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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer insbesondere ringförmigen Kommunikationsanordnung, in der zwischen Teilnehmern eine Kommunikation mit einer Datenrate erfolgt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine solche Kommunikationsanordnung.
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Stand der Technik
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Im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik kommen zur Datenübertragung zwischen logischen Bausteinen, die als integrierte Schaltkreise (IC, Integrated Circuit) ausgebildet sein können, in Steuergeräten serielle Schnittstellen wie bspw. SPI (Serial Peripheral Interface) zum Einsatz.
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Dieser Standard beschreibt eine bidirektionale, synchrone und serielle Datenübertragung zwischen einem als Master ausgebildeten Teilnehmer und verschiedenen als Slaves ausgebildeten Teilnehmern. Dabei umfasst eine Schnittstelle mindestens drei Leitungen zwischen dem Master und einem Slave, in der Regel sind dies zwei Datenleitungen und eine Taktleitung. Bei mehreren Slaves benötigt jeder dieser Teilnehmer eine zusätzliche Auswahl- bzw. Selektleitung vom Master.
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Die SPI-Schnittstelle ermöglicht die Umsetzung einer Daisy-Chain- oder Bustopologie. In der Anwendung der SPI-Schnittstelle in einer Daisy-Chain-Topologie, d. h. Ringtopologie, entstehen sehr lange Latenzzeiten, weswegen diese Form nicht effizient in Kfz-Steuergeräten genutzt werden kann.
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Insbesondere ist zu beachten, dass in einigen Fällen die SPI-Schnittstelle nicht für die Übertragung zeitkritischer Ansteuersignale geeignet ist, um den Echtzeitanforderungen heutiger sicherheitskritischer Applikationen, z. B. ESP, gerecht zu werden. Häufig erfolgt mit einer SPI-Schnittstelle nur noch ein Austausch von Diagnose- und Statusinformationen. Zeitkritische Ansteuersignale werden in der Regel unter der Nutzung von Timer-Einheiten und/oder proprietären Schnittstellen mit hohem Aufwand an die Ansteuerbausteine der Aktoren und/oder von den Auswerteschaltungen der Sensoren übertragen.
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In der Anwendung der SPI-Schnittstelle in Form einer Bustopologie ergeben sich bei höheren Datenraten zunehmend schlechtere Signalintegritäten und hohe Störbeeinflussungen aufgrund schlechter EMV-Eigenschaften. Weiter wird nur das Sendesignal mit dem Taktsignal synchron übertragen, während sich die phasensynchrone Übertragung des Empfangssignals durch die internen Verzögerungszeiten im Slave bei hohen Datenraten zunehmend schwieriger gestalten und Fehler in der Datenübertragung hervorrufen können.
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Ein Verfahren zur Realisierung einer Kommunikation in einem Ringbus mit minimierter Latenzzeit ist aus der Druckschrift
DE 10 2010 041 427 A1 bekannt. Bei dem Verfahren erfolgt eine serielle Verbindung von Teilnehmern und somit Knoten einer seriellen, ringförmigen Kommunikationsanordnung. Darin kann eine Datenübertragung von Teilnehmer zu Teilnehmer mit einer Verzögerung von mindestens einer Bitdauer erfolgen, wodurch Datenpakete, die Nachrichten enthalten können, zwischen den Teilnehmern mit sehr geringer Latenz übertragen werden. Hierbei sind ein Master und eine Anzahl von Slaves vorgesehen, wobei ein Datenpaket von Slave zu Slave übermittelt wird, wobei von jedem Slave eine Adressinformation des Datenpakets geändert wird. Es ist ebenfalls denkbar, die Kommunikation ohne die Änderung in der Adresseninformation von jedem Slave zu realisieren, indem jeder Slave eine eigene feste Adresse im Ring bekommt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Kommunikationsanordnung gemäß Anspruch 7 vorgestellt. Ausführungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
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Das vorgestellte Verfahren ermöglicht eine Datenkommunikation zwischen mindestens zwei Teilnehmern innerhalb einer ringförmigen Kommunikationsanordnung mit dynamisch variabler Datenrate, wodurch in Zuständen mit geringem Datenaufkommen die Synchronisation der Kommunikationsanordnung und damit des gesamten Systems, in das die Kommunikationsanordnung eingebunden ist, energieeffizient aufrechterhalten werden kann. Einer der Teilnehmer ist üblicherweise als Master ausgebildet bzw. besitzt die Masterfunktionalität. Die anderen Teilnehmer dienen üblicherweise als Slaves.
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Das Konzept Master/Slave bezeichnet eine Form der hierarchischen Verwaltung des Zugriffs auf eine gemeinsame Ressource in einer Kommunikationsanordnung, die mehrere Teilnehmer umfasst. Wenn mehrere Teilnehmer gleichzeitig senden bzw. auf die Ressource zugreifen, kann keine Übertragung stattfinden. Um dieses Problem zu lösen, wird einem der Teilnehmer eine Masterfunktionalität zugewiesen, dieser ist damit der Master, alle anderen sind dann Slaves. Der Master hat als einziger Teilnehmer das Recht, unaufgefordert auf die Ressource zuzugreifen. Der Master steuert bzw. beherrscht somit die Zugriffsrechte.
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Das vorgestellte Verfahren zeichnet sich durch die dynamische Anpassung der Datenrate durch den Master in Abhängigkeit des jeweiligen Betriebszustands aus.
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Ein Vorteil des beschriebenen Verfahrens besteht in der Bereitstellung von Low-Power-Betriebsmodi bzw. Betriebszustände mit geringem Leistungsverbrauch innerhalb einer ringförmigen Kommunikationsanordnung mit einer kontinuierlichen Datenübertragung, insbesondere für energieeffiziente Systeme. Low-Power-Betriebsmodi bedeutet hier, die Datenrate dynamisch zu ändern, d. h. bspw. herunterzufahren, und nicht ein Abschalten einzelner Teilnehmer.
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Es wird insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Datenkommunikation zwischen Teilnehmern innerhalb einer ringförmigen Kommunikationsanordnung vorgestellt, wie diese bspw. in der Druckschrift
DE 10 2010 041 427 A1 beschrieben ist. Dabei sind die Teilnehmer in Form einer Ring-Topologie angeordnet, wodurch die Teilnehmer durch Punkt-zu-Punkt-Verbindungen mit einer geringen Anzahl an Pins verbunden werden können. Einer der Teilnehmer, z. B. der Mikrocontroller, agiert als Master, wodurch keine Busarbitrierung erforderlich wird. Bei den Slaves handelt es sich bspw. um einen diskreten Baustein bzw. diskrete Bausteine, z. B. ASICs, die von einer Logik, z. B. Mikrocontroller oder andere ASICs, gesteuert werden müssen.
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Der Master sendet einen kontinuierlichen Datenstrom. Durch die Möglichkeit der kontinuierlichen Synchronisation benötigen die Slaves auch keinen weiteren Systemtakt.
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Entsprechen dem Stand der Technik wird die Datenrate vor dem Start der Initialisierung im Master konfiguriert. Die maximale Datenrate der Kommunikation zwischen den Teilnehmern im Ring ist auf die maximale Geschwindigkeit des langsamsten Teilnehmers beschränkt. Nunmehr kann die Datenrate im Betrieb bedarfsweise geändert bzw. angepasst werden.
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Die Datenrate, die auch als Datenübertragungsrate bezeichnet wird, ist die Datenmenge, die innerhalb einer Zeiteinheit über einen Übertragungskanal übertragen wird.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kommunikationsanordnung.
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2 zeigt in einem Flussdiagramm einen möglichen Ablauf des Verfahrens. Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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Die in 1 schematisch dargestellte Ausführungsform einer Kommunikationsanordnung 2 ist ringförmig ausgebildet und umfasst mehrere in Serie hintereinander geschaltete Teilnehmer. Bezugsziffer 4 bezeichnet einen ersten Teilnehmer, der als aktueller Master dient, Bezugsziffer 6 einen zweiten Teilnehmer, Bezugsziffer 8 einen dritten Teilnehmer sowie Bezugsziffer 10 einen n-ten Teilnehmer, die über Abschnitte 12 einer Leitung miteinander verbunden sind. Teilnehmer 6, 8 und 10 dienen als Slaves. Weiterhin umfasst der erste Teilnehmer 4 eine erste digitale, serielle Schnittstelle 14 zum Versenden von Datenpaketen, mit der der erste Teilnehmer 4 je nach Definition mit einem Anfang oder mit einem Ende der Leitung verbunden ist.
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Außerdem umfasst der zweite Teilnehmer 4 eine zweite digitale, serielle Schnittstelle 16 zum Empfangen von Datenpaketen, mit der der erste Teilnehmer 4 je nach Definition mit einem Ende oder mit einem Anfang der Leitung verbunden ist. Die serielle erste Schnittstelle 14 ist dabei mit einer Systemuhr 18 verbunden. Die serielle zweite Schnittstelle 16 ist mit einem Modul zur Detektion der Phasenlage 20 verbunden. Weiterhin ist der erste Teilnehmer 4 mit einem Quarzoszillator 22 verbunden.
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Jeder der Teilnehmer 6, 8, 10 weist eine als Slave-Schnittstelle 24 ausgebildete digitale, serielle Schnittstelle auf, die jeweils mit zwei Verbindungen 12 und somit einer Datenleitung verbunden ist. Somit existiert zwischen zwei Teilnehmern eine Verbindung. Außerdem ist jede serielle Slave-Schnittstelle 24 mit einem Taktrückgewinnungsmodul 21, aus dem ein lokaler Systemtakt 19 abgeleitet werden kann, verbunden.
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Zur Bereitstellung einer Kommunikation zwischen den Teilnehmern 4, 6, 8 und 10 der Kommunikationsanordnung 2 ist vorgesehen, dass ausgehend von der Anfangsschnittstelle 14 des Masters 4 über einen Bitstrom 26 Nachrichten als Datenpakete von serieller Slave-Schnittstelle 24 zu serieller Slave-Schnittstelle 24 der Teilnehmer 6, 8, 10 kontinuierlich übertragen werden. Nachdem ein Datenpaket einen letzten Teilnehmer 6, 8, 10, hier den n-ten Teilnehmer 10, erreicht hat, wird das Datenpaket von der Slave-Schnittstelle 24 des letzten Teilnehmers 10 zu der Endschnittstelle 16 des ersten Teilnehmers 4 übermittelt.
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Das Datenpaket wird von dem ersten Teilnehmer 4 zu dem zweiten Teilnehmer 6 und nacheinander von Teilnehmer 6 zu Teilnehmer 8 bis zu dem letzten Teilnehmer 10 und von dem letzten Teilnehmer 10 zu dem ersten Teilnehmer 4 übermittelt. Somit durchläuft das Datenpaket sämtlich Teilnehmer der Kommunikationsanordnung 2. Der Datenrahmen, mit dem an mindestens einen Teilnehmer 6, 8, 10 eine Nachricht zu übermitteln ist, weist ein Adressfeld mit einer Adresse auf. Es ist vorgesehen, dass jeder Teilnehmer 6, 8, 10 einen Adresswert des empfangenen Datenrahmens mit der zu übermittelnden Nachricht um einen festen Wert, bspw. durch Subtraktion oder Addition, ändert und an einen nächsten Teilnehmer 6, 8, 10 weitergibt. Hierbei wird der Adresswert von jedem Teilnehmer 6, 8, 10, je nach hierfür festgelegtem Algorithmus, in gleicher Weise verändert. Innerhalb der gezeigten Kommunikationsanordnung 2 weisen die Teilnehmer 6, 8, 10 identische lokale Adressen auf. Außerdem ist in allen Teilnehmers 6, 8, 10 ein identischer Algorithmus für die Kommunikationsschnittstelle hinterlegt. Dabei ist typischerweise nur das Modul zur Interchip-Kommunikation identisch, ansonsten können die Teilnehmer sehr wohl unterschiedliche Funktionen beinhalten.
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Es ist nunmehr vorgesehen, dass der erste Teilnehmer 4 bzw. der Master dazu ausgelegt ist, im Betrieb die Datenrate anzupassen. Dies kann kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitabständen erfolgen.
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In 2 ist ein möglicher Ablauf des Verfahrens in einem Flussdiagramm dargestellt. In einem ersten Schritt 50 erfolgt eine Kommunikation mit einer Datenrate in einer Kommunikationsanordnung mit einer Anzahl von Teilnehmern, von denen einer als Master und die anderen als Slaves dienen. In einem nächsten Schritt 52 erfasst der Master einen Betriebszustand. Dies kann ein Betriebszustand der Kommunikationsanordnung oder auch des Systems, in das diese eingebunden ist, sein. Grundsätzlich kann der Betriebszustand durch äußere Größen, wie Außentemperatur und andere Umgebungsbedingungen, aber auch durch interne Größen, wie Energieaufnahme, Abwärme usw., gegeben sein. Betriebszustände können auch durch Zustände gegeben sein, die durch bestimmte Betriebssituationen, in denen sich die Kommunikationsanordnung oder das Gesamtsystem befindet, bestimmt sind.
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In einem nächsten Schritt 54 erfolgt nunmehr eine Anpassung der Datenrate durch den Master. Dies kann bedeuten, dass die Datenrate verringert oder auch erhöht wird. Die Aufnahme des bzw. der Betriebszustände kann kontinuierlich oder in Zeitabständen erfolgen. Die Anpassung der Datenrate kann unabhängig davon ebenfalls kontinuierlich oder in zeitlichen Abständen erfolgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010041427 A1 [0007, 0013]
