CN101305556A - 具有增强的信道监测的总线监测器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于由分散总线监测器(26)对通信控制器(24)的定时错误或故障进行检测的装置和方法。在通信网络(38)的节点(20)中，通信控制器(24)、总线监测器(26)和总线驱动器(34)用来在通信介质(38)上在指定的通信时隙中接收和发送信息。该总线监测器监测通信介质上的活动，并判定通信介质上来自其它特定节点的通信是否在它们的被指定的通信时隙(54)之内在通信介质上放置信息。如果来自其它特定节点的两个或多个通信运行在它们被指定时隙的范围之外，那么总线监测器判定它自身相关的通信控制器发生定时故障。

Description

具有增强的信道监测的总线监测器
技术领域
本发明大体涉及汽车通信网络的电子通信。更具体地说，本发明的实施例涉及用于地面运输车辆上的数据的通信网络并提供一种有效的方法和系统来检测在这种通信网络中通信控制器的定时故障。
背景技术
近年来，被应用到汽车、卡车和其它地面运输车辆的电子设备总数有了显著的增加。由于汽车公司对安全性、可靠性和舒适性进行了进一步的改进，这一趋势还会继续。集合了多传感器、传动装置和电子控制单元的高级控制系统的推出对在现有汽车上的通信和数据总线技术提出了要求。而现有通信协议不能完全地支持新的要求。
针对未来车载控制应用的额外的要求包括对更高的数据速率、决定性行为和对容错支持的结合。数据带宽和系统扩展能力这两者的灵活性是对车载数据总线协议及其相关设备的增加的功能和车载诊断做出贡献的关键属性。
对于目标应用，例如动力传动系、底盘和车体控制应用，有效性、可靠性和数据带宽是关键。这些应用必须在汽车环境内得到支持。
要保证高度先进的安全系统的可靠性，容错、时间触发通信协议将是强制性的。当前针对汽车环境发展了两种协议。一种是FlexRay协议，另一种是时间触发协议(TTP)。每种协议都有它自身的优点和缺点。
FlexRay协议和TTP都是针对汽车应用为高级通信系统的需要而开发的。具体地讲，FlexRay协议被开发为定义一种通信系统，其面向车载控制应用的未来。
FlexRay协议通过结合可升级的静态和动态信息传输，以及通过结合同步和异步协议的优点来提供灵活性。
FlexRay协议和时间触发协议(TTP)都是用于严格的实时容错分布式系统的集成通信协议。它们提供具有最小偏差的严格的实时信息传递。支持不同的容错策略。每种协议均试图保证通信系统的任何部分的任何故障都不会导致通信的破坏。它们每一种都提供一些种类的分布式容错时钟同步。每种协议也结合了各种用于通信节点的错误监测、恢复和再整合的机制。协议被设计成具有最高的数据效率和最小的协议开销。
TTP和FlexRay是基于时间的，因为它的底层驱动力，即系统的所有活动都是在及时地对某些点的通路做出响应时执行的。因此系统中的所有节点有一个共同的时间概念是必要的。两种基于容错时钟同步的通信协议都提供了这种共同时间概念。当前的TTP硅控制器的实现提供了具有1微秒节拍(tick)延时的同步时钟。因此对于TTP，有可能执行全局同步动作，或实现带最小偏差的分布式控制回路。
TTP和FlexRay都是基于TDMA(时分多址)总线访问策略的。TDMA总线访问策略基于这样的原则，即，总线上的各个通信控制器使时隙分配于在总线上只有一个通信控制器允许发送信息处。因此，有可能预测总线上所有信息的等待时间。而且，由于信息是在一个“先验的(a-priori)”预定的点及时发出的，所以等待时间偏差可以最小化。如上面所声称的，FlexRay的时钟同步是基于TDMA原则的。基于它的本地时钟，每个节点知道什么时候该期望收到其它节点发出的信息。通过将具有特定标记的规则信息的抵达时间与期望抵达时间相比较，节点将它的时钟同步到全局时间。因此，不用发送任何开销信息就可以达到时钟同步了。
分布式通信控制器TTP或FlexRay的调度(schedule)依靠一个共同全局时钟。该全局时钟由一个分布式时钟同步算法来获得，该算法将时钟校正条款应用到通信控制器的本地时钟，这导致了由宏节拍(macrotick，MT)表示的校正时基。MT定义为从簇宽(cluster-wide)时钟同步算法导出的时隙。MT表示全局时间的最小粒度单元。
FlexRay总线监测器了解它所在节点的传输时间的先验情况，并将它的节点的通信控制器的传输请求限制到仅仅被配置的传输时间(时隙)。如果总线监测器检测到一个由于存储在节点的通信控制器中的调度与总线监测器不匹配而导致的非法传输请求，总线监测器给主机发送错误状态信号，并阻止通过它的节点的任何进一步的传输请求。总线监测器也可以防止非法传输请求。
在这种系统中，总线监测器定时也必须与虚拟全局时间同步。具体地，针对FlexRay系统选择了一种方法，该方法依靠总线监测器对在它自身节点中的通信控制器的定时的连续同步，以及依靠其它技术(例如使用把关定时器)的定时故障检测。尽管这种方法提供了与通信控制器相关的大多数定时故障的检测，它还是会错过一些定时故障，这是因为通信控制器和分散总线监测器之间的闭合定时关系。
目前，TTP和FlexRay装置的分散总线监测器不能也不会监测通信介质上的活动(除非是在总线监测器的一个可选测试期间，其中在调度的专用部分期间，通信控制器可以传输，即使它的总线监测器禁止该传输。如果总线监测器在这一调度的专用部分检测到活动，它将向主机指出它不能阻止来自它的控制器的非法传输，即该节点的潜在故障)并且检测来自其它节点的活动是否与它自身调度或定时不相符。这种总线监测器也不能解码接收的信息，该信息允许以与通信控制器相同的方式执行对全局时钟的时钟同步。因此，除了它的基本功能，分散型总线监测器也应该监测被选择的或预定的通信时隙，以检测汽车通信网络中来自另一节点的传输是否不相符，或它自身的通信控制器是否有定时故障。
发明内容
本发明的实施例提供了一个在汽车或其它方面中的通信网络上的一个节点，包括一个通信控制器、一个分散总线监测器和一个总线驱动器。一个示例节点位于在汽车、卡车、工业机器、制造设备或相关衍生物中的通信介质上，或与该通信介质相连。总线驱动器与通信介质进行双向通信。通信控制器通过通信介质上的节点来负责实现正确的通信协议。根据它预定的传输调度，通信控制器通过总线驱动器向通信介质提供数据传输。分布总线监测器包括与它的节点能在通信介质上使用的指定通信时隙相关的调度信息。总线监测器也包括通信介质(或总线)上关于两个或更多个其它预定或特定节点的调度信息。关于其它预定或特定节点的信息可以包括它们的定时、调度和/或时隙分配。总线监测器也有信道监测电路和/或软件，用于监测和获得与使用两个或更多其它预定或特定节点的定时、调度和/或时隙分配相关的被监测信息。总线监测器将它的关于这两个或更多个特定节点的调度信息与获得的监测信息相比较。基于该比较，总线监测器判定它节点中的通信控制器是否有定时故障。通常，如果两个或多个被监测的节点不在它们被指定的通信时隙内的时间段出现通信(即在时隙之间的空档或在它们指定的通信时隙之外期间通信)，就认为通信控制器发生定时故障。如果总线监测器判定通信控制器定时故障，那么总线监测器将禁止来自它节点的传输。
本发明上面的总结并不试图表现每一个实施例或本发明的各个方面。
附图说明
通过参考下面的描述并结合附图可以获得对本发明的方法和设备的更完整的理解，其中：
图1是一FlexRay双信道节点的框图；
图2是与本发明的实施例相对应的示例节点框图；和
图3是一总线监测器调度的例子。
具体实施方式
目前，可靠的汽车通信网络典型地依靠像时间触发通信协议TTP/C(TTP)或FlexRay协议的时间触发协议。这类协议通常是基于根据预定的TDMA框架的广播信息。在进行网络配置后，在网络中的每一个节点在通信调度内仅有它自己的传输时间的“先验知识(a-priori knowledge)”，并仅在它指定的传输时隙到达时才传输信息。没有额外的错误检测，一个过失节点能在任何时间传输。通过在不是故障节点的指定的传输时间之外的时间进行传输，它会干扰网络中的其它非故障节点的通信。这种故障类型已知是“混串音故障(babbling idiot failure)”。一种用于避免混串音故障的公知技术是，在通信控制器电路和通信介质之间添加一个总线监测器电路。每个总线监测器监测它的节点的传输，并仅在节点的(多个)预定传输时隙才启动对通信介质(即通信总线)的传输访问。
参考图1，描述了一个FlexRay双信道节点10的框图。使用分布总线监测器作为节点的一部分的FlexRay方法由两个独立的单元组成，这两个独立的单元是通信控制器12，用于负责信息的传输和接收，和总线监测器14a和14b，监测通信控制器的传输和仅在预定的传输时间启动对通信介质16的传输访问。
仅在总线监测器的定时独立于被监测的通信控制器12的定时的时候，对通信控制器12的任意定时故障的保护才能通过总线监测器14a，b提供。如果不能达到完全定时独立，那么通过总线监测器14a，b来提供其它的方式，以检测被监测的通信控制器的定时故障。
针对分布总线监测器14a，b的现有的方案提出例如通过为通信控制器12和分布总线监测器14a，b分别使用独立的晶体振荡器18a，b来达到定时独立。这种方案不允许成本有效的节点实现，并且在通信控制器12的定时依赖分布时钟同步算法时是不适用的。而且，即使使用了独立晶体振荡器18a，b，其它现存的机制也可能与时域独立相冲突。与时域独立相冲突的机制的一个例子是，通过一种所谓的ARM触发信号来实现总线监测器调度对通信控制器调度的同步。由通信控制器12提供一个ARM触发信号来表示总线监测控制器14a，b的循环开始。但是，如果通信控制器具有故障定时，那么ARM触发信号的定时将很可能与相应的全局调度不相符。于是，总线监测器14a，b就不能检测这个故障，并将不能保护网络避免总线监测节点10的不相符的传输。
FlexRay通信控制器通过分布时钟同步算法来将它们的本地定时同步到虚拟全局时钟。用于FlexRay节点的分布总线监测器14a，b依靠总线监测器定时对通信控制器12定时的连续同步，并依靠通过把关定时器和时钟故障检测器对通信控制器12的时钟信号的监测。这种方案确实检测了大多数，但不是被监测的通信控制器12的所有定时故障。
因此，对于可靠的通信网络，其依赖于使总线监测器避免通信控制器的任何类型的任意定时故障的保护，这种FlexRay方法是不充分的。
本发明的实施例提供了一种具有成本效益的方法和装置，其使用分布总线监测器来检测通信控制器的定时故障，也能提供完全独立的通信控制器和总线监测器的定时。
本发明的实施例进一步向总线监测器增加了功能，允许它监测通信介质上的活动，并将来自其它节点的信息的被检测的接收时间(在通信介质上活动的时间周期)和总线监测器的自身通信调度相比较。本发明的实施例可以比较总是会在运行的通信系统中出现的特定信息的接收时间。一种示例总线监测器可以被预先配置为具有关于通信时隙的先验知识，在该通信时隙中来自其它节点的特定信息被发出。例如，在当前运行的FlexRay通信系统中，至少会出现来自两个启动节点的启动信息。这些FlexRay启动信息能通过根据本发明的一个实施例的示例总线监测器来再使用，以将它们的接收时间与已知的通信调度相比较。已知的通信调度或它的子集可以存储在一种示例总线监测器中。
现在参考图2，是一个根据本发明的实施例的示例节点20的框图。该示例节点20包括一个通信控制器24、一个分布总线监测器26和一个总线驱动器34。尽管只描述了一个单信道节点，但是使用本发明的实施例来创建双信道或多信道节点也是容易理解的。一个节点是一个与能发送和/或接收帧的网络相连的逻辑实体。帧是一种通信系统用来在系统内交换信息的结构。一示例帧可以由标题段、有效载荷段和尾段组成。有效载荷段通常用于传输应用数据。主机22包含调度信息23。主机22通常是电子控制单元(ECU)中执行应用软件的部分。主机22为通信控制器24和总线监测器26两者提供配置信息。提供给通信控制器24的配置信息和提供给总线监测器26的配置信息表示相同的通信调度，但可以由不同的调度单元来组成。
通信控制器24存储调度信息28，并有用于和分布时钟同步的时钟同步电路30。通信控制器24在其它信号中也提供一个TxEnable信号32给总线驱动器34，这表示通信控制器想要传输。
一个示例总线监测器26存储调度信息40，并包括传输监测电路42和信道监测电路44。可以理解，传输监测电路42和/或信道监测电路44可以通过示例总线监测器26或节点20内的软件来执行。
总线监测器调度信息40包括与可用于信息传输的通信时隙时间相关的信息。总线监测器调度40也包括与所谓的“时隙间的空档(inter-slot gaps)”相关的信息，该空档是隔开的并在通信时隙之间。通过恰当的配置，时隙间的空档时间定义了禁止用于传输的调度部分。一个时隙(一个通信时隙)是这样一个时间间隔，其间对通信信道的访问被排它地赋予特定的节点以传输具有对应于该时隙的帧ID的帧。另外，在系统中连接到通信介质38的所有节点的通信时隙和传输时间被配置来使得被以正确定时发送的所有信息将在连接到通信介质38上的接收节点20的通信时隙内被接收。如果所有节点都同步到全局调度，那么在时隙间的空档期间所有节点都不会接收到信息，即在时隙间的空档内，通信介质应该是空闲的。
示例总线监测器26，其集成了用于监测通信介质上的活动的电路44，该器26能检测来自其它节点(未具体示出)的信息的接收。信道监测电路44将检测到的接收时隙时间与它自身的通信调度信息40相比较。这样，总线监测器26就能检测是否有任何接收到的信息与调度信息40不相符。总线监测器26接收并监测一个活动信号，称为RxEN 48。RxEn由总线驱动器34提供，并表示在通信介质38上是否有活动被检测到，或通信介质38是否是空闲的。来自总线驱动器的RxEN信号，在一些实施例中，可以只被用于监测目的。示例总线监测器的信道监测功能是，观察在通信介质上与它自身调度和定时信息相关的信息的定时，并检测通信介质上信息的不相符或定时。具有这一信息的总线监测器检测定时不相符或故障是否是由它相关监测的通信控制器24或由来自通信介质38上的另一节点的定时故障导致的。
图3示出了总线监测器调度50和通过示例总线监测器26被观察的活动52的例子。通信时隙(时隙1，时隙2，时隙3，时隙4)54被时隙间的空档56隔开。在预定的通信时隙54期间，汽车的通信总线上的每个节点被调度来在通信介质38上提供信息。
被观察的活动52是通过来自其它节点的传输产生的。当信息1和2在总线监测器调度内排列好时，在时隙间的空档58期间发现的在时隙3和时隙4之间的信息4会导致活动。在时隙间的空档58期间的活动被总线监测器26解释为在总线监测器自身的调度40和另一节点的调度(未具体示出)之间存在不匹配。
通过监测通信介质16上的活动，并把监测的活动和它自身存储的调度信息相比较，现有技术的总线监测器14a，b能检测调度不匹配，但是不能区分在它自身节点10中的通信控制器12的定时故障和在其它节点上的定时故障(未具体示出)。对通信控制器24的定时故障和另一节点的定时故障进行区分的能力就可通过示例节点20实现，或更好的情况是，示例总线监测器26具有关于在通信介质38上其它节点的被配置的传输时隙的先验知识。在发明的一些实施例中，节点或总线监测器具有被调度的先验知识或连接到通信介质节点的所有传输时隙的配置，但在发明的许多目标应用中，这不是可接受的方案。在各种汽车通信网络中，用于节点的传输时隙的定时和配置并不能用来存储进每个节点或总线监测器。
因此，本发明的另一实施例提供了具有特定通信时隙的(存储了定时和/或配置的)先验知识的节点20或总线监测器26。该特定通信时隙的先验知识被总线监测器26用来进行定时故障的监测和检测。该特定通信时隙的先验知识可以是总以预定时间量间隔开的通信时隙的先验知识，或该通信时隙是特定的或预定的通信时隙，它们是必须总是在这些特定的通信时隙中执行传输的其它节点的被分配的通信时隙的子集。其它节点的子集可以包括总是出现在运行的通信系统中的节点。例如，节点的子集可以仅在如下特定的通信时隙上传输，该特定的通信时隙包含用于通信启动的信息，或者可能用于系统中的分布时钟同步的信息。
在一个增强的FlexRay通信系统中，该系统使用或包含了本发明的实施例，特定的信息通过所谓的冷启动节点发出，以用于执行通信启动。在一个典型的FlexRay簇中，三个节点被配置为冷启动节点，并且这些节点的每一个在预配置的或特定的通信时隙(称作冷启动时隙)内传输启动信息。至少需要两个无故障冷启动节点用于FlexRay簇的启动。在FlexRay通信系统中，示例总线监测器26将被配置成具有这些启动时隙的先验知识。总线监测器26在这些特定的启动时隙和与它们相邻的时隙间空档内监测并管理接收信息的定时。
如果总线监测器26检测到在至少两个不同的这些特定的通信时隙内接收到信息并且在与这些特定通信时隙的每一个相邻的至少一个时隙间空档期间由总线驱动器34指出活动，那么总线监测器的信道监测器44就能判定它自身节点20的通信控制器24有一个定时故障，因为在统计上，不大可能两个其它节点会同时出现定时故障。在判定它自身的通信控制器24有定时故障后，总线监测器26将禁止来自它相关的通信控制器26的传输，并向主机22报告一个错误。
如果在只与一个启动时隙(或其它特定的或预定的时隙)相邻的一个时隙间空档期间检测到了活动，这可能是被配置来在该启动时隙期间发送启动信息(或分配给该时隙的其它特定或预定的信息)的启动节点(或分配了其它特定的或预定的时隙的节点)的定时故障。在这种情况下，总线监测器将不会禁止从它自身节点20的传输，但是会向主机22发送警告信号，表示检测到了一个不匹配定时。
提出的实施示例可以意味着关于把传输时隙分配到一个节点的配置约束。也就是，如果多个传输时隙被分配到单个节点，那么多个传输时隙中仅仅一个或没有传输时隙可以被配置为与启动时隙(或其它特定时隙)中的一个相邻，这取决于检测到的定时错误的种类。
上述的发明和方法可能有许多变化和实施例。尽管仅仅对本发明和方法的某些实施例在附图中进行了示例，并在前述的具体实施方式中做了描述，应理解，本发明不限于公开的实施例，而是能够进行额外的重新配置、修改和置换而不脱离由权利要求所定义和说明的本发明。因此，应理解，本发明的范围涵盖了所有类似的重新配置，并仅由所附权利要求限定。

Claims (13)

1.一种装置，包括一节点(20)，所述节点适于与一个通信网络(38)连接，所述节点(20)包括：和所述通信网络(38)进行电子通信的总线驱动器(34)；用于向所述总线驱动器(34)提供数据传输的通信控制器(24)；以及与所述通信控制器(24)和所述总线驱动器(34)进行电子通信的分散型总线监测器(26)，所述分散型总线监测器(26)包括：关于第一通信时隙和第二通信时隙的调度信息(40)；信道监测装置(44)，其在所述通信网络(38)上监测所述第一通信时隙(54)和所述第二通信时隙(54)；所述分散型总线监测器(26)将来自另一节点的所述被监测的第一通信时隙和所述第二通信时隙的抵达时间与所述调度信息相比较，然后判定所述通信控制器(24)是否发生了定时故障。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述通信网络(38)是FlexRay通信网络和TTP通信网络中的至少一种。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述通信网络(38)是一种汽车通信网络。
4.如权利要求1所述的装置，其中当所述分散型总线监测器(26)判定所述通信控制器(24)发生定时故障时，所述分散型总线监测器(26)禁止从所述通信控制器(24)到所述总线驱动器(34)的传输。
5.如权利要求1所述的装置，其中当所述分散型总线监测器判定所述通信控制器(24)发生定时故障时，所述分散型总线监测器(26)禁止从所述总线驱动器(34)到所述通信网络(38)的传输。
6.如权利要求1所述的装置，其中所述节点(20)是一个多信道节点，并且其中当所述分散型总线监测器判定所述通信控制器发生定时故障时，所述分散型总线监测器禁止向所述多信道节点的多个信道的传输。
7.如权利要求1所述的装置，其中，当所述被监测的第一通信时隙与所述第二通信时隙的所述定时被判定为分别与被调度的第一时隙间空档(56)和一第二时隙间空档(56)相符时，所述总线监测器判定所述通信控制器发生定时故障。
8.一种检测通信控制器(24)的定时故障的方法，包括：
在通信介质(38)上监测至少两个特定的通信时隙(54)的活动；将所述至少两个特定的通信时隙的被监测的活动和用于所述至少两个特定的通信时隙的调度(40)相比较；如果所述至少两个特定的通信时隙(54)的所述被监测的活动在用于所述至少两个特定的通信时隙的所述调度的范围之外是活动的，那么判定所述通信控制器(24)发生定时故障。
9.如权利要求8所述的检测定时故障的方法，其中所述方法是在时间触发通信协议中使用的。
10.如权利要求8所述的检测定时故障的方法，进一步包括禁止来自所述通信控制器(24)的传输。
11.如权利要求8所述的检测定时故障的方法，进一步包括：如果所述至少两个特定的通信时隙中的仅仅一个的所述被监测的活动在用于所述至少两个特定的通信时隙中的那一个时隙的所述调度的范围之外，那么判定一个特定的节点发生定时故障。
12.在一个节点(20)中的一个总线监测器(42)，所述总线监测器包括：调度信息(40)；和用于判定在所述节点中的通信控制器(24)是否发生定时故障的装置。
13.如权利要求12所述的总线监测器，其中所述总线监测器进一步包括用于禁止传输的装置，如果所述用于判定的装置判定所述通信控制器发生定时故障，则所述用于禁止传输的装置禁止来自所述通信控制器(24)的传输(32)。
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