CN1417983A - 通信网络和控制通信网络的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一个具有至少两个网络节点的通信网络，在上述节点之间数据可以通过一个传输媒体被传送；其中提供一个通信时间表，向访问传输媒体的网络节点分配时隙；其中每个网络节点包括至少一个具有一个第一调度程序的通信控制器，用于根据通信时间表控制网络节点对传输媒体的访问；其中通信网络包括至少一个具有第二调度程序的总线监护器，用于根据一个监视时间表监视网络节点对传输媒体的访问：其中通信控制器包括产生一个本地的独立的时钟信号和一个全局时钟信号的装置，上述信号可以受到通信系统中的至少一个参数的影响；其中全局时钟信号用来控制控制器中的第一调度程序和总线监护器中的第二调度程序。

Description

通信网络和控制通信网络的方法

技术领域

本发明涉及一个通信网络和一个控制通信网络的方法，这样的一个通信网络可以从，例如TTP：“derive by wire”in greifbarer nahe’，Dr.stefan polenda，GeorgKroiss；“Elektronik”，N.14 1999 pages36-43得知。

背景技术

对于分布型的实时计算机系统，例如在汽车工业中的使用的这种系统，时间触发的通信协议，例如TTP或者FlexRay已经普遍被采用。媒体接入协议基于一个静态的通信时间表，该时间表在系统设计时被预先设定。在这个时间表中，决定每个通信节点在一个通信周期中何时可以发送数据。

因为本地时钟源的容错度，对于各个节点的通信时间表来说可能出现彼此之间轻微的偏差。所以不能不管这些偏差而发生重叠，一个间隔(“帧间间隔”)被插入数据分组之间，其中为了高效率所述间隔应当尽可能的短。通过针对分布型的通信控制器中全局时钟同步测量，例如使用TTP/C，这些偏差可以明显得被减少，更短的“帧间间隔”因此成为可能。

在时间触发的通信协议的情况中，特别重要的是节点仅仅在调度期间确定的时间发送数据。没有特定的安全保障的测量，一个单个损坏节点(混串音节点)，将不断地在错误的时间发送数据，因此将阻塞所有的数据业务量。为了阻止上述情况发生，在上述协议的情况中，接入传输媒体按惯列被一个总线监护器保护起来。总线监护器本身具有一个可用的独立的时基和一个调度程序，允许仅仅在提供的时隙期间和时隙前后短容错范围内写访问该媒体。如果总线监护器注意到通信控制器正在尝试在被分配给它的时间周期之外向数据总线进行写操作，总线监护器将停止这个的访问，发故障状态信号，并永久性阻止该通信控制器进一步的总线访问。这样，总线监护器确保一个网络节点“故障—沉默”的性能。

通信控制器和总线监护器被设计得尽可能彼此独立操作。在现有技术中，通信控制器和总线监护器在独立的时钟源下工作，并在每个通信周期只有一次是通信控制器借助于所谓的ARM信号同步总线监护器。当然，向总线监护器提供自己时钟不仅导致费用的增加，而且还限制了系统的设计，并降低了效率，因为“帧间间隔”必须被这样确定大小：使时钟频率偏差造成的时隙重叠即使在多年之后也不会发生。

发明内容

本发明的目的在于提供一个可以避免上述缺陷的通信网络。

本发明的目的是这样实现的，一个通信网络至少具有两个网络节点，在所述网络节点之间数据可以通过一个传输媒体传送，

其中提供一个通信时间表，向访问传输媒体的网络节点分配时隙，

其中每个网络节点包括至少一个具有一个第一调度程序的通信控制器，用于根据通信时间表控制网络节点对传输媒体的访问，

其中通信网络包括至少一个具有第二调度程序的总线监护器，用于根据一个监视时间表监视网络节点对传输媒体的访问，

其中通信控制器包括产生一个本地、独立时钟信号和一个全局时钟信号的装置，上述信号可能受到通信系统中的至少一个参数的影响，

其中全局时钟信号用来控制通信控制器的第一调度程序和总线监护器的第二调度程序。

本发明的使用范围涉及分布式通信系统，其中对传输媒体的访问依照一个循环的时分方式(TDMA)进行，一个总线监护器监视一个或者多个网络节点的通信时间表，允许媒体访问作为一个预定通信时间表的函数。

总线监护器借助于一个全局时钟信号被同步，通信控制器使得该信号成为可用的。全局时钟信号可能受到通信系统中至少一个参数的影响。全局时钟信号可以例如跟踪对通信控制器的全局时钟同步必需的修正。这样可能进行例如使各个通信控制器的全球时钟全局时钟信号相互调整适应或者使其同一个外部参考信号有关。第二本地时钟信号独立于这些校正，并且从(例如)一个通信控制器中的石英振荡器稳定地导出。

本地时钟信号更适宜于用来监视全局时钟信号。

除了每个分布式的网络节点具有自己的总线监护器的技术方案外，在星形网络中，技术方案还可能是具有一个中央总线监护器，其中所述的中央总线监护器监视连接在星形耦合器上的所有节点的通信。

本发明建议的方法通过不断地执行总线监护器与通信控制器中全局时钟的同步，允许通信控制器进行时间监视而又不存在上文描述的缺陷。总线监护器可以得益于非常精确的长期稳定的通信控制器的时钟源和分布型通信控制器的全局时钟同步的算法。可以免除传统技术方案中总线监护器所需要的石英振荡器。为了补偿通信控制器较大的相依性，对通信控制器发出的时钟信号的监视在总线监护器中借助于适合的“监视器”电路发生。通信控制器中的本地时钟信号可能因此更好的用于监视通信控制器中的全局时钟信号。

在时间触发通信协议下进行操作的分布式实时计算机系统中，尽管因为本地独立时钟源而产生时间容错，但在各通信控制器中必须确保一个公共的时间观念。这可以例如通过使用温度控制的长期稳定的石英振荡器来实现。在不利的环境条件下和在无维护的几年运行期间的情况下，作为考虑到例如车辆部门的应用需要，不能遵守所需的严格容错。为了确保即使在这些条件下数据分组的重叠也不会出现在传输媒体上，数据包之间需要相对大的间隔。需要这些大的间隔一个原因是，在目前的传统系统中，通信控制器仅仅在每个通信周期的开始是同步一次。当通信周期连续时，甚至小的偏差可能被叠加，这样，只有具备较大“帧间间隔”才有可能进行无故障通信。然而，长“帧间间隔”导致低的数据传输效率，特别是在具有相对小的分组长度的系统中，例如在车辆技术中尤为明显。

该发明的思想是总线监护器与通信控制器中的全局时钟信号连续同步。这样的同步能够使严格时间容错的数据总线免于未授权的写入访问，因此总线监护器不需要具备低容错和高长期稳定性的时钟振荡器。为此，事实上的运用是，在通信控制器内，一个内部时钟信号通常已经可以被作为全局时钟信号使用，它已经经历了全局时钟信号同步的所有校正。就本发明考虑的协议来说，这个内部时钟被认为是一个宏计时(macrotick)。节点的所有总线访问借助该宏计时的分解进行，所述分解通常明显地小于实际时钟信号的持续时间的周期，并且应该对应于系统精确性的某一等级。这意味着数据分组或者间隔的长度以宏计时定义。已知的全局时钟同步的方法是基于以这样一种方式校正宏计时的持续时间周期：尽管偏离时钟频率，但总线的预定时间复用方案服从于严格的容错度。

这个宏计时信号同直接导出的另一个时钟信号一起用来操作总线监护器，该另一个时钟信号是所谓的BG计时(总线监护器计时)，并且不依据通信控制器的时钟进行修正。可以完成省去总线监护器的时钟振荡器，但是对于现有技术来说长期稳定的石英振荡器将是必须。对于“监视器”进行的监视，通信控制器产生的本地时钟信号仅仅是一个关于时钟频率精确性有非常低要求的振荡器。例如，这可以是一个RC振荡器，它具有相当大的成本优点并在以后可简化成采用集成电路的形式将其集成到一个总线监护器中。

通过使总线监护器与通信控制器的全局时钟信号同步，该通信控制器为全球时钟全局时钟同步执行的算法还对总线监护器有影响。通过该紧密联系，可以用非常严格的容错度监视总线访问，而不管比较大的通信控制器的时钟振荡器的容错度。通信协议的效率因此不再由总线监护器的要求决定，而是如期望的通那样信控制器的时钟振荡器的精确度和全局时钟同步的算法决定。

关于时间复用方案的总线监护器的独立性依旧保持，但是不能借助总线监护器的本地时钟振荡器实现该方案。然而，通信控制器和总线监护器之间的密切关系造成总线监护器对通信控制器的工作可靠性的更大依赖。

借助对于通信控制器的全球和本地时钟信号的适当监视电路，可以确保停止通信时间表之外的媒体访问。如果时钟频率偏差比较大或者时钟信号之一完全损坏，则这种错误的访问会因配置错误而出现，即因全局时钟同步的错误而出现。在这些例子中，总线访问被可靠地阻塞，因而通信控制器的故障—沉默的性质被保证。

在一个优选实施例中，借助于一个监视器电路检验被全局时钟同步影响的全局时钟信号的周期持续时间。通信控制器中本地的、独立的时钟信号作为一个参考信号使用。这种检验的持续时间可以等于受到全局时钟同步影响的全局时钟信号的一个或多个周期。

如果必须对全局时钟时间作最快可能的修正，对受到全局时钟同步影响的全局时钟信号的检验可能对通信周期的可配置部分无效。

另外，一个通信周期的持续时间可以在总线监护器中被检验，以避免调度或通信控器时钟产生的错误。可以使用指示通信周期的开始的一个同步信号(ARM)。

独立的本地时钟信号的故障和总的频率偏差最好也借助于一个监视器电路来监视。一个总线监护器的本地的时钟产生器被用作一个基准，其中圆为低精确度要求还可以采用一个RC振荡器。

再一个监视器电路可以用来检测一个总线监护器中本地时钟发生器的故障，其中例如单稳态触发器(模拟电路)的时间常量可以用作一个基准。

监视器电路检测的故障使总线监护器停止媒体访问并且向一个更高层主机控制器输出一个出错信息。

为了避免在网络启动过程中出现不希望的错误信息，所有监视器电路的功能被抑制，直至一个节点指示一个通信周期的第一次开始(ARM信号)。

附图说明

下面将参考附图所示的实例进一步说明本发明，但是，本发明不受此限制。

具体实施方式

附图1显示了一个简化的具有三个网络节点1，2和3的通信网络通信时间表，其中所述的三个网络节点可能仅仅在设定时间t1，t2和t3传送数据。

附图2显示了一个通信控制器中通信时间表与一个关联的总线监护器的监视时间表之间的关系。底行显示了节点n的时间间隔，根据通信时间表将该时间间隔分配给节点n。其上显示了总线监护器的允许时间。总线监护器在前一点被允许在后一点禁止，每个时间由一个容错度窗口偏移。

附图3显示了一个具有两个通信节点和一个通信周期的简化的时间复用方案，该通信周期由8个数据分组(帧)组成。该实施例显示两个节点的发送时间可能偏移，在这样一种方式中，因为本地时钟源的容许，在通信周期的结尾有一个碰撞风险。在这个实施例中，碰撞可以通过一个足够长的“帧间间隔”被避免。注意到的是所有的节点仅仅在每个通信周期开始的时候通过接收一个指定的符号被同步一次，并且随着周期长度的增加出现更大的偏差。“帧间间隔”的长度在整个通信周期的持续时间周期中被作为一个常量参数设立，并且在周期的结束处不能动态的增加。在大的周期长度的情况下，“帧间间隔”所需的长度可能大大损害数据传输的效率，尤其是如果仅仅传输非常小的数据分组。为了阻止在分布型通信控制器的同步时所例证的问题，该方法因此频繁用于全局时钟同步，借此实现通信控制器的不断同步来。以这种方式，短的“帧间间隔”和因此高的效率得以实现，并且在适中的时钟供应精确度需要下能够作出经济的解决方案。

一个非常相似的同步问题出现在通信控制器与关联的总线监护器之间，因为在今天的系统中仍然应用独立的时钟源。

附图4显示了一个网络节点的实施例，其中总线监护器在一个通信周期期间因为时钟频率偏差而漂移。在通信控制器中的数据分组和总线监护器的允许时间之间将会注意到“帧间间隔”，它被容错度窗口扩大。在该实例中，尽管总线监护器在通信周期开始时显示了正确时间，但是它在周期的后半段时间从通信控制器的发送时间开始偏差得更严重。从第五个数据分组向前，因为过早的禁止总线监护器而断开数据包的部分。这将只能通过扩大“帧间间隔”而得到纠正。

总线访问发生的精确度以及由此而来的“帧间间隔”的所需长度，由于所述原因，不能从通过全局时钟同步而得到改善的通信控制器的精确度来获得，而是最终通过总线监护器时钟源的精确度来限制。

附图5显示了一个总线监护器的基本结构和该总线监护器与现有技术的通信控制器的连接。总线监护器按照惯例仅仅在通信周期开始的时候通过通信控制器利用ARM信号同步一次，然后在自己时钟振荡器的精度下自由运行直到周期的结束。这意味着，达到通信周期结尾的通信控制器与总线监护器间的时钟偏差能够累加，这样总线监护器不能再以无故障模式执行它的任务。尽管全局时钟同步可以保证所有的通信控制器具有一个共同的时间观念，但是不能影响总线监护器，因为由于独立性原因它们具有自己的时钟振荡器。然而，其时钟频率受到在通信控制器同步情况下需要的长“帧间间隔”造成的相同波动和长期影响。总线监护器的一个附加全局时钟同步由于费用原因是不可取的，特别是因为总线监护器通常不装备处理器。

附图6显示了本发明的具有一个通信控制器和一个总线监护器的一部分通信网络，其实施在一个网络的节点中，并通过节点控制访问网络的数据总线。

通信控制器产生一个全局时钟信号f_MT和一个本地时钟f_mt。

总线控制器的调度程序以全局时钟信号(宏计时)f_MT为基础控制总线访问。增加了两个监视器电路，其中WD_{f_MT}监视宏计时和WD_{f_BG}监视BG计时，在这个实施例中，一个集成RC振荡器用于代替常用的石英振荡器。

总线监护器与关连的通信控制器的内部时钟时间不断地同步，其中的时钟时间典型地被所谓的宏计时表示。宏计时通过一个数字分频器从通信控制器中时钟振荡器的信号中产生，该分频器的比率借助于全局同步的算法来控制，如果时钟频率偏差，通信控制器服从于校正时间复用方案。如果总线监护器的调度程序也根据宏计时定时，则跟踪为时钟同步引入的宏计时期间的变化。借助于这个在通信控制器与总线监护器之间连续的同步，总线监护器的允许时间的非常狭窄的容错范围成为可能，由此使“帧间间隔”变短。

通过同步，总线监护器在本身不具有精确的时钟振荡器的情况下工作。当然，除了宏计时外，还需要一个时钟信号作为对于至今总线监护器中使用的本地时钟振荡器的替代。该所谓的BG计时通过一个频率分频器从通信控制器中时钟振荡器中直接导出，因此独立于全局时钟同步。

BG计时决定总线监护器可能控制允许和禁止总线访问的最大分辨率。除了作为一个好的分辨时钟使用，BG计时还能够用于检验，借助于一个监视器电路，检验宏计时持续时间周期是否处于设置的容错度之内。这些限制在系统配置期间设置并且其尺寸大小必须可以允许时钟同步引起的偏差，例如容错度。如果宏计持续时间周期处于容错度之外或者如果信号完全失效，总线监护器必须禁止总线访问。为了提高监视器精度，还可以监视可配置数量的周期，以代替监视一个宏计时周期。根据需要，监视可以覆盖整个周期长度。另外，如果一个监视器电路决定两个连续的ARM信号之间的BG计时数目，则监视周期长度是可能的。

对全局时钟同步必需的校正不必均匀地分布在整个通信周期而是必须发生在预定的周期中，这样是可能的，例如，在通信周期的开始的几个宏计时中。宏计时持续的周期将不得不因为这几个周期而大大的改变，所以意味着监视器电路的容错度必然不允许对宏计时的精确的监视。为了阻止这个，对宏计时的检查将会因为通信周期的一个可配置部分而不起作用。

此外，监视器电路避免BG计时信号本身的故障或频率偏移。以相似的方式检验BG计时信号持续周期并间接的检验通信控制器的时钟振荡器。一个具有较大的容错度的时钟振荡器作为一个基准振荡器是合适的，鉴于这一点仅仅来自于额定的持续周期的总的偏差必须被检测。从额定持续周期产生的小的偏差一般借助于通信控制器中全局时钟同步的算法检测。为了节省花费及简单集成的目的，一个RC振荡器可能因为这一点被使用。

作为选择，附图6中表示的总线监护器还可以关联大量网络节点，并且控制大量网络节点的访问。这对于星形网络特别有利。

附图7显示了监视BG计时的监视器电路WDf_BG的操作的基本方法。信号f_gw通过从RC振荡器的时钟信号分频获得。借助于这个信号，确定一个选通时间，并且在该选通时间内，确定BG计时信号f_BG周期的数量。通过比较计数器结果与容错度范围-Δ和+Δ定义的窗口，如果过度偏差，则发出一个错误的信号并且立即停止总线访问。除了选通时间对应于宏计时的周期持续时间以及对BG计时的数目计数外，第二总线监护器WD_{f_MT}具有相似的结构。当监视器电路应用于实贱，必须确保总线监护器对RC振荡器和通信控制器中f_BG及f_MT信号的故障作出反应，在可能的最短的时间内阻止总线访问，以便在出现故障时确保节点的故障—沉默性质。

Claims (12)

1.一种具有至少两个网络节点的通信网络，在上述节点之间数据可以通过一个传输媒体传送，

其中提供一个通信时间表，向所述网络节点分配时隙用以访问所述传输媒体，

其中所述网络节点的每个包括至少一个具有一个第一调度程序的通信控制器，用于根据所述通信时间表控制所述网络节点对所述传输媒体的访问，

其中所述通信网络包括至少一个具有第二调度程序的总线监护器，用于根据一个监视时间表监视所述网络节点对所述传输媒体的访问，

其中所述通信控制器包括产生一个本地的独立时钟信号和一个全局时钟信号的装置，上述信号可能受到通信系统中的至少一个参数的影响，

其中所述全局时钟信号用来控制所述通信控制器中的所述第一调度程序和所述总线监护器中的所述第二调度程序。

2.一个如权利要求1中所述的通信网络，特征在于，所述总线监护器包括一个第一监视电路，借助于所述通信控制器的所述本地时钟信号监视所述通信控制器的所述全局时钟信号。

3.一个如权利要求1中所述的通信网络，特征在于，所述总线监护器包括一个总线监护器振荡器，该振荡器给第二监视电路提供一个本地时钟信号，所述第二监视电路借助于所述总线监护器中的所述本地时钟监视所述通信控制器的所述本地时钟信号。

4.一个如权利要求3中所述的通信网络，特征在于，所述总线监护器振荡器是一个RC振荡器。

5.一个如权利要求3中所述的通信网络，特征在于，所述总线监护器包括一个故障监视电路，其监视所述总线监护器振荡器的故障，如果所述总线监护器振荡器出现故障，所述故障监视电路阻塞与这个总线监护器关联的节点对所述传输媒体的访问或者产生一个出错信息。

6.一个如权利要求1中所述的通信网络，特征在于，在所述网络中的所述通信控制器中执行一个算法，借助于该算法，所述通信控制器中的所述全球时钟全局时钟信号彼此调整或者和相对于一个参考信号来调整。

7.一个如权利要求2中所述的通信网络，特征在于，所述第一监视电路包括一个计数器，确定所述本地时钟信号的周期数目超过所述全局时钟信号的一个或多个周期，如果计数的周期数目处于预定的容错范围之外，则所述第一监视电路阻塞与该总线监护器关联的节点或者与该总线监护器关联的多个节点访问所述传输媒体。

8.一个如权利要求3中所述的通信网络，特征在于，所述第二监视电路包括一个计数器，确定所述通信控制器中的所述本地时钟信号的周期数目超过所述本地时钟信号的一个或多个周期，如果计数的周期数目处于预定的容错范围之外，则所述第二监视电路阻塞与所述总线监护器关联的节点或者与所述总线监护器关联的多个节点访问所述传输媒体。

9.一个如权利要求1中所述的通信网络，特征在于，所述通信控制器包括一个石英振荡器，所述通信控制器中的所述本地时钟信号借助于一个固定分频器从所述石英振荡器的信号中被导出，所述通信控制器中的所述全局时钟信号借助于一个可变分频器从所述石英振荡器的信号中被导出，其中所述可变分频器的分频器比率可以受到所述通信系统中的至少一个参数的影响。

10.一种用于通信网络中的通信控制器，其中，所述通信控制器装备有一个第一调度程序，用于根据一个通信时间表控制网络节点对所述网络中一个传输媒体的访问，

其中所述通信控制器包括产生一个本地的独立的时钟信号和一个全局时钟信号的装置，上述信号可以受到所述通信系统中的至少一个参数的影响，

其中所述全局时钟信号用来控制所述通信控制器中的所述第一调度程序和控制总线监护器中的第二调度程序。

11.一种用于通信网络的根据监视时间表监视至少一个网络节点对传输媒体的访问的总线监护器，该总线监护器包括一个第一监视电路，其借助于一个通信控制器中的本地时钟信号监视通信控制器中的全局时钟信号。

12.一种控制一个具有至少两个网络节点的通信网络的方法，其中在上述节点之间数据可以通过一个传输媒体发送，

其中提供一个通信时间表，向所述网络节点分配时隙供访问所述传输媒体之用，

其中每个所述网络节点包括至少一个具有一个第一调度程序的通信控制器，用于根据所述通信时间表控制所述网络节点对所述传输媒体的访问，

其中所述通信网络包括至少一个具有第二调度程序的总线监护器，用于根据一个监视时间表监视所述网络节点对所述传输媒体的访问，

其中所述通信控制器产生一个本地独立时钟信号和一个全局时钟信号，上述信号可以受到所述通信系统中的至少一个参数的影响，

其中所述全球时钟全局时钟信号控制所述通信控制器中的所述一调度程序和所述总线监护器中的所述第二调度程序。

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