DE102009026641A1

DE102009026641A1 - Verfahren zum Betreiben eines Datenübertragungssystems, Datenübertragungssystem und Computerprogrammprodukt

Info

Publication number: DE102009026641A1
Application number: DE200910026641
Authority: DE
Inventors: Matthias Cwik; Markus Roessle; Ewald Mauritz; Juergen Gross; Stefan Tumback; Falco Sengebusch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-06-02
Filing date: 2009-06-02
Publication date: 2010-12-09
Also published as: WO2010139504A1; EP2438712A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Datenübertragungssystems mit Daten in einem Datenpaket beschrieben, das zwischen einer Sendevorrichtung (25) und einer Empfangsvorrichtung (26) versandt wird. Um von Informationen den Zeitpunkt der Erfassung genauer zu bestimmen, wird jeweils eine Sendezeitinformation (6) aus einer Senderuhr (27) vor dem Senden in das Datenpaket hinzugefügt, jeweils eine Empfangszeitinformation (7) anhand einer Empfängeruhr (28) beim Empfang des Datenpakets bestimmt und die Laufzeit (15) des empfangenen Datenpakets aus einer Abweichung zwischen der Sendezeitinformation (6) und der Empfangszeitinformation (7) berechnet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Datenübertragungssystems mit Daten in einem Datenpaket, das zwischen einer Sendevorrichtung und einer Empfangsvorrichtung versandt wird. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Datenübertragungssystem mit einer Sendevorrichtung zum Senden von Informationen und einer Empfangsvorrichtung zum Empfangen von Datenpaketen, wobei die Sendevorrichtung eine Senderuhr und die Empfangsvorrichtung eine Empfängeruhr aufweist. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Computerprogrammprodukt, das in einen Programmspeicher mit Programmbefehlen von einem Mikrocomputer ladbar ist.
Stand der Technik
Es ist bekannt, Daten in Datenpaketen über Datenstrecken zu versenden, beispielsweise über einen CAN-Bus zur Kommunikation zwischen verschiedenen Steuergeräten in einem Kraftfahrzeug. Bei einem CAN-Bus stehen die in einem regelmäßigen Takt versendeten Daten als Informationen, wie beispielsweise Messsignale oder interne Größen der Steuergeräte, allen an dem Bus angehängten Steuergeräten zur Verfügung.
Ist die Datenstrecke zu einem beabsichtigten Sendezeitpunkt belegt oder werden von einer anderen Sendevorrichtung zeitgleich Daten höherer Priorität gesendet, so kommt es zu Verzögerungen beim Versand. Ferner können zusätzliche Verzögerungen durch unterschiedliche Arbeitstakte der Sendervorrichtung und der Empfangsvorrichtung verursacht werden. Folglich entstehen in der Dauer unbekannte Verzögerungen, und zwar insbesondere bei der Datenübertragung entlang der Datenstrecke oder auch bei einem Datenverarbeitungsschritt zwischen der Erfassung einer Größe in der Sendevorrichtung bis zum vollständigen Empfang oder bis zur Verarbeitung dieser Größe in der Empfangsvorrichtung. Die Nachrichtenübermittlung auf dem CAN-Bus ist nicht zeitsynchron. Insgesamt sind also Aussagen über die Laufzeit der gesendeten Daten beziehungsweise Datenpakete sind nicht möglich und damit fehlt eine wichtige Größe bei der Bestimmung des Alters der Daten.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren, ein Datenübertragungssystem und ein Computerprogrammprodukt der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, um Informationen von dem Zeitpunkt der Erfassung genauer zu bestimmen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch den Gegenstand der Patentansprüche 1, 9 und 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Bei vielen Anwendungen ist die zeitliche Zuordnung von Messsignalen von Bedeutung. Zum einen kann dies wichtig sein, um in Form einer Prädiktion den richtigen Zeitpunkt eines Ereignisses aus vorangegangenen Messwerten vorherzubestimmen. Zum anderen sind Schwankungen oder einzelne Abweichung in der Laufzeit von Bedeutung, beispielsweise wenn eine Drehzahlanalyse einer elektrischen Maschine in Form einer Frequenzanalyse der Daten durchgeführt werden soll. Das erfindungsgemäße Verfahren kann also besonders vorteilhaft angewandt werden, wenn Datenerfassung und Datenauswertung auf zumindest zwei, über die Datenstrecke verbundene Vorrichtungen verteilt sind und der genaue Zeitpunkt der Datenerfassung von Bedeutung ist.
Das erfindungsgemäße Datenübertragungssystem umfasst zumindest eine Sende- und eine Empfangsvorrichtung, die jeweils entsprechende Zeitinformationen mittels einer Sender- beziehungsweise einer Empfängeruhr ermitteln. Vorzugsweise sind dies eigenständige, insbesondere auch voneinander unabhängige, Uhren. Solche Uhren können technisch einfach realisiert werden, beispielsweise als elektronische Bauelemente oder Baugruppen jeweils in der Sende- beziehungsweise in der Empfangsvorrichtung.
Gemäß einem Gedanken der Erfindung wird zur Bestimmung des Alters von Daten zumindest die Dauer der Übertragung, nachfolgend Laufzeit genannt, des Datenpakets mit den Daten mittels der Sende- und Empfangsvorrichtung bestimmt, und zwar indem dem Datenpaket zusätzlich zu den Daten eine Sendezeitinformation vor dem Senden zugefügt und anschließend eine Empfangszeitinformation beim Empfang des Datenpakets bestimmt wird. Diese Zeitinformationen markieren dabei den zeitlichen Beginn und das zeitliche Ende der Übertragung, also die Laufzeit, und zwar insbesondere bezüglich zweier, vorzugsweise eigenständiger, durch die beiden Uhren vorgegebener Zeitachsen, sodass erfindungsgemäß die Laufzeit aus der Abweichung zwischen diesen beiden Zeitinformationen gewonnen wird. In diesem Sinn kann die Laufzeit also länger als die reine Verweildauer der Daten auf der Datenstrecke sein. Ferner kann das Alter der Daten der Laufzeit entsprechen, beispielsweise falls die Daten unmittelbar nach ihrer Erfassung oder Generierung gesendet werden, oder die Laufzeit kann auch nur einen Teil des Alters ausmachen.
Das erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukts führt ein zuvor und/oder nachfolgend beschriebenes Verfahren auf einem Mikrocomputer des Datenübertragungssystems aus, wobei das Computerprogrammprodukt in einen Programmspeicher mit Programmbefehlen von dem Mikrocomputer ladbar ist. Dabei können die Sendevorrichtung und die Empfangsvorrichtung jeweils einen Mikrocomputer aufweisen, wobei das Computerprogrammprodukt zwei Teilprodukte, nämlich für jeweils den Mikrocomputer der Sende- beziehungsweise der Empfangsvorrichtung, aufweisen kann.
Erfindungsgemäß wird die Sendezeitinformation dem Datenpaket bereits vor dem Senden zugefügt, da das Senden, insbesondere bei einer seriellen Datenübertragung, eine gewisse Zeitdauer erfordert, beispielsweise um die Daten des Datenpakets der Datenstrecke zuzuführen. Vorzugsweise ist bereits zum Zeitpunkt des Sendebeginns das zu sendende Datenpaket vollständig zusammengefügt, insbesondere also die Sendezeitinformation und die zu übertragenden Daten dem Datenpaket hinzugefügt.
Dabei kann eine, möglicherweise unbekannte, Verzögerung zwischen dem Einfügen der Sendezeitinformation oder auch dem Zeitpunkt, den die Sendezeitinformation widerspiegelt, und dem Sendebeginn auftreten, beispielsweise weil ei ne bevorzugte Sendevorrichtung das Datenpaket mithilfe eines sequenziell arbeitenden Mikrocomputers aufbaut. Die Sendezeitinformation kann also eine von dem Sendebeginn oder auch von dem Einfügezeitpunkt der Sendezeitinformation in das Datenpaket abweichende Zeitinformationen darstellen. Ferner können auch weitere Verzögerung auftreten, beispielsweise durch Berechnungen oder sonstigen Arbeitsschritten der Sendevorrichtung. Solche Verzögerungen tragen zu dem Alter der Daten bei und können im Sinne der Erfindung ein Bestandteil der Laufzeit sein.
Die Empfangszeitinformation wird anhand der Empfängeruhr beim Empfang eines Datenpakets bestimmt. Hier trifft die vorhergehende Beschreibung bezüglich der Verzögerungen beim Sendevorgang analog zu. Im Übrigen kann auch die Empfangszeitinformation einen, vorzugsweise geeignet gewählten, Zeitpunkt während der Datenübertragung charakterisieren. Beispielsweise kann ein Zeitpunkt, der den Beginn oder den Abschluss eines Empfangsvorgangs oder auch einen, vorzugsweise möglichst frühen, besonders bevorzugter Weise ersten Be- oder Verarbeitungsschritt des Datenpakets in der Empfangsvorrichtung widerspiegelt, als Empfangszeitinformation festgelegt werden.
Somit ermöglicht die Erfindung, die Laufzeit insbesondere mittels der erfindungsgemäßen Sendezeitinformation in einem Datenpaket zu bestimmen und damit das Alter, zumindest jedoch eine wichtige Größe bei der Bestimmung des Alters der Daten zu gewinnen.
Allerdings können solche eigenständige Uhren einen Gangunterschied aufweisen. Die Laufzeit kann also auch nicht unmittelbar der Abweichung zwischen den Zeitinformationen entsprechen, beispielsweise wegen der Eigenständigkeit der Uhren und dem daraus resultierenden Gangunterschied. Vorzugsweise wird der Gangunterschied zwischen der jeweiligen Senderuhr und der Empfängeruhr in einem ersten Schritt bestimmt, sodass in einem nachfolgenden Schritt die gesuchte Laufzeit eines empfangenen Datenpakets aus der Abweichung zwischen Sende- und Empfangszeitinformationen berechnet wird, indem die Abweichung um den zuvor bestimmten Gangunterschied korrigiert wird.
Dazu kann, vorzugsweise wie nachfolgend erläutert, der Gangunterschied zwischen der Senderuhr und der Empfängeruhr aus einer Mehrzahl von übertrage nen Datenpaketen mit Daten ermittelt werden. Dadurch kann insbesondere bei einer räumlichen Trennung der Vorrichtungen entlang der Datenstrecke beispielsweise der Material- und/oder Montageaufwand für den Zugriff auf eine zentrale Uhr oder eine Vorrichtung eigens zur Synchronisation oder Bestimmung des Gangunterschieds der Uhren entfallen.
Dann können bei einer bevorzugten Ausführungsform die Laufzeiten der Datenpakete über die Datenstrecke eine Häufigkeitsverteilung aufweisen, beispielsweise aufgrund der oben erläuterten Verzögerungen beim Senden und Empfangen. Insbesondere können zumindest zwei Datenpakete unterschiedliche Laufzeiten bei der Übertragung entlang der Datenstrecke besitzen.
Hier bedeutet ”eine Häufigkeitsverteilung aufweisen”, dass die Laufzeit eine Größe ist, deren konkreter Wert jeweils für ein bestimmtes Datenpaket nicht vorausgesagt werden kann und/oder vorbestimmt ist, und unter ”Häufigkeitsverteilung” ist ein Maß für die Wahrscheinlichkeit, dass ein Datenpaket eine bestimmte Laufzeit aufweist, zu verstehen.
Dabei weist vorzugsweise eine bestimmte Datenstrecke eine jeweils charakteristische, bekannte Häufigkeitsverteilung auf, die auch durch einen Zufallsprozess bedingt sein kann. Die Form der Häufigkeitsverteilung kann insbesondere auch durch die technische Realisierung der Datenstrecke, die Anzahl und Sendefrequenz weiterer Sendevorrichtungen, die Priorität der Datenpakete oder den Datenstrom auf der Datenstrecke bestimmt sein und beispielsweise eine Gauß-Kurven-Form aufweisen.
Unter der Voraussetzung, dass die Laufzeit eine Häufigkeitsverteilung aufweist, kann der Gangunterschied ermittelt werden, indem bei einer Mehrzahl von empfangenen Datenpaketen aus den jeweiligen Abweichungen zwischen Sende- und Empfangszeitinformation eine zweite Häufigkeitsverteilung bestimmt wird und aus der Ersten, nämlich der Häufigkeitsverteilung der Laufzeit, und der Zweiten, nämlich der Häufigkeitsverteilung der Abweichung, der Gangunterschied bestimmt wird. Dies ist möglich, da die zweite Häufigkeitsverteilung eine Information über die erste Häufigkeitsverteilung enthält, und zwar sind die Abweichungen zwischen Sende- und Empfangszeitinformation sowohl durch die Laufzeit eines Datenpakets als auch durch den Gangunterschied zwischen Senderuhr und Empfängeruhr bestimmt.
Bei dieser Ausführungsform können also Sende- und Empfangsvorrichtung, beziehungsweise deren Uhren, mittels der Mehrzahl von empfangenen Datenpaketen synchronisiert werden, und zwar vorzugsweise bereits vor einem zeitkritischen Zustand, also wenn die zeitliche Zuordnung der Daten gerade nicht relevant oder von geringerer Bedeutung ist. Somit kann die Laufzeit dieser und/oder auch weiterer, insbesondere nachfolgender Datenpakete bestimmt werden und so die Bestimmung deren Alters verbessert werden.
Eine bevorzugte Ausgestaltung dieser Ausführungsform sieht vor, jeweils bei einem Datenpaket die Abweichung zwischen Sende- und Empfangszeitinformation als Summe des Gangunterschieds und der Laufzeit festzulegen beziehungsweise zu modellieren. Im Übrigen kann diese Summe noch um weitere Zeitkomponenten, beispielsweise eine Verzögerung zwischen der Datenerfassung und dem Zeitpunkt entsprechend der Sendezeitinformation, ergänzt werden, je nachdem welche Zeitpunkte durch die Sende- und Empfangszeitinformation, wie zuvor und nachfolgend beschrieben, wiedergegeben werden. Dann kann der Gangunterschied bestimmt werden, indem er so gewählt wird, dass die beiden zuvor genannten Häufigkeitsverteilungen in Deckung gebracht werden. Da beide Häufigkeitsverteilung sich auf zeitabhängige Größen beziehen, nämlich auf die Laufzeit und auf die Abweichung zwischen der Sende- und der Empfangszeitinformation, und sich diese Größen also zumindest um den Gangunterschied unterscheiden, kann die zweite Häufigkeitsverteilung durch Variation des Gangunterschiedswertes entlang der Zeitachse verschoben und so der gesuchte Gangunterschied durch einen Vergleich der beiden Häufigkeitsverteilungen bestimmt werden.
Der Begriff ”in Deckung bringen” steht hier für eine Vielzahl von Verfahren, die beiden Häufigkeitsverteilung zu vergleichen. So kann beispielsweise der Gangunterschied als Differenz der Mittelwerte, Mediane, Maxima oder anderer Lageparameter oder auch entsprechender Flanken oder Fußpunkte der Häufigkeitsverteilungen bestimmt werden. Außerdem können die Häufigkeitsverteilungen, die auf einer begrenzten Anzahl von untersuchten Datenpaketen beruhen, verglichen werden, indem die diskreten Verteilungen mittels einer Variation des Para meters Gangunterschied numerisch angenähert werden und so der gesuchte Gangunterschied bestimmt wird.
Dann kann mit dem Gangunterschied die Laufzeit aus einer Differenz von Empfangs- und Sendezeitinformation bestimmt werden, indem die Differenz um den Wert des Gangunterschieds korrigiert wird.
Die Uhren können so ausgebildet sein, dass sie eine relative Zeitinformation, also keine absolute Uhrzeit, messen beziehungsweise liefern, und können gegenüber Uhren, welche die absolute Uhrzeit messen, günstiger hergestellt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Senderuhr und/oder auch die Empfängeruhr jeweils einen Zähler aufweisen, der einen jeweiligen Zählbereich zyklisch durchläuft und kann als Sende- beziehungsweise Empfangszeitinformation der jeweilige Zählerstand gewählt werden. Die nachfolgende Beschreibung ist auf die Zähler bezogen, kann jedoch auch analog auf die Uhren bezogen werden, wobei ein Zählerstand einer Uhrzeit entspricht.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können die Zähler zu einem Zeitpunkt unterschiedliche Zeitinformationen, d. h. Zählerstände, also den genannten Gangunterschied, aufweisen.
Vorzugsweise arbeiten die Zähler mit möglichst gleichen Zählerfrequenzen, um eine Drift des Gangunterschieds gering zu halten und so einen Fehler bei der Altersbestimmung zu reduzieren kann.
Außerdem kann ein solcher Zähler während seines Betriebs zyklisch bei einem ersten Zählerstand, beispielsweise mit der Inbetriebnahme der Sende- beziehungsweise der Empfangsvorrichtung, mit dem Zählen beginnen, um mit der Zählerfrequenz weiterzuzählen, und zwar bis zu einem maximalen beziehungsweise minimalen Zählerstand, woraufhin ein sogenannter Zählerüberlauf stattfinden und der Zähler bei einem minimalen beziehungsweise maximalen Zählerstand das Zählen fortsetzten kann. Ferner kann der Zähler während des Betriebs rücksetzbar sein. Im Übrigen können die Zähler der Sender- und der Empfängeruhr unabhängig voneinander zählen und können insbesondere unterschiedliche Zählbereiche, also auch unterschiedliche minimale beziehungsweise maximale Zählerstände, aufweisen.
Vorzugsweise ist die Zyklendauer der Zähler länger als eine maximale Laufzeit der Datenpakete. Dann können bei der Bestimmung der Laufzeit die genannten Zählerüberläufe berücksichtigt werden und insbesondere kann bei einer wie zuvor beschrieben bestimmten Laufzeit ein Zählerüberlauf erkannt und die Altersbestimmung korrigiert werden: Unterschreitet die ermittelte Laufzeit einen vorgegeben minimalen Wert beziehungsweise ist sie sogar negativ, ist der Zähler der beziehungsweise die Empfängeruhr übergelaufen, sodass bei der Bestimmung der Laufzeit der ermittelte Gangunterschied zwischen den Uhren um den maximalen Zählerstand der Empfängeruhr erhöht werden kann. Überschreitet die ermittelte Laufzeit einen vorgegeben maximalen Wert, ist der Zähler der beziehungsweise die Senderuhr übergelaufen, sodass bei der Bestimmung der Laufzeit der ermittelte Gangunterschied zwischen den Uhren um den maximalen Zählerstand der Senderuhr reduziert werden kann. Führen beide Korrekturen nicht zu einem plausiblen Ergebnis, können beide Zähler beziehungsweise Uhren übergelaufen sein und können beide Korrekturen durchgeführt werden. Die gesamte Korrektur lässt sich also mit zwei Schritten durchführen, wobei in einem Schritt die Laufzeit um den maximalen Wert des Zählers der Empfängeruhr erhöht wird, falls die Laufzeit einen vorgegebenen minimalen Wert unterschreitet, und in einem davon unabhängigen Schritt die Laufzeit um den maximalen Wert des Zählers der Senderuhr vermindert wird, falls die Laufzeit einen vorgegebenen maximalen Wert überschreitet.
Außer durch die oben genannten Verzögerungen beim Sendevorgang, kann das Alter der Daten auch durch weitere Verzögerungen in der Sendevorrichtung mitbedingt sein, etwa durch eine Berechnungsdauer nach dem Erfassen eines Messsignals. Vorzugsweise kann dann dem Datenpaket vor dem Senden auch eine Erfassungszeitinformation über einen Erfassungszeitpunkt der Daten und/oder auch eine Berechnungszeitinformation über die Dauer zwischen der Erfassung und der Berechnung der Daten beziehungsweise zwischen der Erfassung und dem zugehörigen Zeitpunkt der Sendezeitinformation hinzugefügt werden. Durch diese zusätzliche(n) Zeitinformation(en) lässt sich die Altersbestimmung der Daten weiter verbessern, insbesondere wenn in der Sendevorrichtung bereits Verarbeitungsschritte der Daten erfolgen.
Ferner können die Daten auch von einem Zeitpunkt ihrer Erfassung zu einem Zeitpunkt der Berechnung des Datenpakets oder auch zu dem Zeitpunkt der Sendezeitinformation hin extrapoliert werden. Dadurch kann quasi eine zeitliche Aktualisierung der Daten zu dem Zeitpunkt hin erfolgen, der dem erfindungsgemäß bestimmten Alter der Daten entspricht, und es kann die Altersbestimmung verbessert werden. Dies kann beispielsweise durch lineare Extrapolation über die letzten beiden oder auch durch eine Extrapolation über eine Vielzahl von der Sendeeinrichtung zuvor bearbeiteter oder erfasster Daten erfolgen. Auch kann ein bekannter Verlauf der Daten genutzt werden, um aus zuvor ermittelten Daten zu den genannten Zeitpunkten hin zu extrapolieren. So kann man also quasi aktuellere, zeitlich möglichst der Sendezeitinformation entsprechende, Daten erzeugen. Dabei kann der Zeitpunkt der Berechnung möglichst früh nach dem Zeitpunkt der Datenerfassung erfolgen, um möglichst aktuelle Daten zu erhalten und die Fehler der Extrapolation zu verringern.
Vorzugsweise wird die Datenstrecke in einem regelmäßigen Takt betrieben. Bei einer getakteten Datenstrecke lassen sich Laufzeiten beispielsweise als Vielfaches des Taktes durch Zählen bestimmen und eine genaue Zeitmessung kann entfallen. Ferner wird vorzugsweise pro Takt höchstens ein Datenpaket gesendet und kann das Senden des Datenpakets nach dem Speichern der Sendezeitinformation so lange verzögert werden, bis ein freier Takt zur Verfügung steht. So lässt sich der Aufwand, die Laufzeit eines speziellen Datenpaketes zu bestimmen reduzieren, da dieses durch den vorgegeben Takt von weiteren Datenpaketen zeitlich getrennt ist.
Im Übrigen ist vorzugsweise die Datenstrecke als ein CAN-Bus und/oder auch die Sende- und Empfangsvorrichtung jeweils als ein an den CAN-Bus angeschlossenes Steuergerät realisiert. Die Nachrichtenübermittlung auf dem CAN-Bus ist nicht zeitsynchron, sodass konventionell keine Aussagen über die Laufzeit eines einzelnen Datenpakets möglich sind und das erfindungsgemäße Verfahren bei diesem häufig verwendeten Bus besonders vorteilhaft ist, um die Altersbestimmung der Daten zu verbessern.
Insbesondere bei dem CAN-Bus, aber auch bei anderen Datenstrecken, können also verschiedene Steuergeräte mit dem erfindungsgemäßen Verfahren syn chronisiert werden und kann dann die Sendezeitinformation in dem Datenpaket beim Empfang des Datenpakets im Bezug auf die Empfangszeitinformation richtig zugeordnet und somit die Bestimmung des Alters der Daten verbessert werden.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Datenübertragungssystem zwei durch einen CAN-Bus verbundene Steuergeräte zur Steuerung einer Startvorrichtung einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug. Dann können nach dem zuvor beschriebenen Verfahren von einem ersten Steuergerät als Sendevorrichtung zeitkritische Informationen über die Drehgeschwindigkeit der Startvorrichtung und/oder auch der Brennkraftmaschine erfasst werden, und diese Daten können an ein zweites Steuergerät als Empfangsvorrichtung zur oder auch als Steuerung eines Startvorgangs der Brennkraftmaschine gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren übertragen werden, um beispielsweise die Startvorrichtung optimal in die Brennkraftmaschine einzuspuren.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Datenübertragungssystems mit zwei Steuergeräten und einem CAN-Bus,
2 eine schematische Übersicht einiger Komponenten des Alters der Daten bei der Datenübertragung
3 eine schematische Darstellung der Arbeitstakte der Steuergeräte,
4 Häufigkeitsverteilungen von Laufzeiten auf dem CAN-Bus,
5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung des Alters von Daten,
6 einen Vergleich der Häufigkeitsverteilungen der Laufzeiten und der Abweichungen zwischen einer Sende- und der Empfangszeitinformation eines Datenpakets,
7 eine schematische Darstellung eines Verlauf von Zählerständen einer Sender- und Empfängeruhr und
8 schematisch eine Extrapolation der Daten bei einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Die 1 bis 7 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel, wobei die 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Datenübertragungssystems mit zwei Steuergeräten 25, 26, nämlich einer Sendevorrichtung 25 zum Senden und einer Empfangsvorrichtung 26 zum Empfangen von Datenpaketen über einen CAN-Bus 29 als Datenstrecke, zeigt. Die Sendevorrichtung 25 und die Empfangsvorrichtung 26 weisen jeweils einen nicht dargestellten Mikrocomputer mit einem Programmspeicher mit Programmbefehlen auf, um zumindest die nachfolgend erläuterten Arbeitsschritte mittels eines entsprechend ausgebildeten und in den Programmspeicher geladenen Computerprogrammprodukts auszuführen. Außerdem weist die Sendevorrichtung 25 eine Senderuhr 27 auf, aus der eine Sendezeitinformation 6 gewonnen und in das Datenpaket eingefügt wird, und die Empfangsvorrichtung 26 weist eine Empfängeruhr 28 auf, anhand der beim Empfang eines Datenpakets eine Empfangszeitinformation 7 bestimmt wird.
Die Sender- 27 und Empfängeruhr 28 weisen jeweils einen Zähler auf, der einen jeweiligen Zählbereich zyklisch durchläuft, wobei der Zählerstand der Senderuhr 27 zum Zeitpunkt t3 als Sendezeitinformation 6 in das Datenpaket geschrieben wird und der Zählerstand der Empfängeruhr 28 zum Zeitpunkt t6 als Empfangszeitinformation 7 ermittelt wird. Beide Uhren 27, 28 starten mit der Inbetriebnahme des jeweiligen Steuergeräts 25, 26 mit einem Zählerstand Null und zählen dann bis zu einem jeweiligen maximalen Zählerstand t_s,max, t_e,max der Sender- 27 bzw. Empfängeruhr 28, die voneinander verschieden sind. Nach Erreichen der jeweiligen maximalen Zählerstände t_s,max, t_e,max findet, wie in der 6 dargestellt, jeweils ein Zählerüberlauf statt und der Zählvorgang beginnt erneut bei dem Zählwert Null.
Die 2 zeigt eine schematische Übersicht einiger Möglichkeiten für einen Verzug beziehungsweise Komponenten des Alters der Daten bei der Datenübertragung, wobei entlang einer Zeitachse t Arbeitstakte 1 der Sendevorrichtung 25 oberhalb von Arbeitstakten 2 der Empfangsvorrichtung 26 aufgetragen sind. Dabei kann jeder, nur ein Teil oder auch überhaupt kein Verzug auftreten, messbar oder von praktischer Bedeutung sein. Die Arbeitstakte 1, 2 sind in der 3 näher erläutert. In diesem Ausführungsbeispiel werden als Daten eine Drehzahl einer Brennkraftmaschine erfasst, die von einem nicht dargestellten Sensor anhand eines Impulssignals 3 ermittelt wird, wobei das Impulssignal 3 durch die Zähne eines rotierenden Zahnrades bestimmt ist. Bei der Bestimmung der Drehzahl tritt ein erster Verzug T1 auf, da die Drehzahl nur aufgrund von zwei Impulssignalen 3 ermittelt werden kann und sie deshalb einer mittleren Drehzahl zu einem Zeitpunkt t1 zwischen diesen Impulssignalen 3 entspricht. Aufgrund der Arbeitstakte 1 der Sendevorrichtung 25 ergibt sich eine gewisse Abtastfrequenz, sodass die Drehzahl als Messsignal 5 mit einem Verzug T2 von der Sendevorrichtung 25 zum Zeitpunkt t2 erfasst wird. Ferner tritt ein Verzug T3 während eines Verarbeitungstaktes 10 zwischen dem Erfassen des Messsignals 5 und einem Sendetakt 11 und ein Verzug T4, der der Dauer eines Übertragungstaktes 12 der Daten entlang des CAN-Busses 29 entspricht, auf. Schließlich tritt ein Verzug T5 zwischen dem Einlesen des Datenpakets in der Empfangsvorrichtung 26 und einer Berechnung unter Benutzung der empfangenen Daten auf.
Die 3 zeigt schematisch entlang der Zeitachse t die Datenübertragung mit dem erfindungsgemäßen Datenübertragungssystem, wobei hier nur jeweils ein Teil eines Zyklus der zyklisch ausgeführten Arbeitstakte 1 der Sendevorrichtung 25 und Arbeitstakte 2 der Empfangsvorrichtung 26 dargestellt sind.
Bei diesem Ausführungsbeispiel tritt zu dem Zeitpunkt t2 ein Ereignis, nämlich das Messsignal 5, auf, das von der Sendevorrichtung 25 erfasst und in einem Verarbeitungstakt 10 verarbeitet wird. Zum Zeitpunkt t3 wird eine Sendezeitinformation 6 bestimmt und es beginnt der Sendetakt 11, in dem die Sendezeitinformation 6 dem Datenpaket hinzugefügt wird und die Sendevorrichtung 25 auf einen freien Takt des CAN-Busses 29 wartet. Die Dauer zwischen den Zeitpunk ten t4 und t3 ist maßgeblich durch die Auslastung des Busses 29 und durch Kollisionen mit anderen Datenpaketen höherer Priorität bestimmt. Ab dem Zeitpunkt t4 wird das Datenpaket über den CAN-Bus 29 seriell übertragen, wobei die Datenübertragung bis zum Zeitpunkt t5 erfolgt. Die Empfangsvorrichtung 26 empfängt das Datenpaket und ermittelt bis zum Ende eines Verarbeitungstaktes 14 die Empfangszeitinformation 7.
In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die erfindungsgemäße Laufzeit 15 die Dauer zwischen den Zeitpunkten t3 und t6, die der Sendezeitinformation 6 und der Empfangszeitinformation 7 entsprechen, wobei die Laufzeit 15 also eine Gesamtverzögerung aufgrund des Sendetakts 11, des Übertragungstakts 12 und des Verarbeitungstakts 14 ist.
Die 4 zeigt Häufigkeitsverteilungen 20, 20' der Laufzeiten 15 auf dem CAN-Bus 29, wobei die Wahrscheinlichkeit W aufgetragen ist, dass ein Datenpaket eine bestimmte Laufzeit 15 der Zeit t benötigt. Insbesondere aufgrund der zuvor erläuterten Mechanismen treten Verzögerungen auf und kann die Laufzeit 15 eines Datenpaketes nicht vorherbestimmt werden. Sie ist also eine Zufallsgröße. Die 4 gibt hier nur exemplarisch zwei mögliche Häufigkeitsverteilung 20, 20' wieder, da die Verteilungsform von dem jeweiligen Betriebszustand des CAN-Busses 29, insbesondere auch der Anzahl, der Sendefrequenz und der Priorität weiterer Sendevorrichtungen beziehungsweise Datenpakete abhängt, wobei die dadurch bestimmten, charakteristischen Häufigkeitsverteilungen 20, 20' insbesondere eine minimale und maximale Laufzeit t_l,min, t_l,max und ein Maximum 23 aufweisen. Insbesondere kann auch eine Gauß-Kurven-Form, wie in 4b) gezeigt, als Häufigkeitsverteilungen 20' auftreten.
Die 5 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung des Alters von Daten, bei dem in einem Schritt 30 eine Mehrzahl Datenpakete zwischen den Steuergeräten 25, 26 über den CAN-Bus 29 übertragen werden, wobei wie zuvor erläutert zumindest die Sendezeitinformation 6 übertragen und die Empfangszeitinformation 7 bestimmt wird. In einem Folgeschritt 31 werden jeweils die Sendezeitinformation 6 und die Empfangszeitinformation 7 der Datenpakete verglichen und aus deren Abweichungen eine zweite Häufigkeitsverteilung 21 ermittelt, die später näher erläutert wird. In einem weiteren Schritt 32 wird die zweite Häufigkeitsverteilung 21 mit der ersten, nämlich der Häufigkeitsvertei lung 20, 20' nach der 4, verglichen und durch den Vergleich ein Gangunterschied 22 zwischen Sender- 27 und Empfängeruhr 28 bestimmt. Der Vergleich und die Bestimmung des Gangunterschiedes 22 wird ebenfalls nachfolgend erläutert. Schließlich wird in einem Schritt 33 die Laufzeit 15 eines Datenpaketes aus der Abweichung zwischen Sende- 6 und Empfangszeitinformation 7 bestimmt, indem diese Abweichung um den zuvor ermittelten Gangunterschied 22 korrigiert wird.
Die 6 zeigt den Vergleich der ersten Häufigkeitsverteilung 20 der Laufzeiten 15 auf dem CAN-Bus 29 und der zweiten Häufigkeitsverteilung 21 der Abweichungen zwischen der Sende- 6 und der Empfangszeitinformation 7 der jeweiligen übertragenen Datenpakete.
Die Abweichungen zwischen der Sende- 6 und der Empfangszeitinformation 7 sind neben der Laufzeit 15 des zugehörigen Datenpakets auch durch den Gangunterschied 22 zwischen der Senderuhr 27 und der Empfängeruhr 28 bestimmt. Deshalb zeigt der Vergleich der beiden Häufigkeitsverteilungen 20, 21 eine Verschiebung auf der Zeitachse t, die gerade dem Gangunterschied 22 entspricht. Zur Ermittlung des Gangunterschieds 22 gemäß dem Schritt 32 in 5, genügt es also, die Häufigkeitsverteilungen 20, 21 zu vergleichen. So wird in diesem Ausführungsbeispiel der Wert des Gangunterschieds 22 im Prinzip bestimmt, indem er geeignet gewählt wird, sodass die Häufigkeitsverteilung 21 bei einer Verschiebung entlang der Zeitachse t um den gewählten Wert nach links in Deckung mit der Häufigkeitsverteilung 20 gebracht wird, und konkret bestimmt, indem von der Empfangsvorrichtung 26 die Differenz der Maxima 23, 24 der Häufigkeitsverteilungen 20, 21 berechnet wird. Somit kann der Gangunterschied unmittelbar durch den Vergleich der Häufigkeitsverteilungen 20, 21 ermittelt und nachfolgend die jeweiligen Sendezeitinformationen 6 in Bezug auf die Empfangszeitinformationen 7 richtig zugeordnet werden.
Die 7 zeigt schematisch den Verlauf 60 des Zählerstandes der Senderuhr 27 und den Verlauf 61 des Zählerstandes der Empfängeruhr 28 entlang der Zeitachse t. Ferner ist die Laufzeit 15 eines Datenpakets, der Zählerstand t_s der Senderuhr 27 zum Zeitpunkt t3 der Sendezeitinformation 6, der Zählerstand t_e der Empfängeruhr 28 zum Zeitpunkt t6 der Empfangszeitinformation 7 und der Gangunterschied 22 zwischen der Senderuhr 27 und der Empfängeruhr 28 während der Laufzeit 15 dargestellt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Laufzeit 15 des Datenpakets aus der Differenz des Zählerstandes t_e der Empfängeruhr 28 und des Zählerstandes t_s der Senderuhr 27 berechnet, indem zusätzlich der Gangunterschied 22 addiert wird.
Ferner ist in diesem Ausführungsbeispiel die Dauer zwischen zwei Überläufen 63, 64 eines jeden Zählers deutlich größer als die maximale Laufzeit t_l,max eines Datenpakets auf dem CAN-Bus 29. Deshalb erkennt die Empfangsvorrichtung 26 einen solchen Überlauf 63, 64 anhand eines unplausiblen Wertes der berechneten Laufzeit 15. Dann wird in einem ersten Schritt die Laufzeit 15 um den maximalen Wert t_e,max des Zählers der Empfängeruhr 28 erhöht, falls die Laufzeit 15 einen vorgegebenen minimalen Wert unterschreitet, der kleiner als die kleinste Laufzeit t_l,min ist. In einem zweiten Schritt wird unabhängig von dem ersten Schritt die gegebenenfalls bereits korrigierte Laufzeit 15 um den maximalen Wert t_s,max des Zählers der Senderuhr 27 verringert, falls die Laufzeit 15 einen vorgegebenen maximalen Wert, der größer als die maximale Laufzeit t_l,max ist, überschreitet.
Ein zweites Ausführungsbeispiel ist gegenüber dem zuvor beschriebenen um einen weiteren Verfahrensschritt ergänzt ist, um die Bestimmung des Alters der Daten weiter zu verbessern. Es trifft dementsprechend die vorhergehende Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels uneingeschränkt auch auf das zweite Ausführungsbeispiel zu. Wie zuvor in 2 und 3 erläutert, tritt in der Sendevorrichtung 25 ein Verzug zwischen dem Zeitpunkt t2 der Erfassung des Messsignals 5 und dem Zeitpunkt t3 der Sendezeitinformation 6 auf. Deshalb werden die zu dem Erfassungszeitpunkt t2 erfassten Daten zu dem Zeitpunkt t3 der Sendezeitinformation 6 hin extrapoliert, und zwar durch eine lineare Extrapolation 72 jeweils über die letzten beiden empfangenen Messsignale.
Die 8 zeigt schematisch die Extrapolation 72, mit der ein quasi aktuelleres Messsignal 70 berechnet wird, das nach dem vorbekannten Verlauf 71 der zugehörigen Messgröße zum Zeitpunkt t3 der Sendezeitinformation 6 zu erwarten ist. Die Werte für die Extrapolation 72 werden beispielsweise aus einer Funktions- oder Steigungsberechnung des Verlaufs 71 und/oder früherer Messwerte abge leitet. Durch diesen Verfahrensschritt wird also eine genaue Bestimmung des Alters der Daten möglich, da sie genau dem bekannten Zeitpunkt t3 entsprechen. Es ist jedoch zu beachten, dass dann die Daten mit einem Fehler aufgrund der Extrapolation 72 behaftet sind. Vorteilhafterweise wird der Zeitpunkt, auf den extrapoliert wird, möglichst früh nach dem Erfassungszeitpunkt t2 gewählt, um den Fehler der Extrapolation 72 möglichst gering zu halten.
Alternativ, jedoch nicht in einer Figur dargestellt, wird in einem weiteren Ausführungsbeispiel die Extrapolation 72 auch auf einen Zeitpunkt innerhalb des Schrittes der Datenverarbeitung 11 hin erfolgen, sofern das Messsignal 5 bereits in der Sendevorrichtung 25 für eine Berechnung herangezogen wird.
Bei einem weiteren, nicht dargestellten, Ausführungsbeispiel, das eine Weiterbildung des ersten Ausführungsbeispiels ist, wird, um die Altersbestimmung weiter zu verbessern, in das Datenpaket zusätzlich eine Erfassungszeitinformation über den Zeitpunkt t2 der Datenerfassung 5 aufgenommen. Das Alter der Daten, die durch das Messsignal 5 bestimmt sind, entspricht der Differenz der Zeitpunkte t6 und t1. Somit kann die Empfangsvorrichtung 26 das Alter der Daten bis auf die Dauer zwischen den Zeitpunkten t1 und t2, also einen Fehler, der durch die Abtastrate der Sendevorrichtung 25 bedingt ist, vollständig bestimmen.
Alternativ dazu wird bei einem weiteren Ausführungsbeispiel die Zeit von dem Erfassungszeitpunkt t2 bis zu einer Berechnung der Daten im Verarbeitungstakt 10 bestimmt und als Erfassungszeitinformation in dem Datenpaket gespeichert werden. In diesem Fall liegt der Zeitpunkt der Berechnung möglichst spät im Verarbeitungstakt 10 und der Sendebeginn möglichst früh im Sendetakt 11, um den unbekannten Verzug zwischen diesen beiden Zeitpunkten zu minimieren.
Alle Figuren zeigen lediglich schematische, nicht maßstabsgerechte Darstellungen. Im Übrigen wird insbesondere auf die zeichnerische Darstellungen für die Erfindung als Wesentlich verwiesen.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Datenübertragungssystems mit Daten in einem Datenpaket, das zwischen einer Sendevorrichtung (25) und einer Empfangsvorrichtung (26) über eine Datenstrecke (29) versandt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sendezeitinformation (6) aus einer Senderuhr (27) vor dem Senden in das Datenpaket hinzugefügt wird, eine Empfangszeitinformation (7) anhand einer Empfängeruhr (28) beim Empfang des Datenpakets bestimmt wird und die Laufzeit (15) des empfangenen Datenpakets aus einer Abweichung zwischen der Sendezeitinformation (6) und der Empfangszeitinformation (7) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gangunterschied (22) zwischen der Senderuhr (27) und der Empfängeruhr (28) aus mehreren Datenpaketen bestimmt und die Abweichung um den Gangunterschied (22) korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Datenpaketen mit Daten übertragen werden, wobei die Laufzeiten (15) der Datenpakete über die Datenstrecke (29) eine Häufigkeitsverteilung (20, 20') aufweisen, die durch die Übertragung auf der Datenstrecke (29) bestimmt ist, und der Gangunterschied (22) ermittelt wird, indem aus der Mehrzahl von empfangenen Datenpaketen aus den jeweiligen Abweichungen zwischen Sende- und Empfangszeitinformation (6, 7) eine zweite Häufigkeitsverteilung (21) bestimmt wird und aus der ersten und zweiten Häufigkeitsverteilung (20, 20', 21) der Gangunterschied (22) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichungen zwischen Sende- und Empfangszeitinformation (6, 7) als Summe des Gangunterschieds (22) und der Laufzeit (15) festgelegt werden und der Gangunterschied (22) bestimmt wird, indem die Häufigkeitsverteilungen (20, 21) durch den zu bestimmenden Gangunterschied (22) in Deckung gebracht werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sender- und die Empfängeruhr (27, 28) jeweils einen Zähler aufweisen, der einen jeweiligen Zählbereich zyklisch durchläuft, und dass als Sende- beziehungsweise Empfangszeitinformation (6, 7) der jeweilige Zählerstand der Sender- beziehungsweise der Empfängeruhr (27, 28) gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufzeit (15) um den maximalen Wert (t_e,max) des Zählers der Empfängeruhr (28) erhöht wird, falls die Laufzeit (15) einen vorgegebenen minimalen Wert unterschreitet, und vorzugsweise die Laufzeit (15) um den maximalen Wert (t_s,max) des Zählers der Senderuhr (27) vermindert wird, falls die Laufzeit (15) einen vorgegebenen maximalen Wert überschreitet.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Datenpaket vor dem Senden eine Erfassungszeitinformation über einen Erfassungszeitpunkt (t2) der Daten zugefügt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten eines Datenpakets vor dem Senden von einem Erfassungszeitpunkt (t2) zudem Zeitpunkt (t3) der Sendezeitinformation (6) hin extrapoliert werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenstrecke (29) in einem regelmäßigen Takt betrieben wird und das Senden des Datenpakets nach dem Speichern der Sendezeitinformation (6) so lange verzögert wird, bis ein freier Takt zur Verfügung steht.
Datenübertragungssystem mit einer Sendevorrichtung (25) zum Senden von Informationen und einer Empfangsvorrichtung (26) zum Empfangen von Datenpaketen über eine Datenstrecke (29), wobei die Sendevorrichtung (25) eine Senderuhr (27) und die Empfangsvorrichtung (26) eine Empfängeruhr (27) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Datenübertragungssys tem zum Ausführen eines Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–9 ausgebildet ist.
Computerprogrammprodukt, das in einen Programmspeicher mit Programmbefehlen von einem Mikrocomputer ladbar ist, um zumindest ein Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–9 auszuführen, wenn das Programm in einem Datenübertragungssystem gemäß Anspruch 10 ausgeführt wird.