CN103098419A - 用于以可转换的数据速率进行串行数据传输的方法和装置 - Google Patents

Abstract

说明一种方法和一种装置，以便可以在网络中比较快地传输较大的数据量。该任务根据本发明通过如下方式来解决，所发送的数据帧具有根据CAN规范ISO11898-1的逻辑结构，其中一个数据帧内的时间位长度可以采纳至少两个不同的值，其中对于数据帧内的可预先给定的第一区域，时间位长度大于或等于约1微秒的预先给定的最小值，并且在数据帧内的至少一个可预先给定的第二区域中，时间位长度相对于第一区域至少减半，优选小于减半，其中通过使用至少两个不同的缩放比例因子来相对于最小的时间单元或振荡器节拍调节总线时间单元在持续运行中实现时间位长度的变换。

Description

用于以可转换的数据速率进行串行数据传输的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于在总线系统的至少两个用户之间传输数据的一种方法和一种装置，其中所传输的位的持续时间可以在至少两个不同的值之间转换。

背景技术

例如从公开文献DE 100 00 305 A1中公知控制器域网络以及称作为“时间触发的CAN”（TTCAN）的CAN扩展方案。在CAN中适用的介质访问控制方法基于逐位的判优。在逐位的判优时，多个用户站可以经过总线系统的信道同时传输数据，而没有由此干扰数据传输。用户站还可以在经过信道发送位时确定信道的逻辑状态（0或1）。如果所发送的位的值不对应于该信道的所确定的逻辑状态，则用户站终止对信道的访问。在CAN中，逐位判优通常在要经过信道传输的数据帧内的判优字段中进行。在用户站已向信道完整地发送了判优字段之后，该用户站知道其具有对该信道的排他访问。因此,判优字段的传输的终止对应于释放区间的开始，在所述释放区间内用户站可以排他地利用信道。根据CAN的协议规范，其他用户站一直不准访问该信道，即不准向信道发送数据，直至进行发送的用户站已传输了数据帧的校验和字段（CRC字段）为止。CRC字段的传输的终止时刻因此对应于释放区间的结束。

通过逐位的判优，实现了数据帧经过信道的无破坏的传输。由此产生了CAN的良好的实时特性，而在介质访问控制方法中——其中由一个用户站所发送的数据帧由于与由另一个站所发送的另外的数据帧的冲突而在经过信道的传输期间可能受到破坏——却具有明显更不利的实时特性，因为由于冲突和数据帧的由此所需的新的传输导致了数据传输的延迟。

CAN的协议特别适用于在实时条件下传输短的消息。如果应经过CAN域传输较大的数据块，则信道的比较小的位速率变成了限制性的因素。为了确保逐位的判优的正确功能，在位传输的判优期间，必须遵守首先与总线系统的规模、信道上的信号传播速度和总线用户的接口模块中的固有的处理时间有关的最短持续时间，因为所有的总线用户必须具有总线状态（0或1）的统一的图像和对总线状态的权利平等的访问。因此，位速率不能通过缩短各个位的持续时间而容易地提高。

为了仍然可以经过本来被设置用于连接到CAN域的通信接口足够快地传输对控制单元编程所需的比较大的数据块，DE 101 53 085 A1建议，将用于传输数据块的通信接口暂时转换到另一种通信模式下，在该通信模式下不执行逐位的判优，并且因此可能有比较高的位速率。不过在此情况下，必须将利用CAN协议的通信中断一定的时间。如果例如由于故障而不再能按照CAN协议记录总线系统的运行，则导致总线系统的失效。此外，通过比较大的数据块的传输，导致了随后的要根据CAN协议进行的传输的显著延迟，以至于损害了CAN的实时特性。

DE 103 11 395 A1描述了一种系统，在该系统中，可以替代地经过非对称的物理的CAN协议或经过对称的物理的CAN协议来进行异步的串行的通信，并且因此可以达到异步通信的更高的数据传输速率或数据传输安全性。

DE 10 2007 051 657 A1建议，在TTCAN协议的排他的时间窗中应用异步的、快速的、不符合CAN的数据传输，以便提高所传输的数据量。

G.Cena和A.Valenzano在“Overclocking of controller area networks”（Electronics Letters，35卷，22期（1999），1924页）中从理论上论述了总线频率的超频在数据帧的子区域中对于有效达到的数据速率的影响，但却没有深入探讨方法的细节和总线用户的不同的状态和状态过渡。

从所引用的文献中证明了，现有技术从各方面来看都未提供令人满意的结果。

发明内容

本发明的任务是描述一种方法，通过该方法，在CAN网络中可以以较短的时间来传输数据帧并且同时保持了CAN在故障识别和故障处理以及遍及网络的数据一致性方面的基本特性。为此建议一种相对于按照ISO 11898-1至-4的CAN协议（以下称标准CAN）所修改的数据传输方法（以下称快速CAN）。

通过具有权利要求1的特征的该数据传输方法以及通过在独立权利要求中所描述的装置来解决所述的任务。

本发明的优点

所述的任务根据本发明通过如下方式来解决，一个数据帧内的时间位长度可以采纳至少两个不同的值，其中对于数据帧内的可预先给定的区域，时间位长度对于总线上的所有用户保持相等，通过在同一数据帧中所含有的标记来用信号通知时间位长度的变换，并且通过使用总线时间单元和最小时间单元或者振荡器节拍之间的至少两个不同的缩放比例因子在持续运行中实现时间位长度的变换。

该方法的优点是，在此将CAN协议的修改限制到最小的程度，并且尤其是将CAN数据帧的结构至少对于在SOF和CRC定界符之间的区域保持不变。用于应用程序的接口保持不变。快速CAN控制器也可以用在标准CAN网络中。在仅仅包括具有快速CAN控制器的用户的网络中，所有的用户在判优之后转换到快速模式下，使得所有的同步机制和故障识别机制可以继续完成它们的任务。

该方法的另一优点在于，只须最小地改变标准CAN控制器，以便可以作为快速CAN控制器来工作。也可以作为标准CAN控制器工作的快速CAN控制器只是不显著地大于标准CAN控制器。应用程序不必改变，其也可以承担CAN符合性测试（ISO 16845）的广泛的部分。

在实现了判优之后才对于具有判优的事件控制的通信进行位长度的缩短，因为如上面所描述的那样，对于判优需要遍及总线的数据一致性。但是除此之外也可能的是，将快速CAN协议与TTCAN协议相组合，因为在TTCAN中也在其原理构造符合ISO 11898-1的规定的CAN数据帧中传输所有数据。在此情况下，至少在TTCAN矩阵的在其中没有发生判优、而是排他地分发总线访问的排他性时间窗中，也可以完全或部分地用缩短的位长度来传输地址字段和控制字段。

此外有利的是，可以通过具有可简单转换的传输条件的简单状态模型来描述在不同的位长度之间的过渡。

同样有利的是，可以例如借助预分比例器（Prescaler）的波特率通过对在振荡器周期或最小时间单元和总线时间单元之间的缩放比例因子简单地进行匹配来进行位长度的转换。在此情况下的前提当然是振荡器周期是足够短的。

附图说明

以下借助附图来详细阐述本发明。

图1示意性地示出具有有关本发明方法的快速CAN控制器可以占有的不同状态以及过渡条件的状态图表。

图2示出位定时的与传输速率有关的不同调节的实例。

图3示出在标准格式下以及在具有根据本发明划分为不同位长度的区域和具有通过保留位的标记的扩展格式下的CAN数据帧的结构。

图4示出在本方法与TTCAN协议的时间控制的传输方法相组合时扩展位长度减小的区域的示例，通过系统矩阵来示出。

图5示出用于将在排他性TTCAN时间窗中的数据帧划分成不同位长度的区域的可能性。

图6示出CRC定界符或确认位相对于现有技术扩展的验收准则。

具体实施方式

以下描述本发明方法和装置的实施例。将这些具体的示例用于阐述实施方案，但是这些示例不限制本发明思想的范围。

首先在第一实施例中，借助图1至3来描述本发明快速CAN控制器的状态和所属的数据传输特性，以及这些状态的过渡和为此所需要的过渡条件。

图1示出快速CAN控制器的三种运行状态：标准CAN 101，快速CAN判优102和快速CAN数据103。在标准CAN 101的运行状态下，控制器按照标准CAN协议来工作。在快速CAN判优102的在运行状态下，控制器像标准CAN控制器那样表现，但是也可以变换到快速CAN数据状态103下。在快速CAN数据状态103下，控制器像标准CAN控制器那样，但是用较短的位时间来工作。当这通过应用程序来请求时，控制器则在接通之后处于快速CAN判优模式102下。否则控制器在接通之后处于标准CAN模式101下。

通过改变在总线时间单元（“时间量”）和最小时间单元（“最小时间量”）或持续运行中的振荡器节拍之间的缩放比例因子（“预分比例器”）设置了时间位长度的变换。由此调节总线时间单元的长度以及因此位的长度。以总线时间单元测量其长度的位时间段保持不变，用于重新同步的规则和采样点的位置同样保持不变。在快速CAN判优102和标准CAN 101的状态下适用长的总线时间单元，在快速CAN数据103的状态下适用短的总线时间单元。替代地也可以按照状态和所适用的总线时间单元而定来改变位时间段的调节，这与图2相联系地来详细阐述。

在快速CAN判优状态102下，例如作为标记，隐性地（rezessiv）发送位于数据长度码DLC之前的CAN帧中的“保留位”R0。在标准CAN协议中规定，必须主要地发送该位。当快速CAN控制器主动地接收了该位时，该控制器持久地变换到标准CAN状态下（状态变换T1或T2）。由此确保了，可将快速CAN控制器和标准CAN控制器用在同一个网络中并且两者于是以标准CAN协议来工作。也可以将在标准CAN协议中为其规定了固定值的另一个位选作为标记。

在快速CAN判优102的状态下的快速CAN控制器——该快速CAN控制器例如隐性地接收在DLC之前的“保留位”R0作为标记或或成功地隐性地发送了该“保留位”R0——从该位的采样点转换到较短的总线时间单元上，其方式是该控制器转换缩放比例因子，并且变换到快速CAN数据103的状态下（状态变换T3）。状态变换也可以用至少近似恒定的时间间隔或在采样点之后的定义数量的总线时间单元结束之后来进行。

在快速CAN数据103的状态下的快速CAN控制器保持在该状态下，直至两个条件之一出现：

（A）该控制器看出启动CAN错误帧的原因，或

（B）CRC定界符到达CAN帧中。

当满足了（A）或（B）时，控制器返回转换到快速CAN判优102的状态下（状态变换T4）。

在DLC和CRC定界符之间的区域中，按照CAN协议存在启动错误帧的两个原因：（A1）发送机看出误码，或（A2）接收机看出填充错误。在可能重叠的错误标志的终点，在错误定界符的开始，网络中的所有控制器在快速CAN判优102的状态下。

不论在（A1）和（A2）中，还是在（B）中，进行到快速CAN判优102状态下的变换T4，并且因此在条件出现在其上的采样点处或以到该采样点的至少近似恒定的时间间隔来进行缩放比例因子的转换。也可以在采样点之后的定义数量的总线时间单元结束之后、例如在相位缓冲段2的终点处进行状态变换（参见图2）。

图2描述了将每一个传输的位划分成其长度以总线时间单元测量的位时间段。这些调节通常在每个总线用户中配置并且用来补偿总线上的信号运行时间和在所使用的节拍发生器或振荡器的情况下的公差。在本发明的快速CAN控制器中现在可以设置，按照状态和/或当前所使用的总线时间单元而定个别地进行位时间段的调节。为此必须双倍地设置在其中存放配置调节的相应的寄存器。在所实施的示例中，示出了在200 ns的总线时间单元时的一个位210的各个段以及在50 ns的总线时间单元时的四个相继的位220的段。对于位210，传播时间段只有一个总线时间单元长，而相位缓冲段1和2分别占有4个总线时间单元。在来自220的每一个位中，传播时间段以及相位缓冲段1和2的长度相反地分别为3个总线时间单元。

在快速CAN判优102和标准CAN 101的状态下使用长的总线时间单元，并且位时间段对应于所示出的位210的总线时间单元，在快速CAN数据103的状态下使用短的总线时间单元，并且位时间段对应于所示出的位220的总线时间单元。

尤其可能有利的是，在本发明的情况下，在快速CAN数据的状态下将传播时间段选择得尽可能小，也就是例如只有一个总线时间单元长，并且相应地将两个相位缓冲段选得尽可能大，以便可以尽可能良好地通过CAN重新同步机制补偿尤其是在快速CAN数据状态下的高传输速率时可能变得重要的振荡器公差。

以下借助图3来阐述所使用的数据帧的构造、具有不同位长度的区域、这些位长度与控制器分别的状态的关系以及本发明的标记。

图3示出在两种可能的变型方案中——即标准格式和扩展格式下——的根据ISO 11898-1的CAN数据帧的结构。对于两种变型方案，绘出了在其中根据本发明在快速CAN判优102和快速CAN数据103的状态之间转换的区域。同样示出了位长度的随之而来的转换，以及缩放比例因子的相应的改变。最终还示出了在DLC之前传输的“保留位”R0中的本发明标记的在该实施例中所选择的位置。

以下的计算表明了在第一实施例中示出的数据传输速率的方法的利用：从8个字节的数据字段的长度、从具有11位寻址的标准格式下的数据帧、以及从500 千位/s的波特率出发。此外假设，将在“保留位”R0之后的缩放比例因子提高到4倍。在此情况下，位长度也就是会在“保留位”R0之后从2微秒减小到0.5微秒。在该示例中在忽略可能的缓冲位时，对于每个数据帧，用正常的位长度传输27个位（SOF，标识符，RTR，IDE，r0，ACK字段，EOF，间断），并且用缩短的位长度传输84个位（DLC，数据，CRC，CRC定界符），由此在96微秒中产生了111个位的有效的传输效率。在总线满负荷假设相同的情况下，这对应于相对于没有修改的标准CAN传输提高到2.3倍的数据传输速率。

如果在否则相同的条件下从具有29个位寻址的扩展的格式出发，则对于每一个数据帧，用正常的位长度传输47个位，并且用缩短的位长度传输84个位，由此在136微秒中产生131个位的有效的传输效率。在总线满负荷假设相同的情况下，这对应于相对于正常的传输效率提高到1.9倍的数据传输速率。

以下借助图4和5示出另一实施例。

图4示出根据ISO 11898-4的TTCAN网络的系统矩阵，该系统矩阵具有在ISO 11898-4所述的基本循环和时间窗。存在用“消息A”、“消息C”等等表示的时间窗，该时间窗排他地提供用于特定的数据帧的传输，而在用“判优”表示的其他时间窗中，通过普通的CAN判优来分发总线访问。

在第二实施例中，根据来自第一实施例的方法来处理对其没有其它描述的所有数据帧。除此之外，对于特定的预先规定的排他地分发的时间窗，通过缩放比例因子的匹配已经较早地、例如从SOF位开始进行了位长度的缩短，并且例如一直维持到CRC字段的终止。图5中示出如此修改地传输的数据帧的示例。例如可以将以前的参考消息的保留位用作为即将到来的快速传输的标记。该位的设置会在所述情况下用信号通知：在排他时间窗中的接下来的基本循环中传输的数据帧已经从SOF位开始并且至到CRC字段结束为止加速，即用缩短的位长度来传输。

在优选的实施形式中可以设想，仅仅在每一个基本循环中、也就是用重复系数1传输的那些排他的数据帧通过本方法被附加地加速。图4中示出了该情况。于是在示例性示出的系统矩阵中，会按照所阐述的方法利用在各自以前的参考消息中的相应标记加速地传输用“消息A”和“消息C”所表示的数据帧。

对于在第二实施例中所述的方法，也可以舍弃标记并且规定，在所有排他的时间窗中原则上在诸如在SOF位和CRC字段的终点之间的规定的区域中用缩短的位长度传输数据帧。由于此原因，在图4中标记配备有提示“可选”。

方法在所示出的第二实施例中的利用高于在第一实施例中，因为在排他的时间窗内也快速传输判优和控制字段的位。实际达到的数据传输速率至少与排他的时间窗和寻址类型的份额有关。

在用于处理发送确认（CRC定界符和确认时间时隙）的快速CAN控制器中可能需要一种相对于在ISO 11898-1中规定的方法有所修改的方法，如在图6中详细阐述的那样。

图6中在“A”下示出，在非常短的内部处理和信号运行时间的情况下，从快速CAN数据状态向快速CAN判优状态的过渡的理想流程。发送机发送CRC定界符作为唯一的隐性的位，并且根据本发明的之前所描述的实施例例如在该CRC定界符位的采样点处或在相位缓冲段2消逝之后变换到快速CAN判优状态。接收机例如也在该位位置处变换到快速CAN判优状态。这些具有缩放比例因子的复位的状态过渡T4例如由于信号运行时间或内部处理时间而可能在不精确一致的时刻发生在不同的总线用户中。参与的总线用户因此在不精确一致的时刻将用于总线时间单元的缩放比例因子又设置到初始状态。由此对于总线用户得出下一个位的不同的启动时刻。

在接收了CRC定界符之后，如果接收机的CRC校验是肯定的，则每一个接收机发送唯一的主要的确认位。如果这较晚才发生，因为例如接收机连接在总线的远离的末端上，则隐性的CRC定界符位可显得比一个位长。在图6中在“B”下示出该情况。此外由于确认位的重叠，确认时隙可显得长于一个位，如图6中在“C”下所示出的那样。为了必要时补偿该确认位的相移的发送时刻，可以如下地改变快速CAN控制器中的该位的处理，即在快速CAN判优的状态下，将一个或两个位长的、直接在CRC定界符之后或甚至于迟后一个位开始的主要的确认时隙承认为有效的确认。

随后通过确认位的下降的边沿在通常的重新同步机制的框架内使总线用户再次同步。如果由发送机在CRC定界符的第一个位之后接收了不仅一个、而是两个另外的隐性的位，则这对于发送机来说是一种确认错误。如果在第二个主要的确认位之后接收了第三个主要的位，则这对于所有来说是一种格式错误。

如在标准CAN中那样，一个位长的隐性的确认定界符跟随在确认时隙之后。如在标准CAN中那样，已识别CRC错误的快速CAN接收机在确认定界符之后的位中启动错误帧。

总之，通过所示出的本发明，对于所提出的任务存在描述了一种方法的解决方案，通过该方法在CAN网络中可以以较短的时间传输数据帧，并且同时将CAN在故障识别和故障处理以及遍及网络的数据一致性方面的主要特性保持不变。

Claims (17)

1.在具有至少两个参与的数据处理单元的网络中进行数据传输的方法，所述数据处理单元经过网络交换数据帧， 

其中所发送的数据帧具有根据CAN规范ISO 11898-1的逻辑结构，

其中一个数据帧内的时间位长度可以采纳至少两个不同的值，

其中对于数据帧内的可预先给定的第一区域，时间位长度大于或等于约1微秒的预先给定的最小值，并且在数据帧内的至少一个可预先给定的第二区域中，时间位长度相对于第一区域至少减半，优选小于减半，

其特征在于，

通过使用至少两个不同的缩放比例因子来相对于最小的时间单元或振荡器节拍调节总线时间单元在持续运行中实现时间位长度的变换。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，直接在识别用于启动错误帧的原因之后或直接在达到对于返回转换所规定的位之后，由总线用户终止第二区域，并且总线用户中的缩放比例因子被设置到第一区域的值。

3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，通过在ISO 11898-1中所述的判优来分发总线访问，并且数据帧内的可预先给定的第二区域最早以数据长度码的第一位开始并且最迟以CRC定界符的位终止。

4.根据权利要求1至3的方法，其特征在于，通过位于可预先给定的第一区域内的标记来用信号通知时间位长度的变换。

5.根据权利要求4的方法，其特征在于，所述标记是在数据帧的控制字段内的保留位。

6.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，通过在ISO 11898-1中所述的时间控制的方法来分发总线访问，并且数据帧内的可预先给定的第二区域最早以数据帧的帧位的启动开始并且最迟以CRC定界符的位终止。

7.根据权利要求1或2或6的方法，其特征在于，在时间控制的总线通信的配置的框架内规定数据帧的地址和数据帧内的在其中发生时间位长度的变换的区域。

8.根据权利要求1或2或6的方法，其特征在于，通过位于之前发送的参考消息中的标记来用信号通知时间位长度的变换。

9.根据以上权利要求之一的方法，其特征在于，在总线用户中直接在识别对于转换所规定的标记或对于转换所规定的位之后执行向第二区域的过渡，并且缩放比例因子被调整。

10.根据以上权利要求之一的方法，其特征在于，如下地改变通信协议，即进行发送的总线用户接受相对于规范ISO 11898-1迟后一个位地来确认由一个或多个接收机正确接收数据帧和/或最多两个位长的确认时隙，并且不作为故障来处理。

11.根据以上权利要求之一的方法，其特征在于，在第一区域中和在第二区域中，对于将位划分成位时间段使用不同的值。

12.在具有至少两个参与的数据处理单元和用于传输数据帧的连接的网络中进行数据传输的装置，

其中所发送的数据帧具有根据CAN规范ISO 11898-1的逻辑结构，

其中使用至少两个不同的缩放比例因子来相对于最小的时间单元或振荡器节拍调节总线时间单元，

其中由调节所得出的时间位长度在至少一个调节中是大于或等于约1微秒的预先给定的最小值，并且在至少一个第二调节中相对于第一调节至少减半，优选小于减半，其特征在于，调节的转换能够在持续的运行中进行。

13.根据权利要求12的装置，其特征在于，要用于调节总线时间单元的缩放比例因子的至少两个不同的值、或缩放比例因子的基本值、以及至少一个所属的乘数和/或除数能够通过描述至少一个为此准备的寄存器或数据字段来调节。

14.根据权利要求12的装置，其特征在于，要用于调节位时间段的至少两个不同的值能够通过描述至少一个为此准备的寄存器或数据字段来调节。

15.根据权利要求12至14的装置，其特征在于，根据在权利要求2至9中所描述的方法之一来进行在至少两个不同的缩放比例因子之间的转换。

16.根据权利要求12至15的装置，其特征在于，在识别用于启动错误帧的原因时或在接收用信号通知不使用不同缩放比例因子的标记的值时，总线用户中的缩放比例因子被设置到这样的值上，使得在整个数据帧中的位长度是统一的并且符合根据标准ISO 11898-1允许的值。

17.根据权利要求12至16的装置，其特征在于，借助所述装置来发送的总线用户接受相对于规范ISO 11898-1迟后一个位地确认（Acknowledge）数据帧由一个或多个接收机正确地接收和/或最多两个位长的确认时隙，并且不作为故障来处理。

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