CN111713046B - 用于串行通信网络的用户站和用于校正串行通信网络的消息中的各个错误的方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于串行通信网络（1）的用户站（10；20；30）和一种用于校正串行通信网络（1）的消息（4；5；50）中的各个错误的方法。所述用户站（10；20；30）包括通信控制装置（11；21；31），所述通信控制装置用于创建要被串行发送到所述通信网络（1）的至少一个其他用户站（20；30；10）的消息（4；5；50），其中所述通信控制装置（11；21；31）被设计为将要创建的消息（4；5；50）的数据划分为至少一个数据段（4521至452n），并且在每个数据段（4521至452n）中插入纠错码的位（E），所述纠错码使得能够校正所述消息（4；5；50）中的至少一个错误。

Description

用于串行通信网络的用户站和用于校正串行通信网络的消息 中的各个错误的方法

技术领域

本发明涉及一种用于串行通信网络的用户站和一种用于校正串行通信网络的消息中的各个错误的方法。

背景技术

为了在通信网络的两个用户站之间传输数据而使用通信协议。该协议设定按照何种模式将所述数据组合为要传输的分组或消息。在此，在串行通信网络的情况下各种消息以及因此在所述消息中以连续位编码的数据经由所述通信网络的通信线路依次发送。

为了确保所述通信网络中的正确通信，一些串行通信协议包括错误识别，例如奇偶校验位、校验和或CRC(＝CyclicRedundancyCheck，循环冗余校验)。利用所述错误识别，消息的接收方可以向发送方提供有关所述接收方是否已在所接收的消息中识别出错误的反馈。

例如，通信网络CAN、LIN、FlexRay或以太网将消息与校验和(CRC)一起传输，以便能够识别所述消息中的位错误。例如，CAN协议的CRC多项式的汉明距离为6，因此可以识别出多达5个位错误。

在车辆的常规两线总线中，通常假定位错误概率为10^-6，其中所述位错误概率随着消息长度或帧长度的增加而增加。例如，长度为4字节的帧以约为3.3％的概率包含至少一个错误。于是由此每第30帧将无效。

如果在所述通信网络中消息已被(识别出的)位错误破坏，则接收方将不会接受该消息，必须再次发送该消息。这增加了所述通信网络的传输负载并且通过消息的双重传输可能延迟了所述通信网络中的通信。

为了将串行通信网络中的错误率保持在较低水平，所述通信协议为串行、非调制的传输指定了附加的帧位，所述附加的帧位导致特定的同步边沿，以便将帧的接收方与所述帧的发送方同步。为此对于在ISO17987中指定的LIN，每个字节插入两个附加位，即在该字节之前的起始位和该字节之后的与所述起始位相反的停止位。对于在ISO17458中指定的FlexRay，为了进行所描述的同步而在每个字节之前插入一个两位长的字节起始序列。对于在ISO11898中指定的CAN，设置填充位，这些填充位在五个相同的位之后作为与其相反的位插入到数据流中。因此对于LIN和FlexRay，所传输的位的20％不包含有用数据，而CAN只是稍微好一些，即使必要时仅在10个相同的位而不是5个相同的位之后插入具有相反电平的填充位。

用于降低传输错误率的上述措施也增加了所述通信网络的传输负载，并且通过传输20％的非有用数据延迟了所述通信网络中的通信。

发明内容

因此，本发明的任务是提供解决上述问题的一种用于串行通信网络的用户站和一种用于校正串行通信网络的消息中的各个错误的方法。特别地，应当提供一种用于串行通信网络的用户站和一种用于校正串行通信网络的消息中的各个错误的方法，其中可以以比目前更低的错误率和更高的比特率来传输消息。

该任务通过具有权利要求1的特征的用于串行通信网络的用户站来解决。所述用户站包括通信控制装置，该通信控制装置用于创建要被串行发送到所述通信网络的至少一个其他用户站的消息，其中所述通信控制装置被设计为将要创建的消息的数据划分为至少一个数据段并且在每个数据段中插入纠错码的位，所述纠错码使得可以校正所述消息中的至少一个错误。

利用所述用户站提供纠错编码，该纠错编码可以同时提供足够数量的同步边沿，借助于所述同步边沿可以使串行传输的消息的接收方与所述消息的发送方同步。在此有利的是，在单个错误的情况下不必重复传输。此外，在所述用户站的有利构型中，可以节省目前需要的不传送任何信息的同步位。

由此显著降低了所述通信网络中消息传输的错误率，并由此降低了多次传输消息的频率。这使得可以在串行通信网络中实现更高的比特率，同时又可以确保安全的数据传输。

在从属权利要求中说明了所述用户站的有利的其他构型。

在一个实施例中，所述纠错码被设计为，使得可以在每个数据段中校正单个错误，并且可以在关联的数据段中识别双重错误。

可以想到的是，所述消息中的至少一个错误是单个错误或双重错误。

可以将所述通信控制装置设计为在所述消息的末尾补充校验和，所述校验和被应用于可能经过校正的数据位。

根据另一实施例，所述通信控制装置被设计为将纠错码的位作为同步边沿插入，使得为了将作为所述消息的接收方的所述至少一个其他用户站与作为所述消息的发送方的所述用户站同步而设置的同步边沿之间的距离不超过预定的上限。

所述至少一个同步边沿可以是为了硬同步或重新同步而设置的。

可以想到，所述纠错码的位是单个位或双位，或者所述纠错码具有单个位和双位的组合。

在一个具体的变型中，所述用户站可以被设计用于以下通信网络，在所述通信网络中至少临时地保证用户站对所述通信网络的总线线路的排他的、无冲突的访问。

所述消息特别是CAN消息或CANFD消息。

上述用户站可以是通信网络的一部分，该通信网络还包括并行的总线线路和至少两个用户站，所述至少两个用户站经由所述总线线路彼此连接，使得它们可以彼此通信。在此，所述至少两个用户站中的至少一个用户站是先前描述的用户站。

前述任务还通过根据权利要求11的用于校正串行通信网络的消息中的各个错误的方法来解决。该方法具有以下步骤：用通信控制装置创建要串行发送到所述通信网络的至少一个其他用户站的消息，其中所述通信控制装置将要创建的消息的数据划分为至少一个数据段并且在每个数据段中插入纠错码的位，所述纠错码使得能够校正消息中的至少一个错误。

该方法提供了与上述关于所述用户站提及的相同的优点。

本发明的其他可能的实现还包括以上或以下关于实施例描述的特征或实施方式的未明确提及的组合。在此，本领域技术人员还将添加各个方面作为对本发明的各自基本形式的改进或补充。

附图说明

下面参考附图并基于实施例更详细地描述本发明。

图1示出了根据第一实施例的通信网络的简化框图；

图2示出了用于说明根据第一实施例的通信网络的用户站能够发送的消息的结构的图；

图3针对在根据第一实施例的通信网络的用户站中在消息的数据阶段中插入纠错位的具体示例示出了消息的一部分的示意图；以及

图4针对在根据第二实施例的通信网络的用户站中在消息的数据阶段中插入纠错位的具体示例示出了消息的一部分的示意图。

在附图中，除非另有说明，否则相同或功能相同的元件具有相同的附图标记。

具体实施方式

作为示例，图1示出了串行通信网络1，其可以被设计为任何串行通信网络。通信网络1特别是CAN总线系统、CANFD总线系统、LIN总线系统、FlexRay总线系统、用于以太网、千兆以太网的总线系统等。通信网络1可以在车辆(特别是在机动车辆)、飞机等中或在医院等中使用。

在图1中，通信网络1具有特别是并行的总线线路3，多个用户站10、20、30连接到该总线线路3。消息4、5以信号形式可以经由总线线路3在各个用户站10、20、30之间串行地传输。用户站10、20、30是应当彼此交换数据的任何设备，例如机动车辆的控制设备、传感器、显示设备等。替换地，用户站10、20、30例如是计算机网络的计算机或自动化网络的组件，特别是用于工业系统。然而，用户站10、20、30不限于所提及的具体示例。

下面以CAN通信网络或总线系统和CANFD通信网络或总线系统为例描述本发明。然而，本发明不限于此，而是本发明可以应用于任何串行通信网络。

如图1中所示，用户站10具有通信控制装置11和发送/接收装置12。相对地，用户站20具有通信控制装置21和发送/接收装置22。用户站30具有通信控制装置31和发送/接收装置32。用户站10、20、30的发送/接收装置12、22、32分别直接连接到总线线路3，即使这在图1中未示出。

通信控制装置11、21、31分别用于控制各自用户站10、20、30经由总线线路3与连接到总线线路3的用户站10、20、30中的另一个用户站的通信。

对于CAN总线系统的示例，除了下面还要更详细描述的差异之外，通信控制装置11可以被设计为像常规的CAN控制器那样。在这种情况下，通信控制装置11创建并读取第一消息4，例如经过修改的经典CAN消息4。除了下面描述的修改之外，经典CAN消息4是根据经典基本格式建立的，在所述经典基本格式的情况下消息4可以包含多达8个数据字节，如图2的上部所示。

除了下面还要更详细描述的差异之外，图1中的通信控制装置21对于CAN总线系统的示例来说可以像常规CANFD控制器那样实施。在这种情况下，通信控制装置21创建并读取第二消息5，该第二消息5例如是经过修改的CANFD消息5。在此，除了下面描述的修改之外，经过修改的CANFD消息5是基于CANFD格式建立的，在CANFD格式的情况下消息5可以包含例如多达64个数据字节，如图2的下部所示。

对于CAN总线系统的示例来说，通信控制装置31可以被实施为根据需要为发送/接收装置32提供或从该发送/接收装置32接收经过修改的经典CAN消息4或经过修改的CANFD消息5。因此，通信控制装置21创建并读取第一消息4或第二消息5，其中第一和第二消息4、5由于其数据传输标准而彼此不同，即在这种情况下为经过修改的CAN或经过修改的CANFD。

发送/接收装置12因此可以被实施为像常规的CAN收发器那样。可以将发送/接收装置22实施为像常规的CANFD收发器那样。发送/接收装置32可以被实施为根据需要为通信控制装置31提供或从该通信控制装置31接收根据经过修改的CAN基本格式的消息4或根据经过修改的CANFD格式的消息5。

利用两个用户站20、30，可以形成并随后用经过修改的CANFD或用比CANFD更高的数据率传输消息5。

图2在其上部为消息4示出了由发送/接收装置12或发送/接收装置13发送的CAN帧45，在其下部为消息5示出了由发送/接收装置22或32发送的CAN-FD帧450。CAN帧45和CAN-FD帧450为了总线40上的CAN通信而从根本上分为两个不同的阶段或区域，即仲裁阶段451、453和数据区域452，在经典CAN的情况下该数据区域也称为数据字段或在CAN-FD的情况下也称为数据阶段452。在数据阶段452中包含CAN-FD帧或消息5的有用数据。

根据图2，在CAN-FD的情况下，与经典CAN相比，在仲裁阶段451的末尾，用于随后的数据阶段452的比特率增加到例如2、4、8Mbps(兆比特每秒)。由此意味着在CAN-FD的情况下，仲裁阶段451、453中的比特率小于数据阶段452中的比特率。在CAN-FD的情况下，CANFD帧450的数据阶段452在时间上明显短于CAN帧45的数据阶段452。

在没有仲裁451、453的串行通信网络1或总线系统的情况下，例如以太网、FlexRay等，两个数据阶段452直接彼此跟随。

图3以极大简化的方式示出了消息5的数据阶段452的数据段作为示例，该消息可以经由作为总线线路3的两线总线线路串行传输。替代地，可以使用消息4或根据不同的串行通信协议建立的消息。

数据阶段452被划分为多个数据段4521至452n，其中n是自然数。如果例如存在4096个数据字节，则可以特别是将n选择为512，使得分别存在具有8个数据字节的数据段4521至452n。但是，可以为n选择任何其他值。数据段4521至452n特别是可以具有多于或少于8个数据字节。

在图3中为了简单起见，在数据段4521至452n中仅示出了两个数据段，即在数据阶段452末尾处的两个数据段452n-1和452n。

在数据段452n-1和452n中分别插入纠错码的位E(以下也称为纠错位E)。为了简单起见，在图3中未示出消息5的各个位D，并且位D，E均未全部设有附图标记。

作为示例，在数据段452n-1中出现了错误，该错误以黑色锯齿状的方框箭头的形式示出。该错误可以是单个错误、双重错误或任何其他错误。在消息5的末尾，可选地设置了校验和47或CRC(＝循环冗余校验)。

在图3的示例中，数据段4521至452n-1分别具有八个字节和分布于其中的纠错码的8个纠错位E，每个字节具有8个数据位D。

由此在该具体示例中，应当为数据段4521至452n中的一个64位长的数据段确定8位长的纠错码(ECC)，将该纠错码的纠错位E分布式地插入各自数据段4521至452n中。64个数据位D与8个纠错位E的组合可以很好地在硬件中实现，为此有很多示例。然而，替代地可以想到和可以实施任何其他组合。

在图3的具体示例中，根据一个具体方案，8个纠错位E不均匀地分布在数据段452n-1至452n的一个数据字节中。为此可以想到任何方案，而不仅仅是图3中具体示出的示例。

相对地，数据段452n具有小于八个字节。但是，在数据段452n中也分布了纠错码的位。

在此，对于较短的数据段，如数据段452n，得到数据位D的数量和纠错位E的数量之间的关系，其中数据位D的数量和纠错位E的数量的组合不能很好地映射到硬件中，因此效率较低。但是在长帧45具有例如大约64或4k字节或4096字节或更长的情况下，这几乎是微不足道的，因为对于这些长帧(如果有的话)，仅需要少于8个字节的一个较短数据段，例如在消息的末尾。

因此，在数据阶段452中，大多每8个数据字节插入一个带有纠错码的ECC字节。由于在图3的示例中数据字节的数目不能在数据阶段452中被8整除而没有剩余，因此具有少于8位的纠错码分布在较短的剩余段452n中。在图3的例子中，分布了所述纠错码的3个位。

因此，在用户站10、20、30中执行一种方法，在该方法中要串行发送的消息5与纠错码一起传输。用户站10、20、30的纠错编码允许例如校正单个错误。此外，可以识别出双重错误。因此，用户站10、20、30的纠错编码避免了在单个错误的情况下重复传输首先错误接收的消息5以及由此带来的消息5的数据的延迟以及总线线路3上负载的浪费。

与此不同，图4与第二实施例有关地示出了在消息50的情况下纠错位E在数据段4521至452n中的另一种具体分布。在此为了简化起见也仅示出了两个数据段，即数据阶段452结束时的两个数据段452n-1和452n。

在图4的示例中，在数据段452n-1中也出现了错误，该错误以黑色锯齿状的方框箭头的形式示出。所述错误可以是单个错误或双重错误或任何其他错误。

根据图4，在数据段452n-1中首先布置4个数据位D，其后是纠错位E，然后是七次8个数据位D且分别跟随纠错位E，最后是4个数据位，也就是：

DDDDEDDDDDDDDEDDDDDDDDEDDDDDDDDEDDDDDDDDEDDDDDDDDEDDDDDDDDEDDDDDDDDEDDDD，或其他表示法

4D-E-8D-E-8D-E-8D-E-8D-E-8D-E-8D-E-8D-E-4D。

纠错位E在这里作为双比特插入，例如“10”表示“1”位，“01”表示“0”位。因此，不可能连续出现超过10个相同的位，由此确保了最小数量的同步边沿49。在图4中，并非所有同步边沿49都表示出来了。

如果在最坏的情况下在纠错位E＝“10”和纠错位E＝“01”之间为数据段4521至452n之一插入一定数量的具有值“00000000”的8个数据位D，则连续出现10个相同的位。这种情况代表同步边沿49的最大距离。

纠错位E的这种构型和分布也可以应用于具有少于8个字节的数据段，如用于图4中所示的数据段452n。

因此，这里总是紧接在有用数据D后对每个字节添加两个附加位E。然而，添加的纠错位E提供了ECC功能，这与现有技术相比具有很大的优势。

换句话说，除了借助于纠错位E进行校正的可能性之外，上述方法还形成同步边沿49，在所述同步边沿处接收方可以与发送方在时间上同步。同步边沿49例如是从隐性总线电平到显性总线电平的边沿，其中可以向隐性总线电平分配逻辑“1”，而向显性总线电平分配逻辑“0”。同步边沿49的数目还可以通过将所述ECC位编码为双位来增加，例如“10”表示“1”和“01”表示“0”。

由此，利用所述纠错码既执行了纠错编码(ECC)，又提供了足够多的同步边沿49，使得在发送方和接收方之间没有相移。由此也避免了在传输消息5时的错误。借助于至少一个同步边沿49的同步可以作为硬同步或重新同步来执行。如前所述进行所述重新同步。

所述硬同步例如在经典CAN帧中仅在帧或消息50的开头进行一次。对于当前的CANFD，硬同步在CANFD消息中在从慢速比特率转换到更快比特率之前进行，也就是例如在从CANFD消息的隐性FDF位到CANFD消息的随后显性保留位的边沿处。然后，又一次同步可以作为硬同步或重新同步借助于数据阶段452的数据段4521至452n中的至少一个同步边沿49进行。

在图4的示例中，数据段4521至452n也不仅可以具有少于8个数据字节，而且可以具有多于8个数据字节。在此应当注意，各个数据段4521至452n越长，就应当在保证同步边沿49的数据段4521至452n中分布越少的纠错位E。另外，如果每个数据段4521至452n具有多于8个数据字节，则用于生成和检查纠错位E的工作量以及出现双重错误的概率增加。

否则，与上面结合第一实施例描述的情况相同。

根据前述实施例及其变型的修改，前述方法可以在消息5、50或帧的末尾补充具体的校验和47(CRC＝循环冗余校验)。该校验和47仅应用于可能经过校正的数据位，以便识别数据段4521至4525之一中的多重错误。

根据上述实施例的另一修改，上述方法可以将纠错位E作为单个位插入并且同时提供足够多的同步边沿49。这样做的优点是，每8个数据位D只需插入一个纠错位E，与将双位作为纠错位E相比，净数据率提高了。

纠错码当然可以具有单个位和双位的组合，其中可以存在至少一个单个位或至少一个双位。

根据上述实施例的又一修改，前述方法可以在数据段4521至4525之间布置纠错位E，使得确保同步边沿49之间的足够的最大距离而无需插入在五个相同的位之后作为与所述相同的位相反的位插入数据流的填充位，或起始和停止位。在这种情况下，各自的通信控制装置11、21、31被设计为将纠错码的纠错位E作为至少一个同步边沿49插入，使得同步边沿49之间的距离不超过预定上限。

在此，如果纠错码或用于生成纠错位E的编码保证最多10个相同的位依次跟随，则也省去了在具有相同电平的预定数量的位的情况下强制作为相反位插入的填充位。这种纠错码导致对应于填充长度为10的CAN帧45的时钟容差。

这允许通过取消填充位或取消起始位和停止位来补偿纠错位E的额外耗费。总体上，利用上述实施例及其实施变型或修改，可以通过减少传输时的错误来实现通信网络1中可用总线容量的更好使用和更高的比特率。

通信网络1、用户站10、20、30以及由其执行的方法的所有上述构型可以单独使用或以所有可能的组合使用。特别地，上述实施例和/或它们的实施变型和/或它们的修改的所有特征可以任意组合。附加地或替代地，特别是可以想到以下修改。

借助基于CAN协议的总线系统描述了根据实施例的上述通信网络1。然而，根据实施例的通信网络1也可以是不同类型的串行通信网络。有利的但并非强制性的前提条件是，在通信网络1的情况下至少在特定的时间段内，保证一个用户站10、20、30对公共信道的排他、无冲突的访问。

这些实施例的通信网络1中的用户站10、20、30的数量和布置是任意的。特别地，可以省略通信网络1中的用户站10。在通信网络1中可以存在一个或多个用户站10或20或30。

Claims (10)

1.一种用于串行通信网络(1)的用户站(10；20；30)，具有

通信控制装置(11；21；31)，所述通信控制装置用于创建要被串行发送到所述通信网络(1)的至少一个其他用户站(20；30；10)的消息(4；5；50)，

其中所述通信控制装置(11；21；31)被设计为将要创建的消息(4；5；50)的数据划分为至少一个数据段(4521至452n)，并且在每个数据段(4521至452n)中插入纠错码的位(E)，所述纠错码使得能够校正所述消息(4；5；50)中的至少一个错误，

其中所述通信控制装置(11；21；31)被设计为将所述纠错码的位(E)作为同步边沿(49)插入，使得为了将作为所述消息(4；5；50)的接收方的所述至少一个其他用户站(20；30；10)与作为所述消息(4；5；50)的发送方的所述用户站(10；20；30)同步而设置的同步边沿(49)之间的距离不超过预定的上限。

2.根据权利要求1所述的用户站(10；20；30)，其中，所述纠错码被设计为，使得能够在每个数据段(4521至452n)中校正单个错误，并且能够在关联的数据段(4521至452n)中识别双重错误。

3.根据权利要求1或2所述的用户站(10；20；30)，其中，所述消息(4；5；50)中的所述至少一个错误是单个错误或双重错误。

4.根据权利要求1至2中任一项所述的用户站(10；20；30)，其中，所述通信控制装置(11；21；31)被设计为在所述消息(4；5；50)的末尾补充校验和(47)，所述校验和被应用于可能经过校正的数据位(D)。

5.根据权利要求1至2中任一项所述的用户站(10；20；30)，其中，所述至少一个同步边沿(49)是为了硬同步或重新同步而设置的。

6.根据权利要求1至2中任一项所述的用户站(10；20；30)，其中，所述纠错码的位(E)是单个位或双位，或者所述纠错码具有单个位和双位的组合。

7.根据权利要求1至2中任一项所述的用户站(10；20；30)，其中，所述用户站(10；20；30)被设计用于以下通信网络(1)，在所述通信网络中至少临时地保证用户站(10，20，30)对所述通信网络(1)的总线线路(3)的排他的、无冲突的访问。

8.根据权利要求1至2中任一项所述的用户站(10；20；30)，其中所述消息(4；5；50)是CAN消息(4)或CAN FD消息(5；50)。

9.一种通信网络(1)，具有

并行的总线线路(3)，和

至少两个用户站(10；20；30)，所述至少两个用户站经由所述总线线路(3)彼此连接，使得所述至少两个用户站能够彼此通信，

其中所述至少两个用户站(10；20；30)中的至少一个用户站是根据前述权利要求中任一项所述的用户站(20；30)。

10.一种用于校正串行通信网络(1)的消息(4；5；50)中的各个错误的方法，其中所述方法具有以下步骤：

用通信控制装置(11；21；31)创建要串行发送到所述通信网络(1)的至少一个其他用户站(20；30；10)的消息(4；5；50)，

其中所述通信控制装置(11；21；31)将要创建的消息(4；5；50)的数据划分为至少一个数据段(4521至452n)并且在每个数据段(4521至452n)中插入纠错码的位(E)，所述纠错码使得能够校正所述消息(4；5；50)中的至少一个错误，

其中所述通信控制装置(11；21；31)将所述纠错码的位(E)作为同步边沿(49)插入，使得为了将作为所述消息(4；5；50)的接收方的所述至少一个其他用户站(20；30；10)与作为所述消息(4；5；50)的发送方的所述用户站(10；20；30)同步而设置的同步边沿(49)之间的距离不超过预定的上限。