CN1456003A - 在用总线系统连接的至少两个用户之间进行数据交换的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

在至少两个通过总线系统连接的用户之间进行数据交换的装置，其中含有数据的信息由用户经总线传输，并且这样地通过第一用户在时间上控制信息，即第一用户以至少一个预定的时间间隔经总线反复地传输参照信息，并且该时间间隔再划分成预定长度的时间窗，其中信息用时间窗传输，其中，参照信息和后续窗口直到下一个参照信息被结合成第一周期，并且第一用户通过一个停止请求在第一周期的结束处中断该传输。

Description

在用总线系统连接的至少两个用户之间 进行数据交换的方法和装置
现有技术
本发明涉及根据独立权利要求特征的在至少两个与一个总线系统连接的用户之间进行数据交换的方法和装置。
作为汽车联网的现有技术，CAN协议投入使用已经有些年了。在这种情况下，通信是按照事件控制进行管理的。如果要同时开始发送不同的信息，会产生很大的负载。CAN的非破坏性的仲裁机制保证了把所有信息按照其标识符或识别码的优先权顺序地发送。对于严格的实时系统必须事先为整个系统分析传输时间和总线负荷，以保证能够证遵守所有的信息-截止期限(本身在最大负荷下)。
已经有一些基于定时控制操作的通信协议，例如、TTP/C或者Interbus-S。这种情况下的特殊性是，已经通过分配传输时间点预先计划了总线的访问。在传输时间内不应当由此出现任何冲突。同时还避免在通信总线上出现最高负荷。从而总线也就经常不是满负荷。
利用时间确定的通信系统能够进行可预定的处理过程。因此可以在比仲裁系统狭窄的时间区域内把应用与通信同步。然而在纯的周期性传输的通信中，应用却固定地与时间栅格相关联，然而在一定的运转过程中，特别是车辆的马达控制中，需要时变的信息及数据传输，特别是与速度匹配的测量值。
本发明的优点
事实表明，现有技术不能够在各个方面得到理想的效果。
因而，本发明涉及在至少两个通过总线系统连接的用户之间进行数据交换的方法和装置，其中含有数据的信息由用户经总线传输，并且这样地通过第一用户在时间上控制信息，即第一用户以至少一个可预定的时间间隔经总线反复地传输参照信息并且将该时间间隔划分成可预定长度的时间窗，其中信息在时间窗中被传输，其中，参照信息和后续窗口直到下一个参照信息被结合成第一周期，并且第一用户通过一个停止请求，在第一周期结束时中断该传输，特别是至少第二用户的信息。
此处，特别适于基于CAN总线的总线系统或者说总线协议。然而本发明总体上涉及采用各种面向对象的信息及数据传输的总线系统或总线协议，也就是可以通过标识符(识别码)清楚地分辨所述信息和/或其中所含的数据的总线系统或总线协议。这适用于所有的不是对用户而是对信息及其数据寻址的总线，特别是CAN总线。
因此本发明较现有技术有利地包含对原来的总线(CAN)协议较高的协议层，该协议在本发明涉及的定时控制通信的范围内保持不变。定时控制的通信从而有利地让总线能够满负荷同时把每个信息的执行时间保持在确定的值。
也就是，本发明含有一种周期性运行的总线(CAN)-信息传输。由此产生一种确定且可以组合的通信系统。这种系统在本发明中以后称为TTCAN。同样地，下文从CAN总线着手，其中，如前所述，这种考虑总体上对所有面向对象的信息传输总线系统及总线协议都成立。
也就是说，适宜地，把参照信息和后续的时间窗直到下一个时间窗结合成一个可预定长度和/或可预定结构的周期，其中，长度、数目和时间位置的结构与后续于参照信息的时间窗在时间间隔上对应。
再有，有利地把多个同样结构的第一周期结合成一个第二周期，其中在第二周期中信息也在时间窗中反复地传输，该时间窗的时间间隔大于第一周期的时间长度。
适宜地，可以在第一或第二周期的至少一个时间窗中不传输信息。在这个刚空出来的窗口中可以传输仲裁信息，也就是不必周期性地传输，而是，例如在一定的过程结束时提供使用的信息。
有利地第一用户在开始请求时，特别是通过第二用户，启动一个第一周期。
另外还有好处，优选地，由一个处在总线外部的装置进行停止请求和/或开始请求，为此所述装置与第一用户相关联。
在一个有利的实施形式中把所述至少两个用户或所述外部的装置投入应用。
因此优选地用外部应用事件确定一个定时的通信过程。在此可以举例为以由定时控制的通信系统进行的马达控制的测量值的角同步处理。
用定时的通信系统可以进行可预测的处理过程。因此，该通信的应用可以在比仲裁系统窄的时间区间内同步。而在纯的周期性运行的通信中，应用却是固定地与时间栅格联系的。与此相反，在马达控制的例子中，却需要变化的，与速度变化动态相匹配的测量值传输。这可以优选地达到，即通过又可以重新开始能够中断的并根据外部事件定义的周期性通信过程。
另外有利的是可以快速地识别发生故障的用户或结点(固定的事件参照时间中，等待消息)
附图
其它的优点和有利的扩展由说明书和权利要求的特征给出。
下面借助于附图中说明本发明，附图中：
图1为具有多个用户的总线系统示意图。
图2示出第一周期或基本周期和第二周期，也就是总的时间周期的运行原理。
图3详细示出时间窗的结构和信息配置。
图4示出有7个基本周期和各种信息及仲裁信息传输组总周期。
图5并排示出了根据图2及4的周期性信息传输以及事件同步信息传输。
实施例说明
TTCAN实质上基于一种定时的、周期性的通信，这种通信由计时器(结点、用户)通过时间参照信息，简单称基准信息RN提供时间脉冲。到下一个基准信息RN的间期称作基本周期，并且划分成n个时间窗(见图2)。每个时间窗各允许唯一地发送一个长度不一的周期信息。这种周期信息通过使用与逻辑上相关的时间过程连系的时标在TTCAN控制器中发送。而TTCAN还允许考虑空白的时间窗。这样的时间窗可以为所谓的自发信息利用，其中这种时间窗内对总线访问经CAN的仲裁模式加以利用(仲裁信息)。考虑用各个节点1z1至1z4的内部本地时间进行定时器时钟(全局时间gz)的同步并且有效地转换。
图1示出有多个总线用户101至105的总线系统100。其中每个用户101至105具有自己的时间基准106至110，这些时间基准一方面通过内部装置，诸如时钟、计数器、时钟发生器之类，或者外部地向相应的用户传输。各个本地时基1z1至1z4特别是只受HW复位影响的计数器，例如16位的增量计数器。在此，每个结点或者说用户102至105中执行本地时基。其中，一个用户，也就是计时器101具有突出的位置。它的时基作为全局时基106称为全局时间gz，或在计时器101中执行或外部地向它传输。在每个结点中全局时间gz原则上用本地时基107至110或本地时间1z(1z1至1z4)和偏差0s1至0s5的每个构成。在计时器101中的这种偏差0sg一般地等于零(0sg＝0)。如果0sg不等于0，其它的结点用本地时间1z(1z1至1z4)和偏差0s1至0s4和0sg构成其全局时间gz意义上的时间。0sg不等于零的情况出现在，例如，如果全局时间gz从外部向计时器101传输，同时计时器101附加地含有自身的时基106。这样，该计时器也校准为全局时间gz，从而使gz与时基106有可能不符。本地偏差是参照信息发送点(SOF，帧开始)的本地时间与由计时器在该参照信息中传输的全局时间之间的差。本地时基和全局时间本地时基：本地时基是一种只受HW复位影响的计数器，例如16位增量计数器。本地时基在每个结点中执行。基准标记中间寄存器：在每次进行SOF时把本地时基加载到中间寄存器。基准标志：如果把实际的信息识别为参照信息时，就把中间寄存器中输出的值移送至基准标志(作为本地参照时标)。基准标记例如设置为16位寄存器。计时器基准标记：这是由定时接受器接收的参照信息中的计时器基准标记。对全局时间的本地偏差：对全局时间的本地偏差是中间寄存器中的基准标记与参照信息中接收的全局时标之间的偏差。用于由本地时间计算全局时间。
计时器的偏差本身保持不变。计时器在信息中发送其本地基准标记加本地偏差。
就是说计时器101也是该发送时间基准信息111或者简称参照信息RN的结点或用户。箭头112表示，向其余的用户102至105，特别是同时地，发送参照信息RN111。
参照信息RN是TTCAN的定时控制、周期性运转的基础。参照信息通过特殊的识别码，特别的标志符，明确地标记，并且由所有的结点，在此例中为102至105作为时钟发生器，接收。参照信息由计时器101原则上周期地发送。参照信息可含有以下的数据：实际的基本周期数BZn、计时器的全局时间基准标记。
通过在接收计时器的参照信息时，采用内部计数器状态用于“帧开始”位(SOF)时间点而出现基准标记。因此基准标记是参照信息接收时间点的本地时基的瞬间记录。在用户中引用的相对时间RZ1至RZ4和RZg是本地时基与最近这次基准标记之间的差。所有有关使用的时标的定义都基于一个单一用户的相对时间。例如，相对时间可以作为信号永久存在(例如通过选通器联结两个寄存值)。基准标记确定TTCAN总线上所有结点的相对时间。
同样示出的监视器Wd和W1至W4是较特殊的相对时间点。在每个结点中都定义一个这样的相对时间点(监视器)，至少直到等到新的参照信息从而等到新的基准标记。从而监视器表现为一种特殊的时标。监视器主要作用是初始化或重新初始化以监视是否出现了通信状态。在这种情况下，所述监视器应当总是大于参照信息之间的间隔。
在这种情况下，时标是一种产生相对时间和原始总线(CAN)控制器的动作之间关系的相对时间点。时标代表一种寄存器，在此一个控制器可以管理多个时标。一个信息有可能分配给多个时标(例如参见图4：发送组A既出现在时间窗ZF1a，也出现在时间窗ZF4a。)
对于该应用特别地操作一种应用监视器。这种监视器必须由应用有规律地操作，以给TTCAN控制器发出信号进行有序的运转。只有操作这种监视器时才由CAN控制器发送信息。
图2示出在时间上定时控制的，周期性的消息或者说数据传输的原理。由计时器借助于参照信息对这种信息传输提供时钟脉冲。这里时间t0至t6称为基本周期BZ并且分成k个(k∈N)时间窗。其中，从t0至t1、t6至t7、t12至t13及t18至t19也就是说在时间窗ZFRN中传输相应的基本周期BZ0至BZ3的参照信息RN。在参照信息RN后的时间窗ZF1至ZF5的结构，也就是其长度(在Δts＝tsb-tsa的时段S)、其数量及其时间上的位置，是可以预设的。由此可以从多个同样结构的基本周期中构成一个从t0开始至t24结束的总周期GZ1以重复连续运行。时间窗含有例如2至5个例如各32位时间的时段。例如时间窗的数量是2至16个，这时也可以仅有一个时间窗也可以多于16个时间窗。在一个总周期中的基本周期的数量例如为2m，特别是m＜＜4。
tzff1和tzff2举例表示，例如，两个发送释放间隔或时间窗释放间隔，它们的持续时间为例如16位时间或者32位时间，并且对时间帧进行描述，在该时间帧内开始发送关于基本周期的信息。
每个时间窗允许唯一地发送一个不同长度的周期性信号。图3中举例示出两个不同长度的信息及在时间窗中的分配安排。信息1作为码组300含有例如130位，而信息2作为码组301含有例如47位。
如前已述，可以依据信息长度预设最长和最短的时间窗，此例中例举的是每时间窗2至5段之间。从而可以预设最长时间窗和最短时间窗，最长时间窗ZFmax为码组302，含有5段(S1至S5)，每段32位时间，最短时间窗ZFmin为码组303，含有2段(S2和S2)，每段32位时间。在这些时间窗内传输信息N1和N2，其中，信息不必完全占满时间窗，相反地是对应于信息长度预设时间窗的大小。因此ZFmax应当有足够的时间或者说空间，提供尽可能的最长信息，例如130位或者说位时间，而Zfmin可以与可能的最短信息相配，例如47位。
总体上时间窗是为一定的信息提供的时间帧(见图3)。信息的时间窗以发送释放被打开，并且该窗口的开始原则上与确定的时标相符。时间窗的长度用i个例如32位时间的段(比较码组304a)确定。这里，特定的32位时间分段表示了一种亲HW的量值。时间窗不应当短于在该时间窗内出现的信息中最长者。位时间特定地是标称的CAN位时间。
发送释放间隔或者说时间窗释放间隔说明在其中能够开始发送消息的时间帧。发送释放间隔是时间窗的一部分。就是说该释放在此间隔内位于时标和时标加+Δ值。Δ值显著小于时间窗的长度(例如对ZFF1或ZFF2为16或32位时间。不在此发送释放间隔内开始的信息不能够发送。
图4示出一个总周期(发送矩阵)GZ2。总周期(发送矩阵)：所有用户的全部信息(RN，A至F及仲裁)都组织成发送矩阵(见图4)分量。发送矩阵包括单个的基本周期BZ0a至BZ7a。总周期GZ2的所有基本周期具有同样的结构。这些基本周期可以有选择地由唯一性的(A至F)和仲裁分量构成。总的行数(也就是基本周期BZ0a至BZ7a)在此为2m＝8，式中m＝3。
基本周期(发送矩阵行)以参照信息RN中的参照标记开始并且包括多个(i)相互接续的时间窗确定的长度构成(的第一时间窗ZF0或者RN的ZFRN)。在基本周期中的信息配置可以自由确定。对于唯一性分量，一个时间窗结合一个CAN信息对象。也可以让时间窗占空(409、421、441、417、445)或者用于仲裁分量(403、427)。
发送组(发送矩阵的列，A至F)构成总是在同样的时间窗，但是在不同的基本周期中发送的信息(见图4)从而可以构成一个周期，例如ZF1a和ZF4a中的A：401、407、413、419、425、431、437、443和404、410、416、422、428、434、440、446。在一个发送组中可以多次发送一个信息对象(一个时间窗)。一个发送组中的一个信息周期应当为2i个，这里应有：i＜＝m。
信息对象或者信息相应于总线的信息对象，特别是在CAN中，并且包含标识码或者说标志符，及数据本身。在TTCAN中，在发送矩阵中至少把信息对象补充以下三个录入，优选地以下所有三个录入：时间窗、基本标记、重复率。
时间窗是在基本周期(BZn，发送矩阵的行)中的位置(ZF0，ZF1a至ZF5a)。该窗口的开始以到达一定的时标确定。
基本标志指出，信息在总周期中的哪个基本周期中(BZ0a至BZ7a)被首次发送。根据该传输重复多少基本周期定义重复率。
为了识别CAN控制器的信息对象的有效性，有一个意味着对象的永久性释放(用于唯一性分量见下文)“永久性发送请求”，和一个意味着对象的一次有效性的“单个发送请求(用于仲裁分量见下文)。
CAN的自动重发，对于TTCAN的信息适宜地被排除了。
下面再次说明基本周期或者总周期中的信息传输-周期性的信息和自发信息，特别是对于应用方面。这里还是把唯一性信息也就是周期性信息与仲裁信息也就是自发信息区分开。唯一性信息对象(周期性的信息)：
如果应用监视器设定的是：在CAN控制器上设定的是应用的“永久性发送请求”并且打开所属的时间窗的发送释放间隔，就发送唯一性信息对象。在此情况下信息对象的时标与相对时间相符。永久性发送请求保留设置到被该应用自行复位。仲裁信息对象(自发的信息)：
如果应用监视器设定的是：在CAN控制器上设定的是应用的“单个发送请求”并且下个为此定义的时间窗的发送释放间隔打开，就发送仲裁信息对象。这时这个时间窗的时标与相对的时间相同。该发送请求在由CAN成功地发送之后复位。对不同的自发信息的同时访问通过CAN的位随意化调节。如果在该时间窗中相对另一个自发信息失去一个自发信息，这个信息在下个为此确定的时间窗中才可以再重新争取访问总线。
如果连续运行总发送矩阵或者总周期，就产生了周期性的定时控制的信息传输。定时控制意味着，每个动作从达到一定的时间点时发起(见时标和相对时间)。如果完全地连续运行了总周期，也就是说，所有基本周期都执行了一遍，就从发送矩阵的第一个基本周期再次重新开始。传输中不出现任何时间空隙。在本说明书及附图中，对如此使用定时器的定时控制的通信系统进行总的说明。
图5示出根据图2和4的周期性信息传输与事件同步化周期性信息传输的对比。其中，基本周期的开始时间点用t0、t6、t12、t18、t24及t24+te1标出。te1、te2和te3表示事件同步产生的中断时间。时间参照信息、参照信息和参照消息概念在此为同等意义。
时间上确定的通信过程应当通过应用的外部事件确定。实例如通过定时控制通信系统进行的马达控制中的测量值的角同步处理。
用定时的通信系统可以进行可预测的处理过程。因此，该通信的应用可以在比仲裁系统窄的时间区间内同步。而在纯的周期性运行的通信中，应用却是固定地与时间栅格联系的。与此相反，在马达控制的例子中，却需要变化的，与速度变化的动态相匹配的测量值传输。这可以优选地达到，即：通过又可以重新开始能够中断的并根据外部事件定义的周期性通信过程。
使得作为定时器的通信(TTCAN)控制器能够，特别是响应应用的请求，在基本周期结束时终止通信，并且在到达开始信号或者说应用的开始请求时以新的基本周期重新进行通信。取决于终止请求或者说停止请求是保留还是收回，要么仅执行一个基本周期要么把该周期性通信持续到再有一个终止请求到来。不论终止请求在一个基本周期内的哪个时间点出现，这个周期都导致结束。在终止请求之后如果在同一基本周期内接着有一个开始信号，就不终止通信。
为了明确地分配外部事件和通信，间隔应当在两个外部事件大小之间有利地或者等于一个基本周期的长度，或者基本周期小于最小的同步间隔。
通过等候参照消息的监视器进行的监测适于按基本周期之间的最大间隙确定。

Claims (9)

1.在至少两个通过总线系统连接的用户之间进行数据交换的方法，其中含有数据的信息由用户经总线传输，并且由第一用户在时间上这样地控制信息，即第一用户以至少一个可预定的时间间隔经总线反复地传输参照信息并且将该时间间隔再划分成可预定长度的时间窗，其中信息在时间窗中传输，其中，参照信息和后续的窗口直到下一个参照信息被结合成第一周期，并且第一用户通过一个停止请求在第一周期的结束处中断传输。
2.权利要求1所述的方法，其特征在于，第一用户在一个开始请求时启动第一周期。
3.权利要求1所述的方法，其特征在于，一个参照信息及后续的时间窗至下个参照信息被结合成一个可预定长度和/或可预定结构的周期，其中，长度、数目和时间位置的结构与后续的参照信息的时间窗在时间间隔上对应。
4.权利要求1和3所述的方法，其特征在于，把多个同样结构的第一周期结合成一个第二周期，在第二周期中信息也在时间窗中反复地传输，该时间窗的时间间隔大于第一周期的时间长度。
5.权利要求1和/或2所述的方法，其特征在于，由一个处在总线外部的装置进行停止请求和/或开始请求，所述装置为此目的与第一用户相关联。
6.权利要求1和/或2或5所述的方法，其特征在于，把所述至少两个用户或所述外部的装置投入应用。
7.以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，在第一或第二周期的至少一个时间窗中不传输信息，在这个窗口中传输仲裁信息。
8.在至少两个通过总线系统连接的用户之间进行数据交换的装置，其中含有数据的信息由用户经总线传输，并且这样地由第一用户在时间上控制信息，即第一用户以至少一个预定的时间间隔经总线反复地传输参照信息，并且将该时间间隔再划分成预定长度的时间窗，其中信息在时间窗中传输，其中，参照信息和后续的窗口直到下一个参照信息被结合成第一周期，并且第一用户通过一个停止请求在第一周期的结束处中断该传输。
9.在至少两个通过总线系统连接的用户之间进行数据交换的总线系统，其特征在于，用该系统实施权利要求1至7所述的方法。
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