CN113841362A - 用于串行总线系统的用户站和用于在串行总线系统中进行通信的方法 - Google Patents

Abstract

提供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）中进行通信的方法。用户站（10；30）具有通信控制设备（11；31），用于控制用户站（10；30）与总线系统（1）的至少一个另外的用户站（10；20；30）的通信；以及发送/接收设备（12；32），用于将由通信控制设备（11；31）产生的发送信号（TXD）作为帧（450；4500）发送到总线系统（1）的总线（40）上，其中对于在总线系统（1）的用户站（10、20、30）之间交换的帧（450；4500），在第一通信阶段（451）中发送到总线（40）上的信号的位时间（t_bt）不同于在第二通信阶段（452）中发送的信号的位时间（t_bt），其中通信控制设备（11；31）被构成用于在第一运行方式中为第一帧（450）产生发送信号（TXD），第一帧（450）根据预先给定的通信协议构成，总线系统（1）中的另外的用户站（10；20；30）利用预先给定的通信协议通信，以及其中通信控制设备（11；31）被构成用于在第二运行方式中为第二帧（4500）产生发送信号（TXD），第二帧（4500）将与在预先给定的通信协议中指派给至少一个位的功能不同的功能指派给该位。

Description

用于串行总线系统的用户站和用于在串行总线系统中进行通 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进行通信的方法，利用所述用户站和所述方法除了纯数据传递之外，还支持其他功能，例如安全（功能安全性）、保障（数据安全性）和QoS（Quality of Service，服务质量，诸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。

背景技术

例如在交通工具中对于在传感器和控制设备之间的通信，出于成本原因目前越来越频繁地使用总线系统而不是点对点连接，在所述总线系统中数据作为消息在作为具有CAN FD的CAN协议规范的标准ISO11898-1:2015中被传输。消息在总线系统的用户站、诸如传感器、控制设备、发送方等之间被传输。在此情况下，目前在引入阶段中在第一步骤中在交通工具中大多数在传输数据字段的位时以2Mbit/s（兆位/秒）的数据位速率并且在传输仲裁字段的位时以500kbit/s的仲裁位速率使用CAN FD。

经由这样的总线系统交换越来越多的信息。尤其是除了纯数据传递之外，还应该支持其他功能，例如安全（功能安全性）、保障（数据安全性）和QoS（Quality of Service，服务质量，诸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。还存在用户的愿望：进一步升高总线系统中的数据速率，以便至少保持并且尽可能仍然进一步提高总线系统中的数据传输速度。

为此，可设想的是，通知接收节点哪个信息处于经由总线发送的帧中。在经典CAN和CAN FD情况下，通过帧标识符（ID，帧标识符）来通知帧的内容，所述帧标识符也被用于仲裁。因为每个用户站（节点）发送具有专用帧标识符的帧，所以这在原则上可行。这对应于帧标识符和内容的平面分配。

关于经由总线发送的帧向接收节点通知越多的信息，必须为帧标识符维持越多的位并且然后经由总线来传输。然而，由于仲裁位比数据位长得多，由此净数据速率降低。

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进行通信的方法。尤其是，应该提供一种用于串行总线系统的用户站和一种用于在串行总线系统中进行通信的方法，其中可以传送关于经由总线发送的帧的数据的尽可能多的信息，而不由此降低用于帧的先前数据速率，并且不由此失去与用户站的以前通信版本的兼容性，使得与用户站的以前通信版本相比，可以实现每帧用户数据量的升高。

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。用户站具有通信控制设备，用于控制用户站与总线系统的至少一个另外的用户站的通信，以及具有发送/接收设备，用于将由通信控制设备产生的发送信号作为帧发送到总线系统的总线上，其中对于在总线系统的用户站之间交换的帧，在第一通信阶段中发送到总线上的信号的位时间不同于在第二通信阶段中发送的信号的位时间，其中通信控制设备被构成用于在第一运行方式中为第一帧产生发送信号，所述第一帧根据预先给定的通信协议被构成，总线系统中的另外的用户站利用所述预先给定的通信协议通信，并且其中通信控制设备被构成用于在第二运行方式中为第二帧产生发送信号，所述第二帧将与在预先给定的通信协议中指派给至少一个位的功能不同的功能指派给该位。

基于用户站的构型，在帧的开头处可以将标识符扩展一位，而不延长在CAN情况下是仲裁阶段的第一通信阶段并且不影响与通信协议的以前版本的兼容性，所述通信协议尤其可以是CAN FD。

由此，即使在CAN FD后续格式的情况下也可以如迄今为止在CAN情况下常见的那样使用标识符。也就是说，标识符给出关于发送者、内容和关于消息的优先级的情报。

因此，可以利用用户站延长帧标识符，并且从而可以在其中存储关于帧的更多信息，而不必添加位，并且由此净数据速率降低。

因此，用户可以灵活地决定应该在帧的开头已经通知关于帧的内容的多少信息。然而，与通信控制设备的决定或配置的结果或到第二运行方式的切换无关地，帧也对于用于总线系统的帧规范的所有当前版本是兼容的。

由此向用户提供一种非常灵活和非耗费的可能性来使用户站以及从而也使总线系统在无大的耗费的情况下适配于分别存在的应用。

由此，即使在数据速率升高时，也可以利用用户站保证在总线系统的新附加功能方面以大的灵活性并且以低的错误率发送和接收帧。

在此情况下，利用总线系统中的用户站尤其可能的是，在第一通信阶段中保持从CAN已知的仲裁，并且仍然再次显著地相对于CAN或CAN FD升高传输速率。

如果在总线系统中还存在根据CAN协议和/或CAN FD协议发送消息的至少一个CAN用户站和/或至少一个CAN FD用户站，则也可以使用由用户站执行的方法。

在从属权利要求中给出用户站的有利的其他构型。

至少一个位可以具有第一通信阶段的位时间。

第一帧中的至少一位可能具有控制功能和在预先给定的通信协议中规定的固定值，其中第二帧中的至少一个位具有标识符的最低有效位的功能，所述标识符在第二帧中直接布置在用信号通知帧的开始的位之后。

在另一构型中可能的是，第一帧的标识符可以给出消息的优先级，并且第二帧的标识符可以具有关于发送者、内容和关于消息的优先级的信息。

在另一构型中，至少一个位具有至少一个格式切换位，给所述格式切换位指派在通信协议中预定的值用于在第一和第二通信阶段之间进行切换。

可设想的是，至少一个格式切换位具有CAN FX帧的FDF位和/或FXF位。

用户站此外可以具有协议扩展块，用于评估用于数据类型的字段和用于在有效数据中的数据类型的可选地存在的附加的字段并且用于基于评估结果执行所需要的消息处理。

可设想的是，为消息形成的帧被构建为与CAN FD兼容的。

可能的是，在第一通信阶段中协商总线系统的用户站中的哪个用户站在随后的第二通信阶段中获得对总线的至少暂时排他性的无冲突的访问。

先前描述的用户站可以是总线系统的一部分，所述总线系统此外包括总线和至少两个用户站，所述用户站经由总线相互连接，使得所述用户站可以彼此串行通信。在此情况下，至少两个用户站中的至少一个是先前描述的用户站。

前述任务此外通过根据权利要求11的用于在串行总线系统中进行通信的方法来解决。利用总线系统的用户站执行该方法，所述用户站具有通信控制设备和发送/接收设备，其中该方法具有步骤：利用通信控制设备控制用户站与总线系统的至少一个另外的用户站的通信，以及利用发送/接收设备将由通信控制设备产生的发送信号作为帧发送到总线系统的总线上，其中对于在总线系统的用户站之间交换的帧，在第一通信阶段中发送到总线上的信号的位时间不同于在第二通信阶段中发送的信号的位时间，其中通信控制设备在第一运行方式中为第一帧产生发送信号，所述第一帧根据预先给定的通信协议被构成，总线系统中的另外的用户站利用所述预先给定的通信协议通信，并且其中通信控制设备在第二运行方式中为第二帧产生发送信号，所述第二帧将与在预先给定的通信协议中指派给至少一个位的功能不同的功能指派给该位。

该方法提供与如先前关于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先前或在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，本领域技术人员还将添加个别方面作为对本发明的相应基本形式的改善或补充。

附图说明

下面参照附图并且根据实施例更详细地描述本发明。其中：

图1示出根据第一实施例的总线系统的简化框图；

图2示出用于阐明消息的结构的图解，所述消息在第一运行方式中可以由根据第一实施例的总线系统的用户站发送；

图3示出用于阐明消息的结构的图解，所述消息在第二运行方式中可以由根据第一实施例的总线系统的用户站发送；

图4示出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示出总线信号CAN_H和CAN_L的时间变化过程，所述总线信号在根据第一实施例的用户站的情况下是总线信号CAN-FX_H和CAN-FX_L；和

图6示出在根据第一实施例的用户站的情况下总线信号CAN-FX_H和CAN-FX_L的差分电压VDIFF的时间变化过程。

在图中，只要无另外说明，相同或功能相同的元件配备有相同的附图标记。

具体实施方式

作为示例，图1示出总线系统1，所述总线系统1尤其是基本上针对CAN总线系统、CAN FD总线系统、CAN FX总线系统和/或其变体被构成，如下面描述的那样。总线系统1可以在交通工具、尤其是机动车、飞机等中或者在医院等中使用。

在图1中，总线系统1具有多个用户站10、20、30，所述用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。总线芯线41、42也可以被称为CAN_H和CAN_L或CAN-FX_H和CAN-FX_L，并且用于在发送状态中为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。可以在各个用户站10、20、30之间串行地经由总线40以信号的形式传输消息45、46。如果当在总线40上进行通信时出现错误，如通过图1中锯齿状黑体箭头所示，则可以可选地发送错误帧47（错误标志（Error Flag））。用户站10、20、30例如是机动车的控制设备、传感器、显示装置等。

如图1中所示，用户站10具有通信控制设备11、发送/接收设备12和校验和单元15。用户站20具有通信控制设备21、发送/接收设备22和校验和单元25。用户站30具有通信控制设备31、发送/接收设备32和校验和单元35。用户站10、20、30的发送/接收设备12、22、32分别直接连接到总线40上，即使这在图1中未阐明。

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

通信控制设备11、31创建并且读取第一消息45，所述第一消息例如是经修改的CAN消息45。在此情况下，经修改的CAN消息45基于CAN FX格式构建，所述CAN FX格式参考图2更详细地得以描述，并且在所述CAN FX格式的情况下使用相应的校验和单元15、35。通信控制设备11、31此外可以被实施用于根据需求为发送/接收设备12、32提供CAN FX消息45或CANFD消息46或从所述发送/接收设备接收CAN FX消息45或CAN FD消息46。在此情况下也使用相应的校验和单元15、35。通信控制设备11、31创建和因此读取第一消息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、即在这种情况下为CAN FX或CAN FD来区分。

通信控制设备21可以如根据ISO11898-1:2015的传统CAN控制器那样来实施，即如CAN FD更容忍的经典CAN CAN控制器或CAN FD控制器。通信控制设备21创建并且读取第二消息46，例如CAN FD消息46。在CAN FD消息46情况下可以包括0直至64个数据字节的数量，所述数据字节仍为此以比在经典CAN消息的情况下快得多的数据速率被传输。尤其是，通信控制设备21如传统CAN FD控制器那样来实施。

发送/接收设备22可以如根据ISO 11898-1:2015的传统CAN收发器或CAN FD收发器那样来实施。发送/接收设备12、32可以被实施用于根据需求为所属的通信控制设备11、31提供根据CAN FX格式的消息45或根据当前CAN FD格式的消息46或者从所述所属的通信控制设备11、31接收根据CAN FX格式的消息45或根据当前CAN FD格式的消息46。

利用两个用户站10、30可以实现：构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45。

图2针对消息45示出CAN FX帧450，如其由通信控制设备11在第一运行方式中为发送/接收设备12提供以用于发送到总线40上。在此情况下，通信控制设备11在本实施例情况下将帧450创建为与CAN FD兼容的，如也在图2中阐明的那样。同样内容类似地适用于用户站30的通信控制设备31和发送/接收设备32。

图3针对消息45示出帧4500，替代于图2中所示的帧450可以切换到所述帧4500上。因此，通信控制设备11可以在第二运行方式中为发送/接收设备12提供帧4500用于发送到总线40上。与使用具有11位的标识符（Identifier）的帧450不同，帧4500具有其中使用具有12位的标识符（Identifier）的CAN FX扩展帧格式。

根据图2和3的两个帧450、4500直至标识符（ID）的第11位为止是相同的。然而，在第二运行方式中，通信控制设备11使用帧450的RRS位作为第十二标识符位。由此，帧4500的标识符可以具有关于帧4500或消息45的发送方或发送者、内容和优先级的信息。而在帧450的标识符中只能包含关于帧450或消息45的优先级的信息。必要时，还可以使用帧450的优先级来推断帧450或消息45的发送方或发送者。在其他方面，两个帧450、4500相同地构建。

给出帧450、4500与CAN FD的兼容性，因为在帧4500中，RRS位被重新献予12位标识符的最低有效位LSB（least significant bit）。在切换到帧4500的格式之后，即在切换到第二运行方式之后，于是从CAN FX用户站10、30的角度看，在SOF位之后的前12位是标识符位。SOF位用信号通知帧450、4500的开始。

根据图2和图3，用于在总线40上进行CAN通信的CAN FX帧450、4500被细分成不同的通信阶段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中，在两个帧450、4500的情况下借助于仲裁字段453中的标识符（ID）逐位地在用户站10、20、30之间协商，哪个用户站10、20、30想要发送具有最高优先级的消息45、46并且因此在下一时间内得到对总线系统1的总线40的排他性访问，以便在随后的数据阶段452中发送。

为了对总线40的下一个排他性无冲突访问，帧4500利用其12位标识符左对齐地相对于帧450的11位标识符加上显性RRS位或相对于CAN FD帧进行仲裁。

IDE位即使在4500帧情况下也不被用作隐性标识符位，因为在CAN FD格式中隐性发送的IDE位转换为29位标识符。因此，IDE位显性地被发送。

在帧450、4500的仲裁阶段451中，使用如在CAN和CAN-FD情况下的物理层。物理层对应于已知的OSI模型（开放系统互连模型（Open Systems Interconnection Model））的物理层或第1层。

在阶段451期间的重要点是使用已知的CSMA/CR方法，所述CSMA/CR方法允许用户站10、20、30同时访问总线40，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他总线用户站10、20、30添加到总线系统1，这是非常有利的。

CSMA/CR方法导致在总线40上必须存在所谓的隐性状态，可以由其他用户站10、20、30用总线40上的显性状态改写所述隐性状态。在隐性状态下，在各个用户站10、20、30处存在着高欧姆情况，这与总线电路的寄生相结合地导致更长的时间常数。这导致将当今CANFD物理层的最大位速率在真实交通工具使用中限制为当前大约每秒2兆位。

在数据阶段452中，除了控制字段454的一部分之外，还发送来自数据字段455的CAN-FX帧或消息45的有效数据以及用于校验和F_CRC的校验和字段456。

只有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因此具有对总线40的排他性访问以用于发送时，消息45的发送方才开始将数据阶段452的位发送到总线40上。

完全一般而言，与CAN或CAN FD相比，在具有CAN FX的总线系统中可以实现以下不同的特性：

a）采用并且在必要时适配经验证的特性，所述特性负责CAN和CAN FD的稳健性和用户友好性，尤其是根据CSMA/CR方法具有标识符和仲裁的帧结构，

b）升高净数据传输速率，尤其是升高到大约每秒10兆位，

c）提升每帧有效数据的大小，尤其是提升到大约4 kbyte（千字节）。

如图2和图3中所示，用户站10在两种运行方式中为了创建帧450、4500在作为第一通信阶段的仲裁阶段451中部分地、尤其是直至FDF位（包括在内）使用根据ISO11898-1:2015的由CAN/CAN-FD已知的格式。而自FDF位起，用户站10在第一通信阶段中以及在第二通信阶段、即数据阶段452中使用在下面描述的CAN FX格式。

在本实施例中，CAN FX和CAN FD是兼容的。在此情况下，使用由CAN FD已知的res位（在下面称为FXF位）用于从CAN FD格式切换到CAN FX格式。因此CAN FD和CAN FX的帧格式直至res位为止是相同的。CAN FX用户站、即在这里用户站10、30也支持CAN FD。

根据图2，帧450从SOF位直至包括FDF位在内为止与根据ISO11898-1:2015的CANFD基本帧格式是相同的。因此在这里不进一步阐述已知的结构。如前所描述的，根据图3的帧4500仅在RRS位的功能方面不同。在帧450、4500的情况下适用的是，在图2、图3中在其下方的线处用粗线条示出的位在帧450、4500中作为显性的被发送。此外，在帧450、4500的情况下适用的是，在图2、3中在其上方的线用粗线条示出的位在帧450、4500中作为隐性的被发送。

通常，在产生帧450、4500时使用两个不同的填充规则。直至控制字段454中的FXF位为止，CAN FD的动态位填充规则适用，使得可以在5个相同的位之后按顺序插入反填充位。在控制字段454中的FX位之后，固定填充规则适用，使得可以在固定数目的位之后插入固定填充位。可替代地，代替仅一个填充位，可以插入数目为2个或更多个位作为固定填充位。

在帧450、4500中，FXF位紧跟在FDF位之后，所述FXF位从该位置对应于CAN FD基本帧格式中的“res位”，如先前所提及的。如果FXF位作为1、即隐性的被发送，则该FXF位从而将帧450、4500标识为CAN FX帧。对于CAN FD帧，通信控制设备11将FXF位设置为0、即显性的。

在帧450、4500中resFX位跟随在FXF位之后，所述resFX位是用于将来使用的显性位。对于帧450、4500，resFX必须作为0、即显性的被发送。然而，如果用户站10接收作为1、即隐性的resFX位，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实施的那样。resFX位也可能恰好相反地被定义，即所述resFX位必须作为1、即隐性的被发送，使得接收用户站在显性resFX位的情况下进入协议异常状态。

在帧450、4500中序列BRS AD跟随在resFXF位之后，在所述序列BRS AD中对预定的位序列进行编码。该位序列允许从仲裁阶段451的仲裁位速率简单且可靠地切换到数据阶段452的数据位速率。例如，BRS AD的位序列由被显性数据位跟随的隐性仲裁位组成。在该示例中，位速率可以在提到的两个位之间的边沿处被切换。

在帧450、4500中DT字段跟随在序列BRS AD之后，在所述DT字段中给出数据字段455的有效数据的数据类型（Data Type＝DT），这在下面更确切地描述。DT字段具有长度例如为1个字节；从而可以定义2⁸=256种不同的数据类型（Data Types）。当然可以为DT字段选择另外的长度。数据类型（Data Type）鉴于在数据字段455中包含哪种信息来指示数据字段455的内容。根据DT字段中的值，在数据字段455中也还传输附加的头部或尾部，所述附加的头部或尾部除了实际有效数据（User Data（用户数据））之外被设置。可替代地，DT字段布置在数据字段455的开头，也即例如布置在数据字段455的第一字节中。利用DT字段可以实现附加功能，例如安全（功能安全性）、保障（数据安全性）和QoS（Quality of Service，服务质量，诸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。由此，通信协议是模块化的，并且因此将来可以简单地被扩展，以便插入附加功能，而且不必改变帧格式。借助于软件可以在旧的实现中添加新的附加功能，使得不同的实现保持兼容。因此，对于总线系统所使用的通信协议也可以非常灵活地被扩展。

在帧450、4500之后DLC字段跟随在DT字段之后，在所述DLC字段中插入了数据长度码（DLC=Data Length Code），所述数据长度码给出帧450、4500的数据字段455中的字节的数量。数据长度码（DLC）可以采取从1直至数据字段455的最大长度或数据字段长度的每个值。如果最大数据字段长度尤其为2048位，则在假设DLC=0表示具有数量为1字节的数据字段长度并且DLC=2047表示具有数量为2048字节的数据字段长度的情况下，数据长度代码（DLC）需要11位的数量。可替代地，可以允许长度0的数据字段455，诸如在CAN的情况下。在此情况下，DLC=0例如将会对具有数量为0字节的数据字段长度进行编码。最大可编码数据字段长度在例如11位的情况下于是为

。

在帧450、4500中头部校验和H_CRC跟随在DLC字段之后。头部校验和是用于保护帧450的头部（Headers）（即从具有SOF位的帧450、4500的开始直至头部校验和H_CRC的开始的所有位，包括所有动态和可选地直至头部校验和H_CRC的开始为止的固定填充位在内）的校验和。可以根据期望的汉明距离来选择头部校验和H_CRC的长度以及从而根据循环冗余校验（CRC）的校验和多项式的长度。由头部校验和H_CRC要保护的数据字在数据长度代码（DLC）为11位时长于27位。因此，头部校验和H_CRC的多项式必须至少13位长，以便实现6的汉明距离。在下面更确切地描述头部校验和H_CRC的计算。

在帧450、4500中数据字段455（Data Field）跟随在头部校验和H_CRC之后。数据字段455由1至n个数据字节组成，其中n例如是2048字节或4096字节或任意另外的值。可替代地，为0的数据字段长度是可设想的。如先前描述的，数据字段455的长度在DLC字段中被编码。如先前所描述的，DT字段可选地布置在数据字段455的开头处，也即例如布置在数据字段455的第一字节中。

在帧450、4500中帧校验和F_CRC跟随在数据字段455之后。帧校验和F_CRC由帧校验和F_CRC的位组成。帧校验和F_CRC的长度以及从而CRC多项式的长度可以根据期望的汉明距离来选择。帧校验和F_CRC保护整个帧450、4500。可替代地，可选地仅数据字段455利用帧校验和F_CRC来保护。

在帧450、4500中序列BRS DA跟随在帧校验和F_CRC之后，在所述序列BRS DA中对预定的位序列进行编码。该位序列允许简单且安全地从数据阶段452的数据位速率切换到仲裁阶段451的仲裁位速率。例如，BRS DA的位序列由被显性仲裁位跟随的隐性数据位组成。在该示例中，位速率可以在提到的两个位之间的边沿处被切换。

在帧450、4500中Sync字段跟随在BRS DA序列之后，在所述Sync字段中维持同步模式（Sync Pattern）。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的开始的位模式。同步模式允许例如由于错误的头部校验和H_CRC而不知道数据字段455的正确长度的接收用户站10、30同步。随后，这些用户站可以发送“否定应答”以便通知有错误的接收。当CAN FX在数据字段455中不再允许错误帧47（Error Flag（错误标志））时，这尤其是非常重要的。

在帧450、4500中确认字段（ACK字段）跟随在Sync字段之后，所述确认字段由多个位组成，即在图2的示例中由ACK位、ACK-dlm位、NACK位和NACK-dlm位位组成。NACK位和NACK-dlm位是可选位。如果接收用户站10、30已正确地接收到帧450、4500之一，则接收用户站10、30作为显性的发送ACK位。发送用户站作为隐性的发送ACK位。因此，在帧450、4500中最初发送到总线40上的位可以被接收用户站10、30改写。ACK-dlm位作为隐性位被发送，其用于与其他字段分开。NACK位和NACK-dlm位用于使得接收用户站能够用信号通知在总线40上对帧450、4500的不正确接收。位的功能如ACK位和ACK-dlm位的功能一样。

在帧450、4500中结束字段（EOF=End of Frame（帧结束））跟随在确认字段（ACK字段）之后。结束字段（EOF）的位序列用于指示帧450、4500的结束。结束字段（EOF）负责在帧450、4500的结束处发送数量为8的隐性位。这是不能在帧450、4500内出现的位序列。由此，可以由用户站10、20、30安全地识别帧450、4500的结束。

结束字段（EOF）具有根据在NACK位中是看到了显性位还是隐性位而不同的长度。如果发送用户站已作为显性的接收了NACK位，则结束字段（EOF）具有数量为7的隐性位。否则，结束字段（EOF）仅是5个隐性位长。

在帧450、4500中，帧间间隔（IFS-Inter Frame Space）跟随在结束字段（EOF）之后。该帧间间隔（IFS）如在根据ISO11898-1:2015的CAN FD情况下那样来构成。

图2和图3给出帧450、4500的头部的细分顺序的特别示例。可替代地，头部的细分顺序可以不同地排序。例如，DLC字段可以布置在DT字段之前。

图4示出具有通信控制设备11、发送/接收设备12和校验和单元15的用户站10的基本结构，所述校验和单元15是通信控制设备11、更确切地说其协议控制器111的一部分。此外，通信控制设备11具有协议扩展块112，所述协议扩展块具有至少一个、然而尤其是多个扩展模块1121至112N，诸如消息管理模块1121、时间同步模块1122、CANsec模块1123、接收信号过滤模块1124、发射信号过滤模块1125等。可以设置和使用任意多个模块或其他模块。

用户站30以与图4中所示的类似的方式构造，但是根据图1的校验和单元35与通信控制设备31和发送/接收单元32分开地布置。因此不单独地描述用户站30。

根据图4，除了通信控制设备11和发送/接收设备12之外，用户站10还具有微控制器13，通信控制设备11被分配给所述微控制器13并且所述微控制器具有中央处理单元（Central Processing Unit=CPU）131。附加地，通常装入未示出的能量供应设备，所述能量供应设备给发送/接收设备12供应电能。能量供应设备通常提供5V的电压CAN_Supply。然而，根据需求，能量供应设备可以提供具有另外的值的另外的电压。附加地或可替代地，能量供应设备可以被构成为电源。

通信控制设备11负责在先前关于图2和图3的帧450、4500阐述的第一或第二运行方式中实现CAN FX功能。

在协议扩展块112中，联合所有较高级的协议扩展功能。协议扩展块112用于评估DT字段、即其中包含的数据类型以及用于有效数据中的数据类型的可选地存的附加字段，以及用于根据评估结果执行所需要的消息处理。在此情况下，协议扩展块112可以具有至少一个模块1121至112N，所述模块执行所需要的消息处理的评估和执行。可替代地或附加地，可以借助于硬件执行所需要的消息处理的评估和/或执行。可替代地或附加地，可以借助于在用户站10的微控制器13上运行的软件来执行所需要的消息处理的评估和/或执行。

功能可以以模块化的方式、即由各个模块1121至112N实现。因此，协议扩展或协议扩展功能（Protocol Extensions）可以容易地被补充并且对协议控制器111无反作用。原则上可替代地或附加地可以以软件实现协议扩展，所述软件然后在微控制器13的中央处理单元131上被执行。可以在协议控制器111和协议扩展块112之间交换信号CRTL，利用所述信号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。可替代地，存放消息45的必要的存储器也可以布置在通信控制设备11之外，其中附加信息（也即例如是否存储消息45）存储在消息管理模块1121中。必要时，消息管理模块1121还可以以划分成多个较小的帧450、4500的方式发送消息45并且以划分成多个较小的帧450、4500的方式接收消息45——即将消息45的部分分配给一个消息。

例如，时间同步模块1122（TimeSync）自给自足地执行时间同步并且为此发送和接收CAN FX消息45。时间同步模块1122将信息提供给中央处理单元131。

例如，在需要时，CANsec模块1123利用密码方法保护消息45。

例如，接收信号过滤模块1124可以过滤到达的消息45以便减轻中央处理单元131的负担。

例如，发送信号过滤模块1125可以给各个消息45分派优先级ID（用于仲裁的ID）并且动态地适配所述优先级ID。在此情况下，发送信号过滤模块1125还可以实现在两种运行方式之间的切换，以便在图2和图3的帧450、4500之间进行变换。此外，发送信号过滤模块1125可以可选地负责在然后以加密的方式发送待发送的消息45之前，由CANsec模块以密码方式保护所述消息。

校验和单元15计算先前描述的帧校验和F_CRC和先前描述的头部校验和H_CRC。

发送/接收设备12具有未示出的发送方和接收方。即使发送/接收设备12总是在下面被谈及，可替代地可能的是，在发送方外部的单独设备中设置接收方。发送方和接收方可以如在传统的发送/接收设备22的情况下那样构建。

发送/接收设备12连接到总线40、更确切地说是其用于CAN_H或CAN-FX_H的第一总线芯线41和用于CAN_L或CAN-FX_L的第二总线芯线42。

在总线系统1的运行中，发送/接收设备12的发送方将通信控制设备11的发送信号TXD转换为用于总线芯线41、42的相对应的信号CAN-FX_H和CAN-FX_L，并且将这些信号CAN-FX_H和CAN-FX_L在用于CAN_H和CAN_L的端子处发送到总线40上。发送/接收设备12实现已知OSI模型的第1层，即发送/接收设备12对各个待发送的位在总线40上物理地进行编码，例如作为差分电压VDIFF=CAN-FX_H-CAN-FX_L。

发送/接收设备12的接收方从根据图5的从总线40接收的信号CAN-FX_H和CAN-FX_L中构成接收信号RXD，并且将该接收信号转发给通信控制设备11，如图4中所示的那样。除了空转或备用状态（空闲或待机）之外，具有接收方的发送/接收设备12在正常运行中始终监听总线40上的数据或消息45、46的传输，而且与发送/接收设备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已知的那样。在总线40上形成差分信号VDIFF=CAN-FX_H-CAN-FX_L，所述差分信号在图6中示出。具有位时间t_bt的信号VDIFF的各个位可以利用0.7 V的接收环（Empfangsschelle）被识别。在数据阶段452中，信号CAN-FX_H和CAN-FX_L的位比在仲裁阶段451中更快地、即以更短的位时间t_bt被发送。因此，信号CAN-FX_H和CAN-FX_L在数据阶段452中至少在其更高的位速率方面与传统的信号CAN_H和CAN_L不同。

图4中信号CAN-FX_H、CAN-FX_L的状态401、402的序列以及图6的电压VDIFF的从中得出的变化过程仅用于阐明用户站10的功能。可以根据需求选择针对总线状态401、402的数据状态的序列。

换句话说，发送/接收设备12的发送方在根据图4的第一运行方式中产生第一数据状态作为具有用于总线线路的两个总线芯线41、42的不同总线电平的总线状态402，并且产生第二数据状态作为具有用于总线40的总线线路的两个总线芯线41、42的相同总线电平的总线状态401。

此外，发送/接收设备12的发送方在包括数据阶段452的第二运行方式中对于信号CAN-FX_H、CAN-FX_L的时间变化过程以更高的位速率将位发送到总线40上。CAN-FX_H和CAN-FX_L信号此外可以在数据阶段452中利用与在CAN FD情况下不同的物理层产生。由此，与在CAN FD情况下相比，在数据阶段452中位速率仍可以进一步地被提高。

根据第二实施例，用户站10作为发送方在第一运行方式中预期帧450、4500之一，使得由总线40接收如由发送方已发送的FDF位。否则，用户站10将这一点评价为格式错误并且中止当前待发送的帧450、4500的发送。

此外，用户站10可以被配置为使得用户站10可以被切换到第二运行方式，在所述第二运行方式中，在格式切换时的仲裁行为与第一运行方式相比发生改变。因此，在第二运行方式中，如先前针对帧4500所描述的那样，用户站10作为发送方进一步继续仲裁直至FDF位为止。FDF位在CAN FD帧中和在CAN FX帧中隐性地被发送。在经典CAN帧中，FDF位显性地被发送。

因此，将发送帧450之一并且因此隐性地发送了FDF位但代替地在总线40上看到显性位的发送方将失去仲裁。因此，发送方变为经典CAN帧的接收方。该选项被称为“FDF仲裁”。

这种变型方案的优点在于，在两个发送方在仲裁阶段中同时试图利用分别相同的11位标识符各发送经典CAN帧和CAN FX帧或者CAN FD帧和CAN FX帧的情况下，两个帧之一均不被错误帧47破坏。这在逐渐地将CAN FX引入到具有CAN FX用户站10、30和CAN FD用户站20的混合总线系统1中时在过渡阶段中是特别有帮助的，如图1中所示的那样。于是所有用户站10、20、30允许使用相同的标识符。

这导致以下特性。一方面，经典CAN、CAN FD和CAN FX帧允许使用相同的标识符。另一方面，仲裁也在格式切换期间进行，所述格式切换发生在FDF位中。因此得出在标识符相同的情况下帧的优先级如下。经典CAN帧具有比CAN FD或CAN FX帧更高的优先级。CAN FD帧具有比CAN FX帧更高的优先级。

根据第三实施例，用户站10作为发送方在第一运行方式中预期帧450、4500之一，使得由总线40接收如由发送方已发送的FXF位。否则，用户站10将这一点评价为格式错误并且中止当前待发送的帧450、4500的发送。

此外，用户站10可以被配置为使得用户站10可以被切换到第二运行方式，在所述第二运行方式中，在格式切换时的仲裁行为与第一运行方式相比发生改变。因此，在第二运行方式中，用户站10作为发送方进一步继续仲裁直至FXF位为止。FXF位在CAN FX帧中隐性地被发送。在CAN FD帧、例如帧450、4500中，FXF位显性地被发送。因此，即使在发生在FXF位中的格式切换期间也进行仲裁。

因此，将发送帧450之一并且因此隐性地发送了FXF位但代替地在总线40上看到显性位的发送方将失去仲裁。因此，发送方变为CAN FD帧的接收方。该选项被称为“FXF仲裁”。

该变型方案还具有与在第二实施例中提到的相同的优点和相同的特性。因此，在本实施例中，所有用户站10、20、30也可以使用相同的标识符。尤其是，对于经典CAN、CAN FD和CAN FX帧可以使用相同的标识符。在此情况下，在本实施例中可以多次使用标识符。与在前的实施例相比，这将实际上存在的标识符的数目提高到3倍。

用户站10、20、30、总线系统1和在其中实施的方法的所有先前描述的构型可以单独使用或以所有可能的组合被使用。尤其是，先前描述的实施例的所有特征和/或其修改可以任意地被组合。附加地或可替代地，尤其以下修改是可设想的。

即使先前以CAN总线系统为例描述了本发明，本发明也可以在每种通信网络和/或通信方法情况下被使用，其中使用两个不同的通信阶段，在所述通信阶段中针对不同的通信阶段产生的总线状态不同。尤其是，在开发其他串行通信网络、例如以太网和/或100Base-T1以太网、现场总线系统等时可以使用本发明。

尤其是，根据实施例的总线系统1可以是其中能够以两种不同的位速率串行地传输数据的通信网络。有利的、但不是强制性前提的是，在总线系统1情况下，至少在特定的时间区间内保证用户站10、20、30对共同信道的排他性、无冲突的访问。

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。尤其是可以在总线系统1中取消用户站20。可能的是，在总线系统1中存在用户站10或30中的一个或多个。可设想的是，总线系统1中的所有用户站都相同地被构成，即仅存在用户站10或仅存在用户站30。

Claims (11)

1.一种用于串行总线系统（1）的用户站（10；30），具有

通信控制设备（11；31），用于控制所述用户站（10；30）与总线系统（1）的至少一个另外的用户站（10；20；30）的通信，以及

发送/接收设备（12；32），用于将由所述通信控制设备（11；31）产生的发送信号（TXD）作为帧（450；4500）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）之间交换的帧（450；4500），在第一通信阶段（451）中发送到所述总线（40）上的信号的位时间（t_bt）不同于在第二通信阶段（452）中发送的信号的位时间（t_bt），

其中所述通信控制设备（11；31）被构成用于在第一运行方式中为第一帧（450）产生发送信号（TXD），所述第一帧（450）根据预先给定的通信协议构成，所述总线系统（1）中的另外的用户站（10；20；30）利用所述预先给定的通信协议通信，以及

其中所述通信控制设备（11；31）被构成用于在第二运行方式中为第二帧（4500）产生发送信号（TXD），所述第二帧（4500）将与在预先给定的通信协议中指派给至少一个位的功能不同的功能指派给该位。

2.根据权利要求1所述的用户站（10；30），其中所述至少一个位（RRS）具有所述第一通信阶段（451）的位时间（t_bt）。

3.根据权利要求1或2所述的用户站（10；30），

其中所述第一帧（450）中的至少一个位（RRS）具有控制功能和在所述预先给定的通信协议中规定的固定值，并且

其中所述第二帧（4500）中的至少一个位（RRS）具有标识符（ID）的最低有效位的功能，所述标识符（ID）在所述第二帧（4500）中直接布置在用信号通知所述帧的开始的位（SOF）之后。

4.根据权利要求3所述的用户站（10；30），

其中所述第一帧（450）的标识符（ID）给出消息（45）的优先级，以及

其中所述第二帧（4500）的标识符（ID）具有关于发送者、内容和关于消息（45）的优先级的信息。

5.根据前述权利要求中任一项所述的用户站（10；30），

其中所述至少一个位具有至少一个格式切换位，在所述通信协议中预定的值被指派给所述格式切换位用于在所述第一和第二通信阶段（451）之间进行切换。

6.根据前述权利要求中任一项所述的用户站（10；30），

其中所述至少一个格式切换位具有CAN FX帧的FDF位和/或FXF位。

7.根据前述权利要求中任一项所述的用户站（10；30），此外具有协议扩展块（112），用于评估用于数据类型（DT）的字段和用于帧（450；4500）的有效数据（4551）中的数据类型（DT）的可选地存在的附加字段并且用于根据评估结果执行所需要的消息（45）处理。

8.根据前述权利要求中任一项所述的用户站（10；30），其中为消息（45）形成的帧（450；4500）被构建为与CAN FD兼容的。

9.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）的用户站（10、20、30）中的哪个用户站在随后的第二通信阶段（452）中获得对所述总线（40）的至少暂时排他性的、无冲突的访问。

10.一种总线系统（1），具有

总线（40），和

至少两个用户站（10；20；30），所述用户站经由所述总线（40）相互连接，使得所述用户站能够彼此串行地通信，并且其中至少一个用户站（10；30）是根据前述权利要求中任一项所述的用户站（10；30）。

11.一种用于在串行总线系统（1）中进行通信的方法，其中利用总线系统（1）的用户站（10；30）执行所述方法，所述用户站具有通信控制设备（11；31）和发送/接收设备（12；32），其中所述方法具有以下步骤：

利用所述通信控制设备（11；31）控制所述用户站（10；30）与所述总线系统（1）的至少一个另外的用户站（10；20；30）的通信，以及

利用所述发送/接收设备（12；32）将由所述通信控制设备（11；31）产生的发送信号（TXD）作为帧（450；4500）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）之间交换的帧（450；4500），在第一通信阶段（451）中发送到所述总线（40）上的信号的位时间（t_bt）不同于在第二通信阶段（452）中发送的信号的位时间（t_bt），

其中所述通信控制设备（11；31）在第一运行方式中为第一帧（450）产生发送信号（TXD），所述第一帧（450）根据预先给定的通信协议构成，所述总线系统（1）中的另外的用户站（10；20；30）利用所述预先给定的通信协议通信，以及

其中所述通信控制设备（11；31）在第二运行方式中为第二帧（4500）产生发送信号（TXD），所述第二帧（4500）将与在预先给定的通信协议中指派给至少一个位的功能不同的功能指派给该位。

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