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Die Erfindung betrifft ein Bussystem zur Übertragung von Daten in Echtzeit, wobei die Daten Audio-, Video-, Konfigurations- oder Steuerdaten sind und wobei das Bussystem eine Buszentrale, mindestens zwei Busteilnehmer sowie einen die Buszentrale mit den Busteilnehmern verbindenden Sensorbus aufweist.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Übertragung von Daten in Echtzeit, bei welchem die Übertragung der Daten unter Nutzung eines Busprotokolls erfolgt, wobei die zu übertragenden Daten sowohl Nutzdaten als auch zusätzlich notwendige Daten, vorgegeben durch das jeweilige Busprotokoll, umfassen, wobei das Busprotokoll die Übertragung der Daten in zeitliche Abschnitte untergliedert, welche mehrere Unterabschnitte beinhalten, in denen die Nutzdaten zumindest teilweise beinhaltet sind.
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Für die synchrone Echtzeitverarbeitung von Audio- und Videodaten eines verteilten Sensornetzwerkes, welches beispielsweise mehrere Sensoren zum Erfassen von Schallwellen wie Mikrofone umfasst, ist ein hochgradig adaptierbares Datenübertragungssystem, nachfolgend als Bussystem bezeichnet, erforderlich. Dieses muss aufgrund der Anwendungsanforderungen echtzeitfähig sein, also deterministische Übertragungslatenzen aufweisen und die Kommunikationsteilnehmer zeitlich miteinander synchronisieren können.
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Eine weitere Anforderung besteht darin, verschiedene Arten von Daten mit unterschiedlichen Echtzeitanforderungen (Befehle, Status, Nutzdaten) auf logisch getrennten Kanälen zu übertragen. Die physikalische Ebene soll aus Gründen einer preiswerten Realisierung die Bustopologie, d. h. den Anschluss mehrerer Teilnehmer an ein gemeinsames, passives Übertragungsmedium, unterstützen. Die Daten sollen elektrisch über Zweidrahtleitungen und insbesondere Standard-Installationsmaterial mit Reichweiten von mindestens 300 m bei Datenraten von mindestens 5 Mbit/s übertragen werden.
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Die weitaus wichtigste Anforderung und der Anstoß für die hier beschriebene Erfindung sind eine weitreichende Skalierbarkeit der Buseigenschaften und deren Adaptierbarkeit an wechselnde Anwendungsanforderungen im laufenden Betrieb. Ziel ist die Abdeckung eines weiten Anwendungsbereiches von z. B. kostengünstigen Miniatursensorknoten zur akustischen Überwachung eines Raumes in Telefonqualität bis hin zu hochwertigen Audio- und Videokonferenzsystemen mit HiFi-Qualität. Ein derartiger Raum kann beispielsweise ein Büro, eine Konferenzraum oder ein Innenraum eines Fahrzeuges sein.
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Dazu müssen die Leistungseigenschaften des Kommunikationssystems, wie Datenrate, Übertragungslatenz, Energieverbrauch, Kanalanzahl und -eigenschaften sowie Fehlerschutzleistung in einem möglichst weiten Bereich eingestellt werden können. Diese Eigenschaften sind im Allgemeinen voneinander abhängig. Je nach vertretbarem Aufwand für eine Realisierung müssen daher konkurrierende Merkmale gegeneinander abgewogen und ein sinnvoller Kompromiss gebildet werden.
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Eine erfindungsgemäße dynamische Adaptierbarkeit des Bussystems zur Laufzeit soll es ermöglichen, dass diese Kompromisse je nach aktuellen Anwendungsanforderungen zugunsten einer gewünschten Eigenschaft verschoben und damit Nachteile einer statischen Konfiguration vermieden werden. Die Echtzeitfähigkeit des Bussystems darf durch die beschriebenen erweiterten Konfigurationsmöglichkeiten jedoch unter keinen Umständen beeinträchtigt werden.
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Ebenfalls im Sinne einer möglichst weiten Anwendbarkeit soll eine portable Implementierbarkeit des Bussystems sowie des Busprotokolls auf Plattformen sehr unterschiedlicher Leistungsfähigkeit möglich sein. Dies umfasst insbesondere eine Implementierung in Software basierend auf Standard-Hardware-Komponenten.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, die Echtzeitfähigkeit der Datenübertragung durch einen zeitgesteuerten (time-triggered) Buszugriff sicherzustellen. Bei dieser Methode gibt es unter den Kommunikationsteilnehmern keine Konkurrenz. Die Zeiträume, in denen jeweils genau ein Teilnehmer exklusiven Buszugriff erhält, werden zur Entwurfszeit des Systems festgelegt und danach nicht mehr verändert. Auf diese Weise werden deterministische Übertragungslatenzen garantiert. Bekannte Systeme, die nach dieser Methode arbeiten, sind z. B. FlexRay und TTCAN.
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FlexRay ist ein herstellerübergreifender offener Standard, der in der Version 3.0.1 im Jahr 2013 in den ISO-Standard ISO 17458-1/5 überführt wurde. Das Zeitschema, nach dem dieser Bus arbeitet, ist in der 3 dargestellt.
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Der Standard weist zeitliche Abschnitte auf, welche sich periodisch wiederholen und als Zyklen bezeichnet werden. Diese Zyklen der Länge gdCycle bestehen aus maximal vier verschiedenen Unterabschnitten, welche als Segmente bezeichnet werden. Für den deterministischen Datentransport ist das statische Segment vorgesehen. Da alle anderen Segmente deaktiviert bzw. auf eine vernachlässigbare Größe konfiguriert werden können, wird im Folgenden nur auf das statische Segment eingegangen. Dieses besteht aus einer Anzahl ns von gNumberOfStaticSlots identischen Zeitschlitzen der Länge gdStaticSlot. Ein Slot transportiert neben einem Header und Trailer (zur Fehlererkennung) bis zu gPayloadLengthStatic Datenbytes des jeweiligen Senders. Die Wertebereiche der genannten Protokoll-Parameter sind in der Tabelle in 5 zusammengefasst.
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Dieser bekannte Stand der Technik weist die nachfolgend beschriebenen Nachteile auf.
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Skalierbarkeit der Konfiguration:
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Im FlexRay-Zeitschema enthält jeder zum Datentransport genutzte Slot neben den eigentlichen Nutzdaten einen Header mit Verwaltungsinformationen und einen Trailer, der eine Prüfsumme zur Fehlererkennung transportiert. Weder die Länge des Trailers, und damit auch die Stärke der CRC-Fehlererkennung, noch die Länge des Headers sind einstellbar. Sie bilden einen konstanten Overhead, der die Dateneffizienz von FlexRay vermindert. Der minimale relative Overhead kann bei maximaler Zykluslänge und maximaler Nutzdatenlänge der Slots erwartet werden. Diese Größen sind bei FlexRay jedoch auf relativ niedrige Werte von 16 ms bzw. 254 Byte beschränkt.
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Eine wesentliche Einschränkung des FlexRay-Zeitschemas besteht darin, dass in einer Konfiguration alle statischen Slots dieselbe Länge besitzen müssen. Dadurch kann bei mehreren Teilnehmern mit stark voneinander abweichenden Sendeanforderungen die zur Verfügung stehende Busbandbreite im Allgemeinen nicht mehr effizient genutzt werden. Wenn die Datenpakete eines Teilnehmers kleiner als der Nutzdatenbereich eines Slots sind, wird Sendezeit verschwendet. Sind sie zu groß für einen Slot, so müssen die Daten auf mehrere Slots aufgeteilt werden. In diesem Fall wird die Sendekapazität durch den zusätzlichen Overhead mehrerer Slots vermindert.
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Wenn mehrere Teilnehmer des Busses innerhalb eines Zyklus senden sollen, um die Übertragungslatenz zu minimieren, so ist es unumgänglich, mindestens genauso viele Slots zu verwenden. Der entsprechende Overhead führt in diesem Fall, und insbesondere bei kleinen Slotlängen, zu wesentlichen Einbußen bei der Dateneffizienz des Bussystems.
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Um der Anwendung trotz einer verminderten Dateneffizienz eine bestimmte Nettodatenrate garantieren zu können, muss die Baudrate angehoben werden, womit der Energieverbrauch des gesamten Kommunikationssystems steigt. Dieses Problem wird noch dadurch verstärkt, dass die Baudrate im FlexRay-Protokoll nur in drei diskreten Schritten (2.5, 5 oder 10 Mbit/s) spezifiziert werden kann.
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Die genannten Einschränkungen verhindern in der Praxis eine feingranulare Abstimmung der Leistungseigenschaften des Kommunikationssystems und damit in vielen Fällen die Optimierung auf gegebene Anwendungsanforderungen.
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Dynamische Konfiguration:
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Die wesentlichen Konfigurationsdaten eines FlexRay-Netzwerks wie Baudrate und Zykluslänge sowie Anzahl und Länge der statischen Slots werden in einer speziellen Konfigurationsphase in die FlexRay-Controller geschrieben und sind während des Betriebs nicht mehr veränderbar. Eine dynamische Konfigurierbarkeit des Kommunikationssystems zur Laufzeit ist somit nicht möglich.
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Implementierung:
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FlexRay spezifiziert eine proprietäre Leitungskodierung, die vor jedes zu übertragende Datenbyte eine sogenannte Byte Start Sequence (BSS) stellt, wie in der 3 dargestellt ist. Damit wird spezielle Hardware in den Busteilnehmern benötigt, die einen eingehenden physikalischen Datenstrom mit bis zu 80 MHz abtasten kann (maximale Baudrate 10 Mbit/s bei vorgeschriebenem Überabtastfaktor von 8). Diese Dekodierung ist mit handelsüblichen, preiswerten Mikrocontrollern nicht durchführbar.
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Desweiteren beschränkt die FlexRay-Spezifikation die maximale Rate der Datenübertragung über eine Zweidrahtleitung auf 10 Mbit/s und die maximale Ausdehnung eines Bussegmentes auf 24 m.
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Somit sind wesentliche Nachteile des Standes der Technik darin zu sehen, dass sich Übertragungseigenschaften nicht in ausreichendem Maße skalieren lassen, eine dynamische Adaptierbarkeit zur Laufzeit unter Beibehaltung der Echtzeiteigenschaften nicht gegeben ist und die Nutzung meist an proprietäre Komponenten gebunden ist.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Bussystem und eine Verfahren zur Übertragung von Daten in Echtzeit zu schaffen, womit eine Verbesserung der Datenübertragung bezüglich Datenrate und Übertragungsstrecke erreicht wird und eine Anpassung des Bussystems an verschiedene Datenübertragungsanforderungen zur Laufzeit ermöglicht wird.
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Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe bei einem Bussystem zur Übertragung von Daten in Echtzeit der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass jeder Busteilnehmer die Bestandteile Transceiver, serielle Schnittstelle und Verarbeitungseinheit aufweist.
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Das Bussystem umfasst mindestens eine Buszentrale, welche eine auch als Master bezeichneten zentrale Steuereinheit darstellt, sowie mehreren Busteilnehmer, welche miteinander und mit der Buszentrale mittels eines hier als Sensorbus bezeichneten Leitungsbusses zur Übertragung von Daten verbunden sind.
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Vorgesehen ist, dass die Busteilnehmer, welche auch als sogenannte Sensorknoten bezeichnet werden, mit einem Sensor verbunden sind. Ein derartiger Sensor kann beispielsweise ein Mikrofon sein, mit welchem Schallwellen in ein analoges elektrisches Signal umgewandelt werden. Dieses Signal wandelt der Busteilnehmer vor der Übertragung über den Sensorbus vorzugsweise in ein digitales Signal um. Derart steht das digitale Signal sowohl zur Übertragung über den Sensorbus als auch zu einer Signalverarbeitung zu Verfügung.
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Die Übertragung der Daten auf dem Sensorbus wird von der Buszentrale gesteuert, in welcher das erfindungsgemäße Verfahren zur Übertragung von Daten in Echtzeit abläuft.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass jeder Busteilnehmer mit mindestens einem Aktor- und/oder einem Sensor verbunden ist.
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Vorgesehen ist, dass ein Busteilnehmer mit mindestens einem Sensor wie einem Mikrofon verbunden ist. Alternativ kann ein Busteilnehmer auch mit einem Aktor, beispielsweise einem Lautsprecher, verbunden sein. Eine Beschränkung der an einem Busteilnehmer angeschlossenen Sensoren und Aktoren ist nicht vorgesehen.
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Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe bei einem Verfahren zur Übertragung von Daten in Echtzeit der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die sich wiederholenden zeitlichen Abschnitte Frames sind, deren Länge und deren Bestandteile dynamisch konfigurierbar sind und deren Einstellungsinformationen zu einer eingestellten Länge und den Bestandteilen als Frameformatdaten abgespeichert und in jedem zeitlichen Abschnitt zumindest eine Information zur Identifizierung des aktuell eingestellten Frameformates mit übertragen werden.
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Das Verfahren sieht vor, eine Datenübertragung zwischen den Busteilnehmern und der Buszentrale über den Sensorbus in zeitliche Abschnitte, wie ein Frame zu unterteilen. Diese Frames (frame 1, frame 2, ..., frame n) werden zeitlich aufeinanderfolgend angeordnet. Nach einer festgelegen Anzahl n von Frames kann ein weiterer frame 1 oder ein beliebiger anderer frame n folgen. Eine Festlegung der Reihenfolge der Frames ist nicht erforderlich und kann zur Laufzeit der Datenübertragung auf dem Sensorbus jederzeit dynamisch angepasst werden.
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Vorgesehen ist, die Frameformatdaten, welche die Information über die im Frame eingestellte Länge und die genutzten Bestandteile beinhalten, in einer Tabelle zu speichern, wobei jeder Datensatz mit einer Frameformat-Nummer oder Frameformat-ID gekennzeichnet gespeichert wird. Zur Gewährleistung der Kommunikation zwischen verschiedenen Teilnehmern auf dem Sensorbus, werden diese Frameformatdaten in jeden Frame mit übertragen.
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In einer Ausführung ist vorgesehen, die in der Tabelle gespeicherten Frameformatdaten in jedem Busteilnehmer zu speichern. Somit ist es ausreichend, mit jedem Frame nur die Frameformat-Nummer oder Frameformat-ID mit zu übertragen. Die entsprechenden Informationen zur eingestellten Länge und den Bestandteilen kann jeder Busteilnehmer dann seiner Tabelle entnehmen.
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Wesentlich ist, dass die Dauer oder die Länge eines Frames zur Laufzeit beliebig an die Erfordernisse der aktuellen Datenübertragung angepasst werden kann. Die Frames können beispielsweise gleich lang sein. Für diesen Fall ist die Dauer des ersten Frames dFrame1 gleich der Dauer des zweiten Frames dFrame2.
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In einem anderen Beispiel können die Frames eine unterschiedliche Länge aufweisen. So ist es möglich, dass der erste Frame eine kürzere oder längere Dauer dFrame1 als der zweite Frame dFarme2 aufweist.
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In einer besonderen Ausführung kann sich die Dauer eines Frames beispielsweise dFrame1 von Durchlauf zu Durchlauf ändern. So kann eine Änderung bezüglich der Anforderungen an die Datenübertragung des Bussystems dazu führen, dass die Dauer dFrame1 des ersten Frames in einem ersten Durchlauf größer oder kleiner als die Dauer dFrame1 des ersten Frames eines nachfolgenden Durchlaufs ist.
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Üblicherweise wird der zeitliche Abschnitt eines Frames in mehrere Frame-Unterabschnitte unterteilt. Diese Frame-Unterabschnitte ermöglichen neben der Übertragung der eigentlichen Nutzdaten beispielsweise auch die Übertragung von Synchronisations-, Adress-, Parameter- oder Prüfdaten, welche für den Ablauf einer Datenübertragung auf einem Bussystem meist zusätzlich nötig sind.
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Die Informationen über die Länge oder Dauer eines Frames sowie die Informationen über die in einem Frame beinhalteten Unterabschnitte werden in den sogenannten Frameformatdaten abgespeichert. Diese Abspeicherung kann in Form einer Tabelle erfolgen, in welcher in einer ersten Spalte ein Frameformat und in den nachfolgenden Spalten die zugehörigen Frameformatinformationen in einer bestimmten Reihenfolge hinterlegt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein zeitlicher Abschnitt in einen ersten Frame-Unterabschnitt zur Übertragung einer Synchronisations-Information sowie der Frameformatdaten, zur Identifizierung des aktuellen eingestellten Frameformates, und mehrere zeitlich nachfolgende Frame-Unterabschnitte zur Übertragung der Nutzdaten unterteilt ist.
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Zur Gewährleistung der sicheren Datenübertragung auf dem Bussystem beinhaltet jedes Frame einen Frame-Unterabschnitt, in welchem zumindest die Frameformatdaten beinhaltet sind. Derart kann jeder Busteilnehmer zur Laufzeit an sich ändernde Parameter des Übertragungsprotokolls angepasst werden. Insbesondere können sich stillgelegte Busteilnehmer (standby) oder neu installierte Busteilnehmer zur Laufzeit mit einer maximalen zeitlichen Latenz von nur einem Frame auf das Übertragungsprotokoll aufsynchronisieren.
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Zur zeitlichen Synchronisation der Datenübertragung auf dem Bussystem zwischen verschiedenen Busteilnehmern und der Buszentrale werden Synchronisationsinformationen über das Bussystem mit übertragen. Diese Synchronisationsinformationen werden vorzugsweise in einem ersten Frame-Unterabschnitt des Frames übertragen. Die Frame-Unterabschnitte werden in der vorliegenden Beschreibung mit „sync” und „slot X” bezeichnet, wobei X eine fortlaufende Nummerierung der Slots in der Form slot 1, slot 2, ..., slot n darstellt.
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Die zu übertragenden Nutzdaten werden in den sogenannten Slot-Unterabschnitten, welche Teilbereichen der Slots darstellen, beispielsweise in Form von Datenbytes angeordnet und übertragen. Zu diesem Zweck können neben den Datenbytes auch Start- und/oder Stopp-Bits in den Slot-Unterabschnitten eingefügt werden.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Unterabschnitt eine Prüfsumme zur Fehlererkennung bei der Übertragung der Frameformatdaten beinhaltet, um sicherzustellen, dass alle Busteilnehmer eine konsistente Protokollkonfiguration aufweisen.
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Der erste Unterabschnitt, genauer als erster Frame-Unterabschnitt bezeichnet, beinhaltet vorzugsweise Informationen zur Fehlererkennung bei der Übertragung der Frameformatdaten. Diese Information kann eine CRC-Prüfsumme mit einer festgelegten Länge sein.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine zeitliche Synchronisation der in den zeitlichen Abschnitte übertragenen Daten der Sensoren mithilfe der Busteilnehmer erfolgt.
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In einer anderen Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Selektion und/oder eine Vorverarbeitung der Daten der Sensoren mittels eines in den Busteilnehmern ablaufenden Algorithmus erfolgt.
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Vor der Versendung der digitalen Daten wird eine Synchronisierung der Daten der Sensoren durch jeden Busteilnehmer auf den anliegenden Bustakt durchgeführt. Eine zeitliche Synchronisation der Daten der Sensoren in den Busteilnehmern ist nötig, um die gewünschte synchrone Datenübertragung zur Buszentrale zu gewährleisten, da es sich um ein verteiltes System mit verschiedenen Zeitgebern handelt.
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Da diese prinzipiell nicht mit exakt derselben Frequenz arbeiten, könnte sich sonst eine Abweichung der lokalen Zeiten aufbauen. Da auch die Analog-Digital-Wandler in den Busteilnehmern mit diesen Frequenzen getaktet sind, welche eine Wandlung der analog erfassten Signale der Sensoren in eine digitale Form durchführen, ist ein Sampleratenausgleich der Daten zwischen den Teilnehmern auf dem Bussystem nötig. Dazu erfolgt in den einzelnen Busteilnehmern ein Ausgleich der Samplerate gegenüber dem Bustakt. Auf dem Sensorbus werden die Daten somit zeitsynchron (bezogen auf den Aufnahmezeitpunkt) übertragen und liegen aufgrund der Bustopologie somit zeitsynchron an jedem Busteilnehmer und auch an der Buszentrale an.
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Dadurch können alle übertragenen Daten in allen Busteilnehmern einer mehrkanaligen Signalverarbeitung zugeführt werden, ohne dass in jedem Empfänger eine eigene Resynchronisierung der Daten durchgeführt werden muss. Bei Aufteilung der gesamten Signalverarbeitung auf mehrere oder alle Busteilnehmer, zum Zwecke einer Lastverteilung im System, kann durch die Datensynchronisierung ausschließlich auf Senderseite die Anzahl der insgesamt nötigen Synchronisierungsvorgänge und damit der dafür nötige Rechenaufwand entscheidend gesenkt werden Weiterhin besteht die Möglichkeit, Daten eines angeschlossenen Sensors bereits im Busteilnehmer zu selektieren oder einer Vorverarbeitung zuzuführen. Derart kann beispielsweise mittels einer Plausibilitätsprüfung dafür gesorgt werden, dass unerwünschte Daten nicht über den Systembus übertragen werden, womit dieser entlastet werden kann. Auch könnte eine Vorverarbeitung der Daten, beispielsweise eine Filterung oder Störungskompensation bereits im Busteilnehmer mittels geeigneter Algorithmen erfolgen und somit die Verarbeitungseinheit in der Buszentrale entlasten.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt
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1 eine beispielhafte Strukturübersicht eines Bussystems mit seinen wichtigsten Bestandteilen,
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2 ein Beispiel für ein mögliche Anwendung des Bussystems bei einem Einsatz in einem Raum zur akustischen Überwachung einer sich durch den Raum bewegenden Signalquelle (Sprecher),
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3 eine Auszugsweise Darstellung eines FlexRay-Übertragungsstandards aus dem bekannten Stand der Technik,
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4 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Übertragungsstandards mit seinen hauptsächlichen und optionalen Bestandteilen und
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5 eine tabellarische Gegenüberstellung der Eigenschaften des Stands der Technik und der Erfindung.
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In der 1 ist ein Bussystems mit seinen wichtigsten Bestandteilen auszugsweise dargestellt.
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Die Busteilnehmer bzw. Sensorknoten 1, welche frei in einem beliebigen Raum, wie beispielsweise einem Büro, Konferenzraum, in einem Fahrzeug, oder frei im Raum wie beispielsweise an Verkehrswegen, an verschiedenen Stellen platziert werden können, sind mit einem oder mehreren Sensoren 2 unterschiedlichster Art, wie beispielsweise einem Mikrofon, verbunden. Über einen Sensorbus 3, der als Vierdraht- oder als Zweidraht-Bus ausgelegt sein kann, sind die Busteilnehmer 1 mit einer Buszentrale (Master) 4 verbunden.
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Über einen weiteren optionalen drahtlosen oder drahtgebundenen Systembus 5 kann die Buszentrale 4 beispielsweise mit weiteren Systemen 7, wie beispielsweise einem Gebäudeautomationssystem, einem Energiemanagementsystem, einem Telefonnetzwerk, einer Notrufzentrale, einem Multimedianetzwerk, einem IT-Netzwerk oder anderen Systemen, vernetzt werden.
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Die Busteilnehmer 1 bestehen beispielsweise aus EIA-485-Transceiver, UART, Prozessor und Speichereinheit mit angeschlossenen Sensoren 2 und optional einem oder mehreren angeschlossenen Aktor(en) 6.
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Das Busprotokoll wird als Master/Slave Bus aufgebaut, bei dem ein Busteilnehmer die Rolle des Masters 4 (Buszentrale) übernimmt. Die Buszentrale 4 gibt die zeitliche Synchronisation des Busses 3 vor. Alle Bus-Slaves 1 synchronisieren sich zeitlich auf den Empfang eines UART-Break-Symbols der Buszentrale 4. Die Busarbitrierung erfolgt zeitgesteuert über einen periodisch ausgeführten Plan, der festlegt, wann die Daten eines jeden Übertragungskanals gesendet werden dürfen. Dazu erfolgt eine hierarchische Gliederung der Zeit in zeitliche Abschnitte 8 (Frames).
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Das im Bussystem verwendete Frameformat ergibt lückenlos periodisch wiederholt den Zeitplan, der den Buszugriff steuert. Ein Frameformat ist im Wesentlichen charakterisiert durch seine Länge bzw. Periode und die Anzahl der damit bedienten Kanäle, repräsentiert durch entsprechende Unterabschnitte 10 (Slots). Die Angaben zu diesen und anderen Einstellung der Parameter der Frames 8 werden als Frameformatdaten 12 gespeichert.
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Die Frameformate können dabei flexibel definiert werden. Aus diesem Grund wird die Frameformat-Definition von einer dazu orthogonalen Kanaldefinition separiert. Ein Übertragungskanal ist hauptsächlich durch die von ihm beanspruchte Datenrate charakterisiert. Um bei Verwendung dieses Kanals in Frameformaten unterschiedlicher Framelänge diese Datenrate garantieren zu können, werden skalierbare Slots 10 benutzt. Die Summe aus gewichteten Slotlängen und Pausen ergibt die Mindestlänge eines Frames 8.
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Für eine robuste Synchronisierung werden Übertragungsfehler im Header detektiert. Dazu enthält der Header eine Prüfsumme 13, beispielsweise in Form einer CRC Prüfsumme. Mit einem ähnlichen Verfahren wird ein Hashwert der Konfigurationstabellen berechnet und vom Bus-Master 4 im Header gesendet. Damit sind die Bus-Slaves 1 in der Lage, Inkonsistenzen zwischen verschiedenen Protokollkonfigurationen des Bussystems aufzudecken.
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Um die strenge Periodizität des Zeitplans zu gewährleisten, überprüfen alle Busteilnehmer 1 den Zeitabstand zwischen aufeinanderfolgenden Synchronisationsslots, also die Länge jedes Frames 8.
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Mit diesen Maßnahmen werden sowohl Werte- als auch Zeitfehler bei der Synchronisierung mit hoher Wahrscheinlichkeit erkannt.
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In einem Ausführungsbeispiel wird der Sensorbus 3 als akustisches Frontend für ein handsfree-Kommunikationssystem eingesetzt. Durch die raumweite Erfassung von Sprachsignalen mittels der im Raum 15 verteilten Sensoren 2 (Mikrofone) kann sich der Nutzer 14 ohne Rücksicht auf ein laufendes Gespräch frei im Raum 15 bewegen. Der Nutzer 14 kann beispielsweise eine Person oder aber auch eine beliebige andere Anordnung sein, welche sich, wie in der 2 durch den Pfeil angedeutet ist, im Raum 15 frei bewegen kann, das heißt nicht nur in der dargestellten Bewegungsrichtung des Pfeils. Die 2 zeigt nur die zur Beschreibung wichtigsten Bestandteile, so wurde beispielsweise auf eine Darstellung der Busteilnehmer 1 verzichtet.
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Dabei erlaubt die synchrone Übertragung der Sprachsignale des Nutzers 14 auf dem Sensorbus 3 eine Lokalisierung der Nutzquelle 14 und eine parallele Erfassung wahrscheinlicher Störsignale innerhalb des überwachten Raums 15. Durch geeignete Verarbeitungsverfahren, welche beispielsweise innerhalb der Buszentrale 4 ablaufen können, ist es möglich das Nutzsignal von den ebenfalls erfassten Störungen, Echos und Raumhall zu bereinigen und in hervorragender Qualität zurückzugewinnen. Dieses bereinigte Nutzsignal kann dann einem Kommunikationssystem wie einem Telefon, einem IP-Phone oder einer Gebäudekommunikationsanlage zugeführt werden. Bei entsprechender räumlicher Ausdehnung des Sensorbusses 3 kann sogar eine raumübergreifende Kommunikation (sog. „Follow-me-Funktion”) unterstützt werden. Durch die minimal einstellbare Übertragungslatenz innerhalb des Sensorbusses 3 ist eine natürliche Kommunikation ohne spürbare Wartezeiten auf den Gesprächspartner und ohne verzögerte Wiedergabe der eigenen Stimme über ein Netzwerk oder auch eine Sprachsteuerung oder Sprachbedienung von Geräten möglich.
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Durch die zeitliche Synchronisation der Messdaten auf dem Sensorbus 3 werden leistungsfähige Ortungs- und Vorverarbeitungsalgorithmen anwendbar, mit denen die Signalquelle(n) lokalisiert und ggf. getrennt werden, eine räumliche Beurteilung des Schallfeldes bzw. eine Nachverfolgung der Bewegung der Quelle 14 erfolgen kann. Weiterhin besteht die Möglichkeit der Ausrichtung der Erfassungsbereiche der Sensoren 2 auf einen Punkt im Raum 15, welcher der Position der Signalquelle 14 entspricht, um die Sprachqualität weiter zu erhöhen. Ein derart zu überwachender Raum 15 kann beispielsweise ein Büro, eine Konferenzraum oder der Innenraum eines Fahrzeuges sein.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel entsprechend 2 ist das Bussystem mit seinem Sensorbus 3 seiner Buszentrale 4 und den Busteilnehmern 1 Bestandteil eines besonders preisgünstigen Messsystems mit verteilten Messsensoren 2, das physikalische Größen, wie beispielsweise Temperatur, Schallpegel oder Lichtstärke, im Freifeld, in Gebäuden oder Räumen 15 aufnimmt. Da die Anforderungen an Übertragungslatenz und Datenraten nicht besonders hoch sind, wird eine Konfiguration mit langer Zykluszeit und großen Slotlängen, also geringem relativen Protokolloverhead, gewählt. Die resultierende hohe Dateneffizienz erlaubt die Verwendung einer niedrigen Baudrate, knapp über der Netto-Gesamtdatenrate aller Sensordaten. Die niedrige Baudrate ermöglicht eine Realisierung mit besonders kostengünstigen Mikrocontrollern und Standard-Installationskabel und sorgt für einen geringen Energieverbrauch der unter Umständen batteriebetriebenen Sensorknoten.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel wird das Bussystem zur Vernetzung von Multimedia-Geräten in einem Heim- oder Fahrzeugnetzwerk verwendet. Er dient der gleichzeitigen Übertragung von Steuerdaten der Gebäude- bzw. Fahrzeugzentrale sowie zum Streaming von hochqualitativen Musik- und Videodaten. Zu diesem Zweck sind die Busteilnehmer 1 mit entsprechenden Sensoren 2, Aktoren 6 oder anderen geeigneten Geräten verbunden.
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Die teilweise gegensätzlichen Anforderungen an Übertragungslatenz und Datenraten, die Steuer- und Mediendaten an das Kommunikationssystem stellen, können mit einem komplexen Frameformat aus Slots 10 unterschiedlicher Länge und Fehlerschutzklasse gut abgebildet werden. Dadurch kann die Leistung der vorhandenen physikalischen Übertragungsschicht komplett ausgeschöpft werden, was sich positiv auf die Qualität und/oder Anzahl der gleichzeitig übertragenen Medienströme auswirkt. Aufgrund der Synchronität der Übertragung kann eine raumbezogene oder raumübergreifende Beschallung in hoher Qualität und ohne lästige Modulationseffekte erreicht werden. Die minimale Übertragungslatenz sichert eine unmittelbare Reaktion auf Bedienereignisse und unterstützt eine synchrone und somit natürliche Wiedergabe von Bild und Ton.
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In einem besonderen Ausführungsbeispiel kann das Bussystem für die Realisierung eines preisgünstigen und dennoch leistungsfähigen Überwachungssystems eingesetzt werden. Dazu wird die weitreichende Skalierbarkeit und dynamische Konfigurierbarkeit der Leistungsmerkmale genutzt. Die Verwendung einer ausschließlich niedrigen Baudrate führt zu geringen Kosten des Systems. Nun kann im Normalzustand, also dem „wartenden Zustand” einer Überwachungsanlage, eine Konfiguration verwendet werden, die bei geringer Übertragungslatenz alle Busteilnehmer 1 gleichzeitig bei entsprechend niedriger Qualität senden lässt. Diese Signalqualität soll ausreichen, um ein Ereignis in der Nähe einzelner Sensoren2 sicher und mit geringer Latenz erkennen zu können. In dem Fall einer Ereignisdetektion kann die Konfiguration nun während des Betriebs schnell auf einen Modus umgeschaltet werden, in dem einzelne Sensoren 2 in unmittelbarer Nähe des Ereignisses oder des Nutzers 14 mit nun sehr hoher Signalqualität exklusiv auf dem Sensorbus 3 senden. Anhand dieser Daten kann dann eine genaue Analyse des Ereignisses vorgenommen werden.
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Um den Energieverbrauch des Gesamtsystems zu senken, könnten im wartenden Zustand der Überwachung einige Busteilnehmer 1 in einen Schlafzustand versetzt werden und bei Ereignisdetektion durch benachbarte Busteilnehmer 1 aufgeweckt werden. Diese vormals inaktiven Busteilnehmer 1 müssten den Sensorbus 3 nun maximal für die Zeitdauer nur eines Frames 8 beobachten und könnten dann aus dem ersten empfangenen Frame-Header bereits alle Informationen ableiten, die sie zur Verarbeitung des aktuellen Frame-Formates, welches durch die Frameformatdaten 12 gekennzeichnet ist, und zur Übertragung ihrer Daten, benötigen. Der Sensorbus 3 sorgt so für eine minimale Aufschaltlatenz inaktiver Busteilnehmer 1.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das Bussystem für die Vernetzung der heterogenen Komponenten eines weit verbreiteten Gebäudeautomatisierungssystems verwendet. Durch die portable Implementierbarkeit der Erfindung kann die Busankopplung der verschiedenen Komponenten je nach geplanter Stückzahl und Kostensensitivität vorteilhaft in unterschiedlichen Technologien (ASIC, FPGA, Software im Mikrocontroller) realisiert werden. Die standardkonforme UART-Leitungskodierung erlaubt sogar den direkten Anschluss eines handelsüblichen PCs mit seiner seriellen Schnittstelle an den Sensorbus 3. Dies ermöglicht die praktische und kostengünstige Verwendung von ausgereifter PC-basierter Analysesoftware für Überwachung und Fehlersuche im Gesamtsystem.
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Bei der beschriebenen Vielfalt an heterogenen Busteilnehmern 1, die unter Umständen auch von verschiedenen Herstellern produziert werden, besteht eine erhöhte Wahrscheinlichkeit der Verbindung von nicht kompatiblen Komponenten im Sinne einer nicht konsistenten Protokollkonfiguration. Das daraus resultierende Risiko einer gestörten Kommunikation durch nicht übereinstimmende Zeitpläne wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Übertragung von Daten und dem hierzu beschriebenen Sensorbusprotokoll wirksam verringert, indem über die gesamte Konfiguration gebildete Prüfsummen aller Busteilnehmer 1 zu Beginn eines jeden Frames 8 miteinander verglichen werden.
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In der 3 ist der bereits weiter oben beschriebene Übertragungsstandard FlexRay aus dem Stand der Technik dargestellt.
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In der 4 ist das Zeitschema des zur Datenübertragung auf dem Bussystem genutzten erfindungsgemäßen Übertragungsstandards dargestellt. Der grundsätzliche Aufbau orientiert sich an dem von FlexRay mit Fokussierung auf dessen statisches Segment, das Echtzeitfähigkeit garantieren kann.
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Die zeitlichen Abschnitte 8, welche die gröbsten Elemente der obersten Ebene bilden, werden im Busprotokoll als Frames bezeichnet. Diese zeitlichen Abschnitte 8 müssen im Gegensatz zu FlexRay-Standard keine identische Länge und/oder keinen identischen Aufbau besitzen. Auf diese Weise kann das Zeitschema auch komplexe Periodizitäten der Sende- bzw. Empfangsprozesse abbilden. Jedes Frameformat X (X = 1, 2, ..., n) wird unter anderem beschrieben durch seine Länge dFrameX und die in ihm enthaltene Anzahl Y an Slots nSlotX. Jeder Slot Y wird unter anderem beschrieben durch seine Länge dSlotY und die Anzahl der in ihm transportierten Nutzdatenbytes nPayloadY. Die Wertebereiche der genannten Protokoll-Parameter sind in Vergleich mit denen des FlexRay-Standards in der Tabelle in 5 gegenübergestellt.
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Ein Vorteil der Erfindung besteht in der Skalierbarkeit der Konfiguration des Übertragungsstandards:
- • Als oberste Hierarchieebene der Gliederung in zeitliche Abschnitte 8 wurden Frames definiert. Das Busprotokoll erlaubt die gleichzeitige Verwendung von bis zu 2040 Unterabschnitten, den Slots 10, in einem Frame 8. Jeder Slot 10 ist in seiner Länge individuell einstellbar und kann bis zu 65500 Byte Nutzdaten transportieren. Zur Fehlererkennung kann eine CRC-Prüfsumme 13 mit einstellbarer Länge von 0–4 Byte angehängt werden. Insbesondere kann so der Overhead in einem Slot 10 gegenüber FlexRay entscheidend gesenkt und damit die Dateneffizienz gesteigert werden. Die Framelänge kann aus einem 20-fach größeren Intervall gewählt werden als entsprechende Zykluslängen von FlexRay. Anwendungen, die eine hohe Übertragungslatenz tolerieren können, profitieren so von einer verbesserten Dateneffizienz. Alle diese Eigenschaften ermöglichen eine hochgradige Skalierbarkeit der Protokollkonfiguration insbesondere in Richtung von Plattformen mit niedriger Busbandbreite.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der Möglichkeit einer dynamischen Konfiguration:
- • Das Busprotokoll erlaubt die Definition vieler unterschiedlicher Konfigurationen des Bussystems in Form von sogenannten Frameformatdaten. Erfindungsgemäß kann zwischen diesen unterschiedlichen Konfigurationen des Bussystems zur Laufzeit adaptiv gewechselt werden. Derart kann eine Anpassung der Datenübertragung an sich verändernde Anwendungsanforderungen erfolgen. Dazu wird bei jedem Busteilnehmer eine Tabelle hinterlegt, die alle bei der Datenübertragung in einem bestimmten Bussystem nutzbaren Frameformatdaten vollständig beschreibt und nummeriert.
Eine Darstellung einer derartigen Tabelle enthält die 4, in welcher im unteren Teil der Figur eine Tabelle mit den Spalten „FrameFormat” (für eine Nummer eines Formats), „Länge” und „Slots” auszugsweise dargestellt ist. Im Gegensatz zu FlexRay werden erfindungsgemäß die einzigen Header-Informationen zu Beginn eines jeden Frames 8 in einem ersten Frame-Unterabschnitt 9 gesendet. Sie enthalten beispielsweise die Nummer des Formates („FrameFormat”) für die nachfolgenden Frame-Unterabschnitte 10 und beinhalten damit alle Informationen über das aktuelle Frameformat, welche von den Busteilnehmern 1 benötigt werden, um ihre Datenbytes 11 in den jeweiligen Slots 10 zu senden. Dadurch kann mit Beginn jedes Frames 8 eine Rekonfiguration des Bussystems bezüglich Zykluszeiten, Kanalcharakteristika, Datenraten und Übertragungslatenzen erfolgen. Dies erlaubt die Adaption an wechselnde Anwendungsanforderungen während des Betriebs mit minimaler Adaptionslatenz.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in einer minimalen Synchronisationsdauer für inaktive Busteilnehmer:
- • Durch die oben Eigenschaften des Bussystems entsteht ein zustandsloses Übertragungsprotokoll. Dies bedeutet, dass ein neu auf den Sensorbus 3 aufzuschaltender Busteilnehmer 1 den Sensorbus 3 nur bis zur Erkennung des nächsten Synchronisationsslots 9, also maximal einen Frame 8 (Zyklus) lang, beobachten muss, und ab diesem Zeitpunkt sofort voll handlungsfähig ist. So wird die Aufschaltlatenz eines neuen oder inaktiven Busteilnehmers 1 auf den Sensorbus 3 minimiert.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in einer Möglichkeit eines Schutzes vor fehlkonfigurierten Busteilnehmern bzw. eines Schutzes der Busteilnehmer vor Inkonsistenzen in der Protokollkonfiguration:
- • Das Bussystem ist nur dann funktionsfähig, wenn die gesamten Konfigurationsdaten (Frameformatdaten) auf allen Busteilnehmern 1 identisch sind. Um dies sicherzustellen, wird von jedem Busteilnehmer 1 ein sogenannter Hash-Wert (Prüfsumme) über alle Konfigurationsdaten gebildet. Ein ausgezeichneter Busteilnehmer, auch als Buszentrale 4 oder Master bezeichnet, sendet seinen berechneten Hash-Wert im Header jedes Frames 8. Alle anderen Busteilnehmer 1 können ihre Konfigurationen damit vergleichen und im Fall von Abweichungen Maßnahmen ergreifen und z. B. aus der Kommunikation aussteigen. Hierdurch wird der Busbetrieb vor fehlkonfigurierten Busteilnehmern 1 geschützt.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in einer einfachen Implementierbarkeit des Systems:
- • Das Busprotokoll verwendet eine standardkonforme UART-Leitungskodierung mit einem Stoppbit und ohne Paritätsbit. Dadurch können für eine Implementierung handelsübliche UART-Bausteine eingesetzt werden. Ebenfalls möglich ist die Nutzung von internen Peripherie-UARTs, die selbst in preiswertesten Mikrocontrollern enthalten sind. Als Bus-Leitungstreiber werden standardkonforme EIA-485-Transceiver verwendet. Insgesamt ergibt sich der Vorteil einer portablen Implementierbarkeit von einfachen Software-Lösungen mit geringem Speicher- und Rechenanforderungen über FPGAs bis hin zu dedizierten und leistungsstarken ASICs.
- • Durch die Auswahl des EIA-485-Standards als physikalische Ebene des Datenübertragungssystems sind mit entsprechenden Leitungstreibern Datenraten von bis zu 100 Mbit/s und Busausdehnungen bis 1 km möglich. Beide Parameter stehen in Konkurrenz zueinander. Für eine bestimmte Anwendung muss ein Kompromiss gefunden werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Busteilnehmer/Sensorknoten
- 2
- Sensor
- 3
- Sensorbus
- 4
- Buszentrale (Master)
- 5
- Optionaler Systembus
- 6
- Aktor
- 7
- weiteres System
- 8
- zeitlicher Abschnitt (Frame)
- 9
- erster Frame-Unterabschnitt (sync)
- 10
- nachfolgende Frame-Unterabschnitte (Slot)
- 11
- Nutzdaten
- 12
- Frameformatdaten
- 13
- Prüfsumme
- 14
- Nutzer
- 15
- Raum
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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