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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Anpassung der Datenübertragungssicherheit zwischen wenigstens zwei Teilnehmern in einem seriellen Bussystem.
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Beispielsweise aus den Normen der Familie ISO 11898-1 bis -5 ist das Controller Area Network (CAN) sowie eine als „Time Triggered CAN” (TTCAN) bezeichnete Erweiterung des CAN bekannt, im Folgenden auch als Norm CAN bezeichnet. Das beim CAN verwendete Medienzugriffssteuerverfahren beruht auf einer bitweisen Arbitrierung. Bei der bitweisen Arbitrierung können mehrere Teilnehmerstationen gleichzeitig Daten über den Kanal des Bussystems übertragen, ohne dass hierdurch die Datenübertragung gestört wird. Die Teilnehmerstationen können weiterhin beim Senden eines Bits über den Kanal den logischen Zustand (0 oder 1) des Kanals ermitteln. Entspricht ein Wert des gesendeten Bits nicht dem ermittelten logischen Zustand des Kanals, dann beendet die Teilnehmerstation den Zugriff auf den Kanal. Bei CAN wird die bitweise Arbitrierung üblicherweise anhand eines Identifiers innerhalb einer über den Kanal zu übertragenden Nachricht vorgenommen. Nachdem eine Teilnehmerstation den Identifier vollständig an den Kanal gesendet hat, weiß sie, dass sie exklusiven Zugriff auf den Kanal hat. Somit entspricht das Ende der Übertragung des Identifiers einem Beginn eines Freigabeintervalls, innerhalb dessen die Teilnehmerstation den Kanal exklusiv nutzen kann. Gemäß der Protokollspezifikation des CAN dürfen andere Teilnehmerstationen so lange nicht auf den Kanal zugreifen, das heißt Daten an den Kanal senden, bis die sendende Teilnehmerstation ein Prüfsummenfeld (CRC Field) der Nachricht übertragen hat. Somit entspricht ein Endzeitpunkt der Übertragung des CRC Fields einem Ende des Freigabeintervalls.
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Durch die bitweise Arbitrierung wird also eine zerstörungsfreie Übertragung derjenigen Nachrichten über den Kanal erreicht, die das Arbitrierungsverfahren gewonnen hat. Die Protokolle des CAN eignen sich besonders zum Übertragen kurzer Meldungen unter Echtzeitbedingungen, wobei durch geeignete Zuweisung der Identifier sichergestellt werden kann, dass besonders wichtige Nachrichten nahezu immer die Arbitrierung gewinnen und erfolgreich gesendet werden.
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Mit der zunehmenden Vernetzung moderner Fahrzeuge und dem Einzug zusätzlicher Systeme zur Verbesserung beispielsweise der Fahrsicherheit oder des Fahrkomforts wachsen die Anforderungen an die zu übertragenden Datenmengen und die bei der Übertragung zulässigen Latenzzeiten. Beispiele sind Fahrdynamikregelsysteme wie z. B. das elektronische Stabilitätsprogramm ESP, Fahrerassistenzsysteme wie z. B. die automatische Abstandsregelung ACC, oder Fahrerinformationssysteme wie z. B. die Verkehrszeichenerkennung (vgl. beispielsweise Beschreibungen in „Bosch Kraftfahrtechnisches Handbuch", 27. Auflage, 2011, Vieweg + Teubner).
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DE 103 11 395 A1 beschreibt ein System, bei welchem asynchrone, serielle Kommunikation alternativ über ein asymmetrisches physikalisches oder über das symmetrische physikalische CAN-Protokoll erfolgen kann, und dadurch eine höhere Datenübertragungsrate oder -sicherheit für die asynchrone Kommunikation erzielbar ist.
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DE 10 2007 051 657 A1 schlägt vor, in den exklusiven Zeitfenstern des TTCAN Protokolles eine asynchrone, schnelle, nicht CAN-konforme Datenübertragung anzuwenden, um die übertragene Datenmenge zu erhöhen.
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G. Cena und A. Valenzano behandeln in „Overclocking of controller area networks" (Electronics Letters, Vol. 35, No. 22 (1999), S. 1924) die Auswirkungen einer Übertaktung der Busfrequenz in Teilbereichen der Nachrichten auf die effektiv erzielte Datenrate. Die Anpassung der Datenübertragungssicherheit wird nicht behandelt.
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Es zeigt sich, dass der Stand der Technik nicht in jeder Hinsicht befriedigende Ergebnisse liefert.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Folgenden wird die Erfindung mit ihren Vorteilen anhand von Zeichnungen und Ausführungsbeispielen beschrieben. Der Gegenstand der Erfindung ist nicht auf die dargestellten und geschilderten Ausführungsbeispiele beschränkt.
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Vorteile der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung stellt eine Möglichkeit bereit, ein geändertes Polynom zur Berechnung der Checksumme heranzuziehen und im CRC Feld zu übertragen. Dies hat den Vorteil, dass die Sicherheit der Fehlererkennung auch für größere übertragene Datenmengen erhalten bleibt. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform werden parallel mehrere Berechnungen von Checksummen gestartet und es wird abhängig vom Vorliegen einer weiteren Umschaltbedingung und/oder dem Inhalt des Data Length Code entschieden welches Ergebnis einer dieser Berechnungen im CRC Feld übertragen wird.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform erzielt durch die Bereitstellung einer Möglichkeit zur Vergößerung des Datenfeldes einer übertragenen Nachricht den Effekt, dass gegenüber einer normgemäßen CAN Nachricht eine größere Menge an Daten mit einer einzigen Nachricht über den Bus übermittelt werden kann. Somit steigt in vorteilhaften Weise das Verhältnis von Datenmenge zu Kontrollinformation in einer Nachricht, und somit auch die mittlere Datenübertragungsrate über das Bussystem.
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Durch das Aufstellen einer eindeutigen Zuordnung zwischen dem Inhalt des Data Length Code und der Länge des Datenfeldes wird in vorteilhafter Weise eine hohe Flexibilität bezüglich der darstellbaren Größe des Datenfeldes erreicht.
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Es ist weiterhin von Vorteil, dass für die im Norm CAN üblicherweise genutzten Werte 0b0001 bis 0b1000 des Data Length Code die dem Norm CAN entsprechenden Größen des Datenfeldes, also 1 Byte bis 8 Byte zugeordnet werden.
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In einer vorteilhaften Ausprägung des Verfahrens erfolgt die Verwendung eines geänderten Polynoms zur Berechnung der Checksumme in Abhängigkeit von einer Umschaltbedingung, so dass bei Vorliegen der Umschaltbedingung das erfindungsgemäße Verfahren zur Anwendung kommt, während sonst die Datenübertragung gemäß dem normalen CAN Standard erfolgt. Ebenfalls vorteilhaft erfolgt auch die Vergrößerung des Datenfeldes und die Anpassung der Interpretation des Inhaltes des Data Length Code in gleicherweise abhängig von einer, eventuell derselben Umschaltbedingung. Dadurch können erfindungsgemäßen Vorrichtungen sowohl in Standard CAN Bussystemen eingesetzt werden, als auch in neuen, erfindungsgemäßen Bussystemen mit potenziell größeren Datenfeldern.
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Es ist weiter von Vorteil, dass eventuell vorhandene Stuff-Bits, welche vor dem CRC Feld in der Nachricht auftreten, in die Berechnung der Checksumme mit aufgenommen werden.
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Kombiniert man das Verfahren mit einem Umschalten der Bitlänge beispielsweise für die Bits des Datenfeldes und des CRC Feldes, so erzielt man den weiteren Vorteil, dass eine größere Menge an Daten beschleunigt übertragen wird, als dies bei einer Begrenzung des Datenfeldes auf 8 Byte der Fall ist. Dadurch wird die mittlere Datenübertragungsrate des Bussystems weiter gesteigert.
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Das Verfahren ist vorteilhaft einsetzbar im normalen Betrieb eines Kraftfahrzeuges zur Übertragung von Daten zwischen wenigstens zwei Steuergeräten des Kraftfahrzeuges, welche über einen geeigneten Datenbus verbunden sind. Es ist aber gleichermaßen vorteilhaft einsetzbar während der Fertigung oder Wartung eines Kraftfahrzeuges zur Übertragung von Daten zwischen einer zum Zwecke der Programmierung mit einem geeigneten Datenbus verbundenen Programmierungseinheit und wenigstens einem Steuergerät des Kraftfahrzeuges, welches mit dem Datenbus verbunden ist.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass ein Norm-CAN Controller nur minimal geändert werden muss, um erfindungsgemäß arbeiten zu können. Ein erfindungsgemäßer Kommunikationscontroller, der auch als Norm-CAN Controller arbeiten kann, ist nur unwesentlich größer als ein herkömmlicher Norm-CAN Controller. Das zugehörige Anwendungs-Programm muss nicht geändert werden, und schon dann werden Vorteile in der Geschwindigkeit der Datenübertragung erzielt.
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Es können in vorteilhafter Weise erhebliche Teile des CAN-Conformance-Tests (ISO 16845) übernommen werden. In einer vorteilhaften Ausprägung kann das erfindungsgemäße Übertragungsverfahren mit den Ergänzungen des TTCAN (ISO 11898-4) kombiniert werden.
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Zeichnungen
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Die Erfindung wird im Weiteren anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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1a zeigt die zwei Alternativen für den Aufbau von Nachrichten im CAN Format gemäß der CAN-Norm ISO 11898-1 aus dem Stand der Technik. 1b zeigt die zwei analogen Alternativen für das Format der demgegenüber erfindungsgemäß modifizierten Nachrichten.
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2 stellt verschiedene Möglichkeiten dar, wie der Inhalt des Data Length Code erfindungsgemäß abweichend von der CAN-Norm ISO 11898-1 interpretiert werden kann.
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3 stellt schematisch ein Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Empfangsprozess auf einer Teilnehmerstation des Bussystems dar.
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4 stellt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Empfangsprozess auf einer Teilnehmerstation des Bussystems dar.
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5 zeigt zwei Beispiele für das Format von erfindungsgemäß modifizierten Nachrichten, bei denen zusätzlich in festgelegten Bereichen innerhalb der Nachricht eine unterschiedliche Bitlänge verwendet wird.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1a ist der Aufbau von Nachrichten, wie sie auf einem CAN Bus zur Datenübertragung verwendet werden, dargestellt. Die beiden unterschiedlichen Formate „Standard” und „Extended” sind dargestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist auf beide Formate gleichermaßen anwendbar.
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Die Nachricht beginnt mit einem „Start of Frame”(SOF)-Bit, das den Beginn der Nachricht signalisiert. Es schließt sich ein Abschnitt an, der in erster Linie zur Identifizierung der Nachricht dient, und anhand dessen die Teilnehmer des Bussystems entscheiden, ob sie die Nachricht empfangen oder nicht. Dieser Abschnitt wird mit „Arbitration Field” bezeichnet und enthält den Identifier. Es folgt ein „Control Field”, das unter anderem den Data Length Code enthält. Der Data Length Code enthält Informationen über die Größe des Datenfeldes der Nachricht. Hieran schließt sich das eigentliche Datenfeld „Data Field” an, das die zwischen den Teilnehmern des Bussystems auszutauschenden Daten enthält. Es folgt das „CRC Field” mit der 15 Bit umfassenden Checksumme und einem Delimiter, und anschließend zwei „Acknowledge”(ACK)-Bits, die dazu dienen, den erfolgreichen Empfang einer Nachricht an den Sender zu signalisieren. Abgeschlossen wird die Nachricht durch eine „End of Frame”(EOF)-Sequenz.
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Bei dem CAN Übertragungsverfahren nach der Norm darf das Datenfeld maximal 8 Byte, also 64 Bit an Daten enthalten. Der Data Length Code umfasst gemäß der Norm vier Bits, kann also 16 verschiedene Werte annehmen. Benutzt werden aus diesem Wertebereich in heutigen Bussystemen lediglich acht verschiedene Werte für die unterschiedlichen Größen des Datenfeldes von 1 Byte bis zu 8 Byte. Ein Datenfeld von 0 Byte ist im Norm CAN nicht empfohlen, Größen oberhalb von 8 Byte sind nicht zulässig. Die Zuordnung der Werte des Data Length Code zu den Größen des Datenfeldes ist in 2 in der Spalte CAN Norm dargestellt.
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In 1b sind in analoger Darstellung die erfindungsgemäß zu übertragenden, modifizierten Nachrichten, jeweils abgeleitet von den beiden Norm-Formaten, gegenübergestellt.
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Bei dem erfindungsgemäß modifizierten Übertragungsverfahren darf das Datenfeld auch mehr als 8 Byte enthalten, nämlich in der dargestellten Ausprägung bis zu K Byte. Anders als im Norm CAN werden weitere Werte, die der Data Length Code einnehmen kann, ausgenutzt, um größere Datenfelder zu kennzeichnen. Beispielsweise können die vier Bits des Data Length Code benutzt werden, um die Werte von null bis 15 Byte darzustellen. Es können aber auch andere Zuordnungen getroffen werden, beispielsweise ist es eine Möglichkeit, den in heutigen CAN-Nachrichten üblicherweise nicht genutzten Wert des Data Length Code DLC = 0b0000 für eine weitere mögliche Größe des Datenfeldes zu benutzen, beispielsweise für die Größe 16 Byte. Diese beiden Möglichkeiten sind in 2 in Tabellenform als DLC 1 und DLC 2 dargestellt. Die Maximalgröße des Datenfeldes K hat in diesen Fällen den Wert 15 bzw. 16.
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Eine weitere Möglichkeit ist es, dass für die Werte des Data Length Code größer 0b1000 und bis 0b1111 die zugehörigen Größen des Datenfeldes um beispielsweise jeweils 2 Byte anwachsen. Dieser Fall ist in der Tabelle als DLC 3 dargestellt. Die Maximalgröße des Datenfeldes K erreicht in dieser Variante den Wert 24. Durch Wahl eines größeren Inkrements, beispielsweise 4 Byte, wären entsprechend größere Datenfelder erreichbar.
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im Beispiel DLC3 ist außerdem noch eine weitere Modifikation vorgenommen: der Wert DLC = 0b0000 wird in diesem Ausführungsbeispiel von Remote-Frames verwendet. Im Norm CAN ist es demgegenüber vorgesehen, dass ein Remote-Frame mit demselben Wert des DLC gesendet wird, welchen die als Reaktion auf den Remote-Frame versendete Nachricht aufweist. Durch die hier beschriebene Modifikation wird sichergestellt, dass nicht Remote-Frames mit unterschiedlicher DLC und gleichem Identifier versendet werden können, was vgl. ISO 11898-1, Kap. 10.8.8) zu unauflösbaren Kollisionen führen kann.
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In den Ausprägungen des Verfahrens, die in 2 in den Spalten DLC 1, DLC 2 und DLC 3 tabellenartig dargestellt sind, entspricht die Zuordnung der Werte von 0b0001 bis 0b1000 des Data Length Code zu Größen des Datenfeldes zwischen 1 Byte und 8 Byte der Zuordnung im Norm CAN. Dadurch ist es in einfacher Weise möglich, Kompatibilität zum Norm CAN zu erreichen, also den Kommunikationscontroller so auszulegen, dass er in einem Norm CAN Bussystem normgemäß arbeitet, während er in einem erfindungsgemäß modifizierten Bussystem größere Datenfelder in den Nachrichten zulässt. Es ist aber auch möglich, eine vollkommen neue Zuordnung der möglichen Werte des Data Length Code zu zulässigen Größen des Datenfeldes vorzunehmen. Ein Beispiel hierfür ist als DLC 4 ebenfalls in 2 aufgeführt. Die erreichte Maximalgröße K des Datenfeldes ist in diesem Fall 30 Bytes.
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Um zu gewährleisten, dass ein solcher Kommunikationscontroller feststellen kann, in welcher Art er die Inhalte des Data Length Code zu interpretieren hat, ist vorteilhaft, dass er selbständig erkennt, ob die Kommunikation des Bussystems nach Norm CAN oder dem erfindungsgemäßen Verfahren abläuft. Eine Möglichkeit hierzu besteht darin, ein reserviertes Bit innerhalb des Arbitration Field oder des Control Field zur Kennzeichnung heranzuziehen, so dass aus dieser ersten Kennzeichnung K1 der Kommunikationscontroller eine erste Umschaltbedingung UB1 ableiten kann, abhängig von der er das Übertragungsverfahren auswählt. Beispielsweise kann das in 1b mit r0q bezeichnete, zweite Bit des Control Field zur Kennzeichnung verwendet werden. Eine andere Möglichkeit ist, das SRR-Bit zu verwenden, welches im Norm CAN immer rezessiv gesendet werden muss, aber von den die Nachricht empfangenden Busteilnehmern auch dominant akzeptiert wird. Es können auch Bitkombinationen zur Feststellung der ersten Umschaltbedingung UB1 ausgewertet werden.
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Eine weitere Möglichkeit wäre, für das erfindungsgemäß modifizierte Übertragungsverfahren die Verwendung des Extended Formates vorzuschreiben. Nachrichten im Extended Format werden von den Busteilnehmern am Wert des IDE-Bits erkannt (vgl. 1a) und dieses Bit könnte gleichzeitig die erste Umschaltbedingung UB1 darstellen, so dass für Extended Nachrichten immer das modifizierte Übertragungsverfahren zur Anwendung kommt. Alternativ wäre es auch möglich, in Extended Nachrichten das reservierte Bit r1 als erste Kennzeichnung K1 beziehungsweise zur Ableitung der ersten Umschaltbedingung UB1 zu verwenden. Das reservierte Bit kann aber auch, wie weiter unten ausgeführt, zur Ableitung einer zweiten Umschaltbedingung UB2 zur Umschaltung zwischen mehr als zwei verschiedenen Größen des Datenfeldes beziehungsweise Zuordnungen zwischen Werten des Data Length Code und Datenfeldgrößen genutzt werden.
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Es ist alternativ aber auch möglich, das Verfahren in dazu geeigneten Kommunikationscontrollern zur Anwendung zu bringen, die nicht auch zur normgemäßen CAN Kommunikation ausgelegt sind. In diesem Fall kann auch die Festlegung der genannten ersten Umschaltbedingung UB1, beispielsweise abhängig von einer geeigneten Kennzeichnung K1 der Nachrichten, entfallen. Die Kommunikationscontroller arbeiten in diesem Fall vielmehr ausschließlich gemäß einem der beschriebenen Verfahren und sind dementsprechend nur in Bussystemen einsetzbar, in welchen ausschließlich solche erfindungsgemäßen Kommunikationscontroller im Einsatz sind.
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Wird, wie in der Erfindung vorgesehen, das Datenfeld von Nachrichten vergrößert, so kann es sinnvoll sein, auch das verwendete Verfahren zum Cyclic Redundancy Check (CRC) anzupassen, um eine ausreichende Fehlersicherheit zu erhalten. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, ein anderes CRC-Polynom, beispielsweise mit höherer Ordnung, zu verwenden und entsprechend eine CRC Field abweichender Größe in den erfindungsgemäß modifizierten Nachrichten vorzusehen. Dies ist in 1b dadurch dargestellt, dass das CRC Field der erfindungsgemäßen Nachrichten im dargestellten Beispiel eine Länge von I Bit aufweist, wobei L abweichend vom Norm CAN ungleich, insbesondere größer als 15 sein kann.
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Die Verwendung eines modifizierten Verfahrens zur Berechnung der CRC Checksumme kann durch eine dritte Kennzeichnung K3, welche eine dritte Umschaltbedingung UB3 darstellt, den Busteilnehmern signalisiert werden. Diese Kennzeichnung K3 und die dritte Umschaltbedingung UB3 kann aber auch mit der ersten Kennzeichnung K1 und/oder Umschaltbedingung UB1 übereinstimmen. Auch hier kann, wie weiter oben beschrieben, beispielsweise das reservierte Bit r0 aus 1b zur Kennzeichnung dienen, oder es kann das SRR-Bit verwendet werden. Auch eine Verwendung des IDE-Bit in Verbindung mit der Anwendung des Verfahrens in Extended Nachrichten, oder auch des Bit r1 kommt in Frage.
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In den Norm CAN-Controllern wird der CRC-Code von zu sendenden CAN-Nachrichten mittels eines rückgekoppelten Schieberegisters erzeugt, in dessen Eingang die seriell gesendeten Bits der Nachricht sequenziell eingespeist werden. Die Breite des Schieberegisters entspricht der Ordnung des CRC-Polynoms. Die CRC-Codierung erfolgt durch eine Verknüpfung des Register-Inhalts mit dem CRC-Polynom während der Shift-Operationen. Wenn CAN-Nachrichten empfangen werden, werden entsprechend die seriell empfangenen Bits der Nachricht in das CRC-Schieberegister geschoben. Der CRC-Test ist erfolgreich, wenn am Ende des CRC-Feldes alle Bits des Schieberegisters auf Null stehen. Die CRC-Code-Generierung im Sendefall und der CRC-Test im Empfangsfall erfolgen beide in Hardware, ohne dass ein Eingriff der Software notwendig ist. Eine Modifikation der CRC-Codierung hat also keine Auswirkung auf die Anwendungs-Software.
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Im Norm CAN-Protokoll werden die Stuff-Bits innerhalb des CAN-Nachrichten (vgl.
ISO 11898-1, Kap. 10.5) nicht in die Berechnung oder Prüfung des CRC-Codes miteinbezogen (vgl.
ISO 11898-1, Kap. 10.4.2.6: „... the bit stream given by the destuffed bit sequence ..."). Das hat zur Folge, dass in seltenen Fällen zwei Bit-Errors in einer Nachricht nicht erkannt werden, obwohl der CRC eigentlich bis zu fünf zufällig verteilte Bit-Errors in einer Nachricht erkennen sollte. Dies kann vorkommen, wenn sich durch die Bit-Fehler Stuff-Bits in Daten-Bits verwandeln, und umgekehrt (vgl.
Unruh, Mathony und Kaiser: "Error Detection Analysis of Automotive Communication Protocols", SAE International Congress, Nr. 900699, Detroit, USA, 1990).
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Im erfindungsgemäß modifizierten Übertragungsverfahren kann die CRC-Codierung demgegenüber so geändert werden, dass auch die Stuff-Bits innerhalb der Nachricht bei der Berechnung oder Prüfung des CRC-Codes miteinbezogen werden. Das heißt, es werden in dieser Ausführungsform die zum Arbitration Field, Control Field und Data Field gehörenden Stuff-Bits als Teil der durch den Cyclic Redundancy Check zu schützenden Daten behandelt. Die Stuff-Bits des CRC-Fields werden wie im Norm CAN ausgeblendet.
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In einer möglichen Ausführungsform wird der Kommunikationscontroller so ausgelegt, dass er Kompatibilität zum Norm CAN aufweist, also in einem Norm CAN Bussystem normgemäß arbeitet, während er in einem erfindungsgemäß modifizierten Bussystem einerseits größere Datenfelder in den Nachrichten zulässt und andererseits auch die angepasste Berechnung und Prüfung des CRC-Code durchführt.
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Da am Anfang des Empfanges einer Nachricht noch nicht feststeht, ob eine Norm-konforme CAN-Nachricht oder eine erfindungsgemäß modifizierte Nachricht empfangen wird, werden in einem erfindungsgemäßen Kommunikationscontroller zwei CRC-Schieberegister implementiert, die parallel arbeiten. Nach dem Empfang des CRC Delimiter, wenn der CRC-Code im Empfänger ausgewertet wird, steht aufgrund der erfindungsgemäßen dritten Kennzeichnung K3 beziehungsweise der beispielsweise aus der Kennzeichnung oder dem Inhalt des Data Length Code abgeleiteten dritten Umschaltbedingung UB3 auch fest, welches Übertragungsverfahren angewendet wurde, und es wird dann das diesem Übertragungsverfahren zugeordnete Schieberegister ausgewertet. Die dritte Umschaltbedingung UB3 kann, wie früher bereits dargestellt, mit der ersten Umschaltbedingung UB1, die die Größe des Datenfeldes und die Interpretation des Data Length Code betrifft, übereinstimmen.
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Am Anfang des Sendens einer Nachricht steht zwar für den Sender bereits fest, nach welchem Übertragungsverfahren gesendet werden soll. Da es jedoch vorkommen kann, dass die Arbitration um den Buszugriff verloren wird und die begonnene Nachricht nicht gesendet, sondern stattdessen eine andere Nachricht empfangen wird, werden auch hier beide CRC-Schieberegister parallel angesteuert.
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Die beschriebene Implementation zweier parallel arbeitender CRC-Schieberegister ermöglicht auch eine weitere Verbesserung: Das CRC-Polynom des Norm CAN-Protokolls (x15 + x14 + x10 + x8 + x7 + x4 + x3 + 1) ist für eine Nachrichten-Länge von weniger als 127 Bits ausgelegt. Wenn erfindungsgemäß übertragene Nachrichten auch längere Datenfelder verwenden, ist es sinnvoll, zur Aufrechterhaltung der Übertragungssicherheit ein anderes, insbesondere längeres CRC-Polynom zu verwenden. Die erfindungsgemäß übermittelten Nachrichten erhalten dementsprechend ein geändertes, insbesondere längeres CRC Field. Im laufenden Betrieb wechseln die Kommunikationscontroller dynamisch zwischen den beiden CRC-Schieberegistern, also dem Norm CAN-gemäßen und dem erfindungsgemäßen Schieberegister, um das jeweils passende Polynom zu verwenden.
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Natürlich können auch mehr als zwei Schieberegister und dementsprechend mehr als zwei CRC-Polynome abgestuft in Abhängigkeit von der Länge des Datenfeldes oder der gewünschten Übertragungssicherheit zum Einsatz kommen. In diesem Fall muss, sofern eine Kompatibilität zum Norm CAN erhalten bleiben soll, die entsprechende Kennzeichnung und die damit verbundene Umschaltbedingung angepasst werden. Beispielsweise könnte durch das reservierte Bit r0 oder das SRR-Bit in 1b eine erste Umschaltbedingung UB1 ausgelöst werden, welche ein Umschalten auf längere Datenfelder, beispielsweise gemäß DLC 1 auf 2, und ein zugehöriges zweites CRC-Polynom kennzeichnet. Für Nachrichten im Extended Format könnte zusätzlich, etwa gekennzeichnet durch das reservierte Bit r1 oder das IDE-Bit in 1b (zweite Kennzeichnung K2), eine zweite Umschaltbedingung UB2 ausgelöst werden, welche die Umschaltung auf einen weiteren Satz von Datenfeldgrößen, beispielsweise DLC 3 aus 2, und ein drittes CRC-Polynom kennzeichnet.
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Es ist im übrigen auch möglich, dass die erste Umschaltbedingung UB1, etwa durch das reservierte Bit r0 oder das SRR-Bit, auf die Möglichkeit längerer Datenfelder und die entsprechende Interpretation des Inhaltes des Data Length Code umschaltet, und dass Ermittlung der dritten Umschaltbedingung UB3 und damit einhergehend die Auswahl des für die CRC-Prüfung auszuwertenden CRC-Polynoms dann abhängig vom Inhalt des Data Length Code erfolgt. Die dritte Umschaltbedingung UB3 kann dementsprechend auch mehr als zwei Werte annehmen. Beispielsweise könnten die Datenfeldgrößen gemäß DLC 3 ausgewählt werden, also die Werte 0 (für Remote-Frames) 1, ..., 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20 und 24 Byte annehmen, und es könnten dann drei CRC-Polynome parallel über geeignete Schieberegister gerechnet werden, zum Beispiel das Norm CRC-Polynom für Datenfelder bis zu 8 Byte, ein zweites CRC-Polynom für Datenfelder bis zu 16 Byte und ein drittes CRC-Polynom für Datenfelder bis zu 24 Byte.
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3 zeigt in vereinfachter Darstellung einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Empfangsprozesses, wie er auf einer Teilnehmerstation des Bussystems abläuft. Dargestellt ist hier der Fall, bei welchem eine Kompatibilität zum Norm CAN erreicht wird, indem abhängig von der ersten Umschaltbedingung UB1 das Verhalten des Kommunikationscontrollers angepasst wird. Obwohl in 3 eine für die Beschreibung von Programmabläufen in Software übliche Darstellung gewählt wurde, ist das Verfahren gleichermaßen vollständig zur Implementierung in Hardware geeignet.
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Die Teilnehmerstation befindet sich zunächst in einem den Bus abtastenden Zustand, so lange auf dem Bus kein Kommunikationsverkehr herrscht. Die Abfrage 302 wartet also auf ein dominantes Bit auf dem Bus. Dieses Bit kennzeichnet den Beginn einer neuen Nachricht.
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Sobald der Beginn einer neuen Nachricht festgestellt wurde beginnt im Block 304 die Berechnung der wenigstens zwei parallel zu berechnenden Checksummen. Die erste Checksumme entspricht der CRC Berechnung des Norm CAN, während die zweite Checksumme nach dem neuen Verfahren berechnet wird. Bei der Berechnung der zweiten Checksumme werden im dargestellten Ausführungsbeispiel die Stuff-Bits miteinbezogen, während dies bei der Berechnung gemäß Norm CAN nicht der Fall ist. Es ist aber auch möglich, analog zum Norm CAN die Stuff-Bits auch für die Berechnung der zweiten Checksumme nicht zu berücksichtigen.
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Es werden anschließend ab dem Schritt 306 die weiteren, auf das SOF-Bit folgenden Bits der Nachricht, beginnend mit dem Arbitration Field, empfangen. Falls mehrere Busteilnehmer eine Nachricht versenden wollen, wird hierbei nach dem aus dem Norm CAN üblichen Verfahren unter den Busteilnehmern ausgehandelt, welcher Busteilnehmer den Zugriff auf den Bus erhält. Der dargestellte Block 306 kennzeichnet den Empfang aller Bits, bis die erste Kennzeichnung K1 empfangen wurde beziehungsweise die erste Umschaltbedingung UB1 feststeht. In den aufgeführten Beispielen wird die erste Umschaltbedingung UB1 aus dem Arbitration Field, beispielsweise aus dem SRR-Bit oder dem IDE-Bit, oder aus dem Control Field, beispielsweise aus einem reservierten Bit desselben, ermittelt (vgl. 1). Anschließend können in Block 308 noch weitere Bits der Nachricht empfangen werden, bis ab einem bestimmten Bit der Nachricht abhängig von der ermittelten ersten Umschaltbedingung UB1 unterschiedlich verfahren wird. Diese Aufspaltung in unterschiedliche Verfahrensweisen wird durch eine entsprechende Abfrage oder Verzweigung 310 gewährleistet, wie im Folgenden beispielhaft dargestellt.
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Liegt bei der Verzweigung 310, beispielsweise nach Empfang der ersten zwei Bits des Control Field, die Information vor, dass gemäß der ersten Umschaltbedingung UB1 die Kommunikation nach Norm CAN erfolgt (der mit „1” bezeichnete Pfad der 3), so werden im Schritt 312 die weiteren Bits des Control Field eingelesen. Aus diesen Bits wird gemäß Norm CAN der Data Length Code ausgewertet und es wird anschließend in Schritt 316 die zugehörige Menge an Daten, maximal 8 Byte, entsprechend dem Datenfeld, empfangen. Im Schritt 320 wird dann das 15 Bit umfassende CRC Feld empfangen. Liegt bei der Verzweigung 324 die Information vor, dass die die vom Sender übermittelte und die vom Empfänger selbst ermittelte CRC Checksumme übereinstimmen, wird in Block 328 ein dominantes Acknowledge-Bit gesendet. Es ist zu beachten, dass in diesem Fall die normgemäße CRC Checksumme verglichen wird, da die Kommunikation nach Norm CAN erfolgt. Wird keine Übereinstimmung festgestellt, wird (Block 330) das Acknowledge-Bit rezessiv gesendet. Anschließend folgen ACK Delimiter und EOF Bits (siehe 1b, in 3 nicht dargestellt).
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Liegt hingegen bei der Verzweigung 310, beispielsweise nach Empfang der ersten zwei Bits des Control Field, die Information vor, dass gemäß der ersten Umschaltbedingung UB1 das erfindungsgemäß modifizierte Kommunikationsverfahren anzuwenden ist (der mit „2” bezeichnete Pfad der 3), so werden im Block 314 die weiteren Bits des Control Field eingelesen. Aus dem Ergebnis wird der Data Length Code nach der neuen Interpretation, für die einige Beispiele tabellenartig in 2 aufgeführt sind, ermittelt. Im Block 318 wird die entsprechende Menge an Daten, also für das Beispiel DLC 1 aus der Tabelle in 2 bis zu 15 Byte, für das Beispiel DLC 2 bis zu 16 Byte, für das Beispiel DLC 3 bis zu 24 Byte und für das Beispiel DLC 4 bis zu 30 Byte Daten empfangen. Im Block 322 wird das erfindungsgemäß abweichende, insbesondere längere CRC Feld empfangen. Liegt bei der Verzweigung 324 die Information vor, dass die vom Sender übermittelte und die vom Empfänger selbst ermittelte CRC Checksumme übereinstimmen, wobei in diesem Fall der Vergleich auf der erfindungsgemäß abweichenden CRC Checksumme basiert, wird in Block 328 ein dominantes Acknowledge-Bit gesendet. Andernfalls wird (Block 330) das Acknowledge-Bit rezessiv gesendet. Anschließend folgen in Schritt 332 beziehungsweise 334 der ACK Delimiter und die EOF Bits. Damit ist ein Empfangsprozess für eine Nachricht beendet.
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In 3 wurde der Fall dargestellt, in welchem die dritte Umschaltbedingung UB3, welche die zu verwendende CRC bestimmt, mit der ersten Umschaltbedingung UB1, die die Größe des Datenfeldes und die Interpretation des Data Length Code betrifft, übereinstimmt. Es wurde also vor dem Empfang 320 beziehungsweise 322 der CRC Checksummen nicht nochmals abgefragt, welche CRC gemäß der dritten Umschaltbedingung UB3 zu empfangen und für die Verzweigung 324 auszuwerten ist. Durch eine einfache Modifikation des Ablaufdiagrammes aus 3 ist diese zusätzliche Abfrage in den Ablauf aufnehmbar, wie in 4 dargestellt ist.
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Bei dem derartig modifizierten Empfangsprozess gemäß 4 wird nach Empfang der gemäß der Information aus dem Data Length Code erwarteten Anzahl von Datenbytes des Datenfeldes in Block 316 beziehungsweise 318 in der Abfrage oder Verzweigung 410 ermittelt, welchen Wert die dritte Umschaltbedingung UB3 aufweist. Diese Information kann, wie früher beschrieben, beispielsweise aus der entsprechenden dritten Kennzeichnung K3, oder aus dem Inhalt des Data Length Code ermittelt worden sein. Im dargestellten Beispiel gibt es drei verschiedene Werte für die dritte Umschaltbedingung UB3, nämlich A, B und C. Abhängig vom Wert der Umschaltbedingung UB3 wird dann in den Blöcken 420, 422 und 424 eine unterschiedliche Anzahl von Bits des CRC Field eingelesen, beispielsweise für den Wert A 15 Bits, für den Wert B 17 Bits und für den Wert C 19 Bits. Anschließend wird bei der Verzweigung 324 analog zu 3 geprüft, ob die vom Sender übermittelte und die vom Empfänger selbst ermittelte CRC Checksumme übereinstimmen und abhängig davon weiter verfahren.
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5 zeigt für weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Übertragungsverfahrens nochmals die Struktur von Nachrichten in den zwei möglichen Varianten, dem Standard Format und dem Extended Format. Für beide Varianten sind in 5 Bereiche eingezeichnet, in denen zwischen zwei Zuständen, hier bezeichnet mit Fast-CAN-Arbitration und Fast-CAN-Data umgeschaltet wird. Diese Umschaltung zwischen den beiden Zuständen bewirkt in diesem Beispiel, dass nach Abschluss der Arbitrierung für einen Teil der Nachricht, insbesondere für das Datenfeld und das CRC Feld, die Bitlängen verkürzt und somit die einzelnen Bits schneller über den Bus übertragen werden. Dadurch kann die Übertragungszeit für eine Nachricht gegenüber dem normgemäßen Verfahren verkürzt werden. Der zugehörige Wechsel der zeitlichen Bitlänge kann beispielsweise durch Verwendung mindestens zweier unterschiedlicher Skalierungsfaktoren zur Einstellung der Bus-Zeiteinheit relativ zu einer kleinsten Zeiteinheit oder dem Oszillatortakt im laufenden Betrieb realisiert werden. Die Umschaltung der Bitlänge, sowie die entsprechende Veränderung des Skalierungsfaktors sind in 5 ebenfalls beispielhaft dargestellt.
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Der Übergang zwischen den Zuständen Fast-CAN-Arbitration und Fast-CAN-Data kann abhängig von einer vierten Umschaltbedingung UB4 erfolgen, welche mit einer vierten Kennzeichnung K4 der Nachrichten korrespondiert, die den Teilnehmern der Datenübertragung signalisiert, dass die verkürzte Bitlänge angewendet wird. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die gewählte Position dieser Kennzeichnung K4 das „reserved bit” r0, das vor dem Data Length Code übertragen wird. Sie entspricht also einer möglichen Position der ersten Kennzeichnung K1, welche zur ersten Umschaltbedingung UB1 korrespondiert und die mögliche Verwendung längerer Datenfelder und einer geänderten Interpretation des Data Length Code kennzeichnet, und auch der dritten Kennzeichnung K3, welche zu einer geänderten CRC Berechnung korrespondiert.
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In diesem Fall, in dem also die erste Umschaltbedingung UB1 mit der dritten und vierten Umschaltbedingung UB3, UB4 zusammenfällt, werden im erfindungsgemäßen Übertragungsverfahren Nachrichten übertragen, deren Bitlänge deutlich verkürzt, deren Datenfeldgröße auf Werte oberhalb 8 Byte ausdehnbar, und deren CRC an das größere Datenfeld angepasst und auf enthaltene Stuff-Bits ausgedehnt ist. Erhebliche Steigerung der Übertragungskapazität über das Bussystem bei gleichzeitig verbesserter Übertragungssicherheit werden so erreicht.
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Den Nutzen des in 5 dargestellten Ausführungsbeispiels in Kombination mit dem mit DLC 3 bezeichneten Ausführungsbeispiel des Verfahrens mit geänderter Größe des Datenfeldes hinsichtlich der erzielten Datenübertragungsrate veranschaulicht die folgende Rechnung: Es wird von einer Länge des Datenfeldes von 24 Byte, von Datenrahmen im Standard Format mit 11 Bit Adressierung, sowie von einer Baudrate von 500 kBit/s ausgegangen. Des weiteren wird angenommen, dass der Skalierungsfaktor nach dem „reserved bit” r0 um einen Faktor vier erhöht wird. In diesem Fall würde die Bitlänge also nach dem „reserved bit” r0 von 2 Mikrosekunden auf 0,5 Mikrosekunden reduziert. Es werden bei Vernachlässigung von möglichen Stuff-Bits in diesem Beispiel pro Datenrahmen 27 Bit (SOF, Identifier, RTR, IDE, r0, ACK-Field, EOF, Intermission) mit der normalen Bitlänge und 212 Bit (DLC, Data, CRC, CRCDelimiter) mit der verkürzten Bitlänge übertragen, wobei hier noch von einer 15-Bit CRC ausgegangen wurde, welche aber erfindungsgemäß durch eine längere CRC ersetzt werden könnte.
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Es ergibt sich unter den gegebenen Randbedingungen eine effektive Übertragungsleistung von 293 Bit in 160 Mikrosekunden, was bei gleicher angenommener Busauslastung einer Datenübertragungsrate entspricht, die gegenüber der nicht modifizierten Norm CAN-Übertragung um einen Faktor 3,7 erhöht ist. Zusätzlich verschiebt sich das Verhältnis von Nutzdaten (Data Field) zu Protokoll-Overhead in vorteilhafter Weise.
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Das Verfahren eignet sich im normalen Betrieb eines Kraftfahrzeuges zur Übertragung von Daten zwischen wenigstens zwei Steuergeräten des Kraftfahrzeuges, welche über einen geeigneten Datenbus verbunden sind. Es ist aber gleichermaßen vorteilhaft einsetzbar während der Fertigung oder Wartung eines Kraftfahrzeuges zur Übertragung von Daten zwischen einer zum Zwecke der Programmierung mit einem geeigneten Datenbus verbundenen Programmierungseinheit und wenigstens einem Steuergerät des Kraftfahrzeuges, welches mit dem Datenbus verbunden ist.
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Insgesamt stellt das Verfahren ein Übertragungsverfahren dar, welches sich dadurch auszeichnet, dass ein Norm-CAN Controller nur minimal geändert werden muss, um erfindungsgemäß arbeiten zu können. Ein erfindungsgemäßer Kommunikationscontroller, der auch als Norm-CAN Controller arbeiten kann, ist nur unwesentlich größer als ein herkömmlicher Norm-CAN Controller. Das zugehörige Anwendungs-Programm muss nicht geändert werden, und schon dann werden Vorteile in der Geschwindigkeit der Datenübertragung erzielt. Durch Verwendung der erweiterten Größe des Datenfeldes und der zugehörigen DLC und CRC kann die Geschwindigkeit der Datenübertragung weiter gesteigert werden, die Anpassungen in der Anwendungs-Software sind minimal. Es können weite Teile des CAN-Conformance-Tests (ISO 16845) übernommen werden. Es ist auch möglich, das erfindungsgemäße Übertragungsverfahren mit den Ergänzungen des TTCAN (ISO 11898-4) zu kombinieren.
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Wo in der vorangegangenen Beschreibung der Erfindung auf ISO-Standards Bezug genommen wurde, ist jeweils die zum Anmeldezeitpunkt geltende Fassung des entsprechenden ISO-Standards als Stand der Technik zugrundezulegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10311395 A1 [0005]
- DE 102007051657 A1 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ISO 11898-1 bis -5 [0002]
- „Bosch Kraftfahrtechnisches Handbuch”, 27. Auflage, 2011, Vieweg + Teubner [0004]
- G. Cena und A. Valenzano behandeln in „Overclocking of controller area networks” (Electronics Letters, Vol. 35, No. 22 (1999), S. 1924) [0007]
- ISO 16845 [0019]
- ISO 11898-4 [0019]
- CAN-Norm ISO 11898-1 [0021]
- CAN-Norm ISO 11898-1 [0022]
- ISO 11898-1, Kap. 10.8.8 [0032]
- ISO 11898-1, Kap. 10.5 [0040]
- ISO 11898-1, Kap. 10.4.2.6: „... the bit stream given by the destuffed bit sequence ...”) [0040]
- Unruh, Mathony und Kaiser: ”Error Detection Analysis of Automotive Communication Protocols”, SAE International Congress, Nr. 900699, Detroit, USA, 1990 [0040]
- ISO 16845 [0062]
- ISO 11898-4 [0062]
