CN113169917B - 用于串行总线系统的订户站的重叠检测单元和用于串行总线系统中的通信的方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于串行总线系统（1）的用户站（20；30）的重叠检测单元（230；330）和一种用于串行总线系统（1）中的通信的方法。该重叠检测单元（230；330）包括：冲突检测块（233），用于检测在总线系统（1）的总线（40）上的总线状态（401、402），其中总线系统（1）的用户站（20、30）为了发送消息（45；46）而在第一通信阶段（467）利用第一物理层在总线（40）上产生总线状态（401、402）并且在第二通信阶段（468）利用与第一物理层不同的第二物理层来产生这些总线状态，其中冲突检测块（233）被设计用于产生信号（S_D、rxd_SW），该信号的值说明了在第二通信阶段（468）中的总线状态（401、402）是否具有对应于第一物理层与第二物理层的重叠或者两个第二物理层的重叠的电平，而且其中冲突检测块（233）被设计用于针对用户站（20；30）输出该信号（S_D、rxd_SW）。

Description

用于串行总线系统的订户站的重叠检测单元和用于串行总线 系统中的通信的方法

技术领域

本发明涉及一种用于串行总线系统的订户站的重叠检测单元和一种用于串行总线系统中的通信的方法，利用该重叠检测单元和该方法能够选择性地按照第一通信协议或第二通信协议来实现总线系统中的通信，其中按照第二通信协议的通信比在第一通信协议的情况下以及在其它物理层的情况下的比特率更高。

背景技术

目前，为了在传感器与控制设备之间、例如在车辆中的传感器与控制设备之间的通信，越来越频繁地使用总线系统，在该总线系统中，数据在作为具有CAN FD的CAN协议规范的ISO11898-1:2015标准下作为消息来被传输。这些消息在总线系统的订户站、如传感器、控制设备、发生器等等之间被传输。在这种情况下，在车辆中，CAN FD目前在入门阶段在第一步骤中大多在传输数据字段的比特时以2Mbit/s的数据比特率来被使用而在传输所有其它比特、尤其是仲裁字段的比特时以500kbit/s的仲裁比特率来被使用。

不仅在传输仲裁字段时而且在传输数据字段时都使用同一物理层，该物理层对应于比特传输层或公知的OSI模型（开放系统互连模型（Open Systems InterconnectionModell））的第1层。在此，区分两个总线状态，即“显性”（对应于逻辑或数字0）和“隐性”（对应于逻辑或数字1）。由于隐性总线状态不是主动被驱动，所以隐性总线状态可被显性总线状态覆盖，由此能够实现仲裁。然而，隐性总线状态只是相对缓慢地通过总线系统的终端电阻来被调整。这一方面阻碍了更快的数据传输。然而另一方面，按照上述ISO11898-1:2015标准的仲裁确保了在传输数据字段期间订户站中的仅仅一个订户站独占地并且无冲突地发送其数据。由此，能够在仲裁之后在不需要重复的情况下经由总线更可靠地传输数据。总体而言，这一并有助于加快数据传输。

即，如果应该保持仲裁的优点并且还比以往进一步提高传输率，则必须找到一种解决方案，该解决方案减少了在按照上述ISO11898-1:2015标准的仲裁时传输率缓慢的缺点。在此，为了现有总线系统的简单迁移，还应该实现：仍按照现有CAN协议规范进行工作的订户站在总线系统中也可以与已经按照后继CAN协议规范进行通信的订户站共存。

发明内容

因而，本发明的任务是提供一种用于串行总线系统的订户站的重叠检测单元和一种用于串行总线系统中的通信的方法，该重叠检测单元和该方法解决了上述问题。尤其应该提供一种用于串行总线系统的订户站的重叠检测单元和一种用于串行总线系统中的通信的方法，其中也能够实现按照ISO11898-1:2015标准或者按照后继CAN协议规范进行通信的订户站的共存。

该任务通过根据本发明的用于串行总线系统的订户站的重叠检测单元来被解决。该重叠检测单元具有冲突检测块，用于检测在总线系统的总线上的总线状态，其中总线系统的订户站可以为了发送消息而在第一通信阶段利用第一物理层在总线上产生总线状态并且在第二通信阶段利用与第一物理层不同的第二物理层来产生总线状态，其中冲突检测块被设计用于产生信号，该信号的值说明了在第二通信阶段中的总线状态是否具有对应于或不对应于第一物理层与第二物理层的重叠或者两个第二物理层的重叠的电平，而且其中冲突检测块被设计用于针对订户站输出该信号。

在这种情况下，“第一物理层与第二物理层的重叠”意味着：观察到至少一个总线状态，该总线状态对应于由第一订户站借助于第一物理层产生的一个或多个总线状态与由第二订户站借助于第二物理层产生的一个或多个总线状态的重叠。

此外，“两个第二物理层的重叠”意味着：观察到至少一个总线状态，该总线状态对应于由第三订户站借助于第二物理层产生的一个或多个总线状态与由第四订户站借助于第二物理层产生的一个或多个总线状态的重叠。

利用该重叠检测单元，能够实现：总线系统的在第一通信阶段使用与第二订户站相同的通信格式然而在第二通信阶段使用与第二订户站不同的通信格式的第一订户站虽然可能干扰第二订户站的通信，但是该干扰可以被快速消除。为此，该重叠检测单元可以在总线上检测物理层的重叠，该重叠例如由于所发送的消息与错误帧（Error-Flags（错误标志））的重叠而发生。在这种情况下，发送错误帧的原因在于：总线系统的订户站不曾检测到当前发生第二订户站利用如下通信格式的通信，该通信格式不同于所发送的错误帧的通信格式。该重叠检测单元尤其可以检测以如下通信格式被发送到总线上的错误帧（Error-Flags），该通信格式不同于其中自己的订户站目前在第二通信阶段发送到总线上的通信格式。

即，该重叠检测单元提供所需的信息：自己的发送/接收装置可以在帧的第二通信阶段立即停止将该帧的信号驱动到总线上。由此，避免了在总线上的短路和/或高电流。发送/接收装置还可以将关于所检测到的错误帧的信息转交给自己的通信控制装置，以便自己的通信控制装置也中断对帧的发送和/接收。

但是，该重叠检测单元被设计为使得能够在作为第一通信阶段的仲裁阶段使用错误帧（Error-Flags）。

因此，在第一通信阶段能执行从CAN公知的仲裁，并且在第二通信阶段仍然能相对于CAN FD而言显著提高传输率。由此，即使在作为第二通信阶段的数据阶段使用不同的物理层的情况下，也可以在仲裁阶段和数据阶段执行经由错误帧（Error-Flags）对错误的传达。

订户站能够实现：通过发送存在于CAN FD中的“res-Bit:=1”可以切换到新的帧格式，并且然后可以基于该重叠检测单元来识别由于物理层信号的重叠而引起的错误并且将这些错误传达给自己的节点，以便对错误进行处理。

由于按照CAN FD通信协议进行工作的订户站与按照CAN FD后继通信协议（以下称为CAN NG）进行工作的订户站的共存和互通性，从CAN FD朝向CAN NG的无缝迁移路径是可能的。因此，总线系统的应继续仅使用CAN FD的各个订户站可以保持不变，而给也可发送和接收CAN FD帧的CAN NG订户站装备该重叠检测单元。因而，在CAN FD与CAN NG总线系统之间不需要网关。

上述重叠检测单元可以在没有数据传输（数据开销（Overhead））的情况下就识别总线错误。因而，所有订户站的正确的格式切换不必在帧的至少一位中被编码以便能够检查正确的格式切换。由此，该重叠检测单元提供了一种处理由于帧的格式切换和/或在帧的格式切换期间引起的总线错误的非常高效且鲁棒的可能性。由此，避免了每个帧中的大量数据溢出。为此，这种数据溢出仍不利，因为总线错误实际上并不会在CAN中发生，但是不能被排除并且因而要加以处理。

该重叠检测单元的其它有利的设计方案在从属权利要求中说明。

按照一个选项，冲突检测块被设计用于检测消息的帧的位所具有的电平是否与在第二通信阶段中通常所具有的电平有所不同。替选地或附加地，冲突检测块被设计用于检测在第二通信阶段中对于消息的帧的数字信号来说在总线上是否出现两个不同的总线状态。

冲突检测块可能被设计为：执行对所检测到的重叠的合理性检查，以便判断信号的值是否应被设置到表明有重叠的值。

可设想的是：冲突检测块被设计为：借助于至少两种不同的被不一样地加权的变体来执行该合理性检查，以便判断是否发生该重叠。

还可设想的是：该重叠检测单元还具有接收信号选择块，用于基于由冲突检测块产生的信号来选择接收信号并且用于将所选择的接收信号输出给订户站的通信控制装置。

按照一个特殊的实施变型方案，上述重叠检测单元具有：数据阶段检测块，用于检测在总线上串行传输的消息的数据阶段；和/或发送方检测块，用于检测订户站目前是否是消息的发送方，其中冲突检测块被设计为：作为对该冲突检测块已从数据阶段检测块和/或发送方检测块接收到的至少一个检测结果的反应来产生信号。

按照一个选项，数据阶段检测块被设计为：为了检测数据阶段，检测总线上的状态。按照另一选项，数据阶段检测块被设计为：为了检测数据阶段，对根据从总线接收到的消息所产生的数字接收信号进行分析。

发送方检测块可能被设计为：对由订户站发送到总线的发送信号进行分析。在这种情况下，发送方检测块可以被设计为：为了分析发送信号，对发送信号的边沿变换进行计数。替选地或附加地，发送方检测块可以被设计为：为了分析发送信号，实施对发送信号的顺序解码。替选地或附加地，发送方检测块可以被设计为：为了分析发送信号，将发送信号与根据从总线接收到的消息所产生的数字接收信号进行比较。

可能在第一通信阶段为了将消息传输到总线上而在总线系统的订户站之间协商这些订户站中的哪个订户站在随后的第二通信阶段至少暂时具有对总线系统的总线的独占的、无冲突的访问，其中第二通信阶段是数据阶段，在该数据阶段，在总线上传输消息的有效数据。

上述重叠检测单元可以是用于串行总线系统的订户站的一部分，其中该订户站还具有：通信控制装置，用于将消息发送到总线系统的总线和/或用于从总线系统的总线接收消息；和发送/接收装置，用于将消息发送到总线上和/或从总线接收消息，其中该重叠检测单元与通信控制装置和发送/接收装置接线，其中发送/接收装置被设计为：在以第一比特率来发送时，为消息的第一数字数据状态产生第一总线状态并且为消息的第二数字数据状态产生第二总线状态，使得第二总线状态可以覆盖第一总线状态，而且其中发送/接收装置被设计为：在以高于第一比特率的第二比特率来发送时，产生不同的总线状态，使得针对消息的不同的数字数据状态的总线状态不能彼此覆盖。

发送/接收装置还可以被设计为：在以第二比特率来发送时，产生不同的总线状态，使得针对消息的不同的数字数据状态的总线状态不能彼此覆盖；或者在以第二比特率来发送时，产生与在以第一比特率来发送时不同的总线状态。

上述订户站中的至少两个订户站可以是总线系统的部分，该总线系统还具有总线，使得所述至少两个订户站可以经由该总线来彼此连接，使得所述至少两个订户站可以彼此进行串行通信。在这种情况下，所述至少两个订户站中的至少一个订户站是之前描述的订户站。

上述总线系统还可能具有至少一个附加的订户站，该至少一个附加的订户站为了在总线上传输消息而只被设计为：在该消息的第一通信阶段和第二通信阶段，在总线上产生总线状态，使得第二总线状态可以覆盖第一总线状态，其中该至少一个附加的订户站经由总线与至少两个订户站连接，使得这些订户站可以彼此串行通信。

上述任务还通过根据本发明的用于串行总线系统中的通信的方法来被解决。该方法具有如下步骤：利用发送/接收装置来将消息发送到总线系统的总线上，其中总线系统的订户站为了发送消息而在第一通信阶段利用第一物理层在总线上产生总线状态并且在第二通信阶段利用与第一物理层不同的第二物理层来产生总线状态；和/或利用该发送/接收装置来从总线系统的总线接收消息；利用冲突检测块来检测在总线系统的总线上的总线状态；

利用该冲突检测块来产生信号，该信号的值说明了在第二通信阶段中的总线状态是否具有对应于或不对应于第一物理层与第二物理层的重叠或者两个第二物理层的重叠的电平；而且利用冲突检测块来针对订户站输出该信号。

该方法提供了与之前关于该订户站所提到的优点相同的优点。

本发明的其它可能的实现方案也包括之前或者在下文关于实施例所描述的特征或者实施方式的没有明确提到的组合。在此，本领域技术人员也将把单个方面作为改善方案或补充方案添加到本发明的相应的基本形式。

附图说明

随后，本发明参考随附的附图并且依据实施例更详细地予以描述。其中：

图1示出了按照第一实施例的总线系统的简化框图；

图2示出了用于阐明可由按照第一实施例的总线系统的订户站发送的消息的构造的简图；

图3示出了用于阐明在按照第一实施例的总线系统的订户站处嵌入的重叠检测单元的构造的简图；以及

图4示出了在按照第一实施例的总线系统运行时被发送的不同信号的信号时序图。

在这些附图中，只要不另作说明，相同或者功能相同的要素就配备有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出了总线系统1作为示例，该总线系统尤其基本上被设计用于CAN总线系统、CAN FD总线系统、CAN FD后继总线系统（也称作CAN NG总线系统）和/或它们的变型，如随后所描述的那样。总线系统1可以在车辆、尤其是机动车、飞机等等中或者在医院等等中得以应用。

在图1中，总线系统1具有多个订户站10、20、30，这些订户站分别连接到具有第一总线芯线41和第二总线芯线42的总线40上。总线40在其两端用终端电阻50来封闭。总线芯线41、42也可以被称为CAN_H和CAN_L，而且在发送状态下使用TX信号的情况下用于在耦合输入显性电平或状态401或者产生或主动驱动隐性电平或状态402之后进行电信号传输。只在订户站20处非常示意性地示出了状态401、402。状态401、402对应于进行发送的订户站10、20、30的TX信号的状态。在总线芯线41、42上传输信号CAN_H和CAN_L之后，信号被订户站10、20、30作为RX信号接收到。经由总线40，消息45、46能以信号CAN_H和CAN_L为形式在各个订户站10、20、30之间被串行传输。如果在总线40上通信时发生错误，如通过图1中的锯齿状黑色方块箭头所示，则通常发送错误帧47（Error Flag）。订户站10、20、30例如是机动车的控制设备、传感器、显示装置等等。

如在图1中所示，订户站10具有通信控制装置11和发送/接收装置12。而订户站20具有通信控制装置21和发送/接收装置22，该发送/接收装置具有发送/接收单元220的和重叠检测单元230。订户站30具有通信控制装置31和发送/接收装置32，该发送/接收装置具有发送/接收单元320的和重叠检测单元330。订户站10、20、30的发送/接收装置12、22、32分别直接连接到总线40上，即使这在图1中未阐明。

通信控制装置11、21、31分别用于控制相应的订户站10、20、30通过总线40与连接到该总线40上的订户站10、20、30中的其它订户站的通信。

通信控制装置11可以像常规的CAN FD控制器那样来实施。通信控制装置11创建和读取第一消息45，所述第一消息例如是CAN FD消息。CAN FD消息45按照CAN FD格式来被构造，其中可以包括数目多达64个数据字节，这些数据字节以比在Classic CAN消息的情况下明显更快且借此更高的数据率来被传输。发送/接收装置12可以像常规的CAN FD收发器那样来被实施。因此，即使在总线系统1中也运行CAN NG订户站20、30，也不需要对总线系统1中的订户站10进行改装。

通信控制装置21、31中的每个通信控制装置都创建和/或读取第一消息45或第二消息46。第二消息46基于CAN NG格式来被构造，该CAN NG格式随后更详细地被描述。发送/接收装置22、32中的每个发送/接收装置都具有CAN发送/接收单元220、320，根据需要，该CAN发送/接收单元可以为所属的通信控制装置21、31提供或者从该通信控制装置接收上述在CAN FD格式下的第一消息45之一或者按照CAN NG格式的第二消息46。附加地包括随后还更详细描述的重叠检测单元230、330。

利用两个订户站20、30，能实现对具有CAN NG格式的消息46的形成和然后传输以及对这种消息46的接收。

图2针对消息46示出了CAN NG帧460，该CAN NG帧由发送/接收装置22或发送/接收装置32基于作为差分信号的TX信号而被发送到总线40上或者从总线接收，据此产生RX信号。CAN NG帧460对于在总线40上的CAN通信来说被分成不同的字段，即起始字段461、仲裁字段462、控制字段463、数据字段464、校验和字段465和结束字段466。除了随后描述的控制字段463的区别之外，第一消息45的帧像帧460那样来构造。数据阶段468在控制字段463的特定位之后开始，利用该特定位从仲裁阶段被切换到数据阶段468。因此，数据阶段468包括控制字段463的一部分和数据字段464以及校验和字段465。帧460的所有其它字段都是仲裁阶段467的部分。

起始字段461例如具有一位，该位也被称作SOF位并且表明了帧的开始或Start ofFrame。在仲裁字段462中包含具有例如32位的识别码，用于标识消息的发送方。

仲裁字段462和/或控制字段463可以附加地包含由一个或多个位组成的协议格式信息，该协议格式信息适合于使CAN NG帧相对于CAN帧或CAN FD帧进行区别。然而，随后的描述的出发点是：直至FDF位的CAN NG帧（第二消息46）与在CAN FD（第一消息45）的情况下的帧格式相同。

控制字段463具有由一个或多个比特组成的协议格式信息，该协议格式信息如上所述并且该协议格式信息适合于使CAN NG帧相对于Classical CAN帧或CAN FD帧而言有区别。在控制字段463中包含例如12位长的数据长度码（Data-Length-Code），该数据长度码例如可以步长为1地取从1直至4096的值，或者替选地可以取从0至4095的值。替选地，数据长度码可包括更多或更少的位，而且值域和步长都可以取其它值。

在数据字段464中包含CAN-NG帧或消息46的有效数据。根据数据长度码的值域，这些有效数据例如可具有多达64个字节或4096个字节或者具有任意其它数目的字节。

在校验和字段465中，包含关于在数据字段464中的包括填充位在内的数据的校验和，该校验和由消息46的发送方在例如每5个或10个相同的位之后作为相反的位来嵌入。

在结束字段466中，可包含至少一个确认位和否定确认位，而且还可包含11个相同的位的序列，这11个相同的位表明了CAN NG帧460的结束E。利用该至少一个确认位可以向进行发送的订户站报告：接收方已经正确地接收到了所接收的CAN NG帧460或消息46；利用该否定确认位可以向进行发送的订户站报告：接收方是否已经在所接收的CAN NG帧460或消息46中发现了错误，该错误也可被称作接收错误。

在仲裁阶段467，使用像在Classical CAN和CAN FD的情况下那样的物理层。在该阶段期间的重要的一点是：公知的CSMA/CR方法得以使用，该CSMA/CR方法允许订户站10、20、30对总线40的同时访问，而不破坏更高优先级的消息45、46。由此，可以相对简单地将其它总线订户站10、20、30添加给总线系统1并且非常高效地使用通信带宽，这是非常有利的。

CSMA/CR方法导致：在总线40上必须存在所谓的隐性状态402，这些隐性状态可以由其它订户站10、20、30利用在总线40上的显性状态401来覆盖。在隐性状态402下，在各个订户站10、20、30上存在高阻抗比，这与总线接线的寄生相结合地导致更长的时间常数。这导致在真实的车辆使用中将如今的CAN-FD物理层的最大比特率限制到目前约每秒2兆比特（Megabit）。

当作为发送方的订户站20或订户站30已经赢得了仲裁并且作为发送方的订户站20或30借此为了发送字段463至465而已经独占地访问了总线系统1的总线40时，控制字段463和数据字段464才被消息46的发送方发送到总线40上。在仲裁时，借助于在仲裁字段462中的识别码，在订户站10、20、30之间逐位地协商：哪个订户站10、20、30允许发送优先级更高的消息45、46而且因而在接下来的时间内为了发送字段463至465而获得对总线系统1的总线40的独占的访问。

只有当比特时间显著超过在总线系统1的两个任意的订户站10、20、30之间的信号渡越时间的两倍长时，在帧460或消息45、46的开头处的仲裁和在帧460或消息45、46的结束E处的结束字段466中的确认才可能。因而，在传输字段461、462、463部分以及466时在仲裁阶段467的比特率被选择得比在帧460的剩余的字段中更慢并且借此更低。尤其是，在实践中，在仲裁阶段中的比特率被选择为500 kbit/s，由此得出约为2μs的比特时间，而在数据阶段468中的比特率被选择为例如5至8 Mbit/s或者更大，由此得出约为0.2μs以及更短的比特时间。因此，在仲裁阶段467中的信号的比特时间是在数据阶段468中的信号的比特时间的例如10或16倍等等。比特时间的倍数能任意选择。

订户站10、20、30中的每个订户站都可以发送和接收CAN FD帧，然而订户站10不能发送或接收CAN NG帧460。如果例如订户站20发送CAN FD订户站10所不能理解的CAN NG帧460，则至少在CAN NG订户站20作为发送方和接收方的情况下、可选地即使在CAN NG订户站30作为纯接收方的情况下，重叠检测单元230、330也活跃。如果例如CAN FD订户站10尤其是由于位错误而没有检测到现在发送CAN NG帧460并且发送错误帧（Error-Flag），则形成两个物理层的重叠，该重叠被活跃的重叠检测单元230、330识别、消除并且报告给自己的节点、更准确地说是通信控制装置21、31。这也包括：订户站10或订户站30在res位中有本地位错误的情况下发送错误帧47，因为相对应的订户站10、30错误地认为涉及CAN FD帧（消息45）并且因而在几个比特之后在所接收到的且错误地被视为CAN FD帧450的帧460中查明有错误、例如填充错误。因此，由订户站20、30执行的方法能够实现：在总线系统1中也存在至少一个CAN FD订户站10，该至少一个CAN FD订户站根据CAN FD协议来发送消息并且不理解CAN NG帧460。由订户站20、30执行的方法还能够实现：在总线系统1中用不同的通信格式、即在当前示例中CAN FD或CAN NG来发送消息45、46。

在新的、替选的帧格式（Frame Format）、即CAN NG消息46的帧460的情况下，借助于控制字段463中的res位从CAN FD帧格式（Frame Format）切换到CAN NG帧格式。在这种情况下，直至res位，CAN FD和CAN NG的帧格式都是相同的。因此，订户站20、30也分别支持CANFD。然后可以切换到另一物理层，该另一物理层能够实现比在先前的仲裁阶段467更高的比特率。因此，利用第一物理层来为消息46的第一数字数据状态产生第一总线状态401并且为消息46的第二数字数据状态产生第二总线状态402，使得第一总线状态401可以覆盖第二总线状态402或显性总线状态可以覆盖隐性总线状态。按照一个变型方案，利用第二物理层可以产生不同的总线状态401、402，使得用于消息46的不同的数字数据状态的总线状态401、402不能相互覆盖。因此，在第二物理层的情况下并不存在显性和隐性总线状态。

在CAN FD协议中，res位已经被保留用于新格式。在这种情况下，res=0标识出CANFD帧格式。而res=1标识出CAN NG所使用的新的、替选的帧格式460。如果订户站10识别出res=1，则订户站10进入协议异常状态（Protocol Exception State），该协议异常状态对应于被动等待状态。当这种订户站10探测到连续的11个隐性位时，才退出该等待状态。

在发送信号TX或TX信号在res位方面有错误的情况下，发送TX信号的订户站20、30或TX订户站发送错误帧47（Error Flag），如图1中所示，并且没有切换到按照帧460的替选格式。在进行接收的订户站10、20、30或RX订户站中对由于接收信号RX或RX信号的错误引起的可能的错误反应的处理利用重叠检测单元230、330来实现。随后依据图3和图4来描述这一点。

即，重叠检测单元230、330能够实现：订户站10、20、30可以在总线系统1中共存，因为未曾检测到切换到CAN NG帧460的格式的订户站10、20、30虽然发送导致物理层重叠的错误帧47，但是该重叠可以被探测并被消除。尤其是当CAN NG帧460的发送方的是TX节点或TX订户站的部分的发送/接收装置和发送错误帧47并且是RX节点或RX订户站的部分的发送/接收装置相互驱动时，该错误帧47在CAN NG帧的数据阶段期间不能触发“短路”。

十分普遍的是，与CAN FD相比，利用CAN NG可以在总线系统1中实现如下不一样的特性：

a) 采用并且必要时适配经过考验的特性、尤其是具有根据CSMA/CR方法的识别码和仲裁的帧结构，所述特性对CAN FD的鲁棒性和使用者友好性负责；

b）净数据传输率的显著提高；

c）CAN NG在数据阶段468使用与CAN FD不同的物理层，例如其中两个总线状态都被主动驱动且在数据阶段468期间不设置错误帧（Error Flags）的物理层。利用CAN NG的这样一个物理层，可以比在CAN FD的情况下实现明显更高的比特率。

图3作为示例示出了在发送/接收装置22中的重叠检测单元230的构造。重叠检测单元330以相同方式来实施，使得随后的描述也对于重叠检测单元330来说有效。

发送/接收装置22具有发送/接收单元220，该发送/接收单元被设计用于为总线40提供适合于CAN FD消息45和CAN NG消息46的不同阶段的物理层。此外，发送/接收单元220被设计用于从总线40接收CAN FD消息45以及接收CAN NG消息46。发送/接收单元220可以相应在发送和/或接收CAN FD消息45与发送和/或接收CAN NG消息46之间切换。发送/接收单元220连接到总线芯线41、42上以接收信号CAN_H和CAN_L，并且与重叠检测单元230接线。

在重叠检测单元230处，从通信控制装置21接收也被称作发送信号TXD的数字TX信号并且将其输出给发送/接收装置220。在考虑输入信号S_D的情况下，发送/接收单元220在针对消息45、46的不同通信阶段、即仲裁阶段467或数据阶段468相应所使用的物理层上对TX信号进行编码。同时，发送/接收单元220对总线40上的状态、即在总线芯线41、42上的信号CAN_H、CAN_L进行解码，并且将结果作为数字RXD1信号转交给重叠检测单元230。如下所述，重叠检测单元230根据RXD1信号来产生数字RX信号，该数字RX信号也被称作接收信号RXD。

如果CAN NG物理层的性质为：在CAN NG帧460的数据阶段468，两个总线状态401、402都被驱动，则发送/接收单元220据此得知总线40在设置信号S_D（S_D= '1'）期间不允许被驱动并且例如必须高阻。

重叠检测单元230具有：数据阶段检测块231、发送方检测块232、冲突检测块233和接收信号选择块234。由于数据阶段检测块231和发送方检测块232是可选的，所以示出了该数据阶段检测块和该发送方检测块。

可选的数据阶段检测块231检测或探测CAN NG帧460的数据阶段468。数据阶段检测块231借助于数字信号NG_DP来向冲突检测块233报告帧传输是否处在CAN NG帧460的数据阶段468。在这种情况下，例如当CAN NG帧的传输460目前处在数据阶段468时，适用NG_DP:=1，否则适用NG_DP:=0。

数据阶段检测块231为此使用信号RXD1。为此，数据阶段检测块231具有非常简化的CAN NG通信控制装置2311。CAN NG通信控制装置2311观察发送/接收单元220的信号RXD1，并且借此可以准确预测数据阶段468什么时候开始以及数据阶段468什么时候结束。数据阶段468的结束取决于所传输的字节的数目。在数据字段464中的有效数据字节的数目在数据阶段468开始时在数据长度字段中被编码。即，数据阶段检测块231可以通过对比特进行计数来确定数据阶段468的结束。

附加地，数据阶段检测块231使用信号CAN_H和CAN_L，以便判断目前是否进行数据阶段468。由于CAN NG针对数据阶段468使用与针对仲裁阶段467不同的物理层，所以在CANNG帧460的数据阶段468，在CAN_H与CAN_L之间出现与在CAN FD消息45的数据阶段468的情况下不同的差分电压VDIFF。即，数据阶段检测块231依据所使用的物理层的差分电压来识别CAN NG帧460的传输是否处在数据阶段468。

通过将来自信号RXD1和总线信号CAN_H、CAN_L的两个检测结果组合，可能的是：数据阶段检测块231总是做出多数决策或与决策，也就是说，只有当两个检测结果都得出目前存在数据阶段468时，数据阶段检测块231才设置信号NG_DP = 1。

然而，最保守并且借此最可靠的是如下替选的可能性：一旦来自信号RXD1和总线信号CAN_H、CAN_L的检测结果之一表明存在数据阶段468，数据阶段检测块231就认为这是真的。

作为用于检测数据阶段468的变型方案，来自信号RXD1和总线信号CAN_H、CAN_L的两个检测结果的组合相对于总线40上的干扰而言非常鲁棒。这样的干扰可能会是：由于辐射引起的在RXD1数据流中的位错误使在数据阶段检测块231中的通信控制装置2311相信帧460比实际短或者CAN FD消息45被传输。

可选地，将信号NG_DP转发给通信控制装置21。如果通信控制装置21只是帧460的接收方，则通信控制装置21可以根据信号NG_DP而得出总线40被阻塞这么长时间的原因，即由于CAN NG帧460而被阻塞这么长时间。

可选的发送方检测块232检测或探测订户站20目前是否是消息45、46的发送方。结果是，发送方检测块232借助于信号TX_ND来向冲突检测块233报告订户站20目前是否进行发送。例如当订户站20目前进行发送时，适用TX_ND:=1。在其它情况下，适用TX_ND:=0。

在这种情况下，发送方检测块232观察通信控制装置21提供的信号TX，并且例如对信号TX在预定时长T内的边沿变换的数目进行计数。如果在预定时长T内出现了超过0次边沿变换，则发送方检测块232判断订户站20、即自己的订户站目前进行发送。为了对该信息进行合理性检查，可选地，发送方检测块232可以对在预定时长T内在信号RXD1上的边沿变换的数目进行计数。如果在信号TX、RXD1中的边沿变换的数目相似并且至少具有> 0的值，则发送方检测块232判断订户站20目前进行发送。

替选地，发送方检测块232可以被设计为计数器，以便执行该检测或探测。尤其可以使用如下计数器，该计数器通过在发送信号TX上的边沿被增值并且通过在接收信号RX上的边沿被减值。如果该计数器的值明显为负，则发送方检测块232判断订户站20目前没有进行发送。明显为负意味着：发送方检测块232取预先确定的阈值作为参考，以便做出所提到的判断。否则，发送方检测块232判断订户站20目前进行发送。在两个消息45、46之间，发送方检测块232重置该计数器。

冲突检测块233检测：在CAN NG帧460的数据阶段468期间，总线40是否附加地由订户站在CAN FD模式下驱动，因为该订户站即发送错误帧47（Error-Flag），如上所述。如果情况如此，则冲突检测块233对此做出反应，因为在CAN NG帧46的数据阶段468期间物理层只允许被由唯一的CAN Ng发送/接收装置、即帧460的发送方驱动。否则，即使在CAN NG帧460的数据阶段468期间进行接收的订户站10、20、30之一在CAN FD模式下发送错误帧47（Error-Flag），这两个物理层也重叠。结果，帧460的位现在具有针对总线状态401、402中的至少一个总线状态的不同电平，使得在CAN_H与CAN_L之间的差分电压VDIFF与在CAN NG数据阶段468中应该有的差分电压不一样。这在图4的差分电压VDIFF的椭圆框区域U_P中被阐明。这些电平也很可能不同于在CAN FD的情况下的电平。

图3的冲突检测块233知道在物理层重叠的情况下的电平处在怎样的值域内。因而，冲突检测块233可以执行在总线40上的电平与在重叠的情况下的电平的值域的比较。附加地或替选地，即使没有发生物理层的重叠，冲突检测块233也可以执行在总线40上的电平与在正常运行时的电平的值域的比较，如在图4的差分电压VDIFF的其余范围内阐明的那样。

替选地，根据针对数据阶段468的CAN NG物理层的设计方案，冲突检测块233可以探测物理层的重叠，使得冲突检测块233识别出针对其中一个总线状态401、402的电平不再出现，同时CAN FD节点发送其错误帧47（Error-Flag）。这明确意味着：冲突检测块233观察在时间x期间在总线40上是否能看到两个总线电平、即比特0和1的两个总线电平、即总线状态401和402。如果冲突检测块233只看到其中一个比特、即比特0或者比特1的电平，则检测到或探测到CAN FD的物理层在CAN NG的物理层上的重叠。

为了检测错误帧47或者物理层的其它重叠，冲突检测块233不断地监视各个位的电平并且借此识别：在CAN NG数据阶段460期间订户站10、30是否在CAN FD模式下发送错误帧47，如图4中在差分电压VDIFF的范围U_P内所示。

如果冲突检测块233检测到表明物理层的重叠的至少一个总线电平，则图3的冲突检测块233可以可选地将其它信息用于合理性检查。为此，可选地能将如下可能性中的至少一种可能性用于合理性检查。在此，尤其可设想的是：使各个合理性检查的结果经加权地组合，以便做出关于总线电平的重叠方面的尽可能鲁棒的判断。

按照合理性检查的第一种可能性，冲突检测块233考虑：CAN FD错误帧47的位与在CAN NG帧460的数据阶段468中的位相比非常长。冲突检测块233可以——替代立即做出反应——还在附加的观察时间T内继续观察一个或多个总线电平或者总线状态401、402，以便查看表明重叠的总线电平是否继续出现。为了选择附加的观察时间T，在冲突检测块233中可以使用如下知识：CAN错误帧47具有6位的长度，错误帧47的序列具有12位的长度并且错误帧47的比特率最大为1 Mbit/s。例如，可能会选择T = 6*1000 ns，这对应于CAN 错误帧47的最小长度，如图4中所示。

按照合理性检查的第二种可能性，图3的冲突检测块233考虑数据阶段检测块231产生并将其输出给冲突检测块233的信号NG_DP。依据输入信号NG_DP，冲突检测块233知道在总线40上的传输位于帧460的数据阶段468。由于总线电平的重叠只能出现在帧460的数据阶段468期间，所以冲突检测块233可以利用该知识。例如，可以使用信号NG_DP，以便激活冲突检测块233。在这种情况下，冲突检测块233会在NG_DP ='1'的情况下活跃并且会观察总线电平。在所有其它情况下，冲突检测块233会被停用。

替选于合理性检查的第二种可能性，冲突检测块233可以不断观察总线电平或总线状态401、402，并且如果例如已经在较长时间内观察到重叠，则即使NG_DP ='0'，也仍然可以做出反应。

对于所有之前提到的可能性来说，冲突检测块233生成信号S_D。冲突检测块233将信号S_D输出给发送/接收装置220。如果检测到了或探测到了重叠并且可选地对该重叠进行了合理性检查，如上所述，则冲突检测块233设置信号S_D = '1'。否则，信号S_D = '0'。信号S_D一直保持在值'1'，直至例如过去了一定时间，或者例如直至对于该信号来说再次适用NG_DP = '0'。

对于CAN总线系统1的当前示例来说假设：在CAN NG数据阶段468期间只有一个订户站允许进行发送，即TX节点，即在当前示例中是订户站20或订户站30。因此，只有当该订户站是CAN NG帧460的发送节点时，信号S_D才能真正被设置。因而，存在如下选项：只有当订户站20是消息46的发送方，即订户站20是TX订户站时，重叠检测单元230才将信号S_D设置成S_D = '1'。信号TX_ND表明订户站20目前是不是TX订户站。尤其是，为此可以在最简单的情况下使信号S_D与信号TX_ND进行与相关。

为了向订户站20、30、更准确地说是这些订户站的通信控制装置21、31通知在物理层上的重叠的事故，冲突检测块233产生至少一个信号，即信号rxd_SW以及可选地信号C_L。

接收信号选择块234尤其可以被设计成多路复用器。借助于信号rxd_SW和接收信号选择块234，将自己的通信控制装置21的信号RX设置到固定值，例如'0'，如图3中所示。替选地，信号RX可以被设置到固定值'1'。由于在CAN NG数据阶段468中不可能出现只有一个值、诸如值'0'的长的阶段，所以作为进行发送并进行接收的订户站的CAN NG订户站20、更准确地说其通信控制装置21识别出发生了在帧460的物理层上的重叠。现在，进行发送并进行接收的订户站可以对该信息做出反应。尤其是，发送/接收装置22的CAN NG发送/接收单元220和/或到目前为止进行发送的订户站20的通信控制装置21可以停止发送并且从数据阶段468切换到仲裁阶段467。尤其是，CAN NG订户站20可以停止接收并且同样从数据阶段468切换到仲裁阶段467。然后，在一个或多个订户站10、20、30开始发送帧450、460之前，在总线40上的所有订户站10、20、30，即还有订户站10（也包括CAN FD）可以等待长的隐性阶段（对应于ISO11898-1:2015）。

借助于可选的信号C_L，冲突检测块233并且借此重叠检测单元230向自己的通信控制装置21报告：在物理层上得出了不符合期望的重叠。在有该知识的情况下，通信控制装置21例如可能会自己指示发送/接收单元220停止进行发送。

图4针对订户站20在总线40上发送消息46、即充当TX订户站的情况示出了之前提到的信号随时间t的示例。在这种情况下，即使发送CAN NG消息46，总线系统1的订户站、例如作为消息46的接收方、即作为RX订户站的订户站30也由于用锯齿状黑色方框箭头示出的错误而错误地预期是CAN FD消息45。在这种情况下，订户站30将在数据阶段468中探测到错误并且将把CAN错误帧（Error-Flag）47发送到总线40上。RX订户站在如图4中所示的时间段内发送错误帧47。因而，发生CAN NG数据阶段468的物理层与错误帧47的物理层的重叠，如图4中在总线40上的信号VDIFF = CAN_H - CAN_L处用U_P所示。在该示例中已假设：在CANNG数据阶段468，逻辑1具有VDIFF = +2V并且逻辑0具有VDIFF = -2V。然而，VDIFF的其它值当然是可能的。错误帧（Error-Flag）47对应于6个显性位并且相对应地利用VDIFF=+2V的差分电压来被驱动。这导致用U_P所表征的重叠。

在图4中，用虚线示出了信号的任意值。在图4中，信号的渡越时间被认为是0，以便图4的信号-时间图表能更易于理解。

在图4的信号RX和图4的信号S_D处能看出：探测到了物理层的重叠。在信号rxd_SW和RX处能看出：重叠检测单元230向自己的订户站、即这里是通信控制装置21通知该重叠。此外，在信号TX处能看出：订户站20从时间点T5开始停止发送消息46，因为订户站20已经探测到了其中信号RX长时间具有值'0'的阶段。

按照第二实施例，数据阶段检测块231只用总线信号CAN_H、CAN_L来实施其检测。在其它方面，重叠检测单元230的功能像在上述实施例中那样来被实施。

因此，按照当前实施例的数据阶段检测块231的变型方案与按照上述实施例的数据阶段检测块231的变型方案相比不那么复杂。然而，在当前实施例中，干扰并不能被找到，该干扰只能利用对信号TX的检测和分析来被识别。

按照第三实施例，数据阶段检测块231只用信号TX来实施其检测。在其它方面，重叠检测单元230的功能像在第一实施例中那样来被实施。

因此，按照当前实施例的数据阶段检测块231的变型方案与按照第一实施例的数据阶段检测块231的变型方案相比不那么复杂。然而，在当前实施例中，干扰并不能被找到，该干扰只能利用对总线信号CAN_H、CAN_L的检测和分析来被识别。

按照第四实施例，发送方检测块232被实施为经简化的CAN NG通信控制装置，该通信控制装置使用信号TX作为输入信号。通过对所发送的CAN NG帧460的顺序解码，经简化的CAN NG通信控制装置可以非常轻易且可靠地判断订户站20、即自己的订户站是否是发送方。如果信号TX例如在仲裁阶段467期间自特定位起保持在值1，则经简化的CAN NG通信控制装置据此得知：订户站20、即自己的订户站已经输掉仲裁，即不是发送方。

用于检测订户站20是否是发送方的发送方检测块232的该设计方案与按照第一实施例的发送方检测块232的设计方案相比更鲁棒或更可靠。然而，发送方检测块232的当前设计方案具有比按照第一实施例的发送方检测块232的设计方案更高的资源需求。

总线系统1的通信控制装置21、31、发送/接收装置22、32、重叠检测单元230、330、订户站10、20、30以及在其中实施的方法的所有之前描述的设计方案都可以单独地或者以所有可能的组合来得以应用。尤其是，之前描述的实施例和/或它们的变型方案的所有特征都可以任意地组合。附加地或替选地，尤其可设想如下变型方案。

之前描述的按照这些实施例的总线系统1依据基于CAN协议的总线系统来描述。然而，按照这些实施例的总线系统1也可以是其它类型的通信网络，其中数据能用两个不同的比特率来被串行传输。有利的、然而不是强制性的前提的是，在总线系统1中至少在确定的时间区间内确保订户站10、20、30对共同的信道的独占的、无冲突的访问。

这些实施例的总线系统1中的订户站10、20、30的数目和布局是任意的。尤其可以取消总线系统1中的订户站10。在这种情况下，如果订户站20、30也可以在CAN FD格式下进行发送，则需要重叠检测单元230、330，以便当订户站20、30之一未曾成功切换到CAN NG帧460的数据阶段468的格式时识别并处理在CAN NG帧460的数据阶段468期间的重叠。可能的是：在总线系统1中存在订户站20或30中的一个或多个订户站。

重叠检测单元230、330中的至少一个重叠检测单元可能布置在所属的发送/接收装置22、32外部。尤其是，重叠检测单元230、330中的至少一个重叠检测单元被设置成订户站20、30的独立单元。

Claims (15)

1.一种用于串行总线系统（1）的订户站（20；30）的重叠检测单元（230；330），所述重叠检测单元具有：

冲突检测块（233），用于检测在所述总线系统（1）的总线（40）上的总线状态（401、402），其中所述总线系统（1）的订户站（20、30）能够为了发送消息（45；46）而在第一通信阶段（467）利用第一物理层在所述总线（40）上产生总线状态（401、402）并且在第二通信阶段（468）利用与所述第一物理层不同的第二物理层来产生所述总线状态，

其中所述冲突检测块（233）被设计用于产生信号（S_D；rxd_SW），所述信号的值说明了在所述第二通信阶段（468）中的总线状态（401、402）是否具有对应于或不对应于所述第一物理层与所述第二物理层的重叠或者两个第二物理层的重叠的电平，而且

其中所述冲突检测块（233）被设计用于针对所述订户站（20；30）输出所述信号（S_D；rxd_SW）。

2.根据权利要求1所述的重叠检测单元（230；330），

其中所述冲突检测块（233）被设计用于检测消息（46）的帧（460）的位所具有的电平是否与在所述第二通信阶段（468）中通常所具有的电平有所不同，和/或

其中所述冲突检测块（233）被设计用于检测在所述第二通信阶段（468）中对于所述消息（46）的帧（460）的数字信号来说在所述总线（40）上是否出现两个不同的总线状态（401、402）。

3.根据权利要求1或2所述的重叠检测单元（230；330），其中所述冲突检测块（233）被设计为：执行对所检测到的重叠的合理性检查，以便判断所述信号（S_D、rxd_SW）的值是否应被设置到表明所述重叠的值。

4.根据权利要求3所述的重叠检测单元（230；330），其中所述冲突检测块（233）被设计为：借助于至少两种不同的被不一样地加权的变体来执行所述合理性检查，以便判断是否发生所述重叠。

5.根据权利要求1或2所述的重叠检测单元（230；330），所述重叠检测单元还具有接收信号选择块（234），用于基于由所述冲突检测块（233）产生的信号（rxd_SW）来选择接收信号（RX）并且用于将所选择的接收信号（RX）输出给所述订户站（20；30）的通信控制装置（21；31）。

6.根据权利要求1或2所述的重叠检测单元（230；330），所述重叠检测单元还具有：

数据阶段检测块（231），用于检测在所述总线（40）上串行传输的消息（46）的数据阶段（468）；和/或

发送方检测块（232），用于检测所述订户站（20；30）目前是否是消息（46）的发送方，

其中所述冲突检测块（233）被设计为：作为对所述冲突检测块（233）已从所述数据阶段检测块（231）和/或所述发送方检测块（232）接收到的至少一个检测结果的反应来产生所述信号（S_D）。

7.根据权利要求6所述的重叠检测单元（230；330），

其中所述数据阶段检测块（231）被设计为：为了检测所述数据阶段（468），检测在所述总线（40）上的状态；和/或

其中所述数据阶段检测块（231）被设计为：为了检测所述数据阶段（468），对根据从所述总线（40）接收到的消息（46）所产生的数字接收信号（RXD1）进行分析。

8.根据权利要求6所述的重叠检测单元（230；330），其中所述发送方检测块（232）被设计为：对由所述订户站（20；30）发送到所述总线（40）的发送信号（TX）进行分析。

9.根据权利要求8所述的重叠检测单元（230；330），

其中所述发送方检测块（232）被设计为：为了分析所述发送信号（TX），对所述发送信号（TX）的边沿变换进行计数；和/或

其中所述发送方检测块（232）被设计为：为了分析所述发送信号（TX），实施对所述发送信号（TX）的顺序解码；和/或

其中所述发送方检测块（232）被设计为：为了分析所述发送信号（TX），将所述发送信号（TX）与根据从所述总线（40）接收到的消息（46）所产生的数字接收信号（RXD1）进行比较。

10.根据权利要求1或2所述的重叠检测单元（230；330），

其中在所述第一通信阶段为了将所述消息（45；46）传输到所述总线（40）上而在所述总线系统（1）的订户站（10、20、30）之间协商所述订户站（10、20、30）中的哪个订户站在随后的第二通信阶段至少暂时具有对所述总线系统（1）的总线（40）的独占的、无冲突的访问，

其中所述第二通信阶段是数据阶段（468），在所述数据阶段，在所述总线（40）上传输所述消息（45；46）的有效数据。

11.一种用于串行总线系统（1）的订户站（20；30），所述订户站具有：

通信控制装置（21；31），用于将消息（45；46）发送到所述总线系统（1）的总线（40）和/或用于从所述总线系统（1）的总线（40）接收消息（45；46）；

发送/接收装置（22；32），用于将所述消息（45；46）发送到所述总线（40）上和/或从所述总线（40）接收所述消息（45；46）；和

根据上述权利要求中任一项所述的重叠检测单元（230；330），所述重叠检测单元与所述通信控制装置（11；21；31）和所述发送/接收装置（12；22；32）接线，

其中所述发送/接收装置（22；32）被设计为：在以第一比特率来进行发送时为所述消息（45；46）的第一数字数据状态产生第一总线状态（401）并且为所述消息（45；46）的第二数字数据状态产生第二总线状态（402），使得所述第二总线状态（402）能够覆盖所述第一总线状态（401），而且

其中所述发送/接收装置（22；32）被设计为：在以比所述第一比特率更高的第二比特率来进行发送时，产生不同的总线状态（401、402），使得用于所述消息（45；46）的不同的数字数据状态的总线状态（401、402）不能相互覆盖。

12.根据权利要求11所述的订户站（20；30），其中所述发送/接收装置（22；32）被设计为：在以所述第二比特率来发送时，产生不同的总线状态（401、402），使得针对所述消息（45；46）的不同的数字数据状态的总线状态（401、402）不能彼此覆盖；或者在以所述第二比特率来发送时，产生与在以所述第一比特率来发送时不同的总线状态（401、402）。

13.一种总线系统（1），所述总线系统具有：

总线（40）；和

至少两个订户站（10；20；30），所述至少两个订户站经由所述总线（40）来彼此连接，使得所述至少两个订户站能够彼此进行串行通信，而且所述至少两个订户站中的至少一个订户站（20；30）是根据权利要求11或12所述的订户站（20；30）。

14.根据权利要求13所述的总线系统（1），

所述总线系统还具有至少一个附加的订户站（10），为了在所述总线（40）上传输消息（45），所述至少一个附加的订户站只被设计为：在所述消息（45）的第一通信阶段和第二通信阶段，在所述总线（40）上产生总线状态（401、402），使得所述第二总线状态（402）能够覆盖所述第一总线状态（401），

其中所述至少一个附加的订户站（10）经由所述总线（40）与所述至少两个订户站（20；30）连接，使得这些订户站（10、20、30）能够彼此进行串行通信。

15.一种用于串行总线系统（1）中的通信的方法，其中所述方法具有如下步骤：

利用发送/接收装置（22；32）来将消息（45；46）发送到所述总线系统（1）的总线（40）上，其中所述总线系统（1）的订户站（20、30）为了发送消息（45；46）而在第一通信阶段（467）利用第一物理层在所述总线（40）上产生总线状态（401、402）并且在第二通信阶段（468）利用与所述第一物理层不同的第二物理层来产生所述总线状态；和/或

利用所述发送/接收装置（22；32）来从所述总线系统（1）的总线（40）接收消息（45；46）；

利用冲突检测块（233）来检测在所述总线系统（1）的总线（40）上的总线状态（401、402）；

利用所述冲突检测块（233）来产生信号（S_D、rxd_SW），所述信号的值说明了在所述第二通信阶段（468）中的总线状态（401、402）是否具有对应于或不对应于所述第一物理层与所述第二物理层的重叠或者两个第二物理层的重叠的电平；而且

利用所述冲突检测块（233）来针对所述订户站（20；30）输出所述信号（S_D、rxd_SW）。

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