DE102018202164A1

DE102018202164A1 - Teilnehmerstation für ein serielles Bussystem und Verfahren zum Senden einer Nachricht in einem seriellen Bussystem

Info

Publication number: DE102018202164A1
Application number: DE102018202164.3A
Authority: DE
Inventors: Steffen Walker
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-12-22
Filing date: 2018-02-13
Publication date: 2019-06-27
Also published as: EP3744050A1; CN111713078B; CN111713078A; WO2019122207A1

Abstract

Es ist eine Teilnehmerstation (20; 30) für ein Bussystem (1) und ein Verfahren zum Senden einer Nachricht mit unterschiedlichen Bitraten in einem Bussystem (1) bereitgestellt. Die Teilnehmerstation (20; 30) umfasst eine Sendestufe (2200) zum Senden einer Nachricht (4; 5) auf eine Busleitung (3) des Bussystems (1), wobei die Sendestufe (2200) Endstufen (225, 226, 2270, 2280) zum Schalten von differentiellen Bussignalen (CAN_EL_H; CAN_EL_H) für eine Nachricht (5) zwischen einem High-Buszustand (461) und einem Low-Buszustand (471) aufweist, und wobei die Sendestufe (2200) derart aufgebaut ist, dass für mindestens eine Phase zur Übertragung von Daten der Nachricht (5) die differentiellen Bussignale (CAN_EL_H; CAN_EL_H) für einen Low-Buszustand (471) den gleichen Pegel aufweisen und der Low-Buszustand (471) niederohmig getrieben wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Teilnehmerstation für ein serielles Bussystem und ein Verfahren zum Senden einer Nachricht in einem seriellen Bussystem, das mit hoher Datenrate und großer Fehlerrobustheit arbeitet.
Stand der Technik
Für die Kommunikation zwischen Sensoren und Steuergeräten, beispielsweise in Fahrzeugen, wird häufig ein Bussystem eingesetzt, in welchem Daten als Nachrichten im Standard ISO11898-1:2015 als CAN Protokoll-Spezifikation mit CAN FD übertragen werden. Die Nachrichten werden zwischen den Busteilnehmern des Bussystems, wie Sensor, Steuergerät, Geber, usw., übertragen.
Mit steigender Anzahl an Funktionen einer technischen Anlage bzw. eines Fahrzeugs, nimmt auch der Datenverkehr im Bussystem zu. Noch dazu ist es oft gefordert, dass die Daten schneller vom Sender zum Empfänger zu übertragen sind als bisher. Folge davon ist, dass die geforderte Bandbreite des Bussystems weiter steigen wird.
Um Daten mit höherer Bitrate übertragen zu können als bei CAN, wurde im CAN FD Nachrichten-Format eine Option zur Umschaltung auf eine höhere Bitrate innerhalb einer Nachricht geschaffen. Bei solchen Techniken wird die maximal mögliche Datenrate durch Einsatz einer höheren Taktung im Bereich der Datenfelder über einen Wert von 1 MBit/s hinaus gesteigert. Solche Nachrichten werden nachfolgend auch als CAN FD-Rahmen oder CAN FD-Nachrichten bezeichnet. Bei CAN FD ist die Nutzdatenlänge von 8 auf bis zu 64 Bytes erweitert und sind die Datenübertragungsraten deutlich höher als bei CAN.
Auch wenn ein CAN oder CAN FD basiertes Kommunikationsnetzwerk im Hinblick auf beispielsweise seine Robustheit sehr viele Vorteile bietet, hat es doch eine deutlich geringere Schnelligkeit im Vergleich zu einer Datenübertragung bei zum Beispiel 100 Base-T1 Ethernet. Außerdem ist die bisher mit CAN FD erreichte Nutzdatenlänge von bis zu 64 Bytes für einige Anwendungen zu gering.
Offenbarung der Erfindung
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Teilnehmerstation für ein serielles Bussystem und ein Verfahren zum Senden einer Nachricht in einem seriellen Bussystem bereitzustellen, welche die zuvor genannten Probleme lösen. Insbesondere sollen eine Teilnehmerstation für ein serielles Bussystem und ein Verfahren zum Senden einer Nachricht in einem seriellen Bussystem bereitgestellt werden, bei welchen bei großer Fehlerrobustheit eine hohe Datenrate und eine Steigerung der Menge der Nutzdaten pro Rahmen realisiert werden kann.
Die Aufgabe wird durch eine Teilnehmerstation für ein serielles Bussystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Teilnehmerstation umfasst eine Sendestufe zum Senden einer Nachricht auf eine Busleitung des Bussystems, wobei die Sendestufe Endstufen zum Schalten von differentiellen Bussignalen für eine Nachricht zwischen einem High-Buszustand und einem Low-Buszustand aufweist, und wobei die Sendestufe derart aufgebaut ist, dass für mindestens eine Phase zur Übertragung von Daten der Nachricht die differentiellen Bussignale für einen Low-Buszustand den gleichen Pegel aufweisen und der Low-Buszustand niederohmig getrieben wird.
Mit der Teilnehmerstation ist eine deutliche Steigerung der Bitrate und damit der Übertragungsgeschwindigkeit von Sender zu Empfänger realisierbar. Hierbei ist jedoch gleichzeitig eine große Fehlerrobustheit gewährleistet.
Aufgrund der Ausgestaltung der Teilnehmerstation werden keine Fehlerrahmen (Error-Frames) mehr benötigt. Dies trägt mit dazu bei, eine Nettodatenrate von mindestens 10 Mbps zu realisieren. Noch dazu kann die Größe der Nutzdaten bis zu 4096 Byte pro Rahmen betragen.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass mehrere Domänen per Switches bedarfsgerecht miteinander verbunden werden können. Das senkt den Verkabelungsaufwand zwischen den einzelnen Komponenten einer technischen Anlage bzw. eines Fahrzeugs. Dies ist in Bezug auf den geringeren zeitlichen Aufwand, verminderten Materialeinsatz und dadurch reduziertes Gewicht insbesondere bei einem Fahrzeug ein besonders deutlicher Pluspunkt.
Das von der Teilnehmerstation durchgeführte Verfahren kann auch zum Einsatz kommen, wenn in dem Bussystem auch mindestens eine CAN-Teilnehmerstation und/oder mindestens eine CAN FD Teilnehmerstation vorhanden ist, die Nachrichten nach dem CAN-Protokoll und/oder CAN FD Protokoll senden.
Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Teilnehmerstation sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einer speziellen Ausführungsvariante ist die Sendestufe ausgestaltet, in eine erste Betriebsart mit zwei ersten verschiedenen Buszuständen für eine Nachricht zu schalten, wenn von der Nachricht Daten einer ersten Phase zu senden sind, die mit einer ersten Bitrate zu senden sind, und wobei die Sendestufe ausgestaltet ist, in eine zweite Betriebsart mit dem High-Buszustand und dem Low-Buszustand für eine Nachricht zu schalten, wenn von der Nachricht Daten einer zweiten Phase zu senden sind, die mit einer zweiten Bitrate zu senden ist, die schneller als die erste Bitrate ist.
Gemäß einer weiteren speziellen Ausführungsvariante ist die Sendestufe ausgestaltet, nur in die zweite Betriebsart zum Senden von Daten zu schalten, wenn für die Teilnehmerstation für eine vorbestimmte Zeit ein exklusiver, kollisionsfreier Zugriff auf die Busleitung des Bussystems gewährleistet ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel hat die Sendestufe eine erste Endstufe, die zwischen einen Anschluss für eine Spannungsversorgung und eine erste Busader der Busleitung geschaltet ist, eine zweite Endstufe, die zwischen eine zweite Busader der Busleitung und einen Anschluss für Masse geschaltet ist, eine dritte Endstufe, die zwischen die erste Busader der Busleitung und eine erste Spannungsquelle als Referenz für den Low-Buszustand geschaltet ist, und eine vierte Endstufe, die zwischen eine zweite Spannungsquelle als Referenz für den Low-Buszustand und die zweite Busader der Busleitung geschaltet ist.
Denkbar ist, dass die erste und vierte Endstufe einen PMOS-Transistor aufweisen, und die zweite und dritte Endstufe einen NMOS-Transistor aufweisen.
Möglicherweise ist die Sendestufe ausgestaltet, für einen Low-Buszustand die Treiberfähigkeit der ersten und zweiten Endstufe zu reduzieren oder abzuschalten und die dritte und vierte Endstufe leitfähig zu schalten.
Es ist möglich, dass die Nachricht ein Datenfeld mit einer variablen Länge aufweist, wobei die variable Länge zwischen 1 Byte bis 4096 Bytes beträgt.
Die zuvor beschriebene Teilnehmerstation kann Teil eines Bussystems sein, das zudem eine parallele Busleitung und mindestens zwei Teilnehmerstationen umfasst, welche über die Busleitung derart miteinander verbunden sind, dass sie miteinander kommunizieren können. Hierbei ist mindestens eine der mindestens zwei Teilnehmerstationen eine zuvor beschriebene Teilnehmerstation.
Die zuvor genannte Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren zum Senden einer Nachricht in einem seriellen Bussystem nach Anspruch 9 gelöst. Das Verfahren hat den Schritt: Senden, mit einer Sendestufe einer Teilnehmerstation des Bussystems, einer Nachricht auf eine Busleitung des Bussystems, wobei die Sendestufe mit Endstufen differentielle Bussignale für eine Nachricht zwischen einem High-Buszustand und einem Low-Buszustand schaltet, und wobei die Sendestufe derart aufgebaut ist, dass für mindestens eine Phase zur Übertragung von Daten der Nachricht die differentiellen Bussignale für einen Low-Buszustand den gleichen Pegel aufweisen und den Low-Buszustand niederohmig treibt.
Das Verfahren bietet dieselben Vorteile, wie sie zuvor in Bezug auf die Teilnehmerstation genannt sind.
Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
Figurenliste
Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung und anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:

1 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Bussystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 ein Schaubild zur Veranschaulichung des Aufbaus von Nachrichten, die von Teilnehmerstationen des Bussystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel gesendet werden können;
3 ein Schaltbild einer Sendestufe einer Teilnehmerstation des Bussystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
4 eine Darstellung eines Beispiels für einen zeitlichen Spannungsverlauf von differenziellen Bussignalen CAN_H und CAN_L, die von der Sendestufe gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel für einen Teil einer Nachricht generiert werden;
5 eine Darstellung eines Beispiels für einen zeitlichen Spannungsverlauf von Bussignalen nach einer Umschaltung der Sendestufe gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in eine schnellere Datenübertragungsbetriebsart als bei 4;
6 eine Darstellung eines Beispiels für einen zeitlichen Spannungsverlauf der Bussignale CAN_H und CAN_L für einen Teil einer Nachricht bei einem zweiten Ausführungsbeispiel;
7 ein Schaltbild einer Sendestufe einer Teilnehmerstation des Bussystems gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel;
8 und 9 jeweils eine Darstellung eines Beispiels für einen zeitlichen Spannungsverlauf von differentiellen Bussignalen für verschiedene Teile einer Nachricht bei einem dritten Ausführungsbeispiel;
10 ein Schaltbild einer Sendestufe einer Teilnehmerstation eines Bussystems gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
11 und 12 jeweils eine Darstellung eines Beispiels für einen zeitlichen Spannungsverlauf von differentiellen Bussignalen für verschiedene Teile einer Nachricht bei einem vierten Ausführungsbeispiel;
13 ein Schaltbild einer Ankopplung der Sendestufe einer Teilnehmerstation an Busadern eines Bussystems gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel; und
14 ein Schaltbild einer Ankopplung der Sendestufe einer Teilnehmerstation an Busadern eines Bussystems gemäß einer Modifikation des fünften Ausführungsbeispiels.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente, sofern nichts anderes angegeben ist, mit denselben Bezugszeichen versehen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt als Beispiel ein Bussystem 1, das insbesondere grundlegend für ein CAN-Bussystem, ein CAN FD-Bussystem, ein CAN EL-Bussystem, und/oder Abwandlungen davon, ausgestaltet ist, wie nachfolgend beschrieben. Das Bussystem 1 kann in einem Fahrzeug, insbesondere einem Kraftfahrzeug, einem Flugzeug, usw., oder im Krankenhaus usw. Verwendung finden.
In 1 hat das Bussystem 1 eine, insbesondere parallele, Busleitung 3, an die eine Vielzahl von Teilnehmerstationen 10, 20, 30 angeschlossen sind. Über die Busleitung 3 sind Nachrichten 4, 5 in der Form von Signalen zwischen den einzelnen Teilnehmerstationen 10, 20, 30 seriell übertragbar. Die Teilnehmerstationen 10, 20, 30 sind beispielsweise Steuergeräte, Sensoren, Anzeigevorrichtungen, usw. eines Kraftfahrzeugs.
Wie in 1 gezeigt, hat die Teilnehmerstation 10 eine Kommunikationssteuereinrichtung 11 und eine Sende-/Empfangseinrichtung 12. Die Teilnehmerstation 20 hat dagegen eine Kommunikationssteuereinrichtung 21 und eine Sende-/Empfangseinrichtung 22. Die Teilnehmerstation 30 hat eine Kommunikationssteuereinrichtung 31 und eine Sende-/Empfangseinrichtung 32. Die Sende-/Empfangseinrichtungen 12, 22, 32 der Teilnehmerstationen 10, 20, 30 sind jeweils direkt an die Busleitung 3 angeschlossen, auch wenn dies in 1 nicht veranschaulicht ist.
Die Kommunikationssteuereinrichtungen 11, 21, 31 dienen jeweils zur Steuerung einer Kommunikation der jeweiligen Teilnehmerstation 10, 20, 30 über die Busleitung 3 mit einer anderen Teilnehmerstation der Teilnehmerstationen 10, 20, 30, die an die Busleitung 3 angeschlossen sind.
Die Kommunikationssteuereinrichtung 11 kann wie ein herkömmlicher CAN-Controller ausgeführt sein. Die Kommunikationssteuereinrichtung 11 erstellt und liest erste Nachrichten 4, beispielsweise Classic CAN-Nachrichten 4. Die Classic CAN-Nachrichten 4 sind gemäß dem Classic Basisformat aufgebaut, bei welchem in der Nachricht 4 eine Anzahl von bis zu 8 Datenbytes umfasst sein können. Alternativ ist die Classic CAN-Nachricht 4 als CAN FD Nachricht aufgebaut, bei welcher eine Anzahl von bis zu 64 Datenbytes umfasst sein können, die noch dazu mit einer deutlich schnelleren Datenrate als bei der Classic CAN-Nachricht 4 übertragen werden. Im letzteren Fall ist die Kommunikationssteuereinrichtung 11 wie ein herkömmlicher CAN FD-Controller ausgeführt.
Die Kommunikationssteuereinrichtung 21 erstellt und liest zweite Nachrichten 5, die beispielsweise modifizierte CAN Nachrichten 5 sind. Hierbei sind die modifizierten CAN Nachrichten 5 auf der Grundlage eines CAN EL-Formats aufgebaut, das in Bezug auf 2 detaillierter beschrieben ist.
Die Kommunikationssteuereinrichtung 31 kann ausgeführt sein, um je nach Bedarf eine Classic CAN-Nachricht 4 oder eine CAN EL-Nachricht 5 für die Sende-/Empfangseinrichtung 32 bereitzustellen oder von dieser zu empfangen. Die Kommunikationssteuereinrichtung 21 erstellt und liest also eine erste Nachricht 4 oder zweite Nachricht 5, wobei sich die erste und zweite Nachricht 4, 5 durch ihren Datenübertragungsstandard unterscheiden, nämlich in diesem Fall CAN oder CAN EL. Alternativ ist die Classic CAN-Nachricht 4 als CAN FD Nachricht aufgebaut. Im letzteren Fall ist die Kommunikationssteuereinrichtung 11 wie ein herkömmlicher CAN FD-Controller ausgeführt.
Die Sende-/Empfangseinrichtung 12 kann wie ein herkömmlicher CAN Transceiver oder CAN FD Transceiver ausgeführt sein. Die Sende-/Empfangseinrichtung 22 kann bis auf die nachfolgend noch genauer beschriebenen Unterschiede als CAN EL-Transceiver ausgeführt sein. Die Sende-/Empfangseinrichtung 32 kann ausgeführt sein, um je nach Bedarf Nachrichten 4 gemäß dem derzeitigen CAN-Basisformat oder Nachrichten 5 gemäß dem CAN EL-Format für die Kommunikationssteuereinrichtung 31 bereitzustellen oder von dieser zu empfangen. Die Sende-/Empfangseinrichtungen 22, 32 sind zusätzlich oder alternativ wie ein herkömmlicher CAN FD Transceiver ausführbar.
Mit den beiden Teilnehmerstationen 20, 30 kann eine Bildung und dann Übertragung von Nachrichten 5 mit dem CAN EL Format sowie der Empfang solcher Nachrichten 5 realisiert werden.
2 zeigt für die Nachricht 5 einen CAN EL Rahmen 45, wie er von der Sende-/Empfangseinrichtung 22 oder der Sende-/Empfangseinrichtung 32 gesendet wird. Der CAN-EL-Rahmen 45 ist für die CAN-Kommunikation auf der Busleitung 3 in unterschiedliche Felder unterteilt, nämlich ein Startfeld 451, ein Arbitrationsfeld 452, ein Steuerfeld 453, ein Datenfeld 454, ein Prüfsummenfeld 455 und ein Endefeld 456.
Das Startfeld 451 hat beispielsweise ein Bit, das auch SOF-Bit genannt wird und den Beginn des Rahmens bzw. Start of Frame anzeigt. In dem Arbitrationsfeld 452 ist ein Identifizierer mit insbesondere 32 Bit zur Identifikation des Senders der Nachricht enthalten. In dem Steuerfeld 453 ist ein insbesondere 13 Bit langer Datenlängecode (Data-Length-Code) enthalten, der Werte bis zu 4096 mit der Schrittweite von 1 haben kann. In dem Datenfeld 454 sind die Nutzdaten des CAN-EL-Rahmens bzw. der Nachricht 5 enthalten. Die Nutzdaten können entsprechend des Werts des Datenlängecodes bis zu 4096 Bytes aufweisen. In dem Prüfsummenfeld 455 ist eine Prüfsumme über die Daten in dem Datenfeld 454 einschließlich der Stuffbits enthalten, die vom Sender der Nachricht 5 nach jeweils 10 gleichen Bits als inverses Bit eingefügt werden. In dem Endefeld 456 ist mindestens ein Acknowledge-Bit enthalten und außerdem eine Folge von 11 gleichen Bits, welche das Ende des CAN EL Rahmens 45 anzeigen. Mit dem mindestens einen Acknowledge-Bit wird mitgeteilt, ob ein Empfänger in dem empfangenen CAN EL Rahmen 45 bzw. der Nachricht 5 einen Fehler entdeckt hat oder nicht.
In den Phasen zum Senden des Arbitrationsfelds 452 und des Endefelds 456 wird ein Physical Layer wie bei CAN und CAN-FD verwendet. Ein wichtiger Punkt während dieser Phasen ist, dass das bekannte CSMA/CR-Verfahren Verwendung findet, welches gleichzeitigen Zugriff der Teilnehmerstationen 10, 20, 30 auf die Busleitung 3 erlaubt, ohne dass die höher priorisierte Nachricht 4, 5 zerstört wird. Dadurch können dem Bussystem 1 relativ einfach weitere Bus-Teilnehmerstationen 10, 20, 30 hinzugefügt werden, was sehr vorteilhaft ist.
Das CSMA/CR-Verfahren hat zur Folge, dass es sogenannte rezessive Zustände auf der Busleitung 3 geben muss, welche von anderen Teilnehmerstationen 10, 20, 30 mit dominanten Zuständen auf der Busleitung 3 „überfahren“ werden können. Im rezessiven Zustand herrschen an der einzelnen Teilnehmerstation 10, 20, 30 hochohmige Verhältnisse, was in Kombination mit den Parasiten der Busbeschaltung längere Zeitkonstanten zur Folge hat. Dies führt zu einer Begrenzung der maximalen Bitrate des heutigen CAN-FD-Physical-Layer auf derzeit 2Mbps im realen Fahrzeug-Einsatz.
Das Steuerfeld 453 und das Datenfeld 454 werden von einem Sender der Nachricht 5 erst auf die Busleitung 3 gesendet, wenn die Teilnehmerstation 20 als der Sender die Arbitration gewonnen hat und die Teilnehmerstation 20 als Sender damit zum Senden der Felder 453 bis 456 einen exklusiven Zugriff auf die Busleitung 3 des Bussystems 1 hat. Bei der Arbitration wird mit Hilfe des Identifizierers in dem Arbitrationsfeld 452 bitweise zwischen den Teilnehmerstationen 10, 20, 30 ausgehandelt, welche Teilnehmerstation 10, 20, 30 die Nachricht 4, 5 mit der höchsten Priorität senden möchte und daher für die nächste Zeit zum Senden der Felder 453 bis 455 den exklusiven Zugriff auf die Busleitung 3 des Bussystems 1 bekommt.
Die Arbitration am Anfang eines Rahmens 45 bzw. der Nachricht 4, 5 und das Acknowledgement in dem Endefeld 456 am Ende des Rahmens 45 bzw. der Nachricht 4, 5 ist nur dann möglich, wenn die Bitzeit deutlich mehr als doppelt so lang ist wie die Signal-Laufzeit zwischen zwei beliebigen Teilnehmerstationen 10, 20, 30 des Bussystems 1. Daher wird die Bitrate in der Arbitrationphase bei Übertragung der Felder 451, 452, 456 langsamer gewählt als in den übrigen Feldern des Rahmens 45.
3 zeigt die Ausgestaltung einer Sendestufe 220 der Sende-/Empfangseinrichtung 22 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. Die Empfangsstufe ist in 3 nicht gezeigt, kann jedoch ausgeführt sein wie eine herkömmliche Empfangsstufe für CAN oder CAN FD-Nachrichten.
In 3 ist die Sendestufe 220 an ihren Anschlüssen 221, 222 an die parallele Busleitung 3, genauer gesagt deren erste Busader 41 für CAN_H und deren zweite Busader 42 für CAN_L angeschlossen. Für die Spannungsversorgung für die erste und zweite Busader 41, 42 ist bei der Sende-/Empfangseinrichtung 12 ein Anschluss 223 vorgesehen. Die Spannungsversorgung kann insbesondere mit einer Spannung Vcc bzw. CAN-Supply von beispielsweise etwa 2,5 V gemäß dem Standard ISO11898-1:2015 als CAN Protokoll-Spezifikation mit CAN FD erfolgen. Selbstverständlich sind jedoch andere Spannungswerte als Spannung Vcc wählbar. Die Verbindung der Sende-/Empfangseinrichtung 22 mit Masse bzw. CAN_GND ist über einen Anschluss 224 realisiert. Zur Terminierung der ersten und zweiten Busader 41, 42 ist bei dem gezeigten Beispiel ein Abschlusswiderstand oder externer Buslastwiderstand 43 vorgesehen.
Gemäß 3 hat die Sendestufe 220 eine erste Endstufe 225 für das Signal CAN_H für die erste Busader 41 und eine zweite Endstufe 226 für das Signal CAN_L für die zweite Busader 42. Außerdem hat die Sendestufe 220 eine dritte Endstufe 227 für die erste Busader 41 und eine vierte Endstufe 228 für die zweite Busader 42. Die erste und vierte Endstufe 225 und 228 haben jeweils eine Diode und einen PMOS-Transistor (PMOS = p-leitender bzw. p-Kanal Metall-Oxid-Halbleiter). Die zweite und dritte Endstufe 226 und 227 haben jeweils eine Diode und einen NMOS-Transistor (NMOS = n-leitender bzw. n-Kanal Metall-Oxid-Halbleiter). Die Endstufen 225 bis 228 können wie die entsprechenden Endstufen für eine herkömmliche Endstufe von CAN ausgestaltet sein. Die Transistoren der Endstufen 225 bis 228 sind an ihren Gates jeweils direkt oder über einen Schalter 229 an einen Anschluss 211 anschließbar. Von dem Anschluss 211 wird ein Sendesignal TxD der Kommunikationssteuereinrichtung 11 in die Sendestufe 220 eingegeben. Die beiden Schalter 229 bilden eine Schalteinrichtung. Die beiden Schalter 229 sind insbesondere gemeinsam schaltbar.
In der Phase zum Senden des Startfelds 451, des Arbitrationsfelds 452 und des Endefelds 456 aktiviert die Sende-/Empfangseinrichtung 22 in der Sendestufe 220 zum Treiben eines dominanten Buszustands nur die erste Endstufe 225 für das Signal CAN_H für die erste Busader 41 und die zweite Endstufe 226 für das Signal CAN_L für die zweite Busader 42. Dagegen bleiben die dritte und vierte Endstufe 227 und 228 inaktiv, und zwar nicht nur für einen rezessiven Buszustand sondern auch wenn die Sendestufe 220 einen dominanten Buszustand treiben muss. Dies kann beispielsweise durch Schalten der Schalter 229 in die geöffnete Stellung erfolgen, die in 4 gezeigt ist oder nur über ein entsprechendes Signal am Anschluss 211, wenn die Transistoren der Endstufen 225 bis 228 an ihren Gates jeweils direkt an den Anschluss 211 angeschlossen sind. Soll die Sendestufe 220 einen rezessiven Buszustand treiben, sind alle Endstufen 225, 226, 227, 228 gesperrt bzw. inaktiv. In Folge dessen stellen sich Signale CAN_H, CAN_L ein, die in 4 gezeigt und nachfolgend noch genauer beschrieben sind.
In der Phase zum Senden des Steuerfelds 453, des Datenfelds 454 und des Prüfsummenfelds 455 aktiviert die Sende-/Empfangseinrichtung 22 in der Sendestufe 220 dagegen sowohl die erste und dritte Endstufe 225, 227 für ein Signal 411 auf der ersten Busader 41 als auch die zweite und vierte Endstufe 226, 228 für ein Signal 421 auf der zweiten Busader 42, wie nachfolgend genauer beschrieben. Somit sind in dieser Phase des Sendens alle Endstufen 225 bis 228 aktiv, wie nachfolgend genauer beschrieben. Dies kann beispielsweise durch Schalten der Schalter 229 in die geschlossene Stellung erfolgen, bei welcher der Anschluss 211 für das Sendesignal TxD der Kommunikationssteuereinrichtung 11 an das Gate des jeweiligen Transistors der Endstufen 227, 228 angeschlossen ist. Alternativ ist das Schalten der Signalzustände 411, 421 auch nur über ein entsprechendes Signal am Anschluss 211 möglich, wie zuvor erwähnt. In Folge dessen stellen sich Signale 411, 421 ein, wie in 5 gezeigt und nachfolgend noch genauer beschrieben.
Bei dem in 4 gezeigten Zustand der Sendestufe 220 können die Buspegel für CAN_H, CAN_L mit einem Buslastwiderstand 43 von etwa 60 Ohm erzeugt werden. Dagegen können die Buspegel bei dem Zustand der Sendestufe 220, bei welchem die Schalter 229 in 3 geschlossen sind, mit einem Buslastwiderstand 43 von etwa 90 Ohm erzeugt werden. Die Umschaltung des Buslastwiderstands 43 kann insbesondere durch einen entsprechenden optionalen Widerstand 230 der Sendestufe 220 erfolgen, der parallel zu dem Buslastwiderstand 43 schaltbar ist. Dadurch ist eine Veränderung des Widerstandswerts des effektiven Buslastwiderstands 43 bzw. 43, 230 von einem ersten bzw. kleineren Widerstandswert in der Arbitrationsphase, welche die Felder 456, 451, 452 umfasst, auf einen zweiten bzw. größeren Widerstandswert in der Datenphase bewirkbar, welche die Felder 453 bis 455 umfasst. Ist der Widerstand 230 nicht vorhanden, kann der Buslastwiderstand 43 für die Arbitrationsphase und die Datenphase jeweils gleich bleiben. Insbesondere ist der Buslastwiderstand 43 dann als ein Wert zwischen 60 und 90 Ohm, beispielsweise 70 Ohm oder ein anderer geeigneter Wert, wählbar.
Gemäß 4 werden mit der Sendestufe 220 nur die dominanten Zustände der differentiellen Signale CAN_H, CAN_L unterschiedlich getrieben. Dagegen sind die Buspegel auf der Busleitung 3 für die rezessiven Zustände gleich der Spannung Vcc bzw. CAN-Supply von beispielsweise etwa 2,5 V. Somit ergibt sich für eine Spannung VDIFF = CAN_H - CAN_L für die rezessiven Zustände ein Wert von 0V und für die dominanten Zustände ein Wert von ca. 2,0 V, wie aus 4 ablesbar.
Erkennt die Sende-/Empfangseinrichtung 22 das Ende der Arbitrationsphase, so wird die Sendestufe 220 von dem in 4 gezeigten Zustand in den Zustand umgeschaltet, in welchem sich die Signalverläufe von 5 für die jeweils von der Sendestufe 220 erzeugten Buspegel ergeben.
Gemäß 5 werden in der schnelleren Datenphase, welche die Felder 453 bis 455 umfasst, für Signale 411, 421 nach der Umschaltung von dem Zustand von 4 ein Leerlaufzustand idle_LP direkt nach der Umschaltung erreicht, bei welchem sich bei dem speziellen Beispiel von 5 ein Buspegel von etwa 0 V einstellt. In der Regel sollte der Zustand eines Buspegels von etwa 0V nach der Umschaltung nicht auftreten. Danach wird ein Leerlaufzustand idle erreicht, bei welchem sich bei dem speziellen Beispiel von 5 ein Buspegel von etwa 2,5 V einstellt, bevor Buszustände entsprechend den Datenzuständen Data_0 und Data_1 erreicht werden. Hierbei wird das Signal 411 für den Buszustand entsprechend dem Datenzustand Data_0 über den NMOS-Transistor der dritten Endstufe 227 auf etwa 1,5 V gezogen. Dagegen wird das Signal 421 für den Buszustand entsprechend dem Datenzustand Data_0 über den PMOS-Transistor der vierten Endstufe 228 auf etwa 3,5 V gezogen. Data_1 wird erreicht, indem das Signal 411 über den PMOS-Transistor der ersten Endstufe 225 auf etwa 3,5 V gezogen und das Signal 421 über den NMOS-Transistor der zweiten Endstufe 226 auf etwa 1,5 V gezogen wird. Bei den beschriebenen Zuständen sind auf der Busleitung 3 bei dem Zustand Data_0 Buspegel zwischen etwa -0,6 V und etwa - 2 V und bei dem Zustand Data_1 Buspegel zwischen etwa 0,6 V und etwa 2 V vorhanden. Bei den Zuständen Data_0 und Data_1 hat eine Differenzspannung U_D der Signale 421, 411 also in der Regel eine maximale Amplitude von etwa 1,4 V.
Mit anderen Worten erzeugt die Sendestufe 220 in einer ersten Betriebsart gemäß 4 einen ersten Datenzustand, beispielsweise Data_1, als Buszustand mit unterschiedlichen Buspegeln für zwei Busadern 41, 42 der Busleitung und einen zweiten Datenzustand, beispielsweise Data_0, als Buszustand mit demselben Buspegel für die zwei Busadern 41, 42 der Busleitung 3.
Außerdem schaltet die Sendestufe 220 für die zeitlichen Verläufe der Signale 411, 421 gemäß 5 in einer zweiten Betriebsart, welche die Datenphase umfasst, sowohl die erste und zweite Endstufe 225, 226 leitfähig und sperrt die Endstufen 227, 228, wenn ein erster Datenzustand, beispielsweise der Zustand Data_1, auf die Busleitung 3 getrieben werden soll. Dagegen schaltet die Sendestufe 220 die dritte und vierte Endstufe 227 und 228 leitfähig und sperrt die Endstufen 225, 226, wenn ein zweiter Datenzustand, beispielsweise der Zustand Data_0, auf die Busleitung 3 getrieben werden soll. Somit ist die Sendestufe 220 in der zweiten Betriebsart ausgestaltet, den ersten und zweiten Datenzustand jeweils als Buszustand mit unterschiedlichen Buspegeln für die zwei Busadern 41, 42 der Busleitung 3 zu erzeugen
Durch die beschriebene Umschaltung der Sendestufe 220 können in der Datenphase weit höhere Datenraten als mit CAN oder CAN-FD erreicht werden. Zudem kann die Datenlänge in dem Datenfeld 454 auf bis zu 4096 Byte erhöht werden. Dadurch können die Vorteile von CAN in Bezug auf die Arbitrierung beibehalten und dennoch eine größere Anzahl von Daten in kürzerer Zeit als bisher effektiv übertragen werden, das heißt ohne dass eine Wiederholung der Daten aufgrund eines Fehlers notwendig wäre, wie nachfolgend erläutert.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Fehlerrahmen in dem Bussystem 1 bei der Übertragung von Nachrichten 5 nicht benötigt werden. Dadurch werden Nachrichten 5 nicht mehr zerstört, was eine Ursache für die Notwendigkeit einer Doppelübertragung von Nachrichten beseitigt. Dadurch steigt die Nettodatenrate.
Noch dazu ist es mit der Sendestufe 220 möglich, mehrere Domänen bzw. Teilbussysteme 1 per hier nicht näher beschriebenen Switches bedarfsgerecht miteinander zu verbinden. Damit kann die Vernetzung in einer technischen Anlage, beispielsweise in einem Fahrzeug deutlich erweitert werden.
6 zeigt Spannungsverläufe von Bussignalen 412, 422 und 413, 423 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Die Spannungsverläufe der Bussignale 412, 422 und 413, 423, ergeben sich, wenn die Schalter 229 der Sendestufe 220 von 3 entfallen oder im geschlossenen Zustand gehalten werden, so dass auch die Transistoren der Endstufen 227, 228 direkt mit den Anschlüssen 211 verbunden sind.
7 zeigt die daraus resultierende Sendestufe 220A des zweiten Ausführungsbeispiels.
Somit wird gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel für den gesamten Rahmen 45 von 2 ein Physical Layer verwendet, welcher die genannte Arbitrationsphase für die Felder 451, 452 und 456 sowie eine lange und schnelle Datenphase für die Felder 453, 454, 455 erlaubt. Der Vorteil der Schaltung der Sendestufe 220A in eine derartige Betriebsart ist, dass die Sendestufe 220A komplett symmetrisch aufgebaut ist und auch in allen Kommunikationsphasen symmetrisch arbeitet. Es wird also der Wert des Buslastwiderstands 43 nicht umgeschaltet, wie zuvor in Bezug auf 3 und 4 beschrieben.
In 6 sind die resultierenden Bussignale in allen vier möglichen Buszuständen DF1, DF2, A1, A2 bei einer derartigen Sendestufe 220A gezeigt. Die Differenzspannung U_D2 der Buszustände DF1, DF2 hat eine größere Amplitude als die Differenzspannung U_D3 der Buszustände A1, A2. Hierbei hat die Amplitude der Differenzspannung U_D2 einen Wert, der n mal größer ist als ein Wert der Amplitude der Differenzspannung U_D3, wobei n eine beliebig wählbare natürliche Zahl ist. Jedoch berechnet sich die Obergrenze für die Anzahl von Teilnehmerstationen 10, 20, 30 in dem Bussystem 1 als n - 1. Die Amplitude der Differenzspannung U_D3 kann daher auch als Amplitudengrundeinheit bezeichnet werden.
Mit den beiden Buszuständen DF1 und DF2 wird nach abgeschlossener Arbitration in der Datenphase, also in den Feldern 453 bis 455, kommuniziert. Dies ist ähnlich zu der Vorgehensweise, wie zuvor in Bezug auf 5 beschrieben. Der Buszustand DF1 hat eine positive Differenzspannung Vdiff = U_D2 (V_Plus - V_Minus) zur Folge. Der Buszustand DF2 hat eine negative Differenzspannung Vdiff = -U_D2 zur Folge. Der Buszustand A1 hat eine positive Differenzspannung Vdiff = U_D3 (V_Plus - V_Minus) zur Folge. Der Buszustand A2 hat eine negative Differenzspannung Vdiff = -U_D3 zur Folge.
Die Buszustände A1 und A2 sind eingeführt, um eine Arbitration zu erlauben. Die Buszustände A1, A2 gleichen qualitativ den Buszuständen DF1 und DF2, werden von der Sendestufe 220A jedoch schwächer als die Buszustände DF1, DF2 getrieben, wie in 7 veranschaulicht. Daher können die Buszustände A1, A2 von anderen Teilnehmerstationen 10, 30 zu Arbitrationszwecken überschrieben werden.
Während einer Arbitrationsphase sind die Teilnehmerstationen 10, 20, 30, insbesondere die Sendestufe 220A ausgestaltet, eine Differenzspannung Vdiff mit einer Amplitudengrundeinheit, also U_D3 = 1 Einheit, auf die Busleitung 3 zu senden und zu prüfen, welche Differenzspannung Vdiff auf der Busleitung 3 vorliegt. Liegt eine Differenzspannung Vdiff > 1 Einheit bzw. Amplitudengrundeinheit vor, zieht sich die betroffene Teilnehmerstation 10, 20, 30 zurück und ist daher Verlierer der Arbitration.
Somit schaltet die Sendestufe 220A bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in einer ersten Betriebsart zwischen den zwei ersten verschiedenen Buszuständen A1, A2 für die Nachricht, wenn von der Nachricht 5 Daten der Arbitrationsphase oder ersten Phase 456, 451, 452 zu senden sind. Außerdem schaltet die Sendestufe 220A in eine zweite Betriebsart mit den zwei zweiten verschiedenen Buszuständen DF1, DF2 für die Nachricht 5, wenn von der Nachricht 5 Daten der Datenphase oder zweiten Phase 453, 454, 455 zu senden sind. Die Sendestufe 220A schaltet also zwischen mehr als zwei verschiedenen Buszuständen DF1, DF2, A1, A2, um die Nachricht 5 bzw. den Rahmen 45 zu senden. Hierbei sind jeweils die zwei Buszustände DF1, DF2 symmetrisch zueinander. Außerdem sind die zwei Buszustände A1, A2 symmetrisch zueinander. Selbstverständlich sind noch mehr als die genannten vier Buszustände möglich.
Dadurch sind bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sowohl in der Arbitrations- als auch in der Datenphase immer alle Komponenten der Sendestufe 220A aktiv und beteiligt, was zu maximaler Symmetrie führt. Infolgedessen ergeben sich Vorteile bei den Bit-Timings bzw. dem Zeitverhalten der Bits der Nachricht 5 und elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV).
Außerdem können mit der Ausgestaltung der Sendestufe 220A bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die gleichen Vorteile erzielt werden, wie zuvor in Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel beschrieben.
Gemäß einer Modifikation des zweiten Ausführungsbeispiels wird bei der Arbitration anstelle der Buszustände A1 mit A2 eine der folgenden Kombinationen von Buszuständen verwendet:

- Buszustand DF1 mit Buszustand A2
- Buszustand DF2 mit Buszustand A1

Gemäß einer weiteren Modifikation des zweiten Ausführungsbeispiels werden bei einer weiteren Ausführung alle vier Buszustände DF1, DF2, A1, A2 zumindest zum Senden des Datenfelds 454 genutzt. Zudem ist eine Nutzung der vier Buszustände DF1, DF2, A1, A2 in den Feldern 453, 455 möglich. Durch Codierung kann somit die Bitrate erhöht werden.
Gemäß noch einer weiteren Modifikation des zweiten Ausführungsbeispiels wird die Frequenz der Signale 412, 422, 413, 423 reduziert. Dadurch ist eine Verbesserung in dem EMV-Verhalten erreichbar. Durch die zuvor beschriebene Codierung in mehr als zwei Buszustände kann die Bitrate trotz geringerer Frequenz konstant gehalten werden.
Ansonsten gilt das Gleiche, wie zuvor im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
8 und 9 zeigen Spannungsverläufe von Bussignalen CAN_H, CAN_L zur Erläuterung des Verhaltens eines Bussystems 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
8 zeigt die bekannten Spannungsverläufe der Bussignale CAN_H und CAN_L, die zum Senden einer Nachricht 5 bzw. eines Rahmens 45 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel für die Arbitrationsphase 456, 451, 452 des Rahmens 45 verwendet werden. Die Spannungsverläufe der Bussignale CAN_H und CAN_L zeigen bei einem Übergang von einem dominanten Zustand 46 zu einem rezessiven Zustand 47 einen deutlich langsameren Zustandswechsel als bei einem Übergang von dem rezessiven Zustand 47 zu dem dominanten Zustand 46.
Im Unterschied dazu werden jedoch bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel für die Datenphase 453, 454, 455 des Rahmens 45 Signale CAN_EL_H und CAN_EL_L gemäß 9 erzeugt, die einen High-Zustand 461 und einen Low-Zustand 471 aufweisen. Die Signale gemäß 9 werden mit einem Physical-Layer erzeugt, bei welchem die High-Zustände 461 einem dominanten Zustand 46 von CAN bzw. CAN FD gleichen, wie er in 8 gezeigt ist und Spannungswerte für CAN_H = 3,5 V und CAN_L = 1,5 V hat. Zudem werden bei dem Physical-Layer gemäß 9 Low-Zustände 471 erzeugt, welche von ihrem Pegel her einem rezessiven Zustand 47 von CAN bzw. CAN FD gleichen, wie er in 8 gezeigt ist und Werte für CAN_H = CAN_L = 2,5 V hat.
Wie in 9 gezeigt, findet der Übergang von dem High-Zustand 461 zu dem Low-Zustand 471 in etwa genauso schnell statt wie der Übergang von dem Low-Zustand 471 zu dem High-Zustand 461.
Dies wird erreicht, indem die Low-Zustände 471 niederohmig getrieben werden. („niederohmiges Rezessiv“). Dadurch wird der langsamere Übergang von dem dominanten Zustand 46 zu dem rezessiven Zustand 47, wie er in 8 gezeigt ist, bei den Signalen von 9 beschleunigt. In der Folge können für die Datenphase 453, 454, 455 des Rahmens 45 Bitraten deutlich über 2Mbps erreicht werden.
Daher wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mit der Sende-/Empfangseinrichtung 22 und/oder der Sende-/Empfangseinrichtung 32, wenn das Ende der Arbitrationsphase erkannt wird, vom CAN-Physical-Layer in ein anderes Physical-Layer umgeschaltet. Da auf Fehlerrahmen bzw. Error-Frames verzichtet werden kann, muss in der Datenphase keine andere Teilnehmerstation 10, 20, 30 die aktuell sendende Teilnehmerstation 10, 20, 30 überfahren können. Folglich werden in der Datenphase keine rezessiven (hochohmigen) Buszustände benötigt.
Der Physical Layer für die Signalverläufe gemäß 9 kann beispielsweise mit einer Sendestufe 2200 gemäß 10 erzielt werden.
Wie in 10 gezeigt, hat die Sendestufe 2200 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel somit im Unterschied zu der Sendestufe 220 von 3 eine dritte Endstufe 2270, die mit einer Spannungsquelle 232 verbunden ist und eine vierte Endstufe 2280, die mit einer Spannungsquelle 233 verbunden ist. Die dritte Endstufe 2270 hat einen NMOS-Transistor und eine Diode. Die vierte Endstufe 2280 hat einen PMOS-Transistor und eine Diode. Die Transistoren der ersten und zweiten Endstufe 225, 226 werden über eine Treiberschaltung 230 mit dem Sendesignal TxD angesteuert. Die Transistoren der dritten und vierten Endstufe 225, 226 werden über eine Treiberschaltung 231 mit dem Sendesignal TxD angesteuert.
In der Datenphase des Rahmens 45, also bei hoher Bitrate, wird ein High-Zustand 461 abgebildet, indem die über die Treiberschaltung 230 angesteuerten Endstufen 225, 226 leitfähig werden oder aktiv geschaltet werden und die über die Treiberschaltung 231 angesteuerten Endstufen 227, 228 und Spannungsquellen 232, 233 hochohmig bzw. abgeschaltet sind. Um einen Low-Zustand 471 zu treiben (niederohmig getriebenes Rezessiv), wird für die über die Treiberschaltung 230 angesteuerten Endstufen 225, 226 die Treiberfähigkeit, insbesondere stark, reduziert und die über die Treiberschaltung 231 angesteuerten Endstufen 227, 228 und Spannungsquellen 232, 233 werden leitfähig. Die Reduktion der Treiberfähigkeit umfasst auch den Fall, dass die Endstufen 225, 226 abgeschaltet werden, was die stärkste Reduktion der Treiberfähigkeit bedeutet. Somit zieht der NMOS-Transistor der dritten Endstufe 2270 den Anschluss 221 für CAN-EL_H auf 2,5V und der PMOS-Transistor der vierten Endstufe 2280 hebt den Anschluss 221 für CAN-EL_L auf 2,5 V, wodurch ein Low-Buszustand 471 entsteht.
Die Schaltung von 10 ist vor allem in Junction-Isolated-Halbleiter-Technologien sinnvoll.
Dadurch wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in der Datenphase eine sehr gute Symmetrie der Bussignale erreicht. Infolgedessen ergeben sich Vorteile bei den Bit-Timings bzw. dem Zeitverhalten der Bits der Nachricht 5 und elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV).
Außerdem können mit der Ausgestaltung der Sendestufe 2200 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die gleichen Vorteile erzielt werden, wie zuvor in Bezug auf das erste und zweite Ausführungsbeispiel beschrieben.
Das zuvor genannte Prinzip des niederohmigen Treibens des Low-Zustands 471 (niederohmig getriebenes Rezessiv) ist alternativ für alle anderen seriellen Bussysteme einsetzbar, bei welchen Rezessiv-Zustände vorhanden sind.
Ansonsten gilt das Gleiche, wie zuvor im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
11 und 12 zeigen Spannungsverläufe von Bussignalen CAN_EL_H1, CAN_EL_L1 und CAN_EL_H2, CAN_EL_L2 zur Erläuterung des Verhaltens eines Bussystems 1 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
Die Spannungsverläufe der Bussignale CAN_EL_H1, CAN_EL_L1 von 11 sind gleich den Spannungsverläufen der Bussignale CAN_EL_H, CAN_EL_L von 9. Der Unterschied besteht jedoch darin, dass die Sendestufe 2200 von 10 die Spannungsverläufe der Bussignale CAN_EL_H1, CAN_EL_L1 von 11 in der Arbitrationsphase des Rahmens 45 erzeugt. Alternativ sind jedoch die Spannungsverläufe der Bussignale CAN_H, CAN_L von 8 in der Arbitrationsphase des Rahmens 45 verwendbar.
Dagegen schaltet die Sendestufe 2200 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, wenn das Ende der Arbitrationsphase erkannt wird, in eine Betriebsart um, bei welcher die Sendestufe 2200 die Spannungsverläufe der Bussignale CAN_EL_H2, CAN_EL_L2 von 12 für die Daten der Datenphase des Rahmens 45 erzeugt. Das Bussignal CAN_EL_H2 von 12 hat in einem dominanten Zustand 462 einen Spannungspegel von etwa 3,0 V. Der High-Zustand 461 von 11, der ebenfalls ein dominanter Zustand ist, entspricht dem dominanten Zustand 462 von 12. Das Bussignal CAN_EL_L2 von 12 hat in dem dominanten Buszustand 462 einen Spannungspegel von etwa 2,0 V. Somit hat der dominante Buszustand 462 Spannungspegel für die Bussignale CAN_EL_H2, CAN_EL_L2, die gegenüber den Spannungspegeln für den dominanten Buszustand 461 der Bussignale CAN_EL_H1, CAN_EL_L1 in der Arbitrationsphase reduziert sind. Dadurch liegt auch die Differenzspannung Vdiff = CAN_EL_H2 - CAN_EL_L2 der Signale von 12 nur bei 1,0 V und ist damit geringer als, genauer gesagt nur halb so groß wie, die Differenzspannung Vdiff der Signale von 11 oder 8, vorausgesetzt der Buslastwiderstand 43 bleibt gleich. Dagegen sind die Low-Zustände 471 unverändert.
Im Vergleich zu den Bussignalen gemäß 8 und 9 des vorangehenden Ausführungsbeispiels ergeben sich bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel stabilere Signalverläufe an Vdiff, was einen Empfang kleinerer Sendepegel mit den Teilnehmerstationen 20, 30, genauer gesagt deren Sende-/Empfangseinrichtungen 22, 32, ermöglicht.
Mit den beschriebenen Signalen von 11 und 12 kann sowohl in zumindest dem Datenfeld 454 eine stark erhöhte Bitrate von >12Mpbs und eine Datenmenge bis 4096 Byte gefahren werden, wie zuvor bereits beschrieben. Jedoch kann durch die Umschaltung der Bussignale in der Datenphase auf die Bussignale CAN_EL_H2, CAN_EL_L2 die Stromaufnahme und damit der Energieverbrauch der Sendestufe 2200 deutlich gegenüber den vorangehenden Ausführungsbeispielen gesenkt werden, auch wenn pro Zeit viel mehr Schaltvorgänge stattfinden als bei CAN oder CAN FD. Erreicht wird dies durch eine Senkung der Sendepegel bzw. der Amplitude von VDIFF zumindest im Datenfeld 454.
Um bei steigender Bitrate brauchbare Signalintegrität zu erreichen, werden die Topologien der Bussysteme 1 stark vereinfacht werden müssen. Somit ergibt sich hier der Vorteil, dass durch die reduzierten Sendepegel auch eine geringere Abstrahlung vorhanden ist und dadurch die EMV-Verträglichkeit verbessert wird.
Ansonsten gilt das Gleiche, wie zuvor im Zusammenhang mit dem dritten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Bei einer Modifikation des dritten Ausführungsbeispiels hat die Sendestufe 2200 von 10 keine Endstufen 2270, 2280. In diesem Fall ist die Sendestufe 2200 von 10 ausgestaltet wie eine herkömmliche CAN-Sendestufe. Um die vorangehend beschriebenen Signalverläufe von 11 und 12 zu erzielen, wird eine derartige herkömmliche CAN-Sendestufe derart gesteuert, dass für dominante Zustände bzw. High-Zustände 461 außerhalb der Datenphase, also Signalverläufe gemäß 11, der Treiber bzw. die Endstufen 225, 226 „normal“ wie bei CAN betrieben werden. Dagegen werden für dominante Zustände 462 von 12, also in der Datenphase 225 und 226, der Treiber bzw. die Endstufen 225, 226 hochohmiger betrieben, wodurch der Pegel der jeweiligen dominanten Zustände 462 im Vergleich zu dem Pegel der jeweiligen dominanten Zustände bzw. High-Zustände 461 reduziert ist.
13 zeigt ein Beispiel für eine Ankopplung der Sende-/Empfangseinrichtungen 22 an die Busleitung 3 mit ihren beiden Busadern 41, 42. Die Ankopplung kann bei allen Sende-/Empfangseinrichtungen 22, 32 der vorangehenden Ausführungsbeispiele und deren Sendestufen 220, 220A, 2200 zum Einsatz kommen.
Für die Ankopplung der Sende-/Empfangseinrichtung 22 an die Busleitung 3 ist ein erster Kopplungskondensator 251 für die Ankopplung der Sende-/Empfangseinrichtungen 22 an die erste Busader 41 und ein zweiter Kopplungskondensator 251 für die Ankopplung der Sende-/Empfangseinrichtungen 22 an die zweite Busader 42 vorgesehen. Zudem ist zwischen dem Anschluss 223 für die Spannungsversorgung für die erste und zweite Busader 41, 42 und dem Anschluss 221 für die erste Busader 41 ein Widerstand 255 vorgesehen. Außerdem ist zwischen dem Anschluss 223 und dem Anschluss 222 für die zweite Busader 42 ein Widerstand 256 vorgesehen.
Die Kapazitäten oder Kopplungskondensatoren 251, 252 sind extern von der jeweiligen Sende-/Empfangseinrichtungen 22 vorgesehen. Die Kopplungskondensatoren 251, 252 realisieren im Gegensatz zu anderen seriellen Bussystemen 1, wie CAN oder CAN-FD oder Flexray, usw., eine galvanisch isolierte Verbindung der jeweiligen Sende-/Empfangseinrichtung 22 zu den Busadern 41, 42.
Vorteilhaft an der AC-Kopplung bzw. Wechselspannungskopplung oder Wechselstromkopplung mit Hilfe der Kopplungskondensatoren 251, 252 ist, dass Gleichtaktstörungen (Common-Mode-Störungen) auf der Busleitung 3 die jeweils vorhandene Sendestufe 220, 220A, 2200 der vorangehenden Ausführungsbeispiele oder gemäß 13 nicht stören. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die jeweils vorhandene Sendestufe 220, 220A, 2200 der vorangehenden Ausführungsbeispiele oder gemäß 13 aufgrund der galvanischen Isolierung bzw. Trennung in Niedervolt-CMOS-Technologie ausgeführt werden kann (CMOS = Complementary Metal-Oxide-Semiconductor = Halbleiterbauelemente, bei denen sowohl p-Kanal- als auch n-Kanal-MOS-Transistoren auf einem gemeinsamen Substrat verwendet werden). Infolgedessen ergeben sich eine deutlich höhere Genauigkeit zwischen den beiden Pin-Treiberstufen der Endstufen 225, 226 sowie schnellere Schaltzeiten.
Dadurch kann die Schnelligkeit der Übertragung der Daten in dem Bussystem 1 der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele weiter erhöht werden.
Bei der Schaltung von 13 ist die Sendestufe derart aufgebaut, um den ersten und zweiten Kopplungskondensator (251, 252) mit hohen oder niedrigen Strömen auf die entsprechenden Pegel eines dominanten oder rezessiven Buszustands bzw. des High-Buszustands (461; 462) und des Low-Buszustands (471) zu ziehen.
Wie in 14 sehr schematisch gezeigt, ist gemäß einer Modifikation des fünften Ausführungsbeispiels anstelle des Widerstands 255, der zwischen dem Anschluss 223 für die Spannungsversorgung für die erste und zweite Busader 41, 42 und dem Anschluss 221 für die erste Busader 41 vorgesehen ist, ein Transistor 257 vorgesehen. Außerdem ist anstelle des Widerstands 256, der zwischen dem Anschluss 223 und dem Anschluss 222 für die zweite Busader 42 vorgesehen ist, ein Transistor 258 vorgesehen. Auch auf diese Weise kann mit den Kopplungskondensatoren 251, 252 die galvanisch isolierte Verbindung der jeweiligen Sende-/Empfangseinrichtung 22 zu den Busadern 41, 42 ausgeführt sein.
Alle zuvor beschriebenen Ausgestaltungen des Bussystems 1, der Teilnehmerstationen 10, 20, 30 und des von diesen ausgeführten Verfahrens können einzeln oder in allen möglichen Kombinationen Verwendung finden. Insbesondere können alle Merkmale der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele und/oder deren Modifikationen beliebig kombiniert werden. Zusätzlich oder alternativ sind insbesondere folgende Modifikationen denkbar.
Das zuvor beschriebene Bussystem 1 gemäß den Ausführungsbeispielen ist anhand eines auf dem CAN-Protokoll basierenden Bussystems beschrieben. Das Bussystem 1 gemäß den Ausführungsbeispielen kann jedoch auch eine andere Art von Kommunikationsnetz sein, bei welchem Daten seriell mit zwei verschiedenen Bitraten übertragbar sind. Es ist vorteilhaft, jedoch nicht zwangsläufige Voraussetzung, dass bei dem Bussystem 1 zumindest für bestimmte Zeitspannen ein exklusiver, kollisionsfreier Zugriff einer Teilnehmerstation 10, 20, 30 auf einen gemeinsamen Kanal gewährleistet ist.
Die Anzahl und Anordnung der Teilnehmerstationen 10, 20, 30 in dem Bussystem 1 der Ausführungsbeispiele ist beliebig. Insbesondere kann die Teilnehmerstation 10 in dem Bussystem 1 entfallen. Es ist möglich, dass eine oder mehrere der Teilnehmerstationen 20 oder 30 in dem Bussystem 1 vorhanden sind.

Claims

Teilnehmerstation (20; 30) für ein serielles Bussystem (1), mit einer Sendestufe (2200) zum Senden einer Nachricht (4; 5) auf eine Busleitung (3) des Bussystems (1), wobei die Sendestufe (2200) Endstufen (225, 226, 2270, 2280) zum Schalten von differentiellen Bussignalen (CAN_EL_H; CAN_EL_L) für eine Nachricht (5) zwischen einem High-Buszustand (461) und einem Low-Buszustand (471) aufweist, und wobei die Sendestufe (2200) derart aufgebaut ist, dass für mindestens eine Phase zur Übertragung von Daten der Nachricht (5) die differentiellen Bussignale (CAN_EL_H; CAN_EL_L) für einen Low-Buszustand (471) den gleichen Pegel aufweisen und der Low-Buszustand (471) niederohmig getrieben wird.
Teilnehmerstation (20; 30) nach Anspruch 1, wobei die Sendestufe (2200) ausgestaltet ist, in eine erste Betriebsart mit zwei ersten verschiedenen Buszuständen (46, 47) für eine Nachricht (5) zu schalten, wenn von der Nachricht (5) Daten einer ersten Phase (456; 451; 452) zu senden sind, die mit einer ersten Bitrate zu senden sind, und wobei die Sendestufe (2200) ausgestaltet ist, in eine zweite Betriebsart mit dem High-Buszustand (461) und dem Low-Buszustand (471) für eine Nachricht (5) zu schalten, wenn von der Nachricht (5) Daten einer zweiten Phase (453; 454; 455) zu senden sind, die mit einer zweiten Bitrate zu senden ist, die schneller als die erste Bitrate ist.
Teilnehmerstation (20; 30) nach Anspruch 2, wobei die Sendestufe (2200) ausgestaltet ist, nur in die zweite Betriebsart zum Senden von Daten zu schalten, wenn für die Teilnehmerstation (20; 30) für eine vorbestimmte Zeit ein exklusiver, kollisionsfreier Zugriff auf die Busleitung (3) des Bussystems (1) gewährleistet ist.
Teilnehmerstation (20; 30) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Sendestufe (2200) aufweist eine erste Endstufe (225), die zwischen einen Anschluss (223) für eine Spannungsversorgung und eine erste Busader (41) der Busleitung (3) geschaltet ist, eine zweite Endstufe (226), die zwischen eine zweite Busader (42) der Busleitung (3) und einen Anschluss (224) für Masse geschaltet ist, eine dritte Endstufe (2270), die zwischen die erste Busader (41) der Busleitung (3) und eine erste Spannungsquelle (232) als Referenz für den Low-Buszustand (471) geschaltet ist, und eine vierte Endstufe (2280), die zwischen eine zweite Spannungsquelle (233) als Referenz für den Low-Buszustand (471) und die zweite Busader (42) der Busleitung (3) geschaltet ist.
Teilnehmerstation (20; 30) nach Anspruch 4, wobei die erste und vierte Endstufe (225, 2280) einen PMOS-Transistor aufweisen, und wobei die zweite und dritte Endstufe (226, 2270) einen NMOS-Transistor aufweisen.
Teilnehmerstation (20; 30) nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Sendestufe (2200) ausgestaltet ist, für einen Low-Buszustand (471) die Treiberfähigkeit der ersten und zweiten Endstufe (225, 226) zu reduzieren oder abzuschalten und die dritte und vierte Endstufe (2270, 2280) leitfähig zu schalten.
Teilnehmerstation (20; 30) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Nachricht (5) ein Datenfeld (454) mit einer variablen Länge aufweist, wobei die variable Länge zwischen 1 Byte bis 4096 Bytes beträgt.
Bussystem (1), mit einer parallelen Busleitung (3), und mindestens zwei Teilnehmerstationen (10; 20; 30), welche über die Busleitung (3) derart miteinander verbunden sind, dass sie miteinander kommunizieren können, wobei mindestens eine der mindestens zwei Teilnehmerstationen (10; 20; 30) eine Teilnehmerstation (20; 30) nach einem der vorangehenden Ansprüche ist.
Verfahren zum Senden einer Nachricht (5) in einem seriellen Bussystem (1), wobei das Verfahren den Schritt aufweist: Senden, mit einer Sendestufe (2200) einer Teilnehmerstation (20; 30) des Bussystems (1), einer Nachricht (4; 5) auf eine Busleitung (3) des Bussystems (1), wobei die Sendestufe (2200) mit Endstufen (225, 226, 2270, 2280) differentielle Bussignale (CAN_EL_H; CAN_EL_H) für eine Nachricht (5) zwischen einem High-Buszustand (461) und einem Low-Buszustand (471) schaltet, und wobei die Sendestufe (2200) derart aufgebaut ist, dass für mindestens eine Phase zur Übertragung von Daten der Nachricht (5) die differentiellen Bussignale (CAN_EL_H; CAN_EL_H) für einen Low-Buszustand (471) den gleichen Pegel aufweisen und den Low-Buszustand (471) niederohmig treibt.