CN101346698B - 通信系统的用户的总线监控器以及通信系统的用户 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于监视和控制对数据总线(2)的访问的监控单元(9)，该监控单元(9)被本地分配给通信系统(1)的用户(3)的总线控制器(6)。总线控制器(6)通过总线驱动器(8)访问数据总线(2)，并且监控单元(9)监视和控制总线驱动器(8)对数据总线(2)的访问权限。为了在访问数据总线(2)时也检测总线控制器(6)的持久干扰和总线控制器(6)的由此产生的故障而建议：监控单元(9)具有用于实现与总线控制器(6)的问答通信的装置(18，19，20，21，22)，并且只有当问答通信的结果是总线控制器(6)正常工作时，监控单元(9)才释放总线控制器(6)对数据总线(2)的访问。
Description
本发明涉及一种用于监视和控制对数据总线的访问的监控单元，该监控单元被本地分配给通信系统的用户的总线控制器。该总线控制器通过总线驱动器访问数据总线，并且该监控单元监视和控制总线驱动器的访问权限。
本发明也涉及一种包括数据总线的通信系统的用户。该用户具有总线控制器和总线驱动器，其中总线控制器通过总线驱动器被连接到数据总线。该用户具有分配给总线控制器的、用于监视和控制总线驱动器对数据总线的访问权限的监控单元。
背景技术
近年来，在现代汽车中，但是也在其它领域中，例如在机械制造中(尤其是在机床领域中)和在自动化领域中，借助(例如总线系统或者数据总线形式的)通信系统或者数据传输系统和通信连接使控制设备、传感系统和执行元件(Aktuatorik)联网急剧增加。在此可以实现通过将功能分布到通信系统的多个用户(例如控制设备)上得到的协同作用效应。在这种情况下，还谈及了分布式系统。
这种通信系统的不同用户之间的通信越来越多地通过总线系统进行。总线系统上的通信量、访问和接收机制以及故障处理通过协议来调节。公知的协议例如是CAN(控制器局域网(Controller AreaNetwork))、TTCAN(时间触发的CAN(Time Triggered CAN))、TTP/C(C类时间触发协议(Time Triggered Protocol Class C))和FlexRay协议，其中目前以FlexRay协议规范v2.1为基础。FlexRay是快速的、确定性的和容错的总线系统，尤其是用于汽车中的总线系统。FlexRay协议根据时分多址(TDMA，Time Division MultipleAccess)的原理来工作，其中给用户或要传输的消息分配固定的时隙，在这些时隙中，这些用户排他地访问通信连接。在此，时隙以固定的周期重复，以致通过总线传输消息的时刻可以精确地被预报并且确定性地进行总线访问。
为了最优地利用在总线系统上传输消息的带宽，FlexRay将通信周期分成静态部分和动态部分或分成静态段和动态段。在此，固定的时隙处于总线循环开始时的静态部分中。在动态部分中，动态地预定时隙。在其中，分别仅在短暂的时间内、在至少一个所谓的微时隙(Minislot)的持续时间内能够实现排他的总线访问。只有当在微时隙之内进行总线访问时，时隙才被延长到对于访问必需的时间。因此，只有当实际上也必需带宽时，才消耗带宽。在此，FlexRay通过一个或者两个在物理上分开的线路以分别最大为10Mbit/sec的数据速率进行通信。当然，FlexRay也可以以较低的数据速率运行。这两个信道在此对应于物理层，尤其是对应于所谓的OSI(开放系统体系结构(OpenSystem Architecture))层模型的物理层。这两个信道主要用于冗余地和因此容错地传输消息，可是也可以传输不同的消息，由此会使数据速率加倍。也可设想的是，通过连接线路传输的信号作为差分信号被产生。该物理层被构建为使得其能够实现通过线路(多个线路)电传输以及光学传输所述一个或者多个信号，或者能够实现在其它路径上(例如通过无线电)进行传输。
为了实现同步功能并且通过两个消息之间的小间距来使带宽最优，通信系统中的用户必需共同的时基、即所谓的全局时间。全局时间是在系统范围内有效的时基，通信系统的用户(节点或者控制设备)的本地时间被同步到该时基上。全局时间对于通信中的和应用(诸如(OSEKtime)的受时间控制的操作系统)中的时间控制起重要的作用，但是对于诊断功能和故障识别或故障处理也起重要的作用。这意味着，这种通信系统的每个通信控制器(主机或者用户)都具有自己的时钟(例如石英振荡器)，该时钟通过全局时间机制甚至与系统中的所有其它时钟同步(所谓的本地时基)。为了使用户的本地时钟同步，同步消息在周期的静态部分中被传输，其中借助根据FlexRay规范的特定算法校正用户的本地时钟时间，以致所有本地时钟与全局时钟同步运行。
对于不同的公知通信系统存在避免或者解决访问冲突的一系列可能性。在CAN中，例如使用所谓的逐位仲裁。这是非常稳健的，但是最大的传输速度由于传播时间现象(Laufzeit-Phaenomene)而由原理决定地受到限制。
在受时间控制的通信系统中，通过解决方案(Ansatz)和配置来解决访问问题，冲突已经离线地被避免。但是，前提是对时间的共同理解，该理解在网络范围内具有有效性(在FlexRay中：全局时间)。但在这些系统中通常没有在故障情况下处理访问冲突的可能性，因为访问本身不能被阻止。因此，对于与安全相关的或者甚至对安全要求严格的在车辆中的应用，例如对于线传控制(X-by-Wire)系统，需要用于保障通过通信系统进行无故障的数据传输并且用于释放传感器(例如电动机或者液压泵)的执行元件的机制。在不同的通信系统(例如TTP/C或者FlexRay)中公知的是，将所谓的总线监控器(BG，Bus-Guardian)引入作为附加的监控单元，该监控单元允许仅在事先配置的时间间隔中物理访问数据总线。因此，访问冲突在故障情况下也是可解决的或可避免的。
在当前的构想中，本地总线监控器通过总线控制器的时钟来供给，并且其巡回信息(Rundeninformation)被用于监控功能。在目前最新FlexRay协议规范v2.1中，描述了如下构想：在随时间变化监控通信协议或通信控制器方面限制该构想。在公知的构想中，本地FlexRay通信控制器的最大时间节拍层(MT，Makrotick)对其本地总线监控器进行计时。具有发送活动性(Sendeaktivitaet)的时隙由通信控制器附加地通过ARM信号来显示。要监视的FlexRay通信控制器的定时(时间上的活动性)仅仅通过RC振荡器粗略地被监视，或由附加的石英振荡器也以较高的分辨率来监视。
但是，在原理上继续存在以下问题：通过最大时间节拍层供给和ARM信号将本地通信控制器的较小的时钟漂移传输给总线监控器。即这意味着，如果根据协议规范v2.1的FlexRay通信控制器的时钟校正有错误地工作，或者如果用于时钟校正的控制寄存器(Stell-Register)的调整有错误并且未被发现，则本地通信控制器与剩余的通信网络相比漂移。用于发送消息的时隙(发送时隙(Sendeslot))随时间移位到网络中的其它用户的时隙中，而本地总线监控器可以不用检测这种情况并且不用提出相对应的对策。该有问题的情况尤其是出现在FlexRay和TTCAN中。
另一有问题的情况涉及对用户的本地时间的偏移校正，以致本地时间与通信系统的全局时间同步地运行。例如在TTCAN、TTP/C和FlexRay中存在偏移校正，其中在FlexRay中，偏移校正阶段在本地通信控制器在通信周期结束时的所谓的网络空闲时间(NIT，Network-Idle-Time)期间进行。在通信巡回或双重巡回结束时的偏移校正缩短或延长了预定的特定边界之内的本地巡回。下一通信巡回由于校正而早或者晚数个所谓的最小时间节拍层(μT，Mikrotick)而开始。本地总线监控器必须允许偏移校正。定时器监控必须接受这一点。但是，不存在关于偏移校正对下一通信巡回的作用的总线监控器认知。在这种情况下，也会发生不同用户的发送时隙的交叉。交叉的概率随着巡回数目的增加而提高。
在这两个所述的有问题的情况下，存在持久干扰。相反，自发的故障导致这种情况，因为通信协议本身包括合适的校正措施或规定故障处理措施，以便识别、改正和消除自发的故障。
根据FlexRay协议规范v2.1的总线监控器构想基于下列假设：由于持久的干扰仅以微小的概率出现所描述的故障情况，或通过用户主机中的附加措施或通过补充的功能可以识别这些干扰或者故障。
此外，由现有技术公知用于监控控制设备(或者过程计算机)的不同方法。这可以根据现有技术通过所谓的问答通信基于11/2计算机构想来实施。在DE 198 26 131 A1中示出了用于线控制动(Brake-by-Wire)系统的车轮单元(Radeinheit)的监控构想。在此，负责驱动执行元件(例如液压轮式制动器)的真正的控制设备由监控部件监视并且在故障情况下被切断。控制设备的监视基于问答通信，该问答通信遵循所确定的协议。执行元件的释放只有在问答通信成功时才进行，问答通信成功也就是说由监控部件向控制设备提出的问题由控制设备一方面在预定的时间窗之内应答并且另一方面正确地应答，而相反地，由控制设备提出的问题由监控部件在预定的时间窗之内被正确地应答。如果向控制设备和监控部件提出具有相同的正确应答的问题，则执行元件的释放只有在控制设备的应答与监控部件(11/2计算机构想)的应答相一致时才进行。释放的原理在此基于电路、即所谓的释放电路(在由DE 198 26 131 A1公知的实施例中为“与”逻辑连接的形式)，该电路被实现在控制设备(过程计算机)与监控单元之间。这意味着，两个部件(即控制设备和监控部件)针对执行元件的正常功能必须将逻辑“1”施加到释放电路上。只要控制设备中的过程给出用于进行切断的信号，则切断执行元件。只有当被监视的部件、即控制设备(过程计算机)已被识别为有故障时，才给监控部件提供用于进行切断的信号。
问答通信是一种用于监控车辆中的控制设备的通用方法。独立的监控单元(所谓的监控计算机)拥有优选地周期地向真正的过程计算机(控制设备)提出的问题的列表。这些问题必须
a)在预定的、规定的时间之内被应答，并且
b)应答作为对事先提出的问题的应答必须被录入监控计算机的相对应的应答表中。
从列表中选出问题可以根据随机方法或者纯周期地进行。问答通信的重要的组成部分是定时器(Timer)，用于优选地周期地启动问答通信和用于确定针对这些应答所允许的时间窗。该时间窗描述了最早可能的应答到达与最晚可能的应答到达之间的时间间隔。
从所描述的现有技术出发，本发明基于如下扩展通信系统的公知的总线监控器构想的任务：也可以识别用户中的或用户的总线控制器中的持久干扰并且必要时可以改正或者消除这些干扰。
为了解决该任务，从开始所述类型的本地监控单元出发而建议：监控单元具有用于实现与总线控制器的问答通信的装置，并且只有当问答通信的结果是总线控制器正常工作时，监控单元才释放总线控制器对数据总线的访问。
根据本发明，即由控制设备的监控器本身公知的、用于执行问答通信的监控构想被传输到总线控制器和通信系统的用户的监控单元上。在FlexRay通信系统中，监控构想因此被传输到FlexRay通信控制器和FlexRay总线监控器上。当然，所建议的监控构想并不限于用在FlexRay通信系统中，而是可以被采用在任意通信系统中，这些通信系统具有监控单元(例如总线监控器)，用于监视总线控制器的功能。监控单元必须借助问答构想来发现总线控制器中的可能的故障，尤其是由于总线控制器中的持久的干扰引起的故障，这些持久的干扰导致开始所描述的问题。
优选地，总线控制器与监控单元之间的问答通信考虑以下故障可能性：
a)检验时钟同步的输入设置
b)正确计算速率校正
c)正确应用速率校正
d)正确计算偏移校正
e)正确应用偏移校正
在此，监控单元承担监控计算机的任务，并且优选地周期地向分配给其的总线控制器提出问题，以便在特定的时间窗之内监视正确应答的输入。对于没有遵守时间窗或者对问题的错误应答到达的情况，监控单元承担切断总线监控器或阻止由总线控制器主动发送消息。监控单元对失败的问答通信的反应可以是暂时的(对于一个或者多个通信周期)，或者也可以是持续的(直至关闭用户或者整个通信系统)。
本发明消除了迄今公知的监控构想、尤其是FlexRay协议规范v2.1中的公知总线监控器构想的构想上的缺点。在此，成本最优的实现方案是可能的，因为监控单元只扩展必需的逻辑/功能、即问答通信的监视功能。将该构想集成到所谓的监控计算机中特别有利。由此，能够在随着对监控单元(总线监控器)的要求而引入新的通信系统技术(例如FlexRay技术)时实现成本节约。不需要单独的监控单元(总线监控器)，而是本发明可以被集成到现有的监控计算机构想中。
本发明具有在FlexRay通信系统中实现的特别优点，其中FlexRay通信系统的用户的总线监控器和通信控制器被构造用于执行问答通信。为了实现该构想，监控单元仅必须被补充问题和相对应的应答的列表。监控单元被补充了如下机制：该机制能够实现优选为周期的问题、根据时间窗的定时器(Timer)的设置、监视该时间窗以及检查应答。最后，监控单元具有用于释放总线控制器和用于操作在用户中可能存在的释放电路的管脚。在所建议的构想中，有针对性地测试总线控制器的逻辑，该逻辑负责计算(用于将用户的本地时基同步到通信系统的全局时基上的)时钟同步值。此外，对于时钟同步还可以对相关的控制寄存器执行简单的回读(Read-Back)机制。为此，在监控单元和总线控制器之间设置被扩展的接口。FlexRay协议例如目前建议通过SPI(串行外设接口(Serial Peripheral Interface))接口交换信息。SPI接口是简单的同步串行数据总线。该接口对于根据本发明的问答通信也会是足够的。监控单元的迄今的功能(例如根据FlexRay协议规范v2.1的总线监控器的功能)可以完全被保持。
为了检验针对用户的时钟同步的输入设置，根据本发明建议：给监控单元扩展逻辑，该逻辑有针对性地检查总线控制器中的针对时钟同步的输入设置。目的是保持时钟同步的质量高，并且检测以及必要时抑制由于持久干扰引起的故障。如果这种情况没有成功，则用户或总线控制器或者总线驱动器应被设置在故障沉默模式(Fail-Silent-Mode)下，以便避免总线控制器的发送或阻塞总线控制器的可能存在的释放电路。为此，通过总线控制器的接口给监控单元供给关于同步消息(同步帧、用于使本地时基同步的数据帧)的信息，这些信息构成了总线控制器中的时钟同步的基础。因此，从本地总线控制器接收、解码以及被考虑用于计算(本地时基的)校正值的同步帧信息可供监控单元使用。为此，在总线控制器中可以安放具有关于同步消息的信息的列表，如这例如在FlexRay协议规范v2.1中所建议的那样。现在，该列表可以在问答通信的范围中遭受以下检验：
a)可以对现有的同步帧的数目实施多数决定法。如果低于同步帧的临界数，则存在如下危险：随后的校正值计算基于不精确的本地时基进行并且因此导致错误的结果。允许的最小同步帧数的边界优选地与总线控制器的设定相匹配。也可以在总线控制器中相对应地检查现有同步帧的数目。通过监控单元对现有同步帧的数目的检查的冗余实施，可以实施一致性检验。如果存在不同的结果，则监控单元应避免通过本地总线控制器发送消息或阻塞可能存在的释放电路。
b)如果通信系统中的信息通过两个单独的信道冗余地被传输，则两个信道的同步消息(同步帧)的数目和标识也可以被比较。同样，这些信息在总线控制器中可供使用(例如参照FlexRay协议规范v2.1)。如果存在不同的结果，则监控单元必须避免通过本地总线控制器发送消息或阻塞可能存在的释放电路。
通过总线控制器所计算的、有错误的针对通信系统的全局时基的速率校正(该全局时基于是得出用户或总线控制器的本地时基)可以具有不同的原因。有错误的计算可能由于不正确的输入设置或者由于总线控制器的计算逻辑中的故障产生。为了检查计算逻辑的正常工作，建议以下不同的可能性：
a)在监控单元中，以与在总线控制器中相同的方式执行速率校正的计算，也就是在监控单元中存在相同地转换用于计算速率校正的总线控制器机制。输入设置的值以上面所描述的方式存在于监控单元中。计算结果也存在于总线控制器中并且可以利用监控单元的结果来调准。为此，必需通过接口在监控单元与总线控制器之间进行附加通信。如果存在不同的结果，则监控单元必须避免通过本地总线控制器发送消息或阻塞可能存在的释放电路。
b)监控单元也可以向总线控制器的计算逻辑提出有针对性的问题，该计算逻辑负责计算速率校正值。计算逻辑必须向监控单元返回应答。所要求的应答应在所确定的时间窗之内进行。监控单元将该结果与相对应的本地存储的、对该问题的应答进行比较。因此，优选地周期地检查用于总线控制器的速率校正的计算逻辑的正确功能。持久的干扰和由此产生的故障可以如此被确定。在这种情况下，监控单元必须避免通过本地总线控制器发送消息或相对应地阻塞释放电路。
通过总线控制器错误应用正确计算出的针对全局时基的速率校正的值的原因可以有不同的原因。对于校正值，一方面原因在于用于最大时间节拍层(MT)生成的逻辑中的故障，而另一方面原因在于存储元件(例如存储寄存器)的故障，以致错误的校正值被用在最大时间节拍层生成中。根据本发明，建议以下机制：
a)总线控制器通过接口将速率校正值通知给监控单元，并且监控单元将该值与总线控制器的控制寄存器中的相对应的存储值进行比较。如果存在不同的结果，则监控单元必须避免通过本地总线控制器发送消息或阻塞释放电路。
b)监控单元可以向总线控制器的逻辑提出有针对性的问题，该逻辑负责最大时间节拍层生成。该逻辑必须向监控单元返回应答。所要求的应答必须在所确定的时间窗之内进行。监控单元将该结果与相对应的本地存储的对该问题的应答进行比较。因此，优选地周期地检查最大时间节拍层生成逻辑的正确功能。持久的干扰和由此得到的故障可以被确定。在这种情况下，监控单元必须避免通过本地总线控制器发送消息或阻塞可能存在的释放电路。
c)在通信巡回结束时，由总线控制将每个巡回的最小时间节拍层(μT)的数目或每个最大时间节拍层(MT)的最小时间节拍层(μT)的数目通知给监控单元。该信息通过接口在总线控制器与监控单元之间被交换。这些信息逐个巡回地被交换和被调准。为了通过监控单元进行比较，应确定边界，即规定每个巡回的最小时间节拍层中的允许的漂移或每个最大时间节拍层的最小时间节拍层中的允许的漂移。如果比较结果超过或低于上限或下限，则监控单元可以避免通过本地总线控制器发送消息或阻塞可能存在的释放电路。
总线控制器可以由于有错误的输入设置或者由于总线控制器的计算逻辑中的故障而得到通信系统的全局时基的有错误的偏移校正，用户的本地时基被同步到该全局时基。为了检测有错误的输入设置，上面已经提出了多种建议。为了检测用于偏移校正的计算逻辑中的故障，建议了以下机制：
a)在监控单元中，从总线控制器中重新执行(nachvollziehen)偏移校正。例如，在监控单元中构造来自总线控制器的机制的1∶1转换。如上面已经描述的那样，输入设置的值存在于监控单元中。偏移校正的计算结果也存在于总线控制器中并且可以与监控单元的结果进行比较。为此，必需通过接口在监控单元与总线控制器之间进行附加通信。如果存在不同的结果，则监控单元必须避免通过本地总线控制器发送消息或阻塞可能存在的释放电路。
b)监控单元向总线控制器的逻辑提出有针对性的问题，该逻辑负责计算偏移校正值。计算逻辑必须向监控单元返回应答。所要求的应答应在所确定的时间窗之内进行。监控单元将该结果与其本地存储的应答进行比较。尤其是检查，总线控制器的应答是否是对所提出的问题的正确应答。因此，优选地周期地检查计算逻辑的正确功能。持久的干扰和由此产生的故障被检测到。在这种情况下，监控单元必须避免通过本地总线控制器发送消息或阻塞可能存在的释放电路。
总线控制器没有正确应用全局时基的正确计算出的偏移校正的原因可以在于偏移应用的逻辑或者在于用于校正值的存储单元(例如存储寄存器)。这在任何情况下都导致错误的校正值被用于偏移校正。
为了检查偏移校正的正确应用而建议不同的机制：
a)由总线控制器通过接口将偏移校正值通知给监控单元，并且监控单元将该校正值与总线控制器的控制寄存器中的存储值进行比较。如果存在不同的结果，则监控单元必须避免通过本地总线控制器发送消息或阻塞可能存在的释放电路。
b)监控单元向总线控制器的逻辑提出有针对性的问题，该逻辑负责在FlexRay中例如在网络空闲时间(NIT)期间进行偏移应用。该逻辑必须向监控单元返回应答。所要求的应答必须在所确定的时间窗之内进行。监控单元将该结果与其本地存储的应答进行比较，尤其是检验这些应答是否是对所提出的问题的正确应答。因此，优选地周期地检查偏移应用的正确功能。持久的干扰和由此产生的故障被检测到。在这种情况下，监控单元必须避免通过本地总线控制器发送消息或阻塞可能存在的释放电路。
c)监控单元将总线控制器在偏移校正之前的最小时1节拍层计数器(μT-Counter)与在偏移校正之后的最小时间节拍层计数器进行比较。最小时间节拍层计数器通过接口在总线控制器与监控单元之间被交换。最小时间节拍层计数器在偏移校正之前和之后的差必须在事先确定的范围之内。如果超过该范围并且不提供值，则监控单元必须避免通过本地总线控制器发送消息或阻塞可能存在的释放电路。
本发明的优选的实施例可以由从属权利要求得到。本发明的优选的实施例和本发明的其它优点紧接着参照附图予以更详细地阐述。其中：
图1示出了根据优选实施形式的根据本发明的通信系统；
图2示出了由现有技术公知的、通信系统的用户；以及
图3示出了图1的根据本发明的FlexRay通信系统用户。
具体实施方式
随后示例性地按照FlexRay通信系统来阐述本发明。当然，本发明可是也可以在其它通信系统中被采用，在这些其它通信系统中现在已经采用了其它总线监控器构想，或者在这些其它通信系统中，根据本发明的总线监控器构想会有意义地显现出和/或会带来优点。
在图1中，FlexRay通信系统的简化的拓扑结构在其整体上以参考符号1来示出。该通信系统包括物理层，该物理层在本情况下被构造为具有两个导电线的数据总线2。当然，物理层也可以通过光学的光波导或者借助无线电链路来实现。同样可设想的是，不是设置两个单独的传输信道，而是仅仅设置一个信道。多个用户3被连接到数据总线2上，这些用户3也被称为控制设备或者主机。可是，严格来讲，主机还包括微控制器，该微控制器在图1中用参考符号4来示出。因此，用户3和微控制器4一起构成了真正的主机5。
通信系统的用户3分别包括通信控制器6，该通信控制器6从微控制器4接收要通过数据总线2传输的信息7，并且该通信控制器6根据被用在通信系统1中的协议规范(在所示的例子中是根据FlexRay协议规范v2.1)以用于通过数据总线2进行传输的正确数据格式带来这些信息7。正确数据格式的信息7被传输给用户3的总线驱动器8，该总线驱动器8同样根据所使用的协议规范以对于通过数据总线进行传输必要的形式带来这些信息。
为了例如在通信系统1的与安全相关的应用中阻止数据总线2由有缺陷的、不断进行发送的用户3引起阻塞，在用户3中设置总线监控器9(Bus-Guardian)，该总线监控器9监视和控制总线驱动器8的访问权限。只有当总线驱动器8从所属的总线监控器9获得相对应的使能信号10时，总线驱动器8才能将信息或者数据包施加到数据总线2上。
图1的FlexRay通信系统1具有特别简单的拓扑结构。当然，数据总线2的拓扑结构也可以环形地或者星形地被构造。同样可设想的是，为了通过更大的距离传输数据包而在数据总线结构2中布置放大元件(例如主动星型连接器(Active Star))。
在图2中示出了由现有技术公知的、具有公知的总线监控器构想的FlexRay用户3。在FlexRay协议规范v2.1中所描述的构想在随时间变化监控通信协议或通信控制器6方面被限制。在公知的监控构想中，本地通信控制器6的最大时间节拍层(MT)13对其本地总线监控器9进行计时。具有发送活动性的时隙附加地通过通信控制器6的ARM信号14来显示。要监视的FlexRay通信控制器6的时间序列(所谓的定时)仅仅通过RC振荡器15粗略地被监视或通过附加的石英振荡器(未示出)也以较高的分辨率被监视。
在具有公知的监控构想的用户3中，总线监控器9因此从改正后的最大时间节拍层信号13导出其时基，该总线监控器9从通信控制器6获得该最大时间节拍层信号13。ARM信号14用于使通信周期的开始或通信周期的发送时隙(Sendeschlitze)同步。RC振荡器15允许对最大时间节拍层信号13粗略地进行监视，以致仅仅在该信号的20％至30％之上的偏差才被识别为这种情况。
因此，总线监控器9的时基不是与通信控制器6的时基无关，而是与最大时间节拍层(MT)信号13有关。通过借助RC振荡器15的信号监视该信号13并不能实现通信控制器6的时基的完全独立性。
通信控制器6从主机计算机(微控制器)4接收到要传输的数据。控制器6带来根据FlexRay协议规范所规定的数据格式的数据。尤其是，将数据引入数据帧(FlexRay帧)的有效数据段(所谓的PayloadSegment)中。要通过数据总线2传输的、被格式化的数据在图2中用参考符号16来示出。数据16被传送给总线驱动器8，该总线驱动器8带来适于数据传输的格式的数据。接着在传输时刻，总线驱动器8将要传输的数据16施加到数据总线2上。总线驱动器8的动作通过总线监控器9来广泛地监视和/或控制，以致只有当总线监控器9确认总线驱动器8的访问权限并且将使能信号17施加到总线驱动器8上时，总线驱动器8才可以将数据16施加到数据总线2。
公知的监控构想尤其是在如下情况下有弱点，其中存在持久干扰，这些干扰由于通信控制器6中的故障或者不精确性而导致用户3的发送时隙缓慢移位到根据通信调度的、通信周期的其余用户3的其它发送时隙中。因此，例如存在如下问题：通过最大时间节拍层供给13和ARM信号14可以将本地通信控制器6的最小时钟漂移传输给总线监控器9。也即，如果FlexRay通信控制器6的时钟校正根据协议规范v2.1有错误地工作或者用于通信控制器6的时钟校正的控制寄存器的调整有错误并且未被发现，则与剩余的通信网络1相比，本地通信控制器6和因此本地总线监控器9也漂移。因此，针对用户3的通信周期的发送时隙(其通信控制器6在本地时基中具有故障或者不精确性)随着时间推迟到通信网络1中的其它用户3的发送时隙中，而本地总线监控器9可以不用检测这种情况并且可以不用触发相对应的反应。
另一有问题的情况是在本地通信控制器6在通信周期结束时的所谓的网络空闲时间(NIT)期间的所谓的偏移校正阶段。偏移校正阶段尤其是用于使用户3的本地时基同步到通信系统1的全局时基。为了进行这种校正，允许在规定的边界中进行改正。随后的通信巡回早数个最小时间节拍层(μT)或者晚数个最小时间节拍层(μT)而开始。本地总线监控器9必须允许这种校正。定时器监控必须接受这种校正。可是，不存在关于偏移校正对下一通信巡回的作用的总线监控器认知。在这样的情况下，也会发生发送时隙的交叉。这种交叉的概率随巡回数目的增加而提高。
在图3中详细示出根据本发明的用户3。在根据本发明的用户3中，总线监控器9在电路技术上并且在功能上相对于公知的FlexRay总线监控器(参照图2)被扩展来使得甚至FlexRay通信控制器6的持久干扰在访问数据总线2时能够安全地且可靠地被检测并且能够采取相对应的补救措施和对策。根据本发明所建议的解决方案可以特别简单且低成本地实现，但是同时极其有效。
在总线监控器9与通信控制器6之间布置接口18，该接口18例如被构造为SPI(Serial Peripheral Interface)接口。总线监控器9可以通过该接口18有针对性地向通信控制器6传输问题，并且通信控制器6可以将对这些问题计算出的应答重新传送回总线监控器9。因此，通过接口18能够在总线监控器9与通信控制器6之间实现问答通信。为此必要的是，在总线监控器9中存储具有不同问题的列表19和存储具有对来自列表19的问题的相对应的正确应答的列表20。当然，列表19和20也可以被总结成共同的列表。列表19和20也可以被存储在总线监控器9之外的存储器上，其中于是在需要时将问题和/或应答传输到总线监控器9中。
此外，在总线监控器9中必须设置装置21，以便在某些时刻、优选地周期地启动问答通信。通信控制器6的最大时间节拍层(MT)信号13和/或RC振荡器的时钟信号被考虑用于使问答通信在时间上相协调。即使MT信号13漂移，例如因为通信控制器6中的时钟同步有故障地工作，并且因此存在控制器6的故障，该故障也可以利用本发明单独通过问答通信而被检测到，因为通信控制器6在理想情况下提供错误的结果或者正确的结果，但是在允许的应答窗口之外进行提供。该方法的效果决定性地取决于所提出的问题的类型。其都必须被调准到通信控制器6的要监视的部件和/或功能上。所有要监视的部件/功能必须通过问题来揭露。实际上，部件/功能的缺陷也一定导致有错误的应答。
在问答通信开始时，从列表19中查找合适的问题。这些问题可以按照随机原理或者但是以预定的顺序、例如以如在列表19中所存放的顺序从列表19中取得。某些问题和应答组合适于识别通信控制器6的某些故障。通过有针对性地选择某些问题，检查通信控制器6的某些功能和/或特性正常工作。根据本发明，列表19和20包括这种问题和应答，这些问题和应答能够识别以下故障：
a)时钟同步的输入设置(实际上所考虑的同步消息、同步帧)的故障，
b)速率校正的有故障的计算，
c)正确计算出的速率校正值的有故障应用，
d)偏移校正的有故障的计算，以及
e)正确计算出的偏移校正值的有故障的应用。
在从列表19中选出合适的问题之后，该问题通过接口18被传送给通信控制器6。同时，装置21在其它装置22中为了检查应答而启动时间窗的定时器(Timer)，在该时间窗之内，正常工作的通信控制器6的应答必须到达。时间窗的维持通过装置22来监视。如果通信控制器6的应答在该时间窗之内到达，则在装置22中就其正确性检查该应答。为此，装置22将到达的应答与来自列表20的正确应答进行比较。只有当正确的应答在限定的时间窗之内到达时，总线监控器9才通过使能信号17释放对数据总线2的访问。
由总线监控器9向通信控制器6提出的问题例如可以包括下列问题中的一个或者多个问题：
-由通信控制器6接收到的、所解码的并且被考虑用于使本地时基同步的同步消息(同步帧)的数目？
-通过数据总线2的两个通信信道(线路)冗余传输的同步消息的数目和标识是否相同？
-在通信控制器6中，速率校正计算或偏移校正计算产生那些结果？(正确的应答提供在总线监控器9中所构造的附加逻辑，用于计算速率校正或偏移校正，该逻辑是相同地转换来自通信控制器6的机制。)
-由通信控制器6的机制所计算出的速率校正值或偏移校正值是否等于被存放在通信控制器6的存储单元、尤其是存储寄存器中的校正值？
-每个最大时间节拍层(MT)的最小时间节拍层(μT)数目或者每个通信巡回(所谓的通信周期(Communication Cycle))的最小时间节拍层(μT)数目在巡回结束时是否还在可预定的边界值之下？
-最小时间节拍层计数器(μT)在偏移校正之前和之后的差是否还在可预定的范围之内？
为了总线监控器9能够回答这些问题，一部分必须将附加信息从通信控制器6通过接口18传送到总线监控器9。要附加传送的信息例如是：
-速率校正或偏移校正的计算结果，
-在通信巡回结束时，每个通信巡回的最小时间节拍层(μT)的数目或每个最大时间节拍层(MT)的最小时间节拍层(μT)的数目，
-通信控制器6的最小时间节拍层(μT)计数器在偏移校正之前和之后的状态。
Claims (20)
1.一种本地分配给通信系统(1)的控制设备(3)的总线控制器(6)的、用于监视和控制对数据总线(2)的访问的监控单元(9)，其中，总线控制器(6)通过总线驱动器(8)访问数据总线(2)，并且监控单元(9)监视和控制总线驱动器(8)的访问权限，其特征在于，监控单元(9)具有用于实现与总线控制器(6)的问答通信的装置(18，19，20，21，22)，并且只有当问答通信的结果是总线控制器(6)正常工作时，监控单元(9)才释放总线控制器(6)对数据总线(2)的访问。
2.根据权利要求1所述的监控单元(9)，其特征在于，总线控制器(6)的本地时基借助同步消息被同步到通信系统(1)的全局时基上，监控单元(9)通过总线控制器(6)的接口(18)获得关于在总线控制器(6)中被解码的并且被考虑用于进行时钟同步的同步消息的信息，以及在考虑到所获得的同步信息的情况下进行问答通信。
3.根据权利要求2所述的监控单元(9)，其特征在于，在总线控制器(6)中存在具有由总线控制器(6)接收到的、所解码的以及被考虑用于进行时钟同步的同步消息的列表，其中监控单元(9)从该列表中获得同步信息，并且在问答通信的范围中询问同步信息是否满足一定的最小要求。
4.根据权利要求3所述的监控单元(9)，其特征在于，监控单元(9)在问答通信的范围中询问：接收到的、被解码的以及被考虑用于进行时钟同步的同步消息的数目是否大于或等于最小数目。
5.根据权利要求2至4之一所述的监控单元(9)，其特征在于，如果同步消息通过数据总线(2)在两个冗余的通信信道中被传输，则监控单元(9)在问答通信的范围中询问：接收到的、被解码的和/或被考虑用于进行时钟同步的同步信息对于两个通信信道是否相同。
6.根据权利要求5所述的监控单元(9)，其特征在于，监控单元(9)在问答通信的范围中询问：两个通信信道的同步消息的数目和/或标识是否相同。
7.根据权利要求1至4之一所述的监控单元(9)，其特征在于，总线控制器(6)的本地时基借助同步消息用相对于全局时基的速率校正和/或偏移校正而被同步到通信系统(1)的全局时基上，以及监控单元(9)在问答通信的范围中询问针对本地时基的速率校正和/或偏移校正的正确计算。
8.根据权利要求7所述的监控单元(9)，其特征在于，总线控制器(6)的用于计算速率校正和/或偏移校正的装置相同地被构造在监控单元(9)中，该监控单元(9)获得关于在总线控制器(6)中接收到的、被解码的以及被考虑用于进行时钟同步的同步消息的信息，被设置在监控单元(9)中的计算装置根据同步信息计算速率校正和/或偏移校正，以及监控单元(9)将问答通信范围中的结果与通过设置在总线控制器(6)中的计算装置所计算的速率校正和/或偏移校正进行比较。
9.根据权利要求7所述的监控单元(9)，其特征在于，监控单元(9)向被设置在总线控制器(6)中的用于计算速率校正和/或偏移校正的装置提出有针对性的问题并且在预定的应答窗之内监视总线控制器(6)的正确应答的输入。
10.根据权利要求1至4之一所述的监控单元(9)，其特征在于，总线控制器(6)的本地时基借助同步消息用相对于全局时基的速率校正和/或偏移校正被同步到通信系统(1)的全局时基上，以及监控单元(9)在问答通信的范围中询问针对本地时基的速率校正和/或偏移校正的所计算的值的正确应用。
11.根据权利要求10所述的监控单元(9)，其特征在于，监控单元(9)在问答通信的范围中检验总线控制器(6)的用于生成最大时间节拍层的装置和/或用于在速率校正的范围中所计算的校正值的存储装置的无故障的功能。
12.根据权利要求10所述的监控单元(9)，其特征在于，监控单元(9)在问答通信的范围中检验总线控制器(6)的用于应用偏移校正的装置和/或用于在偏移校正的范围中所计算的校正值的存储装置的无故障的功能。
13.根据权利要求11或者12所述的监控单元(9)，其特征在于，监控单元(9)通过接口(18)从总线控制器(6)获得所计算的校正值并且将在问答通信的范围中的校正值与存放在总线控制器(6)的存储装置中的校正值进行比较。
14.根据权利要求11所述的监控单元(9)，其特征在于，监控单元(9)向被设置在总线控制器(6)中的用于生成最大时间节拍层的装置提出有针对性的问题，并且在预定的时间窗之内监视总线控制器(6)的正确应答的输入。
15.根据权利要求12所述的监控单元(9)，其特征在于，监控单元(9)向被设置在总线控制器(6)申的用于应用偏移校正的装置提出有针对性的问题并且在预定的时间窗之内监视总线控制器(6)的正确应答的输入。
16.根据权利要求11所述的监控单元(9)，其特征在于，监控单元(9)在通信巡回结束时从总线控制器(6)通过接口(18)获得每个巡回的最小时间节拍层的数目和/或每个最大时间节拍层的最小时间节拍层的数目；并且监控单元(9)在问答通信的范围中询问：每个巡回的最小时间节拍层的数目和/或每个最大时间节拍层的最小时间节拍层的数目在通信巡回与随后的巡回之间的漂移在数值方面是否大于或等于可预定的允许的漂移。
17.根据权利要求12所述的监控单元(12)，其特征在于，监控单元(9)通过接口(18)在偏移校正之前和之后获得总线控制器(6)的最小时间节拍层计数器的状态；以及监控单元(9)在问答通信的范围中询问：最小时间节拍层计数器在偏移校正之前与在偏移校正之后的状态之间的差在数值方面是否大于或等于可预定的边界值。
18.一种包括数据总线(2)的通信系统(1)的控制设备(3)，其中，所述控制设备(3)具有总线控制器(6)和总线驱动器(8)，其中总线控制器(6)通过总线驱动器(8)被连接到数据总线(2)上，以及其中所述控制设备(3)具有被分配给总线控制器(6)的用于监视和控制总线驱动器(8)对数据总线(2)的访问权限的监控单元(9)，其特征在于，构造根据权利要求1至17之一所述的监控单元(9)。
19.根据权利要求18所述的控制设备(3)，其特征在于，总线控制器(6)具有：用于接收监控单元(9)的问题的装置，用于处理由监控单元(9)接收到的问题并用于生成相对应的应答的装置和用于将所生成的应答传送给监控单元(9)的装置。
20.根据权利要求18或者19所述的控制设备(3)，其特征在于，所述控制设备(3)被构造为FlexRay通信系统(1)的FlexRay控制设备，用于传送根据FlexRay协议规范的信息。
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