序代码的硬件设备，例如专用集成电路(asic)、可编程逻辑器件(pld)、闪存存储器设备、以及rom和ram设备。计算机代码的示例包括机器代码(例如，由编译器产生的)，以及包含由计算机使用解释器执行的更高级代码的文件。本发明的实施例可以被全部或部分地实施为机器可执行指令，这些机器可执行指令可以在由处理设备执行的程序模块中。程序模块的示例包括库、程序、例程、对象、部件、以及数据结构。在分布式计算环境中，程序模块可以物理地位于本地、远程或二者兼有的设置中。
68.本领域技术人员将认识到，没有计算系统或编程语言对于本发明的实践是重要
的。本领域技术人员还将认识到，上面描述的多个元件可以物理地和/或功能地被分离为子模块或者被组合。
69.本领域技术人员将理解，前述示例和实施例是示例性的，并且不限制于本公开的范围。在阅读说明书和研究附图之后，对本领域技术人员显而易见的所有置换、增强、等效、组合和改进都包括在本公开的真实精神和范围内。还应当注意，任何权利要求的元件可以被不同地布置，包括具有多个依赖性、配置和组合。