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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur deterministischen Datenübertragung in einem Bussystem und ein entsprechendes Bussystem.
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Stand der Technik
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Bussysteme werden heute in einer Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen eingesetzt. Beispielsweise können Bussysteme in der Automatisierungstechnik eingesetzt werden, um die unterschiedlichen Sensoren, Aktoren und Steuerungen einer Automatisierungsanlage in datenkommunikativer Verbindung miteinander zu koppeln.
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Bussysteme können aber z.B. auch in Fahrzeugen eingesetzt werden, um die einzelnen Steuergeräte in einem Fahrzeug miteinander zu koppeln. Beispielsweise kann ein ESP-Steuergerät eines Fahrzeugs mit einem zentralen Gateway eines Fahrzeugs über einen CAN-Bus oder einen FlexRay-Bus gekoppelt werden.
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Der CAN-Bus ist ein Bussystem, welches bisher nicht für deterministische Echtzeitkommunikation genutzt wird. Vielmehr werden Nachrichten auf dem CAN-Bus mit einer Nachrichten-ID versehen. Werden von zwei Busteilnehmern gleichzeitig Nachrichten auf dem CAN-Bus gesendet findet automatisch ein Arbitrierung des Buszugriffs basierend auf der Nachrichten-ID statt. Dabei wird diejenige Nachricht deren Nachrichten-ID die höhere Priorität anzeigt, bevorzugt. In solch einem Fall wird also die Nachricht deren Nachrichten-ID die niedrigere Priorität aufweist nicht oder erst später übertragen.
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Um die Datenübertragung auf einem CAN-Bus zu verbessern bzw. eine höhere Vorhersagbarkeit oder einen höheren Determinismus zu erreichen, kann z.B. das TTCAN Protokoll oder auch Time Triggered CAN Protokoll eingesetzt werden. Das TTCAN Protokoll sieht vor, dass ein Master jeweils einen Datenrahmen mit einer Vielzahl von Nachrichten mit einer Steuernachricht beginnt. Dabei können einzelnen Datenfenster in einem Datenrahmen exklusiv für bestimmte Absender reserviert sein.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung offenbart ein Vefahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Bussystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12.
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Demgemäß ist vorgesehen:
Ein Verfahren zur deterministischen Datenübertragung in einem Bussystem, mit den Schritten Unterteilen mindestens eines Datenbusses des Bussystems in einen ersten Kanal und einen zweiten Kanal, wobei die zwei Kanäle durch Zeitmultiplexing gebildet werden und wobei die kleinste Zeiteinheit des Zeitmultiplexings ein Basisdatenzyklus ist und Übertragen einer Nachricht eines ersten Typs in jedem Basisdatenzyklus in dem ersten Kanal, wobei in dem zweiten Kanal in jedem Basisdatenzyklus eine Nachrichten eines zweiten Typs übertragbar ist.
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Ferner ist vorgesehen:
Ein Bussystem mit einem Master-Gerät, welches mindestens eine Master-Busschnittstelle und eine Steuereinrichtung aufweist, mit einem Buszweig für jede Master-Busschnittstelle des Master-Geräts, wobei jeder der Buszweige mindestens ein Slave-Gerät mit einer Slave-Busschnittstelle und einer Recheneinrichtung aufweist, wobei die Slave-Geräte in einem Buszweig mit zwei oder mehr Slave-Geräten in einer Serienschaltung angeordnet sind, wobei die Steuereinrichtung und die Recheneinrichtungen dazu ausgebildet sind, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Vorteile der Erfindung
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Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass keines der bekannten Transportprotokolle für den CAN-Bus die Anforderungen an eine Echtzeitsteuerung von verteilten Systemen erfüllen kann.
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Folglich sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren vor, bei dem ein Datenbus in zwei Kanäle unterteilt wird. Dabei werden die Kanäle durch ein Zeitmultiplexing gebildet.
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Zeitmultiplexing bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die zwei Kanäle sich den Datenbus bzw. das Busmedium teilen. Dabei wird die Teilung des Busmediums nicht physisch durchgeführt, vielmehr wird die Teilung durch eine zeitliche Aufteilung des Busmediums durchgeführt.
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Dies bedeutet, dass Zeiten vorgegeben werden, in welchen Daten des ersten Kanals gesendet werden können, und Zeiten vorgegeben werden, in denen Daten des zweiten Kanals gesendet werden können.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Zeitmultiplexing derart durchgeführt, dass die kleinste Einheit des Zeitmultiplexings ein Basisdatenzyklus ist. In einem solchen Basisdatenzyklus wird erfindungsgemäß immer eine Nachricht ersten Typs in dem ersten Kanal übertragen. Ferner kann optional auch eine Nachricht zweiten Typs in dem zweiten Kanal übertragen werden. Damit ist ein Basisdatenzyklus beendet.
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An einen Basisdatenzyklus schließt sich wieder ein Basisdatenzyklus an, welcher wieder eine Nachricht ersten Typs in dem ersten Kanal und eine optionale Nachricht zweiten Typs in dem zweiten Kanal aufweist.
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Durch die Unterteilung des Busmediums in zwei Kanäle, die im Raster des Basisdatenzyklus übertragen werden, können in einem einfachen Bussystem sehr komplexe Steueraufgaben durchgeführt werden, ohne das die Hardware für das Bussystem z.B. an ein neues Bussystem mit einer höheren Datenübertragungsrate angepasst werden müsste.
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Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
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In einer Ausführungsform weist ein Basisdatenzyklus eine Zykluszeit von weniger als 500 μs, insbesondere von weniger als 300 μs, insbesondere von 250 μs oder von 150 μs, auf.
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Auf Grund der sehr kurzen Basisdatenzyklen, die höchstens zwei Nachrichten aufweisen, kann eine sehr schnelle Nachrichtenfolge erzielt werden. Dies ermöglicht eine Echtzeitsteuerung von Busteilnehmern mit einer sehr einfachen und damit auch kostengünstigen Busarchitektur.
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In einer weiteren Ausführungsform übermittelt ein Master-Gerät des Bussystems die Nachricht ersten Typs als eine unidirektionale Nachricht an mindestens eines der Slave-Geräte des Bussystems. Wird der erste Kanal exklusiv für diese Nachrichten des Master-Geräts reserviert, kann sichergestellt werden, dass in jedem Basisdatenzyklus eine Nachricht des Master-Geräts an die Slave-Geräte übermittelt wird.
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In einer Ausführungsform übermittelt das Master-Gerät in der Nachricht ersten Typs Echtzeitsteuerdaten für mindestens eines der Slave-Geräte. Dies ermöglicht eine hochperformante Steuerung der Slave-Geräte über den Datenbus mit einer sehr geringen Latenz. Die vorliegende Erfindung kann so auch für sehr komplexe Steueraufgaben eingesetzt werden.
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In einer Ausführungsform übermittelt das Master-Gerät die Nachricht ersten Typs als Broadcast-Nachricht an alle Slave-Geräte. Dies stellt sicher, dass alle Slave-Geräte die Nachricht erhalten und nicht durch einzeln adressierte individuelle Nachrichten die Bandbreite des Bussystems ausgelastet wird. Folglich wird eine synchronisierte Ansteuerung der Slave-Geräte möglich.
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In einer Ausführungsform wird die Nachricht zweiten Typs von dem Master-Gerät an eines der Slave-Geräte oder an alle Slave-Geräte übermittelt. Alternative wird die Nachricht zweiten Typs von einem der Slave-Geräte an das Master-Gerät und/oder eines der Slave-Geräte oder alle Slave-Geräte übermittelt. Nachrichten zweiten Typs können so für eine Punkt-zu-Punkt Kommunikation bzw. für eine individuelle Kommunikation zwischen dem Master-Gerät und einzelnen Slave-Geräten oder zwischen den Slave-Geräten genutzt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform wird die Nachricht zweiten Typs von einem der Slave-Geräte nur als Antwort auf eine von dem Master-Gerät an das entsprechende Slave-Gerät übermittelte Nachricht zweiten Typs, die eine Datenanfrage enthält, übermittelt. Antworten Slave-Geräte lediglich auf Anfragen des Master-Geräts kann das Master-Gerät die Kommunikation auf dem Datenbus steuern und die Slave-Geräte können nicht durch fehlerhafte oder unerwünschte Datenkommunikation die Bandbreite des Datenbusses belasten. Ferner kann durch diese Art der Datenkommunikation auf eine Arbitrierung der Kommunikation auf dem Datenbus verzichtet werden und dennoch ein zyklischer bidirektionaler Datenaustausch zwischen dem Master-Gerät und den Slave-Geräten stattfinden.
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In einer Ausführungsform weist das Verfahren den Schritt Übertragen einer Vielzahl von Basisdatenzyklen in einem Matrixzyklus auf, wobei der Matrixzyklus einen statischen Bereich und einen dynamischen Bereich aufweist, wobei in dem statischen Bereich in jedem Matrixzyklus die gleichen Datenanfragen von dem Master-Gerät in Nachrichten zweiten Typs an die Slave-Geräte übermittelt werden, und wobei in dem dynamischen Bereich nicht in jedem Matrixzyklus die gleichen Datenanfragen von dem Master-Gerät in Nachrichten zweiten Typs an die Slave-Geräte übermittelt werden. Dies ermöglicht es, Daten, welche zyklisch zwischen dem Master-Gerät und den Slave-Geräten ausgetauscht werden müssen, bereits die dafür notwendige Bandbreite zu reservieren. Solche Daten können z.B. Messdaten sein, die in einem Steueralgorithmus benötigt werden. Ferner können dadurch auch Daten, die lediglich auf Anfrage oder sporadisch z.B. von dem Master-Gerät von dem Slave-Geräten abgefragt werden müssen, bei Bedarf kommuniziert werden. Solche Daten können z.B. Diagnosedaten sein.
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In einer weiteren Ausführungsform weisen die Nachrichten ersten Typs die Größe eines ersten CAN-Datenrahmens, insbesondere 32Bit, und die Nachrichten zweiten Typs die Größe eines zweiten CAN-Datenrahmens, insbesondere 24Bit, auf. Werden übliche CAN-Datenrahmen verwendet, kann das Verfahren in einem CAN-Bussystem eingesetzt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren die Schritte Übertragen in Nachrichten zweiten Typs von Datenmengen, die größer sind, als eine Nachricht zweiten Typs, in einer entsprechenden Vielzahl von Nachrichten zweiten Typs, und Rekonstruieren der Datenmenge durch Zusammensetzen der Vielzahl von Nachrichten zweiten Typs in einem Empfänger der Vielzahl von Nachrichten zweiten Typs. Werden die einzelnen Datenmengen segmentiert, wenn diese größer sind, als die Nachrichten zweiten Typs, können beliebig große Datenmengen in dem zweiten Kanal übertragen werden, während aber weiterhin die deterministische Datenübertragung in dem ersten Kanal möglich ist. Zum Zusammensetzen der einzelnen Nachrichten zweiten Typs zu der ursprünglichen Datenmenge können z.B. Botschaftszähler in den Nachrichten zweiten Typs genutzt werden. Ein solcher Botschaftszähler wird mit jeder ausgesendeten Nachricht zweiten Typs inkrementiert und gibt somit die Reihenfolge an, in der die Nachrichten zweiten Typs zusammengesetzt werden müssen. Ferner kann so sehr leicht überprüft werden, ob eine Nachricht verloren oder nicht übertragen wurde.
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In einer Ausführungsform weisen die Nachrichten zweiten Typs Messdatenanfragen und/oder Messdaten auf. Zusätzlich oder alternativ weisen die Nachrichten zweiten Typs Diagnoseanfragen und/oder Diagnosedaten auf. Weitere Daten sind ebenfalls möglich.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren die Schritte Berechnen einer Checksumme für die Daten einer Nachricht ersten Typs und/oder zweiten Typs und Anordnen der berechneten Checksumme in der Nachricht ersten Typs und/oder zweiten Typs und Überprüfen der Checksumme nach dem Übertragen der Nachricht ersten Typs und/oder zweiten Typs auf. Dadurch wird eine einfache Absicherung der Kommunikation auf dem Datenbus möglich.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren die Schritte Anordnen eines Zählers in einer Nachricht ersten Typs und/oder zweiten Typs und Überprüfen des Zählers nach dem Übertragen der Nachricht ersten Typs und/oder zweiten Typs auf. Dadurch wird eine einfache Absicherung der Kommunikation auf dem Datenbus möglich.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren die Schritte Überwachen der Zeitdauer, welche zwischen einer Nachricht ersten Typs und einer Nachricht zweiten Typs vergeht oder welche zwischen einer Nachricht zweiten Typs, welche eine Datenanfrage aufweist, und einer Nachricht zweiten Typs, welche eine Antwort auf die Anfrage aufweist, vergeht, und Auslösen eines Alarms, falls die Zeitdauer über einem vorgegebenen Schwellwert liegt, auf. Dadurch wird eine einfache Absicherung der Kommunikation auf dem Datenbus möglich.
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In einer weiteren Ausführungsform wird der Empfang einer Nachricht ersten Typs und/oder einer Nachricht zweiten Typs in einem Slave-Gerät durch einen Interruptcontroller, insbesondere in einem Interrupt hoher Prioritär, verarbeitet. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die durch die Nachrichten ausgelösten Ereignisse, z.B. Steuerbefehle, in der kürzest möglichen Zeitdauer ausgelöst und umgesetzt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das Bussystem als ein CAN-Bussystem bzw. als CAN-basiertes Bussystem ausgebildet. Ferner ist die Master-Busschnittstelle als CAN-Busschnittstelle ausgebildet und die Slave-Busschnittstelle als CAN-Busschnittstelle ausgebildet. Schließlich ist der Datenbus als CAN-Bus ausgebildet. Dies ermöglicht den Einsatz der vorliegenden Erfindung mit bekannter Hardware mit geringer Komplexität.
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In einer Ausführungsform weist jedes der Slave-Geräte lediglich eine Slave-Busschnittstelle auf. Ferner weist das Master-Gerät für jeden Buszweig eine Master-Busschnittstelle auf. Dadurch wird es möglich eine deterministische Echtzeitkommunikation zwischen dem Master-Gerät und den Slave-Geräten mit lediglich einer Kommunikationsschnittstelle an jedem der Slave-Geräte durchzuführen.
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In einer Ausführungsform ist der CAN-Controller jeweils in eine Recheneinrichtung der Slave-Geräte integriert.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
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1 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bussystems;
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3 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bussystems;
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4 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bussystems;
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5 ein Diagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Basisdatenzyklus und eines erfindungsgemäßen Matrixzyklus;
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6 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Slave-Geräts; und
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7 ein Diagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen statischen Bereichs eines Matrixzyklus.
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In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Das Verfahren sieht in einem ersten Schritt S1 vor, dass mindestens ein Datenbus 2 des Bussystems 1 in einen ersten Kanal 3 und einen zweiten Kanal 4 unterteilt wird. Insbesondere werden die zwei Kanäle 3, 4 durch Zeitmultiplexing gebildet, wobei die kleinste Zeiteinheit des Zeitmultiplexings ein Basisdatenzyklus 5 ist. Dies Bedeutet, dass jeweils ein Basisdatenzyklus 5 nach dem anderen auf dem Datenbus 2 übertragen wird und die zwei Kanäle 3 und 4 in dem Basisdatenzyklus 5 enthalten sind.
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Ferner sieht das Verfahren in einem zweiten Schritt S2 das Übertragen einer Nachricht eines ersten Typs 6-1–6-30 in jedem Basisdatenzyklus 5 in dem ersten Kanal 3 vor. In dem zweiten Kanal 4 ist ferner in jedem Basisdatenzyklus 5 eine Nachricht eines zweiten Typs 7-1–7-30 übertragbar. Dies bedeutet, dass die Nachricht zweiten Typs 7-1–7-30 optional ist und im Gegensatz zu der Nachricht ersten Typs 6-1–6-30 nicht in jedem Basisdatenzyklus 5 übermittelt werden muss.
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Gemäß einer Ausführungsform kann ein Basisdatenzyklus 5 eine Zykluszeit von weniger als 500 μs, insbesondere von weniger als 300 μs aufweisen. Ein Basisdatenzyklus 5 kann z.B. bei einer Datenrate von 1 MBit eine Zyklusdauer von 250 μs oder bei einer Datenrate von 1 MBit eine Zyklusdauer von 150 μs aufweisen.
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Das Master-Gerät 8 kann in einer Ausführungsform die Nachricht ersten Typs 6-1–6-30 als eine unidirektionale Nachricht gezielt an ein Slave-Gerät 9-1–9-n oder eine Gruppe von Slave-Geräten 9-1–9-n übermitteln. Dabei kann das Master-Gerät 8 in der Nachricht ersten Typs 6-1–6-30 z.B. Echtzeitsteuerdaten für das mindestens eine der Slave-Geräte 9-1–9-n übermitteln.
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Beispielsweise können die Slave-Geräte 9-1–9-n Steuergeräte sein, die jeweils die Leistungselektronik eines Mehrphasenwandlers für eine Phase steuern. In solch einer Ausführungsform kann das Master-Gerät 8 mit Hilfe der Echtzeitsteuerdaten die einzelnen Phasen in Echtzeit steuern.
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Die Nachrichten zweiten Typs 7-1–7-30 können in einer Ausführungsform von dem Master-Gerät 8 direkt an lediglich eines der Slave-Geräte 9-1–9-n oder in einer Broadcast-Nachricht an alle Slave-Geräte 9-1–9-n übermittelt werden. Alternativ können die Nachrichten zweiten Typs 7-1–7-30 von einem der Slave-Geräte 9-1–9-n an das Master-Gerät 8 bzw. mindestens eines der Slave-Geräte 9-1–9-n übermittelt werden.
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In einer Ausführungsform senden die Slave-Geräte 9-1–9-n die Nachricht zweiten Typs 7-1–7-30 nur als Antwort 11-1–11-7 auf eine von dem Master-Gerät 8 an das entsprechende Slave-Gerät 9-1–9-n übermittelte Nachricht zweiten Typs 7-1–7-30, die eine Datenanfrage 10-1–10-6 enthält.
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In einer Ausführungsform werden eine Vielzahl von Basisdatenzyklen 5 in einem Matrixzyklus 15-1–15-n zusammengefasst. Der Matrixzyklus 15-1–15-n kann in einer Ausführungsform einen statischen Bereich 16 und einen dynamischen Bereich 17 aufweisen.
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Dabei werden in dem statischen Bereich 16 in jedem Matrixzyklus 15-1–15-n die gleichen Datenanfragen 10-1–10-6 von dem Master-Gerät 8 in Nachrichten zweiten Typs 7-1–7-30 an die Slave-Geräte 9-1–9-n übermittelt. In dem dynamischen Bereich 17 dagegen sind die Daten, welche in dem zweiten Kanal 4 übertragen werden nicht vorgegeben und können dynamisch festgelegt werden. Beispielsweise kann das Master-Gerät 8 in dem dynamischen Bereich 17 bei Bedarf Diagnosedaten von den Slave-Geräten 9-1–9-n abfragen.
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In einer Ausführungsform haben die Nachrichten ersten Typs 6-1–6-30 die Größe eines ersten CAN-Datenrahmens 20, insbesondere 32Bit. Die Nachrichten zweiten Typs 7-1–7-30 können die Größe eines zweiten CAN-Datenrahmens 21, insbesondere 24Bit, aufweisen.
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Das Verfahren sieht in einer Ausführungsform vor, dass Datenmengen in dem ersten Kanal 3 oder dem zweiten Kanal 4 übertraten werden können, die größer sind, als die Nachrichten ersten Typs 6-1–6-30 oder die Nachrichten zweiten Typs 7-1–7-30. Dazu werden die Datenmengen in einzelne Datenpakete unterteilt, die jeweils in eine Nachricht ersten Typs 6-1–6-30 oder eine Nachricht zweiten Typs 7-1–7-30 passen. Die Datenmenge wird daraufhin in einer entsprechenden Vielzahl von Nachrichten zweiten Typs 7-1–7-30 übermittelt.
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Auf Empfängerseite wird die Datenmenge durch Zusammensetzen der Vielzahl von Nachrichten zweiten Typs 7-1–7-30 rekonstruiert.
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Mit Hilfe des vorliegenden Verfahrens können in einer Ausführungsform in den Nachrichten zweiten Typs 7-1–7-30 Messdatenanfragen und/oder Messdaten übermittelt werden. Zusätzlich oder alternativ können in den die Nachrichten zweiten Typs 7-1–7-30 Diagnoseanfragen und/oder Diagnosedaten übertragen werden.
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In einer Ausführungsform sieht das Verfahren das Absichern der Datenkommunikation durch Berechnen einer Checksumme für die Daten einer Nachricht ersten Typs 6-1–6-30 bzw. die Nachrichten zweiten Typs 7-1–7-30 vor. Die Checksumme wird dann in der jeweiligen Nachricht ersten Typs 6-1–6-30 bzw. zweiten Typs 7-1–7-30 integriert und übertragen. Der Empfänger überprüft nach dem Empfangen die Checksumme und kann so die Integrität der Nachricht feststellen.
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Alternativ oder zusätzlich können Zähler, z.B. Botschaftszähler oder sog. AliveCounter, in einer Nachricht ersten Typs 6-1–6-30 und/oder zweiten Typs 7-1–7-30 integriert werden. Der Empfänger kann das stetige Inkrementieren des Zählers überwachen.
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Schließlich können Timeouts vorgesehen sein, mit Hilfe derer die Zeitdauer, welche zwischen einer Nachricht ersten Typs 6-1–6-30 und einer Nachricht zweiten Typs 7-1–7-30 vergeht oder welche zwischen einer Nachricht zweiten Typs 7-1–7-30, welche eine Datenanfrage 10-1–10-6 aufweist, und einer Nachricht zweiten Typs 7-1–7-30, welche eine Antwort 11-1–11-7 auf die Anfrage aufweist, überwacht werden kann. Liegt diese Zeitdauer über einem vorgegebenen Schwellwert kann z.B. ein Alarm ausgegeben werden.
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2 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bussystems 1.
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Das Bussystem 1 weist ein Master-Gerät 8 auf, welches eine Vielzahl von Master-Busschnittstellen 30-1–30-n und eine Steuereinrichtung 35 aufweist. Dabei sind lediglich die erste Master-Busschnittstelle 30-1 und die letzte Master-Busschnittstelle 30-n eingezeichnet.
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Verbunden mit jeder der Master-Schnittstellen 30-1–30-n ist jeweils ein Buszweig 40-1, 40-n. An dem ersten Buszweig 40-1 sind zwei Slave-Geräte 9-1 und 9-k angeordnet, wobei weitere Salve-Geräte durch drei Punkte zwischen den Slave-Geräten 9-1 und 9-k angedeutet werden. Mit dem Buszweig 40-n sind zwei Slave-Geräte 9-l und 9-n gekoppelt. Weitere Slave-Geräte sind ebenfalls durch drei Punkte angedeutet. Die Slave-Geräte 9-1–9-n weisen jeweils eine Slave-Busschnittstelle 31-1–31-n auf, über welche die Slave-Geräte 9-1–9-n mit dem jeweiligen Buszweig 40-1–40-n gekoppelt sind.
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Die Slave-Geräte 9-1–9-n sind in dem jeweiligen Buszweig 40-1–40-n in einer Serienschaltung angeordnet. In einer weiteren Ausführungsform sind aber auch Buszweige 40-1–40-n mit lediglich einem Slave-Gerät 9-1–9-n möglich.
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Die Steuereinrichtung 35 des Master-Geräts 8 und die Recheneinrichtungen 36-1–36-n (in 2 nicht dargestellt) der Slave-Geräte 9-1–9-n sind dazu ausgebildet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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In einer Ausführungsform ist das Bussystem 1 ein CAN-Bussystem und die Buszweige 40-1–40-n sind jeweils als CAN-Busse ausgebildet. In einer solchen Ausführungsform sind die Master-Schnittstellen 30-1–30-n und die Slave-Busschnittstellen 31-1–31-n als CAN-Schnittstellen mit einem CAN-Transceiver und einem CAN-Controller ausgebildet.
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Beispielsweise können die CAN-Controller in der Steuereinrichtung 35 oder den Recheneinrichtungen 36-1–36-n integriert sein.
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3 zeigt ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bussystems 1 mit einem Master-Gerät 8 und drei Slave-Geräten 9-2, 9-3 und 9-n. Weitere Slave-Geräte sind durch drei Punkte zwischen den Slave-Geräten 9-3 und 9-n angedeutet. Da die Slave-Geräte 9-2, 9-3 und 9-n identisch aufgebaut sind, wird im Folgenden lediglich der Aufbau des Slave-Gerätes 9-2 erläutert.
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Das Master-Gerät 8 weist eine Steuereinrichtung 35 auf, die mit MCU (MicroControllerUnit) bezeichnet ist. Diese Steuereinrichtung 35 kann z.B. ein Mikrocontroller oder ein Mikroprozessor sein. Die Steuereinrichtung 35 ist mit einer Master-Schnittstelle 30-1 gekoppelt, die mit einem Datenbus 2, hier mit einem CAN-Bus 2 gekoppelt ist. Die einzelnen Leitungen des CAN-Busses 2 sind nicht explizit dargestellt. Vielmehr ist neben dem CAN-Bus vermerkt, dass die Leitungen CAN_H, CAN_L und GND (also Masse) den CAN-Bus bilden.
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Da der CAN-Bus ein differentieller Datenbus ist, werden die Daten als Differenzsignal mit zwei Datenleitungen übertragen. Dabei führt die Leitung CAN_H das HIGH bzw. hohe Signal und die Datenleitung CAN_L das LOW bzw. das niedrige Signal.
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Das Slave-Gerät 9-2 weist eine Slave-Busschnittstelle 31-1 auf, die als CAN-Schnittstelle 31-1 ausgebildet ist. Die Slave-Busschnittstelle 31-1 kann z.B. einen CAN-Transceiver aufweisen. Ferner weist das Slave-Gerät 9-2 eine mit der Slave-Busschnittstelle 31-1 gekoppelte Recheneinrichtung 36-1 auf. Diese kann z.B. ebenfalls ein MCU bzw. ein Mikrocontroller oder Mikroprozessor sein. Schließlich ist zwischen Slave-Busschnittstelle 31-1 und Recheneinrichtung 36-1 ein Isolator 33-1 angeordnet. Dieser ist notwendig, da das Slave-Gerät 9-2 der 3 eine Leistungselektronik aufweist, die mit hohen Spannungen von bis zu mehreren hundert Volt arbeitet. Der Bereich über dem Isolator 33-1 ist deshalb mit HV (High Voltage) gekennzeichnet und der Bereich unter dem Isolator 33-1, der die Slave-Busschnittstelle 31-1 aufweist, ist mit LV (Low Voltage) gekennzeichnet.
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In 3 ist zu erkennen dass jedes Slave-Gerät 9-1–9-n lediglich eine einzige Slave-Schnittstelle 31-1–31-n benötigt, um das vorliegende Verfahren einsetzen zu können. Es können also sehr einfache und kostengünstige Slave-Geräte 9-1–9-n bereitgestellt werden. Ferner sind lediglich drei Leitungen, CAN_H, CAN_L und GND, pro Buszweig 40-1–40-n nötig, um die Slave-Geräte 9-1–9-n mit dem Master-Gerät 8 zu koppeln.
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4 zeigt ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bussystems 1.
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Das Bussystem 1 der 4 basiert auf dem Bussystem 1 der 3 und unterscheidet sich von diesem dahingehend, dass das Master-Gerät 8 drei Master-Schnittstellen 30-1–30-3 aufweist, die jeweils mit einem Buszweig 40-1–40-3 gekoppelt sind. Jeder Buszweig 40-1–40-n weist drei Slave-Geräte 9-5–9-13 auf, wobei jeweils zwischen den letzten Zwei Slave-Geräten 9-6, 9-7; 9-9, 9-10 und 9-12, 9-13 durch drei Punkte weitere Slave-Geräte angedeutet sind.
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Das Master-Gerät 8 weist neben der Steuereinrichtung 35 für jeden Buszweig 40-1–40-3 einen CAN-Transceiver 30-1–30-3 auf.
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Die Slave-Geräte 9-5–9-13 der 5 gleichen den Slave-Geräten 9-1–9-n der 4.
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In 4 kann jeder Buszweig 40-1–40-3 z.B. für die Ansteuerung einer Phase eines Mehrphasensystems, beispielsweise einem Mehrphasen-Inverter, genutzt werden.
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5 zeigt ein Diagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Basisdatenzyklus 5 und erfindungsgemäßer Matrixzyklen 15-1–15-n.
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In 5 ist der Basisdatenzyklus 5 dargestellt welcher zwei Nachrichten 6-1 und 7-1 aufweist, die jeweils den ersten Kanal 3 und den zweiten Kanal 4 darstellen. Die Nachricht ersten Typs 6-1 ist in einem ersten CAN-Datenrahmen 20 angeordnet, der eine Größe von 32 Bit aufweist. Die Nachricht zweiten Typs 7-1 ist in einem zweiten CAN-Datenrahmen 21 angeordnet, der eine Größe von 24 Bit aufweist. Andere Größen sind ebenfalls möglich.
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5 ist ferner zu entnehmen, dass ein Basisdatenzyklus 5 bei einer Baudrate von 1 MBaud 250 µS dauert. Bei einer Datenrate von 4 MBaud dauert der Basisdatenzyklus 5 lediglich 150 µS. Eine Datenrate von 4 MBaud kann in einem CAN-Bussystem 1 z.B. mit dem CANFD (CAN mit flexibler Datenrate) Protokoll erreicht werden.
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Die Nachricht des ersten Typs 6-1 des Kanals 1 in 5 ist eine Nachricht 6-1, die von dem Master-Gerät 8 an alle Slave-Geräte 9-1–9-n mit Hilfe eines Broadcasts übermittelt wird. Dies wird in 5 durch die Bemerkung: Master -> Slave.X verdeutlicht.
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Ein Broadcast stellt in diesem Zusammenhang eine Nachricht dar, welche nicht an einen einzelnen Empfänger adressiert ist, sondern an alle Teilnehmer in einem Buszweig 40-1–40-n adressiert ist. Ferner steht in Slave.X das X für alle Slave-Geräte 9-1–9-n.
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In 5 ist unter dem Basisdatenzyklus 5 eine Zeitreihe mit Matrixzyklen 15-1 bis 15-n dargestellt. Dabei wird durch zwei Pfeile dargestellt, dass der Basisdatenzyklus 5 in dem Matrixzyklus 15-1 als erstes übertragen wird. Ferner ist zu erkennen, dass der Matrixzyklus 15-1 eine Vielzahl von Basisdatenzyklen 5 aufweist, genauso, wie die weiteren Matrixzyklen 15-2–15-n.
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Die Dauer eines Matrixzyklus 15-1–15-n beträgt dabei die Länge des Basiszyklus mal die Anzahl der Basiszyklen in dem Matrixzyklus.
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6 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Slave-Geräts 9-14.
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In 6 ist dabei lediglich die Verarbeitung eintreffender Nachrichten ersten Typs 6-2–6-6 dargestellt, um dies genauer zu erläutern. Die Verarbeitung von Nachrichten zweiten Typs 7-1–7-n kann in einer Ausführungsform genauso erfolgen, wie die Verarbeitung von Nachrichten ersten Typs 6-1–6-n.
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In 6 ist dargestellt, dass Nachrichten 6-2–6-6 der Reihe nach über einen CAN-Bus oder einen CANFD-Bus an das Slave-Gerät 9-14 übermittelt werden.
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Direkt nach dem Eintreffen einer Nachricht 6-2 wird in der Recheneinrichtung 35-14 (nicht explizit dargestellt) des Slave-Geräts 9-14 ein Interrupt ausgelöst, der dazu führt, dass die eingetroffene Nachricht in der kürzest möglichen Zeit verarbeitet wird und entsprechende Steuerbefehle z.B. an eine Leistungselektronik 34 ausgegeben werden können.
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Werden eine Vielzahl von Slave-Geräten 9-1–9-n in einem Buszweig 40-1–40-n eingesetzt, kann so sichergestellt werden, dass die Stellbefehle an den einzelnen Leitungselektronikkomponenten nahezu zeitgleich ankommen. So kann eine synchronisierte Ansteuerung der Leistungselektronik auch dann durchgeführt werden, wenn diese auf mehrere Slave-Geräte 9-1–9-n verteilt angeordnet ist.
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7 zeigt ein Diagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen statischen Bereichs eines Matrixzyklus 15-1.
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Der Matrixzyklus 15-1 ist in 5 Bereiche unterteilt, dabei bilden die ersten 4 Bereiche den statischen Bereich 16 des Basisdatenzyklus 5. Der fünfte Bereich ist lediglich schematisch am Ende des statischen Bereichs 16 dargestellt und bildet den dynamischen Bereich 17.
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In dem Matrixzyklus 15-1 sind in einer ersten Zeile die Nachrichten ersten Typs 6-1–6-30 und zweiten Typs 7-10–7-14, 7-19 und 7-25 dargestellt, die das Master-Gerät 8 aussendet. In einer zweiten Zeile sind die Nachrichten zweiten Typs 7-15–7-18 dargestellt, die das Slave-Gerät 9-15 aussendet. In einer dritten Zeile sind die Nachrichten zweiten Typs 7-20–7-24 dargestellt, die das Slave-Gerät 9-16 aussendet. Schließlich sind in einer vierten Zeile die Nachrichten zweiten Typs 7-26–7-30 dargestellt, die das Slave-Gerät 9-17 aussendet. Bevor eines der Slave-Geräte 9-15–9-17 Nachrichten auf dem Datenbus 2 sendet, muss das Master-Gerät 8 diese Daten mit den Nachrichten zweiten Typs 7-13, 7-19 und 7-25 von den einzelnen Slave-Geräten 9-15–9-17 abfragen.
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In 7 wird deutlich, dass immer eine Nachricht ersten Typs 6-10–6-30 und eine Nachricht zweiten Typs 7-10–7-30 im Wechsel gesendet werden. Dabei werden alle Nachrichten ersten Typs 6-10–6-30 von dem Master-Gerät 8 ausgesendet. Ferner Antworten die Slave-Geräte 9-15–9-17 mit Antworten 11-1–11-3 lediglich auf Anfragen 10-4–10-6 des Master-Geräts 8.
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In dem ersten Bereich übermittelt das Master-Gerät neben den Nachrichten ersten Typs 6-10–6-30 drei Broadcast-Nachrichten zweiten Typs 7-10–7-12 an alle Slave-Geräte 9-15–9-17. Diese Broadcast-Nachrichten zweiten Typs 7-10–7-12 weisen eine Anfrage auf, die in drei Datenanfragen 10-1–10-3 segmentiert übertragen wird. Diese Datenanfragen 10-1–10-3 weisen die Slave-Geräte 9-15–9-17 an, Messdaten aufzunehmen. In den folgenden drei Bereichen ist dargestellt, wie das Master-Gerät 8 die Messdaten von den Slave-Geräten 9-15–9-17 abruft.
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In dem zweiten Bereich übermittelt das Master-Gerät 8 eine Nachricht zweiten Typs 7-13 an das Slave-Gerät 9-15, worauf dieses mit den Nachrichten zweiten Typs 7-14–7-18 antwortet, die eine segmentierte Antwort 11-1 aufweisen, in welcher die angefragten Messdaten enthalten sind.
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In dem dritten Bereich übermittelt das Master-Gerät 8 eine Nachricht zweiten Typs 7-19 an das Slave-Gerät 9-16, worauf dieses mit den Nachrichten zweiten Typs 7-20–7-24 antwortet, die eine segmentierte Antwort 11-2 aufweisen, in welcher die angefragten Messdaten enthalten sind.
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In dem vierten Bereich übermittelt das Master-Gerät 8 eine Nachricht zweiten Typs 7-25 an das Slave-Gerät 9-17, worauf dieses mit den Nachrichten zweiten Typs 7-26–7-30 antwortet, die eine segmentierte Antwort 11-3 aufweisen, in welcher die angefragten Messdaten enthalten sind.
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An den vierten Bereich schließt sich, wie oben bereits erläutert, der dynamische Bereich an.
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In einer anderen Ausführungsform kann das Master-Gerät 8 anstellt von Messdaten auch Diagnosedaten oder dergleichen von den Slave-Geräten 9-15–9-17 abrufen.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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