CN101960771B - 包括数据总线和多个连接在其上的用户节点的通信系统以及用于运行这样的通信系统的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种包括数据总线(2)和多个连接到数据总线(2)上的用户节点(3，4)的通信系统(1)以及一种用于运行这样的通信系统(1)的方法。用于数据传输的数据帧(10)分别包括数据字段(14)和/或控制字段(14)和校验和字段(15)。用户(3)具有高精度的时钟发生器(5)(例如精确的石英、MEMS谐振器等等)，并且其余用户(4)具有拥有较低精确度的时钟发生器(7)(例如RC振荡器或者不精确的石英)。在通信系统(1)的运行期间，在所述数据总线上存在校准消息，并且具有不精确的时钟发生器(7)的用户(4)接收校准消息。具有不精确的时钟发生器(7)的用户(4)在考虑所接收的校准消息中所包含的信息的情况下将不精确的时钟发生器(7)校准到数据总线(2)的系统时钟(6)。为了加快对这样的通信系统(1)的校准以及为了同时节省数据总线(2)上的带宽而提出：将任意的通过数据总线(2)所传输的消息用作用于校准系统(1)的校准消息。为了校准而以振荡器周期(8)测量所接收的数据帧(10)的数据字段(14)中或者控制字段(13)中的边沿(40)与所接收的数据帧(10)的字段(13；14；15)中的另一边沿(41)之间的间隔(NOPN)。对所述两个边沿(40，41)之间的位的数目(NB)进行计数，并且将生成要校准的用户(4)的数据总线协议控制装置的系统时钟(6)的时钟分割器(9)设定为使得系统时钟周期的长度为NOPN/NB NTQ个振荡器周期(8)。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有数据总线和多个连接到该数据总线上的用户节点的通信系统。通过该数据总线的数据传输以分别具有至少一个数据字段和至少一个校验和字段的数据帧来进行。所述用户至少之一具有高精度的时钟发生器，并且其余用户具有拥有比该高精度的时钟发生器低的精确度的时钟发生器。在该通信系统的运行期间，在该数据总线上存在校准消息。具有不精确的时钟发生器的用户至少之一接收校准消息并且具有校准控制装置，所述校准控制装置用于在考虑到所接收的校准消息中所包含的信息的情况下将不精确的时钟发生器校准到该数据总线的系统时钟上。另外，本发明涉及一种用于运行这样的通信系统的方法。
背景技术
从现有技术中公知有一种控制器局域网(CAN)总线的简单和低成本的变型方案、即所谓的串行链路IO(SLIO)-CAN总线。SLIO-CAN总线是由Robert Bosch有限公司开发的，并且由PhilipsSemiconductors以名称“P82C150”生产和销售。关于SLIO的更详细的信息可以从Philips Semiconductors 1996年6月19日的数据手册“P82C150”中得知。在SLIO中，放弃给通信系统的每个用户节点分配高精度的时钟发生器、例如石英。仅仅主机SLIO用户节点具有这样的精确的时钟发生器。其余的SLIO用户节点利用作为时钟发生器的内部RC振荡器工作，所述内部RC振荡器在没有诸如石英或陶瓷谐振器的外部元件的情况下也能运行，并且因此相对不精确。为了获得对于CAN通信而言足够精确的系统时钟，SLIO用户节点分别含有校准控制装置，所述校准控制装置校准相对不精确的RC时钟。在此，SLIO-CAN中的校准二级式地进行，并且被分成粗略校准和接下来的精细校准。在粗略校准的情况下，校准控制装置首先在CAN总线上接收的位模式中寻找两个彼此相继的从隐性到显性的边沿之间的最小间隔(其以振荡器周期被测量)。该间隔被认为是两个CAN位时间的时间，并且将生成CAN协议控制装置的系统时钟的时钟分割器(Takt-Teiler)设定为使得CAN协议控制装置尽可能精确地以该CAN位时间工作。一旦以当前设定的系统时钟工作的CAN协议控制装置有效地接受所接收的CAN消息，则对两个彼此相继的从隐性到显性边沿之间的更小间隔的寻找就停止；因此，粗略校准结束。
SLIO-CAN的精细校准借助于专门的校准消息来进行，所述校准消息由一个或多个具有例如石英形式的高精度的时钟发生器的SLIO主机有规律地通过CAN总线来传送。所述校准消息根据其消息标识符(数据帧的标识符字段)被明确地定义成校准消息。在SLIO-CAN的情况下，所述校准消息的内容、尤其是所述消息的数据字段的内容也被固定地预先给定。所述校准消息包括两个彼此间隔正好为32比特的从隐性到显性的边沿。在从隐性到显性的第一边沿出现时，在具有RC振荡器的SLIO用户中，用于振荡器时钟的计数器被起动，所述计数器在第二边沿出现时再次被停止。另外，在SLIO-CAN中规定：10个系统时钟(CAN时间量子(Time Quanta)；tq)对应于一个CAN位时间。这在SLIO用户节点中是根据硬件预先给定的。因此在接收到校准消息中的32位以后，计数器应当指示对应于320个系统时钟的值。在此之后，时钟分割器的分割比被确定，所述时钟分割器将振荡器时钟换算成系统时钟。在SLIO-CAN的情况下，该分割比的分母总是320。接着在32位之后，实际计数器读数被包含在计数器中。
因此，公知的SLIO的缺点是，必须设置专门的校准消息，所述校准消息需要CAN总线的一部分带宽，并且不能被用于传输实际的有用数据。因此，较少的带宽可用于传输有用数据。公知的SLIO的另一缺点在于，根据定义，SLIO用户节点只要未接收到有效的校准消息就不能进行发送、也不能发送确认位(ACK)。这造成在网络仅仅由发送校准消息的SLIO主机和多个具有RC振荡器的SLIO节点构成的情况下，在能够通过CAN总线开始通信以前，该SLIO主机首先进入所谓的错误被动(Error-Passive)状态。只要SLIO主机处于所谓的错误主动(Error-Active)状态，则其就由于缺失的确认位而利用主动错误帧破坏其自己的校准消息。在这样的情况下，在能够通过CAN总线开始通信以前经过相对多的时间。可能甚至不可能开始通信，因为这导致SLIO节点不同步。在实际中，仅能非常困难地并且以巨大努力和成本来克服这些问题。
发明内容
以所述现有技术为出发点，本发明所基于的任务是，在具有拥有相对不精确的时钟发生器的用户节点的通信系统中提出一种简单和低成本的可能性，其允许快速和可靠地将用户节点的时钟发生器校准到系统时钟。
为了解决该任务，以开头所述类型的通信系统为出发点提出：一个位时间(Bit-Zeit)中所包含的系统时钟的数目(NTQ)可以被自由配置，校准控制装置适于：以振荡器周期测量所接收的数据帧的数据字段中或者控制字段中的第一边沿与所接收的数据帧的字段中的另一边沿之间的间隔(NOPN)；对所述两个边沿之间的位的数目(NB)进行计数；以及将生成所述至少一个具有不精确时钟发生器的用户的数据总线协议控制装置的系统时钟的时钟分割器设定为使得系统时钟周期的长度为NOPN/(NB·NTQ)个振荡器周期。高精度的时钟发生器例如包括高精度的石英或者MEMS(微机电系统)谐振器。精确度较低的时钟发生器例如包括RC振荡器。当然也可以设想，简单地将廉价并且因此较不精确的石英或陶瓷谐振器用作精确度较低的振荡器。术语“高精度的”在此仅仅是指，该时钟发生器比不精确的时钟发生器更精确，并且其精确度足以预先给定该通信系统的系统时钟。
根据本发明提出：自由选择一个位时间中所包含的系统时钟的数目。由此也可以得出具有分数有理数的分割比的时钟分割器。通过该措施可能的是，可以放弃专门的校准消息。相反，可以将实际上每个任意的通过数据总线所传输的消息用于校准用户节点。因此，不再为了传送专门的校准消息而丢失数据总线带宽。所述校准消息优选地由具有高精度的时钟发生器的用户节点之一生成和/或通过数据总线发送。
为了校准这一目的，所述至少一个要校准的用户节点的校准控制装置测量所接收的数据帧的数据字段中的第一边沿与所接收的数据帧的字段中的另一边沿之间的间隔(NOPN)。该间隔(NOPN)以振荡器周期被测量。另外，所述校准控制装置对所述两个边沿之间的位的数目(NB)进行计数，并且将时钟分割器设定为使得系统时钟周期的长度为NOPN/(NB·NTQ)个振荡器周期。所述时钟分割器生成所述至少一个要校准的用户的数据总线协议控制装置的系统时钟。能够使用具有分数有理数分割比的时钟分割器的可能性允许将所接收的任意数据帧中的任意边沿用于校准所述用户。但是所考虑的边沿优选地具有彼此之间的尽可能大的间隔，因为振荡器周期的测量误差在边沿的相对于彼此的间隔大的情况下比在间隔小的情况下按百分比而言影响较小。由于根据本发明，没有为了通过数据总线传输校准消息而损失带宽，因此被用于校准用户的消息可以被构造为特别长，使得该校准特别精确。
利用具有分数有理数分割比的时钟分割器，可以设定任意的位定时配置并且在每个所接收的消息中寻找最合适的、即彼此相距最远的、优选地从隐性到显性的边沿对。仅须确定：两个所考虑的边沿来自同一用户节点(发射机)。对于第一边沿，这在仲裁结束时(控制字段开始时)被给定，对于第二边沿，这在校验和序列结束以前(校验和字段中的CRC分界符以前)测量到第二边沿时被给定。
触发计数器起动的所观察的第一边沿优选地是在所接收的数据帧的数据字段中出现的第一边沿。也可以将控制字段中的边沿用作第一边沿，但是不是在每个数据帧中都在控制字段中存在从隐性到显性的边沿。因此，根据本发明的一个有利的改进方案提出：校准控制装置适于测量在所接收的数据帧的数据字段中出现的第一边沿与所接收的数据帧的字段中的另一边沿之间的间隔(NOPN)。因此根据该改进方案，不是使用所接收的数据帧的数据字段中的任意边沿、而是第一边沿。
根据本发明的一个优选的实施方式提出：校准控制装置适于测量在第一边沿与所接收的数据帧的另一字段、尤其是校验和字段(所谓的CRC字段)中的另一边沿之间的间隔(NOPN)。尤其是提出：校准控制装置适于：测量在所接收的数据帧的校验和字段中出现的最后一个边沿与第一边沿之间的间隔(NOPN)。当然，也可以将其它边沿、例如校验和字段中的倒数第二个边沿用作最后一个边沿以用于校准。使用所接收的数据帧的数据字段中的第一边沿和/或所接收的数据帧的校验和字段中的最后一个边沿得出所考虑的边沿之间的特别大的间隔，并且由此得出较大的校准精确度。在此，检测振荡器时钟时的相对测量误差较小。
根据本发明的另一优选的实施方式提出：校准控制装置适于测量从隐性到显性的第一边沿与所接收的数据帧的字段中的从隐性到显性的另一边沿之间的间隔(NOPN)。使用从隐性到显性的边沿所具有的优点是，所述边沿通常比从显性到隐性的边沿更清晰或更陡峭，使得可以以更高精确度测量边沿的时间点。CAN总线上的电平例如为“0”显性和“1”隐性。因此根据该实施方式，在CAN总线中考虑从“1”到“0”的边沿。
根据本发明的另一有利的改进方案提出：所述至少一个具有不精确的时钟发生器的用户的数据总线协议控制装置在接收校准消息期间以及在校准不精确的振荡器期间被保持在受限的运行模式中，所述受限的运行模式与正常的数据总线运行模式相比具有在通过数据总线所接收的数据帧方面受限的错误检测和错误处理功能。受限的运行模式(所谓的Restricted Mode(受限模式))将防止：还未、或者不再正确地被校准的用户节点用错误帧或者其它消息或动作干扰数据总线或数据传输。尤其是防止：为了校准，在数据总线上被设置的消息被删除。由此，该通信系统的构造以及另外的用户节点到已存在的通信系统中的整合可以被明显加快。在迄今为止在已知SLIO-CAN中还不能根本上构造起作用的通信系统的一些情况下，由于所提出的改进方案，现在首次可以实现从根本上使用户节点同步并且由此构造起作用的通信系统。这尤其是适用于除了SLIO主机以外仅仅还包括要校准的用户节点的通信系统。
在协议控制装置的受限的运行模式下，尤其是所述至少一个要校准的用户的错误计数器被停止。这可以适用于用于发送的错误计数器(TxError Counter(Tx错误计数器))以及用于接收的错误计数器(Rx ErrorCounter(Rx错误计数器))。此外，在受限的运行模式下，所述至少一个具有不精确的振荡器的要校准的用户在其已经通过数据总线接收到无误的数据帧时发送消息、尤其是确认消息(Acknowledge-Bit(确认位)；ACK)。也可以设想，要校准的用户仅在其已经接收可以用于校准不精确的振荡器的数据帧时才发送ACK位。因此与从现有技术中公知的SLIO节点不同，在受限的运行模式下，对于根据本发明的通信系统的用户节点可能的是：即使校准还未结束，仍然发送确认消息(ACK)。实际上被排除的是，缺乏校准的用户节点错误地将总线上的任意的比特流看成有效的消息。
此外还提出：在受限的运行模式下，抑制对通过数据总线接收并且被识别成有误的消息的数据帧的破坏。这样，该通信系统的用户节点不能发送主动错误帧和/或不能发送过载帧。由此防止：在首次构造起作用的同步通信系统时预先给定系统时钟的用户节点由于缺少确认消息而破坏其自己的应当被用作校准消息的数据帧。另一优点在于，已经同步的用户节点之间通过数据总线的正常数据传输不受还未或者不再正确地被校准的用户节点干扰。
根据本发明的另一优选的实施方式提出：仅仅将由具有特别精确的时钟发生器的用户所发出的这样的数据帧用于校准不精确的振荡器。其尤其是具有石英作为时钟发生器的这样的用户。系统发开者知道：在连接到数据总线的用户节点之中的具体哪些是这样的用户，使得系统开发者可以相应地对校准控制装置进行配置或编程。可以在接收用户中例如根据数据帧中所包含的标号(所谓的标识符字段中的所谓的消息ID)来确定：所接收的数据帧是由所述用户节点之中的哪个发送的。利用本发明的该扩展方案，可以以特别高的精确度校准要校准的用户节点。
根据本发明的另一优选的扩展方案提出：仅仅把比可预先给定的极限值长的这样的数据帧用于校准要校准的用户节点的不精确的振荡器。在较短的数据帧中，数据字段必然短于较长数据帧中的数据字段。因此在较短的数据帧中，数据字段中以及校验和字段中的两个所观察的边沿之间的最大间隔必然也比较长数据帧的情况下更小。利用所提出的扩展方案所负责的是，仅仅将如下这样的数据帧用于校准：在所述数据帧中，两个所观察的边沿之间的间隔具有确定的最小值，以便能够以确定的最小精确度执行校准。
此外还提出：校准控制装置适于由多个所接收的数据帧的第一边沿与另一边沿之间的间隔(NOPN)的测量来形成平均值并且根据该平均值来设定时钟分割器。利用该方案，可以在多个所接收的数据帧上查到在测量所观察的边沿之间的间隔时的不精确性，这同样可以导致对校准精确度的改善。
根据本发明的另一扩展方案提出：校准控制装置适于：当在预先给定的时长中不存在无错的并且可用于校准不精确的振荡器的数据帧时、或者当在通过数据总线接收数据帧的情况下再同步的次数超过可预先给定的极限值时，通过数据总线请求可用于校准不精确的振荡器的数据帧。利用该扩展方案保证：无论如何都不时地对具有不精确的振荡器的用户进行校准，以便防止在用户节点在没有校准的情况下运行较长时间以后振荡器时钟变化得使得时钟分割器的所设定的值不再能够生成与该用户的数据总线协议控制装置的系统时钟相应的时钟。在极端情况下，变化过大的振荡器时钟以及缺少的校准可能导致用户节点不再能够通过数据总线接收数据帧。尤其是温度波动、供电电压波动、以及老化现象可能导致由RC振荡器所生成的振荡器时钟的波动。有效的是，通过有规律地进行校准来补偿振荡器时钟的这些波动。
根据本发明的一个特别优选的实施方式提出：对所述至少一个具有不精确的振荡器的用户的不精确的振荡器的所述校准是精细校准，所述精细校准在粗略校准以后执行。根据本发明的该扩展方案，该通信系统或者该通信系统的、不具有自己的石英作为时钟发生器或者仅仅具有不精确的石英的用户节点首先经历粗略校准。该粗略校准尤其是在该通信系统启动(所谓的Start Up(启动))时或者当一个或多个用户节点将被整合到已经存在的通信系统中时进行。该粗略校准允许用户首先一次性地根本上通过数据总线接收数据帧。然后，根据所接收或所选择的所接收的数据帧以上述方式进行精细校准。
用于粗略校准不精确的振荡器的校准控制装置有利地适于：在所接收的数据帧中以振荡器周期寻找在两个彼此相继的边沿之间的最小间隔(NOP2)；将该间隔(NOP2)用作两个位时间(Bit-Zeit)的时间；以及将时钟分割器设定为使得系统时钟周期的长度为NOP2/(2·NTQ)个振荡器周期。因此，生成协议控制装置的系统时钟的时钟分割器被设定为使得协议控制装置尽可能精确地以所确定的位时间运行。一旦以当前所设定的系统时钟工作的协议控制装置接受所接收的数据帧作为有效的消息或者接受可预先给定数目的所接收的数据帧作为有效的消息，则对两个彼此相继的边沿之间的较小间距的寻找就停止；校准控制装置现在被粗略校准。当然，粗略校准不限于使用两个位时间，而是可以实际上可利用任意数目n的位时间来执行。在这种情况下，时钟分割器那么应当被设定为使得系统时钟周期的长度为NOP2/(n·NTQ)个振荡器周期。优选地在粗略校准时观察两个彼此相继的从隐性到显性的边沿，因为在该转变处可得出较清晰的边沿并且因此可以较精确地检测边沿。
根据本发明的另一优选的改进方案提出：该通信系统被构造成CAN通信系统。在该CAN通信系统中，数据例如可以根据CAN协议来传输。在该CAN通信系统中，数据传输优选根据TTCAN协议通过数据总线进行，其中该TTCAN协议被构造成CAN协议之上的附加协议层。通过TTCAN协议，使得能够通过CAN总线进行时间受控的确定性的数据帧传输。
作为本发明任务的另一解决方案，以一种用于运行开头所述类型的通信系统的方法为出发点提出：可以自由配置一个位时间中所包含的系统时钟的数目(NTQ)，以振荡器周期(in Oszillator-Periden)测量所接收的数据帧的数据字段中的第一边沿与所接收的数据帧的字段中的另一边沿之间的间隔(NOPN)，对所述两个边沿之间的位的数目(NB)进行计数，并且将生成总线协议控制装置的系统时钟的时钟分割器设定为使得系统时钟周期的长度为NOPN/(NB·NTQ)个振荡器周期。
当然，对一个位时间中所包含的系统时钟的数目(NTQ)的配置必须按照在该通信系统中被用于数据传输的协议来进行。因此，CAN协议例如允许在一个位时间中包含4至25个系统时钟。如何配置一个位时间中所包含的系统时钟的数目(NTQ)取决于具体情况。因此，数目(NTQ)例如取决于时钟发生器的时钟频率、通过数据总线传输数据的数据速率、以及-一般而言-该通信系统中的物理实际情况。
附图说明
下面参考附图进一步阐述本发明的优选实施例。附图：
图1示出了根据一个优选实施方式的根据本发明的通信系统；
图2示出了CAN数据帧的构造；
图3示出了经过扩展的CAN数据帧的构造；
图4示出了根据一个优选实施方式的、用于运行通信系统的本发明方法的流程图；
图5示出了对图1的通信系统的用户节点进行精细校准的流程图。
具体实施方式
在图1中，用附图标记1标出根据本发明的通信系统的整体。该通信系统包括数据总线2，其中多个用户节点3、4连接到该数据总线2上。用户节点3具有被构造成石英或石英振荡器5的时钟发生器。该石英振荡器5输出时钟信号6，所述时钟信号6相应于数据总线2的系统时钟。其余的用户节点4具有被构造成RC振荡器7的时钟发生器。所述RC振荡器发出与系统时钟6有偏差的振荡器时钟信号8。出于这个原因，振荡器时钟信号8必须首先通过时钟分割器9被转换成系统时钟6。时钟分割器9的分割比在用户节点4的校准的范围内被设定；用户4被同步到数据总线2的系统时钟6。
图1中所示的通信系统与全部用户节点通常都具有自己的石英或石英振荡器作为时钟发生器的常规通信系统相比所具有的优点是，可以特别简单和低成本地构造通信系统1、尤其是用户节点4。通信系统1尤其是适用于例如机动车、飞机、飞行器、或者机床中的在平均数据传输速率处于例250k比特的范围内时就足够的较简单的应用。当然，也可以在相应的扩展方案中利用根据本发明的通信系统实现较高的数据速率。通信系统1例如被构造成CAN(控制器局域网)通信系统，其中数据根据CAN协议通过CAN总线2在数据帧19中被传输。优选地根据TTCAN(时间触发的CAN)协议通过CAN总线2进行数据传输，其中TTCAN协议被构造成CAN协议上的附加协议层并且使得能够通过CAN总线2进行时间受控的确定性的数据传输。
如果具有多个连接到其上的用户节点3、4的通信系统1被启动(所谓的Start UP)或者如果用户节点4之一例如在复位之后或者在首次被整合到通信系统1中的情况下被整合到已存在的通信系统1中，则需要将时钟分割器9的分割比设定为使得从振荡器时钟信号8中生成数据总线2的系统时钟信号6。因此，具有RC振荡器7的用户节点4必须被同步到系统时钟6，这在校准的范围内进行。由于RC振荡器7的振荡器信号8可能在通信系统1的运行期间经历强烈的波动，因此用户节点4也必须在通信系统1正在运行的期间不时地被同步，也就是说，在通信系统1运行期间，用户节点4也必须经过校准阶段。振荡器时钟信号8变化的原因可以是温度波动、供电电压的波动、以及老化现象。
用户节点4的校准根据通过数据总线2所传输的校准消息来进行。这些校准消息被用户节点4接收并且被用于将RC振荡器7校准到数据总线2的系统时钟6。根据本发明，可以将完全常规的消息、即实际上所有数据帧10用作校准消息。因此不需要具有专门的标识(ID)的专门的校准消息和/或专门的有用数据来用于校准用户4。
下面根据图2和图3用不同的CAN数据帧的例子来详细阐述构造数据帧10的两种可能性。当然，用于根据本发明校准用户4的数据帧10也可以具有与图2和图3中所示的构造不同的构造。尤其是数据帧10在具有有用数据的数据字段之前的所谓的报头区域中以及在数据字段之后的所谓的报尾区域中的各个字段的数目、类型和构造可以不同于图2和3中所示的构造。
数据通过数据总线2的传输如下地进行：使得位根据状态要么显性要么隐性地作用于数据总线2的线路。在此，显性位覆盖隐性位。在CAN总线中，“0”为显性并且“1”为隐性。数据帧10也被称为帧(Frame)。在CAN总线中存在4种不同类型的帧：
-数据帧，其用于输送达8字节(64位)的有用数据。
-远程帧，其用于请求其它用户3、4的数据帧。
-错误帧，其用信号向所有用户3、4通知所识别的在传输中的错误情况。
-过载帧，其充当快速地彼此相继的数据帧和远程帧之间的强制暂停。
在图2和图3中示出了数据帧10的构造的例子。数据帧10在逻辑上如下：
-帧起始(SOF)11，其包括显性位。
-仲裁字段12，其由标识符段(11位)加上RTR(远程传输请求)位构成。
-控制字段(CTRL)13，其包括6位。
-数据字段(DATA)14，其用于以8位、即1字节为单位传输包括0至64位的有用数据。
-校验和字段(CRC)，其包括16位(15位CRC序列15加上1个隐性CRC分界符位16)。
-确认字段(ACK)17，其包括由1个ACK间隙加上1个隐性ACK分界符构成的2位。
-帧结束(EOF)18，其包括7位(隐性)。
-间歇(IFS：间歇帧空间)19，其包括3位，对应于将彼此相继的消息分隔开的位的最小数目。
在图3所示的所谓的经过扩展的数据帧10(Extended Frame)的情况下，仲裁字段12′包括具有29加2位的标识符段加上1个RTR位。在其它方面。图3中的数据帧10具有与图2中的数据帧10相同的构造。
图4中示出了根据本发明的用于运行根据优选实施例的通信系统1的方法的流程图。该方法被实施在其整体上被启动的通信系统1中。然而或者该方法仅仅被实施在一个或多个用户节点4中，所述用户节点4应当被整合到已经建立或同步的通信系统1中。例如当用户节点4由于复位而暂时被通信系统1排除时或者如果用户节点4作为附加的节点新近连接到数据总线2上，则例如需要将用户节点4整合到已存在的通信系统1中。
该方法始于方法步骤20。开始时，内部RC振荡器7的频率不是精确地已知的。可变的NTQ被预先配置并且确定：在1个CAN位时间中应当包含多少个系统时钟(所谓的CAN时间量子(CAN Time Quanta))tq。根据CAN协议，在一个位时间中可以包含4至25个之间的时间量子。要在时钟分割器9中设定的在振荡器周期8与系统时钟周期6之间的分割比必须被确定和设定。在此，根据本发明，分数有理数分割比也是可能的。
在接下来的方法步骤21中，通信系统1的用户4或者所述用户4的CAN协议控制装置被切换到受限的运行模式中，所述受限的运行模式与正常运行模式相比具有在通过数据总线2所接收的数据帧10方面受限的错误检测和错误处理功能。尤其是，在受限的运行模式下，所述至少一个用户4的发送(Transmit；Tx)和/或接收(Receive；Rx)-错误计数器被停止。因此，即使当协议控制装置已经在数据总线2上看到有误的消息，所述错误计数器仍然不被递增或递减。由此将防止还未(或者不再)被正确地校准的用户节点4用错误帧或其它动作干扰数据总线2。在受限的运行模式下，用户节点4仅能发送确认消息(确认位；ACK)。当然，该位仅在节点4已经在总线2处看见了无错的消息时才被发送。实际上被排除的是：缺乏校准的用户节点4错误地将任意的比特流看成有效的消息。
因此，根据本发明的通信系统1与从现有技术中公知的SLIO-CAN不同，在其中用户在精细校准以前甚至不能发送确认消息(ACK)，这使得除了SLIO用户节点之外仅包含另一SLIO主机节点的网络的投入使用。因此，通过在校准用户节点4期间将用户节点3、4切换到受限的运行模式，根据本发明的通信系统1的投入使用被明显简化和加快。
接着在方法步骤22，首先对用户4进行粗略校准。用户4的校准控制装置首先在CAN总线2上所接收的位模式中寻找两个彼此相继的从隐性到显性的边沿之间的最小间隔(其以振荡器周期被测量)。该间隔NOP2被认为是两个CAN位时间的时间，并且生成CAN协议控制装置的系统时钟6的时钟分割器9被设定为使得CAN协议控制装置尽可能精确地以该CAN位时间工作。因此，时钟分割器9被设定为使得系统时钟周期的长度为NOP2/(2·NTQ)个振荡器周期。在以当前设定的系统时钟6工作的CAN协议控制装置接受所接收的CAN消息为有效之前，校准控制装置一直寻找两个彼此相继的从隐性到显性的边沿之间的更小间隔。因此，校准控制装置被粗略地校准。经过粗略校准的用户4可以通过数据总线2接收数据帧10。
接着在方法步骤23，对用户4进行精细校准。该精细校准将在下面根据图5予以详细阐述。经过精细校准的用户节点4不仅可以通过数据总线2接收数据帧10，而且甚至可以通过数据总线2发送数据帧10。接着在精细校准以后，通信系统1进入正常运行模式(所谓的Normal Mode(正常模式))，该正常运行模式在图4中由方法步骤24来指示。在正常运行模式期间，通信系统1的用户3、4可以以本身公知的方式根据CAN协议或者任意其它的用于通过数据总线2传输数据的协议来交换消息(参见方法步骤25)。在通信系统1的正常运行期间，也必须不时地经历校准阶段，这由虚线箭头26来指示。在方法步骤23对用户4的精细校准可以周期性地以有规律的间隔或者以受事件控制的方式在需要时进行。同样可能不时地需要执行包括粗略校准22和精细校准23的整个校准，这由虚线箭头27来指示。
如果通信系统1中的数据传输结束并且通信系统1重新被关闭，则转到方法步骤28以结束根据本发明的方法。
优选地在精细校准结束以前，用户4的协议控制装置一直被保持在受限的运行模式(Restricted Mode(受限模式))中。但是协议控制装置处于受限的运行模式下并不是执行精细校准的前提条件。如所述的那样，受限的运行模式尤其对于该校准方法开始时的粗略校准是重要的，因为在粗略校准期间由于受限的运行模式，通信系统1的构造以及用户节点4到已存在的通信系统1中的整合可以被明显简化和加快。仅仅在受限的运行模式下，协议控制装置还可以在精细校准结束以前给校准消息的发送方3传送确认消息(ACK)。同时，用户4的协议控制装置不会由于主动错误标志而破坏消息，并且其不能发送除确认消息以外的消息。此外，协议控制装置在受限的运行模式期间也不会由于被错误理解的消息而被置入错误被动状态或总线脱离状态中，因为在受限的运行模式下，错误计数器被冻结。优选地在精细校准结束以后，协议控制装置再次转移到正常运行模式中(图4中的方法步骤25)。
下面根据图5进一步阐述根据本发明的方法、尤其是对用户4的精细校准。在用于精细校准的流程的第一方法步骤30，用户4的协议控制装置通过数据总线2接收数据帧10。在接下来的方法步骤31，针对每个被无误地接收的CAN消息发送确认消息(ACK位)。所述确认消息被在步骤30已经发出了被接收到的校准消息的那些用户节点3接收。
接着，在询问步骤32检查：所接收的数据帧10是否适于用作校准消息。不合适的例如是如下这样的消息：其来自通信系统1的用户3、4，例如具有RC振荡器7的其它用户节点3，其中该用户已知其时钟为精确度更低的。优选地仅将具有石英振荡器5的用户3的数据帧10用作校准消息。为了能够确定所接收的数据帧来自用户3、4之中的哪个，系统程序员必须提供标识符(ID)的列表并且将其添加到用户节点3、4的配置参数。下面的精细校准也可以限于比预先给定的最小长度长的这样的消息。消息的长度可以从长度为4个位的数据长度字段中得知，所述数据长度字段是数据帧10的控制字段(CTRL)13的一部分。通过把用于精细校准的消息限制在特别长的消息，所观察的两个从隐性到显性的边沿40、41之间的位的数目NB特别大。所观察的两个边沿40、41之间的位的数目NB越大，则所述精细校准的方法越精确，因为振荡器周期8的测量误差在大的数目NB的值情况下按百分比而言影响较小。无论如何，精细校准都应当仅应用于被无误地接收到的消息。
如果所接收的数据帧10不适于作为校准消息，则所述消息在内容方面在接收用户节点4中被分析并且处理。但是所述消息不被用于校准用户4。然后，再次跳转到方法步骤30并且重新通过数据总线2接收消息。根据对时钟容差的要求，也可以放弃对不那么优良或根本不适于作为校准消息的数据帧10的所述滤除(询问32)。
在方法步骤33，用户4的校准控制装置以振荡器周期8测量所接收的数据帧10中的数据字段14中(或者控制字段13中)的从隐性到显性的第一边沿40(参见图2和3)与所接收的数据帧10中的CRC字段15中的从隐性到显性的最后一个边沿41(参见图2和3)之间的间隔NOPN，并且在接下来的方法步骤34对所述两个边沿40、41之间的位的数目NB进行计数。如果系统时钟16在粗略校准以后仍然稍微与其理想值偏离，则在精细校准的范围内，各个位通过再同步被延长或者缩短。两个边沿40、41之间的位的数目NB与一个位时间中系统时钟的数目NTQ的乘积说明：当系统时钟6工作在其额定频率时，会有多少个系统周期6已经被计数。然后在方法步骤35，时钟分割器9被设定为使得系统时钟周期的长度为NOPN/(NB·NTQ)个振荡器周期8。现在，校准控制装置被精细校准；由此，精细校准结束。
Claims (19)
1.一种包括数据总线(2)和多个连接到该数据总线(2)上的用户(3，4)的通信系统(1)，其中通过该数据总线(2)的数据传输在分别具有至少一个数据字段(14)和/或至少一个控制字段(13)并且分别具有至少一个校验和字段(15)的数据帧(10)中进行，其中用户至少之一(4)具有高精度的时钟发生器(5)，并且其余用户(3)具有拥有比高精度的时钟发生器(5)低的精确度的其它时钟发生器(7)，并且其中在通信系统(1)的运行期间，在所述数据总线上存在校准消息并且具有所述其它时钟发生器(7)的用户至少之一(3)接收校准消息并且具有校准控制装置，所述校准控制装置用于在考虑所接收的校准消息中所包含的信息的情况下将所述其它时钟发生器(7)校准到该数据总线(2)的系统时钟(6)，其中一个位时间中所包含的系统时钟的数目NTQ能够被自由配置，所述校准控制装置适于：以振荡器周期(8)测量所接收的数据帧(10)的数据字段(14)中或者控制字段(13)中的第一边沿(40)与所接收的数据帧(10)的校验和字段(15)中的另一边沿(41)之间的间隔NOPN；对所述两个边沿(40，41)之间的位的数目NB进行计数；以及将生成所述至少一个具有所述其它时钟发生器(7)的用户(3)的数据总线协议控制装置的系统时钟(6)的时钟分割器(9)设定为使得系统时钟周期为NOPN/(NB·NTQ)个振荡器周期(8)，其特征在于，所述校准控制装置适于测量在所接收的数据帧(10)的数据字段(14)或控制字段(13)中第一次出现的边沿(40)与所述另一边沿(41)之间的间隔NOPN，其中在所接收的数据帧(10)的数据字段(14)或控制字段(13)中第一次出现的边沿(40)是从隐性到显性的第一边沿。
2.根据权利要求1所述的通信系统(1)，其特征在于，所述校准控制装置适于测量在所接收的数据帧(10)的第一次出现的边沿(40)与在所接收的数据帧(10)的校验和字段(15)中最后出现的边沿(41)之间的间隔NOPN。
3.根据权利要求1至2之一所述的通信系统(1)，其特征在于，所述校准控制装置适于测量在从隐性到显性的第一边沿(40)与从隐性到显性的另一边沿(41)之间的间隔NOPN。
4.根据权利要求1至2之一所述的通信系统(1)，其特征在于，所述至少一个具有其它时钟发生器(7)的用户(4)的数据总线协议控制装置在接收校准消息期间以及在校准所述其它时钟发生器(7)期间被保持在受限的运行模式中，所述受限的运行模式与正常的数据总线运行模式相比具有在通过数据总线(2)所接收的数据帧(10)方面受限的错误检测和错误处理功能。
5.根据权利要求4所述的通信系统(1)，其特征在于，在所述受限的运行模式下，所述至少一个具有其它时钟发生器(7)的用户(4)的错误计数器被停止。
6.根据权利要求4所述的通信系统(1)，其特征在于，在受限的运行模式下，抑制对通过数据总线(2)被接收并且被识别成有误的消息的数据帧(10)的破坏。
7.根据权利要求4所述的通信系统(1)，其特征在于，在受限的运行模式下，所述至少一个具有其它时钟发生器(7)的用户(4)在其已通过数据总线(2)接收到无误的数据帧(10)时发送消息。
8.根据权利要求7所述的通信系统(1)，其特征在于，所述消息是确认消息。
9.根据权利要求1至2之一所述的通信系统(1)，其特征在于，仅仅将由具有特别精确的时钟发生器(5)的用户(3)所发出的这样的数据帧(10)用于校准所述其它时钟发生器(7)。
10.根据权利要求1至2之一所述的通信系统(1)，其特征在于，仅仅把比可预先给定的极限值长的这样的数据帧(10)用于校准所述其它时钟发生器(7)。
11.根据权利要求1至2之一所述的通信系统(1)，其特征在于，所述校准控制装置适于通过测量多个所接收的数据帧(10)的第一边沿(40)与另一边沿(41)之间的间隔NOPN来形成平均值并且根据所述平均值来设定所述时钟分割器(9)。
12.根据权利要求1至2之一所述的通信系统(1)，其特征在于，所述校准控制装置适于：当在预先给定的时长中不存在无误并且可用于校准所述其它时钟发生器(7)的数据帧(10)时、或者当在通过数据总线(2)接收数据帧(10)的情况下再同步的次数超过可预先给定的极限值时，通过数据总线(2)来请求可用于校准所述其它时钟发生器(7)的数据帧(10)。
13.根据权利要求1至2之一所述的通信系统(1)，其特征在于，对所述至少一个具有其它时钟发生器(7)的用户(4)的所述其它时钟发生器(7)的校准是精细校准，所述精细校准在粗略校准以后执行。
14.根据权利要求13所述的通信系统(1)，其特征在于，用于粗略校准所述其它时钟发生器(7)的校准控制装置适于：在所接收的数据帧中寻找在振荡器周期(8)中在两个彼此相继的边沿之间的最小间隔NOP2；将该间隔NOP2用作两个位时间的时间；以及将时钟分割器(9)设定为使得系统时钟周期的长度为NOP2/(2·NTQ)个振荡器周期(8)。
15.根据权利要求14所述的通信系统(1)，其特征在于，用于粗略校准所述其它时钟发生器(7)的校准控制装置适于：在所接收的数据帧(10)中寻找在振荡器周期(8)中在两个彼此相继的从隐性到显性的边沿之间的最小间隔NOP2；将该间隔NOP2用作两个位时间的时间；以及将时钟分割器(9)设定为使得系统时钟周期的长度为NOP2/(2·NTQ)个振荡器周期(8)。
16.根据权利要求13所述的通信系统(1)，其特征在于，一旦以当前粗略设定的系统时钟工作的数据总线协议控制装置接受所接收的数据帧(10)作为有效的消息，则所述粗略校准就结束。
17.根据权利要求1至2之一所述的通信系统(1)，其特征在于，其被构造成CAN通信系统(1)。
18.根据权利要求17所述的通信系统(1)，其特征在于，数据传输根据TTCAN协议通过CAN总线(2)进行。
19.一种用于运行包括数据总线(2)和多个连接到该数据总线(2)上的用户(3，4)的通信系统(1)的方法，其中数据通过数据总线(2)在分别具有至少一个数据字段(14)和/或至少一个控制字段(13)并且分别具有至少一个校验和字段(15)的数据帧(10)中被传输，其中所述用户至少之一(3)具有高精度的时钟发生器(5)，并且其余用户(4)具有拥有比高精度的时钟发生器(5)低的精确度的其它时钟发生器(7)，并且在通信系统(1)的运行期间，校准消息通过数据总线(2)被传输，并且校准消息被具有所述其它时钟发生器(7)的用户至少之一(4)接收，并且在考虑所接收的校准消息中所包含的信息的情况下将该其它时钟发生器(7)校准到数据总线(2)的系统时钟(6)，其中能够自由配置一个位时间中所包含的系统时钟的数目NTQ，以振荡器周期(8)测量在所接收的数据帧(10)的数据字段(14)中或者控制字段(13)中的第一边沿(40)与所接收的数据帧(10)的校验和字段(15)中的另一边沿(41)之间的间隔NOPN，对所述两个边沿(40，41)之间的位的数目NB进行计数，并且将生成数据总线协议控制装置的系统时钟(6)的时钟分割器(9)设定为使得系统时钟周期的长度为NOPN/(NB·NTQ)个振荡器周期(8)，其特征在于，测量在所接收的数据帧(10)的数据字段(14)或控制字段(13)中第一次出现的边沿(40)与所述另一边沿(41)之间的间隔NOPN，其中在所接收的数据帧(10)的数据字段(14)或控制字段(13)中第一次出现的边沿(40)是从隐性到显性的第一边沿。
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