CN113330719A - 用于串行总线系统的用户站和在串行总线系统中通信的方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于串行总线系统（1）的用户站（10；30）和一种用于在串行总线系统（1）中通信的方法。所述用户站（10；30）具有通信控制装置（11；31），用于控制所述用户站（10；30）与所述总线系统（1）的至少一个其他用户站（10；20；30）的通信，以及发送/接收装置（12；32），用于将由所述通信控制装置（11；31）产生的发送信号（TXD）发送到所述总线系统（1）的总线（40）上，其中对于在所述总线系统（1）的用户站（10、20、30）之间交换的消息（45）而言，在第一通信阶段（451）发送到所述总线（40）上的信号的比特时间（t_bt）不同于在第二通信阶段（452）发送的信号的比特时间（t_bt），其中所述通信控制装置（11；31）被设计为根据帧（450；450_1；4500）来产生所述发送信号，在所述帧中除了说明所述消息（45）的优先级的字段（ID）之外还设置用于数据类型（DT）的字段，并且其中所述通信控制装置（11；31）被设计为将值写入用于数据类型（DT）的字段，该值说明所述帧（450；450_1；4500）的数据字段（455）中存在何种类型的信息。

Description

用于串行总线系统的用户站和在串行总线系统中通信的方法

技术领域

本发明涉及用于串行总线系统的用户站和用于在串行总线系统中通信的方法，利用所述用户站和所述方法除了纯数据传输之外还支持其他功能，如功能安全性（Safety）、数据安全性（Security）和 QoS（Quality of Service，服务质量），例如帧的最大等待时间的保证、总线系统中用户站（节点）的时间同步。

背景技术

目前，为了在传感器和控制设备（例如在车辆中）之间进行通信，越来越多地使用总线系统来代替点对点连接，在所述总线系统中数据作为ISO11898-1：2015标准中的消息进行传输，所述标准是使用CAN FD的CAN协议规范。这些消息在总线系统的总线用户之间传输，所述总线用户例如是传感器、控制设备、发送器等。在此，CAN FD目前在引入阶段的第一步骤中大多采用2Mbit/s（兆比特/秒）的数据比特率在车辆中传输数据字段的比特，并且采用500kbit/s（千比特/秒）的仲裁比特率在车辆中传输仲裁字段的比特。

通过这样的总线系统交换越来越多的信息。特别是除了纯数据传输之外还应该支持其他的功能，如功能安全性（Safety）、数据安全性（Security）和QoS（Quality ofService，服务质量），例如保证一个帧的最大延迟、总线系统中用户站（节点）的时间同步。然而，应用者仍然希望进一步提高总线系统中的数据速率，以至少保持总线系统中的数据传输速度，并且尽可能进一步提高该数据传输速度。

为此，可以想到通知接收节点哪些信息位于通过总线发送的帧中。在经典 CAN 和CAN FD的情况下，帧的内容通过帧标识符（ID，Frame Identifier）告知，该帧标识符也用于仲裁。这在原理上是可行的，因为每个用户站（节点）都发送带有专有帧标识符的帧。这对应于帧标识符和内容的平面分配。然而，这样的分配不能很好地伸缩并且不够灵活。

发明内容

因此，本发明的任务是提供解决上述问题的用于串行总线系统的用户站和用于在串行总线系统中通信的方法。特别地，应当提供用于串行总线系统的用户站和用于在串行总线系统中通信的方法，其中可以在通信具有较大灵活性和较大错误鲁棒性的同时实现高数据率并且增加每帧的有用数据量。

该任务通过具有权利要求1的特征的用于串行总线系统的用户站来解决。所述用户站具有通信控制装置，用于控制所述用户站与所述总线系统的至少一个其他用户站的通信，以及发送/接收装置，用于将由所述通信控制装置产生的发送信号发送到所述总线系统的总线上，其中对于在所述总线系统的用户站之间交换的消息而言，在第一通信阶段发送到所述总线上的信号的比特时间不同于在第二通信阶段发送的信号的比特时间，其中所述通信控制装置被设计为根据帧来产生所述发送信号，在所述帧中除了说明消息优先级的字段之外还设置用于数据类型的字段，并且其中所述通信控制装置被设计为将值写入用于数据类型的字段，该值说明帧的数据字段中存在何种类型的信息。

由于所述用户站的设计，在所述总线上传输以便在所述总线系统的用户站之间交换消息的帧中引入通信协议情况下的抽象层。由此将以下两个事件分开，即：

- 所述总线上的数据传输，包括发送帧、错误处理等。

- 附加功能，如功能安全性（Safety）、数据安全性（Security）和 QoS（服务质量），例如保证帧的最大等待时间、总线系统中用户站（节点）的时间同步等等。

由此使得由所述用户站用于所述总线系统的通信协议更易于理解并且因此在功能上更可靠，所述通信协议例如可以是CAN FD的后继通信协议，特别是CAN FX协议。此外，由此使得该通信协议模块化，因此可以为将来轻松扩展，以插入附加功能，而且无需更改帧格式。可以借助于软件将新的附加功能添加到旧的实现中，从而不同的实现保持兼容。因此也可以非常灵活地扩展用于所述总线系统的通信协议。

此外，所述用户站的设计还使得所传输的信息类型能够在帧中的一个小字段中告知。因此，该协议对于所有类型的信息都保持不变。由此信息的类型不会改变帧格式，从而不需要每个用户站的通信控制装置都能够在硬件中处理不同类型的帧格式，因为只有一种帧格式。

结果，即使在数据速率增加时，利用所述用户站也可以保证具有在所述总线系统的新附加功能方面很大灵活性并且具有低错误率地发送和接收帧。

在此，利用所述总线系统中的用户站特别是可以在第一通信阶段保持从CAN已知的仲裁，并且与CAN或CAN FD相比仍然显著提高传输速率。

如果在所述总线系统还存在至少一个CAN用户站和/或至少一个CAN FD用户站，这些用户站根据CAN协议和/或CAN FD协议发送消息，则也可以使用由所述用户站执行的方法。

在从属权利要求中说明了所述用户站的有利的其他设计。

根据一种变型，所述通信控制装置被设计为在用于数据字段的数据长度代码的字段之前或之后设置用于数据类型的字段。

根据一种特定的实施变型，所述通信控制装置被设计为在所述发送信号中的所述数据字段的第一和/或第二字节中设置用于数据类型的字段。

根据一个实施例，所述通信控制装置被设计为在用于数据类型的字段中具有预定值的情况下在所述数据字段中附加地设置用于数据类型的至少一个字段并且在所述数据字段的该字段中写入说明什么类型的信息存在于所述帧的数据字段中的值。在此，在用于数据类型的字段中的预定值可以说明有用数据被划分成多个帧，并且在所述数据字段中在用于数据类型的附加字段前面设置报头（Header），该报头的值说明有用数据被划分成的帧的连续帧号和有用数据被划分成的帧的总数。

可能地，信息的类型包括：所述有用数据具有原始数据，或所述有用数据具有以太网帧，或所述有用数据具有基于互联网协议的分组，或用加密机制来保护帧的至少一部分，或所述有用数据具有用于协商预定参数以用于在所述总线系统中通信的数据，或所述有用数据具有用于时间同步的数据，或所述有用数据具有消息标识符，或所述有用数据具有对所述消息的来源和目标的说明。

可选地，对于不允许由所述用户站的其他单元发送的数据类型，向所述通信控制装置排他地提供该数据类型的至少一个预定值。

所述用户站还可以具有协议扩展块，用于评估所述有用数据中用于数据类型的字段和可选存在的用于数据类型的附加字段，并且用于基于评估结果对所述消息执行所需要的处理。在此，所述协议扩展块可以具有至少一个模块，该至少一个模块对所述消息的所需要的处理进行评估和执行。替代地或附加地，可以借助于硬件来对所述消息的所需要的处理进行评估和/或执行。替代地或附加地，可以借助于在所述用户站的微控制器上运行的软件来对所述消息的所需要的处理进行评估和/或执行。

可以想到，为所述消息形成的帧被构建为与CAN FD兼容。

可能的是，在第一通信阶段中协商所述总线系统的哪个用户站在随后的第二通信阶段中获得对所述总线的至少暂时排他的、无冲突的访问。

上述用户站可以是总线系统的一部分，该总线系统还包括总线和至少两个用户站，所述至少两个用户站经由所述总线相互连接，使得所述至少两个用户站可以彼此串行通信。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。

上述任务还通过根据权利要求15的用于在串行总线系统中通信的方法来解决。该方法使用总线系统的用户站来执行，所述用户站具有通信控制装置和发送/接收装置，其中所述方法包括以下步骤：使用所述通信控制装置控制所述用户站与所述总线系统的至少一个其他用户站的通信，以及利用发送/接收装置将由所述通信控制装置产生的发送信号发送到所述总线系统的总线上，其中对于在所述总线系统的用户站之间交换的消息而言，在第一通信阶段发送到所述总线上的信号的比特时间不同于在第二通信阶段发送的信号的比特时间，其中所述通信控制装置根据帧来产生所述发送信号，在所述帧中除了说明消息优先级的字段之外还设置用于数据类型的字段，并且其中所述通信控制装置将值写入用于数据类型的字段，该值说明帧的数据字段中存在什么类型的信息。

所述方法提供了与上述关于用户站所述的相同的优点。

本发明的其他可能的实现方式还包括上面或下面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，本领域技术人员还向本发明的相应基本形式添加各个方面作为改进或补充。

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总线系统的简化框图；

图2示出了用于显示可以由根据第一实施例的总线系统的用户站发送的消息的结构的示意图；

图3示出了用于显示可以由根据第一实施例的修改的总线系统的用户站发送的消息的结构的示意图；

图4示出了根据第一实施例的总线系统的用户站的简化示意框图；

图5示出了总线信号CAN_H和CAN_L的时间变化过程，这些总线信号在根据第一实施例的用户站中是总线信号CAN-FX_H和CAN-FX_L；

图6示出了在根据第一实施例的用户站中总线信号CAN-FX_H和CAN-FX_L的差分电压VDIFF的时间变化过程；

图7A至图7E示出了用于显示根据图2的具有不同数据类型的消息的结构的示意图；

图8示出了用于显示根据图2的分段消息的结构的示意图；

图9示出了用于显示可以由根据第三实施例的总线系统的用户站发送的消息的结构的示意图；以及

图10示出了用于显示可以由根据第四实施例的总线系统的用户站发送的消息的结构的示意图。

在图中，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示出了总线系统1，该总线系统1特别是基本上被设计用于CAN总线系统、CAN FD总线系统、CAN FX总线系统和/或它们的变型，如下面描述的。总线系统1可以用在车辆（特别是机动车辆）、飞机等中，或者用在医院等中。

在图1中，总线系统1具有大量用户站10、20、30，每个用户站连接到具有第一总线芯线41和第二总线芯线42的总线40。总线芯线41、42也可以称为CAN_H和CAN_L或CAN-FX_H和CAN-FX_L，并且用于在为发送状态下的信号耦合输入显性电平或产生隐性电平之后进行电信号传输。信号形式的消息45、46可以经由总线40在各个用户站10、20、30之间串行传输。如果在总线40上的通信期间出现错误，如通过图1中锯齿状的黑色块箭头所示，则可以可选地发送错误帧47（Error Flag，错误标志)。用户站10、20、30例如是机动车辆的控制设备、传感器、显示设备等。

如图1中所示，用户站10具有通信控制装置11、发送/接收装置12和校验和单元15。用户站20具有通信控制装置21、发送/接收装置22和校验和单元25。用户站30具有通信控制装置31、发送/接收装置32和校验和单元35。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40，即使这在图1中未显示。

每个通信控制装置11、21、31用于控制相应用户站10、20、30经由总线40与连接到总线40的用户站10、20、30中的至少一个其他用户站的通信。

通信控制装置11、31创建并读取第一消息45，所述第一消息例如是经过修改的CAN消息45。在此，经过修改的CAN消息45是基于CAN FX格式构建的，参照图2更详细地对该格式进行描述，并且其中使用了相应的校验和单元15、35。通信控制装置11、31还可以实施为取决于需要为发送/接收装置12、32提供CAN FX消息45或CAN FD消息46或从发送/接收装置12、32接收CAN FX消息45或CAN FD消息46。在此也使用了相应的校验和单元15、35。通信控制装置11、31因此创建和读取第一消息45或第二消息46，其中第一和第二消息45、46通过其数据传输标准而彼此不同，即在这种情况下为CAN FX或CAN FD。

通信控制装置21可以像根据ISO11898-1：2015的传统CAN控制器那样实施，即就像容忍CAN FD的经典CAN CAN控制器或CAN FD控制器那样。通信控制装置21创建和读取第二消息46，例如CAN FD消息46。在CAN FD消息46中可以包括0到64个数据字节，CAN FD消息46还以比经典CAN消息明显更快的数据速率传输。特别地，通信控制装置21像传统的CAN FD控制器那样实施。

发送/接收装置22可以像根据ISO11898-1:2015的传统CAN收发器或CAN FD收发器那样实施。发送/接收装置12、32可以被实施为取决于需要为相关联的通信控制装置11、31提供根据CAN FX格式的消息45或根据目前CAN FD格式的消息46或从相关联的通信控制装置11、31接收这些消息。

利用两个用户站10、30，可以形成并且然后传输具有CAN FX格式的消息45以及接收这样的消息46。

图2针对消息45示出了CAN FX帧450，其由通信控制装置11为发送/接收装置12提供以发送到总线40上。在此，通信控制装置11在本实施例中将帧450创建为与CAN FD兼容，也如图2所示。这同样适用于用户站30的通信控制装置31和发送/接收装置32。

根据图2，用于在总线40上进行CAN通信的CAN FX帧450分为不同的通信阶段451、452，即仲裁阶段451和数据阶段452。帧450具有仲裁字段453、控制字段454、数据字段455、用于校验和F_CRC的校验和字段456、同步字段457和确认字段458。

在仲裁阶段451，借助于仲裁字段453中的标识符（ID）在用户站10、20、30之间逐比特地协商：哪个用户站10、20、30想发送具有最高优先级的消息45、46，并且因此在随后的数据阶段452中的下一个用于发送的时间内获得对总线系统1的总线40的排他访问。在仲裁阶段451，就像在CAN和CAN-FD的情况下那样使用物理层。所述物理层对应于已知OSI模型（开放系统互连模型）的比特传输层或层1。

在阶段451期间的重要一点是使用已知的CSMA/CR方法，该方法允许用户站10、20、30同时访问总线40而不会破坏更高优先级的消息45、46。由此可以相对容易地将另外的总线用户站10、20、30添加到总线系统1，这是非常有利的。

CSMA/CR方法的结果是总线40上必须存在所谓的隐性状态，所述隐性状态可以由其他用户站10、20、30用总线40上的显性状态覆盖。在隐性状态中，在各个用户站10、20、30上高欧姆关系占主导，这与总线电路的寄生相组合而导致更长的时间常数。这导致当今CAN-FD物理层的最大比特率在实际车辆使用中被限制为目前大约每秒2兆比特。

在数据阶段452中，除了控制字段454的一部分之外还发送CAN-FX帧的有用数据或来自数据字段455的消息45的有用数据，以及用于校验和F_CRC的校验和字段456。

当作为发送方的用户站10赢得仲裁并且作为发送方的用户站10因此为了发送而对总线系统1的总线40具有排他访问权时，消息45的发送方才开始将数据阶段452的比特发送到总线40上。

通常，与CAN或CAN FD相比，在使用CAN FX的总线系统中可以实现以下不同的特性：

a）采用并在必要时适配经过验证的特性，这些特性负责CAN和CAN FD的鲁棒性和用户友好性，特别是根据CSMA/CR方法的具有标识符和仲裁的帧结构，

b）显著提高净数据传输率，特别提高到大约每秒10兆比特，

c）增加每帧有用数据的大小，特别是增加到大约4千比特。

如图2所示，用户站10在作为第一通信阶段的仲裁阶段451中部分地、特别是直到FDF比特为止（包括FDF比特）使用从CAN/CAN-FD已知的根据ISO11898-1：2015的格式。相反，从FDF比特开始，用户站10在第一通信阶段和第二通信阶段（即数据阶段452）中使用下文描述的CAN FX格式。

在本实施例中，CAN FX和CAN FD是兼容的。在此，从CAN FD已知的res比特（以下称为FXF比特）用于从CAN FD格式切换到CAN FX格式。因此CAN FD和CAN FX的帧格式直到res比特为止都是相同的。CAN FX用户站，即这里的用户站10、30，也支持CAN FD。

作为其中使用具有11比特的标识符（Identifier）的图2中所示的帧450的替代，可选地可以使用CAN FX扩展帧格式，其中使用具有29比特的标识符（Identifier）。直到FDF比特为止，这都与来自ISO11898-l:2015的已知CAN FD扩展帧格式相同。

根据图2，帧450从SOF比特到FDF比特（包括FDF比特）都与根据ISO11898-1:2015的CAN FD基本帧格式相同。因此这里不进一步解释已知的结构。在图2中其下方的直线上用粗线显示的比特在帧450中作为显性发送。在图2中其上方的直线上用粗线显示的比特在帧450中作为隐性发送。

通常，在产生帧450时使用两种不同的填充规则。直到控制字段454中的FXF比特为止都适用CAN FD的动态比特填充规则，从而必须在5个相同比特之后插入一个相反的填充比特。在控制字段454中的FX比特之后适用固定填充规则，从而在固定数量的比特之后插入一个固定填充比特。替代地，代替仅一个填充比特，可以插入两个或更多个比特作为固定填充比特。

在帧450中，FXF比特紧跟在FDF比特之后，FXF比特从该位置开始对应于CAN FD基本帧格式中的“res比特”，如上所述。因此，如果FXF比特被发送为1，即隐性，则将帧450识别为CAN FX帧。对于CAN FD帧，通信控制装置11将FXF比特设置为0，即显性。

在帧450中，FXF比特之后是resFX比特，resFX比特是供将来使用的显性比特。对于帧450，resFX必须作为0发送，即显性。然而，如果用户站10接收到为1的resFX比特，即隐性，则接收用户站10例如进入协议异常状态（Protocol Exception State），正如在CAN FD消息46的情况下针对res=1所执行的。resFX比特也可以被完全相反地定义，即resFX比特必须作为1发送，即隐性，从而接收用户站在显性resFX比特的情况下进入协议异常状态。

在帧450中，resFXF比特之后是序列BRS AD，在序列BRS AD中编码了预定的比特序列。该比特序列允许从仲裁阶段451的仲裁比特率简单而可靠地切换到数据阶段452的数据比特率。例如，BRS AD的比特序列由隐性仲裁比特和随后的显性数据比特组成。在这个例子中，可以在提到的两个比特之间的边沿切换比特率。

在帧450中，序列BRS AD之后是DT字段，在DT字段中说明了数据字段455的有用数据的数据类型（Data Type＝DT），将在下面更详细地描述该DT字段。DT字段的长度例如为1个字节；由此可以定义28=256种不同的数据类型（Data Type）。当然，也可以为DT字段选择其他长度。数据类型（Data Type）根据数据字段455中包含哪种信息类型来表征数据字段455的内容。取决于DT字段中的值，在数据字段455中还传输附加的报头或尾标，这些报头或尾标是附加于实际有用数据（User Data）而设置的，如下面基于图7A至7E更详细地描述的。替代地，DT字段布置在数据字段455的开头，即例如在数据字段455的第一个字节中。

在帧450中，DT字段之后是DLC字段，在DLC字段中插入了数据长度代码（DLC），其说明帧450的数据字段455中的字节数。数据长度代码（DLC）可以采取从1到数据字段455的最大长度或数据字段长度的任何值。如果最大数据字段长度特别是2048比特，则在假设DLC=0表示数据字段长度为1个字节并且DLC=2047表示数据字段长度为2048个字节的条件下，数据长度代码（DLC）需要11比特。替代地，可以允许长度为0的数据字段455，例如在CAN的情况下。在此，DLC=0例如是使用0字节对数据字段长度进行编码。最大可编码数据字段长度例如为11比特，于是(2^11)-1=2047。

在帧450中，DLC字段之后是报头校验和H_CRC。该报头校验和是用于保护帧450的报头（Header）的校验和，即，从帧450以SOF比特开始到报头校验和H_CRC开始的所有比特，包括所有的动态和可选的固定填充比特到报头校验和H_CRC的开始。报头校验和H_CRC的长度以及因此根据循环冗余校验（CRC）的校验和多项式的长度应当根据期望的汉明距离来加以选择。将由报头校验和H_CRC保护的数据字在数据长度代码（DLC）为11比特时比27比特长。因此，报头校验和H_CRC的多项式必须是至少13比特长，以达到6的汉明距离。报头校验和H_CRC的计算在下文中还要更详细地加以描述。

在帧450中，报头校验和H_CRC之后是数据字段455（Data Field）。数据字段455由1到n个数据字节组成，其中n例如是2048字节或4096字节或任意其他值。替代地，可以想到数据字段长度为0。如前所述，数据字段455的长度被编码在DLC字段中。如前所述，DT字段可选地布置在数据字段455的开头，即例如布置在数据字段455的第一个字节中。

在帧450中，数据字段455之后是帧校验和F_CRC。帧校验和F_CRC由帧校验和F_CRC的比特组成。帧校验和F_CRC的长度以及因此CRC多项式的长度应当根据期望的汉明距离加以选择。帧校验和F_CRC保护整个帧450。替代地，可选地仅数据字段455由帧校验和F_CRC保护。下面更详细地描述帧校验和F_CRC的计算。

在帧450中，帧校验和F_CRC之后是序列BRS DA，在序列BRS DA中对预定比特序列进行编码。该比特序列允许从数据阶段452的数据比特率简单而可靠地切换到仲裁阶段451的仲裁比特率。例如，BRS DA的比特序列由一个隐性数据比特和随后的一个显性仲裁比特组成。在这个示例中，可以在提到的两个比特之间的边沿切换比特率。

在帧450中，序列BRS DA之后是同步字段，在所述同步字段中规定同步模式（SyncPattern）。同步模式是允许接收用户站10、30在数据阶段452之后识别仲裁阶段451的开始的比特模式。同步模式允许例如由于错误的报头校验和H_CRC而不知道数据字段455的正确长度的接收用户站10、30彼此同步。这些用户站然后可以发送“否定确认”以报告错误的接收。当CAN FX在数据字段455中不再允许错误帧47（Error Flags，错误标志）时，这一点特别重要。

在帧450中，同步字段之后是确认字段（ACK Field），该确认字段由多个比特组成，即在图2的示例中由ACK比特、ACK-dlm比特、NACK比特和NACK-dlm比特组成。NACK比特和NACK-dlm比特是可选比特。如果接收用户站10、30正确接收到帧450，则接收用户站10、30将ACK比特作为显性发送。发送用户站将ACK比特作为隐性发送。因此，在帧450中最初发送到总线40上的比特可以被接收用户站10、30覆盖。ACK-dlm比特作为隐性比特发送，其用于与其他字段分开。NACK比特和NACK-dlm比特用于使接收用户站能够发信号通知总线40上帧450的非正确接收。该比特的功能类似于ACK比特和ACK-dlm比特的功能。

在帧450中，确认字段（ACK Field）之后是结束字段（EOF=帧结束）。结束字段（EOF）的比特序列用于表征帧450的结束。结束字段（EOF）确保在帧450结束时发送8个隐性比特。这是不能出现在帧450内的比特序列。由此，帧450的结束可以被用户站10、20、30可靠地识别。

结束字段（EOF）的长度根据在NACK比特中看到的是显性比特还是隐性比特而不同。如果发送用户站已接收到作为显性的NACK比特，则结束字段（EOF）具有7个隐性比特。否则，结束字段（EOF）只有5个隐性比特长。

在帧450中，结束字段（EOF）之后是帧间间隔（IFS—Inter Frame Space）。该帧间距离（IFS）与在CAN FD的情况下一样根据ISO11898-l:2015来加以设计。

图2说明了标题的细分顺序的具体示例。替代地，可以对标题的细分顺序不同地排序。例如，可以将DLC字段布置在DT字段之前，如图3中作为本实施例的修改所示。

图4示出了具有通信控制装置11、发送/接收装置12和校验和单元15的用户站10的基本结构，校验和单元15是通信控制装置11的一部分，更准确地说是通信控制装置11的协议控制器111。此外，通信控制装置11具有协议扩展模块112，具有至少一个、但特别是大量扩展模块1121至112N，例如消息管理模块1121、时间同步模块1122、CANsec模块1123、接收信号过滤模块1124、发送信号过滤模块1125等。可以设置和使用任意数量的模块或其他模块。

用户站30以与图3所示类似的方式构建，但根据图1的校验和单元35与通信控制装置31和发送/接收装置32分开布置。因此不单独描述用户站30。

根据图4，用户站10除了通信控制装置11和发送/接收装置12之外还具有微控制器13，该微控制器被分配给通信控制装置11并且具有中央处理单元（CPU）131。此外，通常安装了能量供应装置（未示出），其为发射/接收装置12供应电能。该能量供应装置通常提供5伏的电压CAN_Supply。然而，取决于需要，上述能量供应装置可以提供具有其他值的其他电压。附加地或替代地，所述能量供应装置可以被设计为电流源。

通信控制装置11负责实现CAN FX功能。

在协议扩展块112中组合了所有高阶协议扩展功能。这些功能可以以模块化的方式、即由各个模块1121至112N来实现。协议扩展或协议扩展功能（Protocol Extension）因此可以容易地得到添加并且对协议控制器111没有反馈作用。协议扩展原则上可以替代地或附加地以软件实现，然后该软件在微控制器13的中央处理单元131上执行。信号CRTL可以在协议控制器111和协议扩展块112之间交换，利用信号CRTL可以控制发送和接收。

例如，消息管理模块1121（Message Handler，消息处理器）存储有限数量的待发送和接收的消息45。其中存储有消息45的必要存储器可以替代地布置在通信控制装置11之外，其中在消息管理模块1121中存储状态信息，即例如是否存储了消息45的状态信息。必要时，消息管理模块1121还可以将消息45划分为多个较小帧450地发送消息45并且将消息45划分为多个较小帧450地接收消息45——即将消息45的各部分分配给一个消息。

例如，时间同步模块1122（TimeSync）自主地执行时间同步并为此发送和接收CANFX消息45。这些信息由时间同步模块1122提供给中央处理单元131。

例如，如果需要，CANsec模块1123用加密方法保护消息45。

例如，接收信号过滤模块1124可以过滤输入的消息45，以减轻中央处理单元131的负担。

例如，发送信号过滤模块1125可以为各个消息45分配优先级ID（用于仲裁的ID）并且动态地适配该优先级ID。此外，发送信号过滤模块1125可选地可以确保待发送的消息45在该消息随后以加密形式发送之前由CANsec模块加密保护。

校验和单元15计算先前描述的帧校验和F_CRC和先前描述的报头校验和H_CRC。

发送/接收装置12具有未示出的发送器和接收器。即使总是在下面提及发送/接收装置12，替代地也可以在发送器外部的单独装置中设置接收器。发送器和接收器可以以与传统发送/接收装置22情况下相同的方式构建。

发送/接收装置12连接到总线40，更准确地说连接到其用于CAN_H或CAN-FX_H的第一总线芯线41和其用于CAN_L或CAN-FX_L的第二总线芯线42。

在总线系统1运行时，发送/接收装置12的发送器将通信控制装置11的发送信号TXD转换为用于总线芯线41、42的对应信号CAN-FX_H和CAN-FX_L，并将信号CAN-FX_H和CAN-FX_L在用于CAN_H和CAN_L的连接端处发送到总线40上。发送/接收装置12实现已知OSI模型的第1层，即发送/接收装置12将待发送的各个比特物理编码在总线40上，例如作为差分电压VDIFF=CAN-FX_H-CAN-FX_L。

发送/接收装置12的接收器从根据图5从总线40接收的信号CAN-FX_H和CAN-FX_L中形成接收信号RXD，并将该接收信号转发到通信控制装置11，如图4所示。除了空闲状态或待机状态（Idle或Standby）之外，发送/接收装置12在正常运行时利用接收器总是监听数据或消息45、46在总线40上的传输，而且与发送/接收装置12是否是消息45的发送方无关。

根据图5的示例，信号CAN-FX_H和CAN-FX_L至少在仲裁阶段451中具有显性和隐性总线电平401、402，如从CAN已知的。在总线40上形成差分信号VDIFF=CAN-FX_H-CAN-FX_L，如图6所示。具有比特时间t_bt的信号VDIFF的各个比特可以通过0.7V的接收阈值加以识别。在数据阶段452中，信号CAN-FX_H和CAN-FX_L的比特比在仲裁阶段451中发送得更快，即具有更短的比特时间t_bt。因此，信号CAN-FX_H和CAN-FX_L在数据阶段452中至少在其更高比特率方面不同于传统信号CAN_H和CAN_L。

图4中信号CAN-FX_H、CAN-FX_L的状态401、402的序列以及由此得到的图6的电压VDIFF的变化过程仅用于显示用户站10的功能。可以根据需要选择总线状态401、402的数据状态序列。

换言之，发送/接收装置12的发送器在根据图4的第一运行类型中产生第一数据状态作为总线状态402，其具有用于总线线路的两个总线芯线41、42的不同总线电平，并且产生第二数据状态作为总线状态401，其具有用于总线40的总线线路的两个总线芯线41、42的相同总线电平。

此外，针对在包括数据阶段452的第二运行类型中信号CAN-FX_H、CAN-FX_L的时间变化过程，发送/接收装置12的发送器以更高的比特率将比特发送到总线40上。还可以在数据阶段452中使用与在CAN FD情况下不同的物理层来产生CAN-FX_H和CAN-FX_L信号。由此与在CAN FD的情况相比，数据阶段452中的比特率可以进一步增加。

不同数据类型的示例在图7A到7E中的DT字段中示出并在下面加以说明。以下示例说明了例如DT字段的用途：

在图7A中，帧450的DT字段包含值0x00，这表示正常CAN FX帧450，在该帧中原始数据作为有用数据4551包含在数据字段455中。帧450没有扩展，并且因此被构建为与经典CAN和CAN FD的情况一样。该数据类型对于只因为更高的比特率和大的可能数据字段长度而使用CAN FX的用户来说特别感兴趣。

此外，值0x01到0x0F可以包含在帧450的DT字段中，这表示CAN FX网络内的管理消息，其中总线系统1是CAN FX网络的一部分。在DT字段中具有这种值或数据类型的帧450只能由通信控制装置11、31（CAN FX控制器）自主或排他地发送。这些值0x01到0x0F中的至少一个排他地供通信控制装置11、31使用。即，微控制器13上的软件或用户站10、30的其他单元不能指示CAN FX控制器11发送在DT字段中具有这种值或数据类型的帧450。一种应用情况是自动协商（auto-negotiation），其中CAN FX控制器或通信控制装置11在总线40上协商某些东西，这例如是用于总线系统1中的通信的比特率或其他参数。另一种应用情况是时间同步，其中CAN FX控制器或通信控制装置11可以发送和接收用于时间同步的帧。例如，数据类型DT=0x04代表用于时间同步的同步消息。具有这些数据类型DT的帧450不必被转发给用户，即中央处理单元（CPU），但可以被过滤掉。

此外，帧450的DT字段可以包含值0x10，这表示分段的CAN FX帧450。原则上，发送用户站还可以在具有较短数据字段455的多个帧450中而不是在具有长数据字段455的一个帧450中发送消息45。这对应于简单传输协议的行为。较短的帧450缩短了具有更高优先级的其他帧450的必要等待时间，因此提高了实时能力。

帧450的接收方从DT字段=0x10中识别出这只是消息45的一部分。在数据字段455的开头是分段报头（Segment-Header），该分段报头包含以下信息：传输帧450的消息的第几段（部分），总共有多少段，以及消息45的内容的数据类型DT。

在图7B中，帧450的DT字段包含值0x21，这表示以太网隧道。CAN FX的预期应用领域之一是以太网帧4552的隧道传输，即透明转发。因此，以太网帧4552位于数据字段455中，也就是说，更准确地说，以太网帧4552的所有字段根据以太网协议从“目标MAC地址”开始直到“有效载荷”（包括“有效载荷”）。

在图7C中，帧450的DT字段包含值0x12，这表示消息标识符（MessageID）4553。这意味着消息标识符4553存储在数据字段455的前4个字节中。这是有利的，因为CAN FX在仲裁阶段451中仅具有短ID以增加净数据速率。CAN中使用的“RX消息过滤器”现在可以在接收到的帧具有DT=0xl2的情况下根据消息标识符4553来过滤。在帧450具有其他数据类型DT的情况下，根据由数据类型DT提供的字段来过滤是有利的。这些字段是可以任意选择的。在不考虑DT字段中的数据类型DT的情况下一般地根据数据字段455中的前4个字节来过滤是没有意义的。

在图7D中，帧450的DT字段包含值0x11，这表示CAN安全帧（CANsec＝CANSecurity）。这种CAN安全帧意味着使用了密码机制来保护数据字段455的部分和帧455的其他字段。例如，在数据字段455的开头存在安全报头（Security-Header）4554。安全报头4554包含关于所采取的安全措施的类型的信息，特别是消息45的完整性是否受到签名或消息验证码的保护，或者数据字段455是否被加密以保持机密性，或者是否实现了两种安全措施。此外，可以包含关于所使用的密钥（例如密钥17）的信息和/或关于通信信道和分组编号的信息。例如，如果在安全报头4554中设置了签名这一选项，则在数据字段455的最后4个字节中存在带有签名的安全尾标（Security Trailer）4555。否则没有安全尾标4555。

此外，帧450的DT字段可以包含值0x13，这表示CAN FX帧450具有源标识符和目标标识符（Source and Destination ID）。源标识符和目标标识符存储在数据字段455的第一个字节中。这模拟了以太网帧中包含的源地址和目标地址。在CAN中使用的接收信号过滤器1124（RX Message Filter）现在可以在接收到具有数据类型DT＝0xl3的帧450时根据源标识符和目标标识符来过滤。

此外，帧450的DT字段可以包含值0x20，这例如表示具有互联网协议版本4的CANFX帧450。在这样的帧450中，互联网协议版本4的分组位于数据字段455中。当然，取决于数据类型DT是如何设定的，根据其他协议的任何分组都是可能的。互联网协议也越来越频繁地用于车辆内部的网络。

如先前结合图2所描述的，消息45的数据长度代码（DLC）分别说明数据字段455的长度，该长度由于所使用的数据类型DT而对应于包括任何另外的报头（Header）4554或尾标（Trailer）4555的有用数据的长度。替代地，也可以使用数据长度代码（DLC）仅对有用数据的长度进行编码，就像在以太网的情况下所执行的那样。然而，这样做的缺点是CAN FX协议控制器或通信控制装置11必须在对帧450进行解码时知道所使用的所有数据类型DT，以便知道帧450在哪里结束。

根据图7E，数据类型DT的嵌套（英语：nesting）也是可能的。在此，数据类型DT可以例如说明容纳在数据字段455中的报头4554也包含数据类型DT，如图7E中作为示例示出的。在此，递归数据类型是可能的。换句话说，多重嵌套是可能的。在此，任何数量或深度的嵌套都是可能的。因此，在数据字段455中设置了至少一个用于数据类型DT的字段，并在数据字段455的该字段中写入以下值，该值说明帧450的数据字段455中存在何种类型的信息。特别地，在此数据字段455可以用于不同类型的信息。

在图7E的具体示例中，CAN FX帧的数据类型DT具有值0x11，这代表CANsec。数据字段455中的安全报头4554同样包含数据类型DT。如果以太网帧4552包含在用CANsec保护的消息45中，则安全报头4554中的数据类型DT被设置为0x21，如图7E的中间部分所示。如果在受保护的帧中包含IPv4分组，则会在安全报头4554中说明数据类型DT=0x20。

图8在具体示例中示出了如何在4个帧R1到R4中发送具有2040个字节的CAN FX消息450，因为用户已将有用数据4551的最大量限制为每帧R1、R2、R3、R4 512个字节。因此发送4个帧，即分别具有512个字节的有用数据4551的3个帧R1、R2、R3和1个帧，即具有504个字节的有用数据4551的帧R4。前3个R1、R2、R3的数据长度代码（DLC）具有为514个字节的值。在最后一个帧R4中，数据长度代码（DLC）的值为506个字节，因为分别包含具有2个字节的分段报头（segment header）SO。在分段报头SO的第一个字节中，在字段S1中说明了当前段的数量（4比特），然后说明了段的总数（4比特），如图8所显示的。当然，帧450在帧R1到RN中的其他分段也是可能的，其中N是任意自然数。

图9示出了根据第三实施例的帧450_1，其中CAN FX和CAN FD是兼容的。在该实施例中，帧450_1以及因此CAN FX帧格式不同于图2的帧450，如下所述。在此，仅描述与图2的帧450的不同之处。在其他方面，两个实施例的帧450、450_1是相同的。

在帧450_1中，将S_C字段插入在报头校验和H_CRC之前。在S_C字段中传输所发送的动态填充比特的数量（填充计数）。S_C字段可以具有1到n个比特。在这种情况下，即对于第450_1帧来说，最多出现3个动态填充比特，即n可以被选择为2。替代地，可以传输“动态填充比特数量模X”以减少待传输的比特数量。X例如可以是2。

然而，通过该变型，与图2的帧450相比，帧450_1的数据过剩变得更大。

在帧450_1的一种修改中，在S_C字段中插入填充补偿器而不是发送的动态填充比特的数量（填充计数）。填充补偿器具有0到m个比特，其中m对应于可出现到FDF比特为止的动态填充比特的最大数量。在此，动态填充比特和填充补偿器比特的总和始终等于m。

填充补偿器确保帧450_1的帧报头的长度恒定。例如，在标识符（ID）为11比特的情况下，最多可以出现三个动态填充比特。因此，在标识符（ID）具有11比特的情况下m=3。在具有动态填充比特的帧450_1中，填充补偿器的长度为2比特，因为3-1=2比特。由此数据字段455总是在从帧的开头起固定数量的比特之后开始。

图10示出了根据第四实施例的帧4500，其中CAN FX和CAN FD是不兼容的。在该实施例中，帧4500以及因此CAN FX帧格式不同于图2的帧450，如下面描述的。在此仅描述与图2的帧450的差异。其余的，这两个实施例的帧450、4500是相同的。

一般而言，在产生根据本实施例的帧4500时仅使用固定填充规则，从而应当在固定数量的比特之后插入固定填充比特。替代地，也可以插入2个或更多比特而不是仅一个填充比特来作为固定填充比特。在数据长度代码（DLC）的值已知的情况下，这导致恒定的帧长度或帧4500的恒定长度。这防止了由动态填充比特引起的各种问题。

在根据本实施例的图10的帧4500中，标识符（ID）不再像在CAN FD的情况下那样限于11比特或29比特的数量。标识符（ID）的比特数量k可以自由选择。然而，数量k也可以替代地设定为固定值。k=8比特的ID对高净数据速率是有意义的。该ID足以为总线系统1的每个用户站10、20、30提供足够多的总线访问优先级。然而，当然可以为k选择其他值，这取决于总线系统1中不同优先级的需要和数量。

图2的帧450的比特RRS、IDE、FDF、FXF在图10的帧4500中不再需要并且被省略。这节省了4比特，从而减少了帧过剩。由此增加了总线系统1中的净数据速率。

如果NACK比特为显性，则图10的帧4500中的结束字段（EOF）仅具有5比特。相反，如果NACK比特是隐性的，则结束字段（EOF）具有3比特。这确保了在帧4500的结尾发送6个隐性比特。如果在仲裁阶段451中在5个相同比特之后插入固定填充比特，则该数目的隐性比特不能出现在有效帧4500中的其他任何地方。替代地，这可以是多于6比特。特别地，EOF比特的数量必须适配于其后插入固定填充比特的比特的数量。

帧间间隔（IFS）在帧4500中不需要最小长度。特别地，帧间间隔（IFS）可以具有长度为0，即，它可以被完全省略。在这种情况下，两个帧4500将被无缝地先后发送。然而，为了相比于前述情况提高总线系统1的鲁棒性，数量例如为1比特的帧间间隔（IFS）也是有意义的。由于现在两个帧4500之间存在7个隐性比特，新的用户站可以更可靠地在总线40上同步。

因此在帧4500的情况下，不存在动态填充比特。因此不需要来自图10的字段S_C，从而甚至进一步降低了帧过剩。可选地，也可以省略报头校验和H_CRC，使得帧过剩进一步减小。这将总线系统1中的净数据速率增加了甚至更多。

总线系统1的用户站10、20、30和在其中执行的方法的所有先前描述的设计可以单独使用或以所有可能的组合使用。特别地，上述实施例的所有特征和/或其修改可以任意组合。附加地或替代地，特别是可以想到以下修改。

即使上面以CAN总线系统为例描述了本发明，本发明也可以用于任何通信网络和/或通信方法中，其中使用两个不同的通信阶段，在这些通信阶段中为不同的通信阶段产生的总线状态彼此不同。特别地，本发明可用于其他串行通信网络的开发，如以太网和/或100Base-Tl以太网、现场总线系统等。

特别地，根据实施例的总线系统1可以是其中可以以两种不同的比特率串行传输数据的通信网络。有利的、但不是强制性的前提是，在总线系统1中至少在特定的时间段内保证一个用户站10、20、30对公共信道的排他的、无冲突的访问。

在这些实施例的总线系统1中的用户站10、20、30的数量和布置是任意的。特别是可以取消总线系统1中的用户站10。在总线系统1中可以存在用户站20或30中的一个或多个。可以想到，总线系统1中的所有用户站都被相同地设计，即仅存在用户站10或仅存在用户站30。

Claims (15)

1.一种用于串行总线系统（1）的用户站（10；30），所述用户站具有

通信控制装置（11；31），用于控制所述用户站（10；30）与所述总线系统（1）的至少一个其他用户站（10；20；30）的通信，以及

发送/接收装置（12；32），用于将由所述通信控制装置（11；31）产生的发送信号（TXD）发送到所述总线系统（1）的总线（40）上，

其中对于在所述总线系统（1）的用户站（10、20、30）之间交换的消息（45）而言，在第一通信阶段（451）发送到所述总线（40）上的信号的比特时间（t_bt）不同于在第二通信阶段（452）发送的信号的比特时间（t_bt），

其中所述通信控制装置（11；31）被设计为根据帧（450；450_1；4500）来产生所述发送信号，在所述帧中除了说明所述消息（45）的优先级的字段（ID）之外还设置用于数据类型（DT）的字段，并且

其中所述通信控制装置（11；31）被设计为将值写入所述用于数据类型（DT）的字段，该值说明所述帧（450；450_1；4500）的数据字段（455）中存在何种类型的信息。

2.根据权利要求1所述的用户站（10；30），其中所述通信控制装置（11；31）被设计为在所述发送信号（TXD）中在用于所述数据字段（455）的数据长度代码（DLC）的字段之前或之后设置所述用于数据类型（DT）的字段。

3.根据权利要求1或2所述的用户站（10；30），其中所述通信控制装置（11；31）被设计为在所述发送信号（TXD）中的所述数据字段（455）的第一和/或第二字节中设置所述用于数据类型（DT）的字段。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的用户站（10；30），其中所述通信控制装置（11；31）被设计为在所述用于数据类型（DT）的字段中具有预定值的情况下在所述数据字段（455）中附加地设置用于数据类型（DT）的至少一个字段并且在所述数据字段（455）的该字段中写入说明什么类型的信息存在于所述帧（450；450_1；4500）的数据字段（455）中的值。

5.根据权利要求4所述的用户站（10；30），其中在所述用于数据类型（DT）的字段中的预定值说明所述有用数据（4551）被划分成多个帧（450；450_1；4500），并且在所述数据字段（455）中在用于数据类型（DT）的附加字段前面设置报头（S1），所述报头的值说明所述有用数据（4551）被划分成的帧（R1、R2、R3、R4）的连续帧号和所述有用数据（4551）被划分成的帧（R1、R2、R3、R4）的总数。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的用户站（10；30），其中信息的类型包括：所述有用数据（4551）具有原始数据，或所述有用数据（4551）具有以太网帧，或所述有用数据（4551）具有互联网协议的分组，或用加密机制来保护所述帧（450；450_1；4500）的至少一部分，或所述有用数据（4551）具有用于协商预定参数以用于在所述总线系统（1）中通信的数据，或所述有用数据（4551）具有用于时间同步的数据，或所述有用数据（4551）具有消息标识符（4553），或所述有用数据（4551）具有所述消息（45）的来源和目标的说明。

7.根据前述权利要求中任一项所述的用户站（10；30），其中对于不允许由所述用户站（10；30）的其他单元发送的数据类型（DT），向所述通信控制装置（11；31）排他地提供该数据类型的至少一个预定值。

8.根据前述权利要求中任一项所述的用户站（10；30），还具有协议扩展块（112），用于评估所述有用数据（4551）中用于数据类型（DT）的字段和可选存在的用于数据类型（DT）的附加字段，并且用于基于评估结果来对所述消息（45）执行所需要的处理。

9.根据权利要求7所述的用户站（10；30），其中所述协议扩展块（112）具有至少一个模块（1121-112N），所述至少一个模块对所述消息（45）的所需要的处理进行评估和执行。

10.根据权利要求7或8所述的用户站（10；30），其中对所述消息（45）的所需要的处理的评估和/或执行借助于硬件来执行。

11.根据权利要求7至9中任一项所述的用户站（10；30），其中借助于在所述用户站（10；30）的微控制器（13）上运行的软件来对所述消息（45）的所需要的处理进行评估和/或执行。

12.根据前述权利要求中任一项所述的用户站（10；30），其中为所述消息（45）形成的帧（450；450_1）被构建为与CAN FD兼容。

13.根据前述权利要求中任一项所述的用户站（10；30），其中在所述第一通信阶段（451）中协商所述总线系统（1）的哪个用户站（10、20、30）在随后的第二通信阶段（452）中获得对所述总线（40）的至少暂时排他的、无冲突的访问。

14.一种总线系统（1），具有

总线（40），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（40）相互连接，使得所述至少两个用户站能够串行地相互通信，并且所述至少两个用户站中的至少一个用户站（10；30）是根据前述权利要求中任一项所述的用户站（10；30）。

15.一种用于在串行总线系统（1）中通信的方法，其中所述方法使用所述总线系统（1）的用户站（10；30）来执行，所述用户站具有通信控制装置（11；31）和发送/接收装置（12；32），其中所述方法包括以下步骤：

使用所述通信控制装置（11；31）控制所述用户站（10；30）与所述总线系统（1）的至少一个其他用户站（10；20；30）的通信，以及

利用所述发送/接收装置（12；32）将由所述通信控制装置（11；31）产生的发送信号（TXD）发送到所述总线系统（1）的总线（40）上，

其中对于在所述总线系统（1）的用户站（10、20、30）之间交换的消息（45）而言，在第一通信阶段（451）发送到所述总线（40）上的信号的比特时间（t_bt）不同于在第二通信阶段（452）发送的信号的比特时间（t_bt），

其中所述通信控制装置（11；31）根据帧（450；450_1；4500）来产生所述发送信号，在所述帧中除了说明所述消息（45）的优先级的字段（ID）之外还设置用于数据类型（DT）的字段，并且

其中所述通信控制装置（11；31）将值写入所述用于数据类型（DT）的字段，该值说明所述帧（450；450_1；4500）的数据字段（455）中存在何种类型的信息。

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