DE102019205488A1

DE102019205488A1 - Teilnehmerstation für ein serielles Bussystem und Verfahren zur Kommunikation in einem seriellen Bussystem

Info

Publication number: DE102019205488A1
Application number: DE102019205488.9A
Authority: DE
Inventors: Florian Hartwich; Steffen Walker; Arthur Mutter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-04-16
Filing date: 2019-04-16
Publication date: 2020-10-22
Also published as: CN113994638A; US20220209986A1; CN113994638B; US11838146B2; WO2020212218A1

Abstract

Es ist eine Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) für ein serielles Bussystem (100) und ein Verfahren zur Kommunikation in einem seriellen Bussystem (100) bereitgestellt. Die Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) hat eine Kommunikationssteuereinrichtung (11; 21; 31) zum Steuern einer Kommunikation der Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) mit mindestens einer anderen Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) des Bussystems (100), eine Sende-/Empfangseinrichtung (12; 22; 32) zum Senden eines von der Kommunikationssteuereinrichtung (11; 21; 31) erzeugten Sendesignals (TX1; TX2; TX3; TX4) in einem Rahmen (450; 460) auf einen Bus (40) des Bussystems (100), und eine Zeitplanungseinheit (15; 25; 35) zur Planung eines zeitlichen Zugriffs der Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) auf den Bus (40) in mindestens einem Zeitschlitz (S1 bis S4) einer Runde (C) von zeitlich aufeinanderfolgenden Zeitschlitzen (S1 bis S4), wobei in einer Runde (C) für jede Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) des Busses (40) zum Senden ihres Sendesignals (TX1; TX2; TX3; TX4) mindestens ein Zeitschlitz (S1 bis S4) vorgesehen ist und sich die Runde (C) zyklisch wiederholt, und wobei die Zeitplanungseinheit (15; 25; 35) ausgestaltet ist, unter Verwendung mindestens einer von dem Bus (40) empfangenen Information eine Zuordnung zu bestimmen, die festlegt, welchen Zeitschlitz (S1 bis S4) der Runde (C) die Sende-/Empfangseinrichtung (12; 22; 32) zum Senden des Rahmens (450; 460) für das Sendesignal (TX1; TX2; TX3; TX4) auf den Bus (40) verwenden darf.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Teilnehmerstation für ein serielles Bussystem und ein Verfahren zur Kommunikation in einem seriellen Bussystem, mit welchen eine Kommunikation für echtzeitkritische Anwendungen möglich ist.
Stand der Technik
Für die Kommunikation zwischen Sensoren und Steuergeräten, beispielsweise in Fahrzeugen, wird aus Kostengründen anstelle einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung derzeit immer häufiger 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 Teilnehmerstationen des Bussystems, wie Sensor, Steuergerät, Geber, usw., übertragen. Hierbei wird CAN FD derzeit in der Einführungsphase im ersten Schritt meist mit einer Daten-Bitrate von 2Mbit/s bei der Übertragung von Bits des Datenfelds und mit einer Arbitrations-Bitrate von 500kbit/s bei der Übertragung von Bits des Arbitrationsfelds im Fahrzeug eingesetzt.
Zur Vermeidung von Kollisionen von Nachrichten verschiedener Teilnehmerstationen am Bus wird bei CAN das CSMA/CR-Verfahren (CR=Collision Resolution) verwendet. Hierdurch werden Kollisionen mit einer sogenannten Arbitration am Anfang einer Nachricht bzw. eines Rahmens aufgelöst. Bei der Arbitration wird ein Identifizierer (Identifier = ID) dahingehend ausgewertet, welche Nachricht als nächstes gesendet werden darf. Hierbei setzt sich die Nachricht bzw. der Rahmen durch, welche den Identifizierer mit der höchsten Priorität hat. Das entspricht einer strikten Prioritäts-Zeitplanung (Strict-Priority Scheduling). Dies ist für viele Anwendungsfälle im autonomen Fahrzeug ausreichend.
Die Arbitration bewirkt jedoch, dass derzeitige CAN-basierte Bussysteme für Anwendungsfälle, die einen 100% deterministischen Buszugriff benötigen, also eine Garantie, dass eine Teilnehmerstation des Bussystems zu einer gewissen Zeit auf jeden Fall eine Nachricht bzw. einen Rahmen senden kann, derzeit nicht verwendbar ist.
Offenbarung der Erfindung
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Teilnehmerstation für ein serielles Bussystem und ein Verfahren zur Kommunikation in einem seriellen Bussystem bereitzustellen, welche die zuvor genannten Probleme lösen. Insbesondere sollen eine Teilnehmerstation für ein serielles Bussystem und ein Verfahren zur Kommunikation in einem seriellen Bussystem bereitgestellt werden, welche bei einer Kommunikation für echtzeitkritische Anwendungen verwendbar sind und bei denen insbesondere ein 100% deterministischer Buszugriff möglich ist.
Die Aufgabe wird durch eine Teilnehmerstation für ein serielles Bussystem mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Teilnehmerstation hat eine Kommunikationssteuereinrichtung zum Steuern einer Kommunikation der Teilnehmerstation mit mindestens einer anderen Teilnehmerstation des Bussystems, eine Sende-/Empfangseinrichtung zum Senden eines von der Kommunikationssteuereinrichtung erzeugten Sendesignals in einem Rahmen auf einen Bus des Bussystems, und eine Zeitplanungseinheit zur Planung eines zeitlichen Zugriffs der Teilnehmerstation auf den Bus in mindestens einem Zeitschlitz einer Runde von zeitlich aufeinanderfolgenden Zeitschlitzen, wobei in einer Runde für jede Teilnehmerstation des Busses zum Senden ihres Sendesignals mindestens ein Zeitschlitz vorgesehen ist und sich die Runde zyklisch wiederholt, und wobei die Zeitplanungseinheit ausgestaltet ist, unter Verwendung mindestens einer von dem Bus empfangenen Information eine Zuordnung zu bestimmen, die festlegt, welchen Zeitschlitz der Runde die Sende-/Empfangseinrichtung zum Senden des Rahmens für das Sendesignal auf den Bus verwenden darf.
In einem Bussystem, an das zuvor beschriebene Teilnehmerstationen angeschlossen sind, wird sichergestellt, dass jede Teilnehmerstation deterministisch auf den Bus
zugreifen kann. Demzufolge erhält jede der Teilnehmerstationen zumindest für die Zeit, in der deterministisch auf den Bus zugegriffen werden soll, eine garantierte minimale Kommunikationsbandbreite am Bus. Damit lassen sich echtzeitkritische Anwendungen auch mit einem CAN-basierten Bussystem realisieren.
Die Teilnehmerstation kann bei jedem Kommunikationsprotokoll, das nach dem CSMA/CR-Verfahren arbeitet, beispielsweise bei jedem CAN-basierten Kommunikationsprotokoll, jedoch insbesondere bei CAN XL, einem CAN FD Nachfolger, zum Einsatz kommen.
Bei der beschriebenen Teilnehmerstation ist auch sehr vorteilhaft, dass die Funktion der deterministischen Zeitplanung, was auch als „deterministisches Scheduling“ bezeichnet werden kann, für den deterministischen Buszugriff bei Bedarf aktivierbar ist, auch im laufenden Betrieb. Dadurch ist die Teilnehmerstation zur Durchführung von zwei verschiedenen Kommunikationsverfahren ausgestaltet, nämlich zur Durchführung von entweder einem CSMA/CR-Verfahren, das ein „Strict-Priority Scheduling“ realisiert, oder einem CSMA/CR-Verfahren mit zusätzlicher deterministischer Zeitplanung. Dies ist ein großer Vorteil gegenüber Bussystemen, in welchen nur jeweils eines der genannten Kommunikationsverfahren möglich ist, wie beispielsweise 10BASE-T1S, Flexray, usw.. Ein weiterer sehr großer Vorteil ist, dass der hier beschriebene Ansatz wesentlich einfacher in der Konfiguration und Nutzung ist als bei bisherigen Verfahren.
Die beschriebene Teilnehmerstation ist derart ausgestaltet, dass sie mit den anderen Teilnehmerstationen am Bus selbst organisiert, welche Teilnehmerstation die nächste Nachricht senden darf. Dadurch ist die Konfiguration der Teilnehmerstation und des zugehörigen Bussystems selbstorganisierend. Dies gestaltet die Konfiguration sehr unaufwändig. Im Ergebnis entsteht kaum zusätzlicher Einarbeitungsaufwand von Personal zur Konfiguration des Bussystems und der Teilnehmerstation.
Ein zusätzlicher Vorteil der Teilnehmerstation liegt darin, dass kein „Single Point of Failure“ möglich ist, wie dies bei dem für 10BASE-T1S notwendigen Masterknoten der Fall ist. Das heißt, wenn eine Teilnehmerstation wegen einem Defekt ausfällt und deshalb nichts mehr sendet, hat das keine negativen Auswirkungen auf die Kommunikation am Bus.
Die Teilnehmerstation kann je nach realisierter Variante der deterministischen Zeitplanung entweder die gleichen maximalen Verzögerungen (Worst-Case Delays) wie PLCA von 10BASE-T1S oder um ca. 50% kürzere maximale Verzögerungen (Worst-Case Delays) als PLCA von 10BASE-T1S liefern.
Noch dazu ist es möglich, die Teilnehmerstation je nach Anwendung oder Wunsch um viele Zusatzfunktionen zu erweitern, da die Arbitration immer zur Verfügung steht. Beispielsweise ist zum Senden die Nutzung eines ungenutzten Zeitschlitzes einer anderen Teilnehmerstation des Bussystems möglich. Möglich ist auch, dass ein gewichtetes zyklisches Senden (Weighted Round Robin) realisiert ist, bei welchem manche Teilnehmerstationen mehr Nachrichten pro Zyklus bzw. Runde senden dürfen als andere Teilnehmerstationen. Eine andere Option ist, dass eine Teilnehmerstation des Bussystems in ihrem Zeitschlitz, der auch Slot genannt wird, während einer Runde anstatt einer Nachricht maximaler Länge auch mehrere kürzere Nachrichten schicken kann. Dies ermöglicht Fairness hinsichtlich der auf dem Bus verfügbaren Bandbreite, anstatt nur hinsichtlich der Zahl der von jeder Teilnehmerstation gesendeten oder sendbaren Nachrichten.
Als Folge davon kann mit der Teilnehmerstation ein Senden und Empfangen der Nachrichten mit großer Flexibilität im Hinblick auf den Buszugriff realisiert werden und damit lassen sich eine sehr große Palette an Dienstgüteanforderungen und damit auch Anwendungen realisieren.
Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Teilnehmerstation sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Möglicherweise ist die mindestens eine von dem Bus empfangene Information ein den Start der Runde mitteilender Rahmen, wobei die mindestens eine von dem Bus empfangene Information zudem einen Rahmen-Identifizierer und/oder eine Zuordnung der Zeitschlitze einer Runde zu den Teilnehmerstationen des Busses und/oder die Information umfasst, welche der Teilnehmerstationen des Busses derzeit sendet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Zeitplanungseinheit ausgestaltet, als die mindestens eine von dem Bus empfangene Information zumindest den den Start der Runde mitteilenden Rahmen zu verwenden und einen Rahmen-Identifizierer eines Senders eines vom Bus empfangenen Rahmens auszuwerten.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Zeitplanungseinheit ausgestaltet, ein Datenfeld des den Start der Runde mitteilenden Rahmens auszuwerten, in welchem die mindestens eine von dem Bus empfangene Information angeordnet ist.
Gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Zeitplanungseinheit ausgestaltet, abzuwarten, bis die Kommunikationssteuereinrichtung einen den Start der Runde mitteilenden Rahmen von dem Bus empfangen hat, und daran anschließend mit den anderen Teilnehmerstationen des Busses im Betrieb des Bussystems unter Verwendung einer Priorität des Sendesignals festzulegen, welchen Zeitschlitz der Runde die Sende-/Empfangseinrichtung zum Senden des Rahmens für das Sendesignal auf den Bus verwenden darf.
Denkbar ist, dass die Kommunikationssteuereinrichtung ausgestaltet ist, zumindest in einer Einschaltphase des Busses den Rahmen in eine erste Kommunikationsphase und eine zweite Kommunikationsphase aufzuteilen, wobei in der ersten Kommunikationsphase ausgehandelt wird, welche der Teilnehmerstationen des Busses in der nachfolgenden zweiten Kommunikationsphase einen zumindest zeitweise exklusiven, kollisionsfreien Zugriff auf den Bus bekommt.
Möglicherweise ist die Anzahl der Zeitschlitze pro Runde größer als die Anzahl der Zeitschlitze, die den Teilnehmerstationen des Busses pro Runde zugeordnet sind, wobei in einem Zeitschlitz, der keiner der Teilnehmerstationen des Busses zugeordnet ist, in der ersten Kommunikationsphase ausgehandelt wird, welche der Teilnehmerstationen des Busses in der nachfolgenden zweiten Kommunikationsphase einen zumindest zeitweise exklusiven, kollisionsfreien Zugriff auf den Bus bekommt.
Optional ist die minimale Dauer eines Zeitschlitzes als eine Bitzeit eines Bits der ersten Kommunikationsphase wählbar. Hierbei ist die Zeitplanungseinheit optional ausgestaltet, in einem Zeitschlitz, der der Teilnehmerstation zugeordnet ist, einen Rahmen mit einer Priorität zu senden, die höher ist als eine Priorität eines Rahmens, welchen die Zeitplanungseinheit ausgestaltet ist, in einem Zeitschlitz zu senden, der einer anderen Teilnehmerstation des Busses zugeordnet ist.
Denkbar ist alternativ, dass die minimale Dauer eines Zeitschlitzes zwei Bitzeiten eines Bits der ersten Kommunikationsphase ist, wobei die Zeitplanungseinheit ausgestaltet ist, einen zeitlichen Zugriff der Teilnehmerstation auf den Bus in dem zweiten Bit eines Zeitschlitzes der Runde freizugeben, wenn die Teilnehmerstation oder eine andere Teilnehmerstation des Busses in dem ersten Bit des Zeitschlitzes ihre Sendegelegenheit ungenutzt verstreichen lässt.
Gemäß einer speziellen Ausführungsvariante weist die Zeitplanungseinheit ein Zählmodul auf, das ausgestaltet ist, seinen Zählwert bei jedem von dem Bus empfangenen Rahmen zu inkrementieren und bei jeder für einen Zeitschlitz ungenutzt verstrichenen Sendegelegenheit zu inkrementieren, wobei das Zählmodul ausgestaltet ist, seinen Zählwert auf 1 zu setzen, wenn der den Start der Runde mitteilende Rahmen empfangen wurde.
Hierbei kann das Zählmodul ausgestaltet sein, seinen Zählwert bei jedem von dem Bus empfangenen Rahmen nach Empfang eines Bits zu inkrementieren, welches den Anfang eines Rahmens signalisiert, auch wenn der Rahmen später von der den Rahmen sendenden Teilnehmerstation wegen eines Fehlers abgebrochen wird. Hierbei kann die Zeitplanungseinheit ausgestaltet sein, einen zeitlichen Zugriff der Teilnehmerstation auf den Bus für den nächsten Zeitschlitz der Runde freizugeben, wenn der Zählwert des Zählmoduls gleich der der Teilnehmerstation zugeordneten Nummer des Zeitschlitzes ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Zeitplanungseinheit ausgestaltet, einen zeitlichen Zugriff der Teilnehmerstation auf den Bus in einem Zeitschlitz der Runde freizugeben, wenn eine andere Teilnehmerstation des Busses ihre Sendegelegenheit ungenutzt verstreichen lässt.
Möglicherweise ist die Kommunikationssteuereinrichtung ausgestaltet, in dem Sendesignal eine Teilnehmerstation-Nummer anzuordnen, die auf dem Bus exklusiv der Teilnehmerstation zugeordnet ist, wobei die Zeitplanungseinheit zur Freigabe eines zeitlichen Zugriffs der Teilnehmerstation auf den Bus in dem der Teilnehmerstation zugeordneten Zeitschlitz der Runde ausgestaltet ist, wenn die Zeitplanungseinheit eine Teilnehmerstation-Nummer in einem von dem Bus empfangenen Rahmen auswerten kann. Auf diese Weise kann die Zeitplanungseinheit mit dieser Information den eigenen Zeitschlitz ermitteln.
In einer Ausgestaltung kann die Anzahl der Zeitschlitze, die der Teilnehmerstation pro Runde zugeordnet sind, zumindest zeitweise ungleich einer Anzahl von Zeitschlitzen sein, die einer anderen Teilnehmerstation des Busses pro Runde zugeordnet sind.
In einer anderen Ausgestaltung kann die Teilnehmerstation ausgestaltet sein, pro Zeitschlitz mehr als einen Rahmen auf den Bus zu senden. Zusätzlich oder alternativ ist die Anzahl der Rahmen, welche die Teilnehmerstation pro Zeitschlitz auf den Bus senden darf, zumindest zeitweise ungleich einer Anzahl von Rahmen, die eine andere Teilnehmerstation des Busses pro Zeitschlitz auf den Bus senden darf.
Optional ist die Kommunikationssteuereinrichtung ausgestaltet, am Anfang eines rezessiven Bits in dem der Teilnehmerstation zugeordneten Zeitschlitz einen Dominantpuls zu senden, der kürzer als die Bitzeit des rezessiven Bits ist, wenn die Kommunikationssteuereinrichtung ihre Sendegelegenheit ungenutzt verstreichen lässt.
Gemäß einer anderen Option ist die Teilnehmerstation derart ausgestaltet, dass die Zeitplanungseinheit je nach zeitlichen Anforderungen an die Kommunikation auf dem Bus ein- oder ausschaltbar ist, oder dass ein Betriebsmodus der Zeitplanungseinheit durch Konfiguration von vorbestimmten Parametern im laufenden Betrieb des Bussystems änderbar ist, wobei der Betriebsmodus der Zeitplanungseinheit einen vorbestimmten Modus einer Kommunikation auf dem Bus festlegt.
Zumindest zwei der zuvor beschriebenen Teilnehmerstationen können Teil eines Bussystems sein, das zudem einen Bus umfasst, wobei die mindestens zwei Teilnehmerstationen über den Bus derart miteinander verbunden sind, dass sie seriell miteinander kommunizieren können. Hierbei kann mindestens eine der Teilnehmerstationen eine Master-Teilnehmerstation sein zum Senden eines Rahmens, welcher den mindestens zwei Teilnehmerstationen den Start einer Runde einer Kommunikation auf dem Bus mitteilt,
wobei optional mindestens ein Backup-Master zum zusätzlichen Ausführen der Funktion der Master-Teilnehmerstation auf dem Bus vorgesehen ist. Somit kann eine Teilnehmerstation gleichzeitig als Teilnehmer und als Master fungieren.
Die zuvor genannte Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren zur Kommunikation in einem seriellen Bussystem nach Anspruch 20 gelöst. Das Verfahren wird mit einer Teilnehmerstation des Bussystems ausgeführt, die eine Kommunikationssteuereinrichtung und eine Sende-/Empfangseinrichtung aufweist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist, Steuern, mit einer Kommunikationssteuereinrichtung, einer Kommunikation der Teilnehmerstation mit mindestens einer anderen Teilnehmerstation des Bussystems, und Senden, mit einer Sende-/Empfangseinrichtung, eines von der Kommunikationssteuereinrichtung erzeugten Sendesignals in einem Rahmen auf einen Bus des Bussystems gemäß der Planung einer Zeitplanungseinheit, welche einen zeitlichen Zugriff der Teilnehmerstation auf den Bus in mindestens einem Zeitschlitz einer Runde von zeitlich aufeinanderfolgenden Zeitschlitzen plant, wobei in einer Runde für jede Teilnehmerstation des Busses zum Senden ihres Sendesignals mindestens ein Zeitschlitz vorgesehen ist und sich die Runde zyklisch wiederholt, und wobei die Zeitplanungseinheit unter Verwendung mindestens einer von dem Bus empfangenen Information eine Zuordnung bestimmt, die festlegt, welchen Zeitschlitz der Runde die Sende-/Empfangseinrichtung zum Senden des Rahmens für das Sendesignal auf den Bus verwenden darf.
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 Zeitdiagramm zur Veranschaulichung des Ablaufs einer Kommunikation in dem Bussystem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
4 ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung des Ablaufs einer Kommunikation in dem Bussystem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, nachdem eine Teilnehmerstation wieder aufgeweckt wurde;
5 ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung des Ablaufs einer Kommunikation in einem Bussystem gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
6 ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung des Ablaufs einer Kommunikation in einem Bussystem gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
7 ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung des Ablaufs einer Kommunikation in einem Bussystem gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel;
8 ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung des Ablaufs einer Kommunikation in einem Bussystem gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel; und
9 einen zeitlichen Verlauf eines differentiellen Bussignals in ungenutzten Zeitschlitzen bei einem Bussystem gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel.

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 100, das insbesondere grundlegend als ein CAN-Bussystem und/oder ein CAN FD-Bussystem und/oder ein CAN FD-Nachfolge-Bussystem, das hier als CAN XL-Bussystem bezeichnet ist, und/oder Abwandlungen davon ausgestaltet ist, wie nachfolgend beschrieben. Das Bussystem 100 kann in einem Fahrzeug, insbesondere einem Kraftfahrzeug, einem Flugzeug, usw., oder im Krankenhaus usw. Verwendung finden.
In 1 hat das Bussystem 100 eine Vielzahl von Teilnehmerstationen 10, 20, 30, die jeweils an einen Bus 40 mit einer ersten Busader 41 und einer zweiten Busader 42 angeschlossen sind. Die Busadern 41, 42 können auch CAN_H und CAN_L oder CAN-XL_H und CAN-XL_L genannt werden und dienen zur elektrischen Signalübertragung nach Einkopplung der dominanten Pegel bzw. Erzeugung von rezessiven Pegeln für ein Signal im Sendezustand. Über den Bus 40 sind Nachrichten 45, 46 in der Form von Signalen zwischen den einzelnen Teilnehmerstationen 10, 20, 30 seriell übertragbar. Tritt bei der Kommunikation auf dem Bus 40 ein Fehler auf, wie durch den gezackten schwarzen Blockpfeil in 1 dargestellt, kann optional ein Fehlerrahmen 47 (Error Flag) gesendet werden. Die Teilnehmerstationen 10, 20, 30 sind beispielsweise Steuergeräte, Sensoren, Anzeigevorrichtungen, usw. eines Kraftfahrzeugs.
Wie in 1 gezeigt, hat die Teilnehmerstation 10 eine Kommunikationssteuereinrichtung 11, eine Sende-/Empfangseinrichtung 12 und eine Zeitplanungseinheit 15 mit einem Zählmodul 151. Die Teilnehmerstation 20 hat eine Kommunikationssteuereinrichtung 21 eine Sende-/Empfangseinrichtung 22 und eine Zeitplanungseinheit 25 mit einem Zählmodul 251. Die Teilnehmerstation 30 hat eine Kommunikationssteuereinrichtung 31, eine Sende-/Empfangseinrichtung 32 und eine Zeitplanungseinheit 35 mit einem Zählmodul 351. Die Sende-/Empfangseinrichtungen 12, 22, 32 der Teilnehmerstationen 10, 20, 30 sind jeweils direkt an den Bus 40 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 den Bus 40 mit mindestens einer anderen Teilnehmerstation der Teilnehmerstationen 10, 20, 30, die an den Bus 40 angeschlossen sind.
Die Kommunikationssteuereinrichtungen 11, 31 erstellen und lesen erste Nachrichten 45, die beispielsweise CAN Nachrichten sind, die auf der Grundlage eines CAN XL-Formats aufgebaut sind, das in Bezug auf 2 detaillierter beschrieben ist. Die Kommunikationssteuereinrichtungen 11, 31 können zudem ausgeführt sein, um je nach Bedarf eine CAN XL-Nachricht 45 oder eine CAN FD-Nachricht 46 für die Sende-/Empfangseinrichtungen 12, 32 bereitzustellen oder von dieser zu empfangen. Die Kommunikationssteuereinrichtungen 11, 31 erstellen und lesen also eine erste Nachricht 45 oder zweite Nachricht 46, wobei sich die erste und zweite Nachricht 45, 46 durch ihren Datenübertragungsstandard unterscheiden, nämlich in diesem Fall CAN XL oder CAN FD.
Die Kommunikationssteuereinrichtung 21 kann wie ein herkömmlicher CAN-Controller nach ISO 11898-1:2015 ausgeführt sein, insbesondere wie ein CAN FD toleranter Classical CAN-Controller oder ein CAN FD Controller. Die Kommunikationssteuereinrichtung 21 erstellt und liest zweite Nachrichten 46, beispielsweise Classical CAN Nachrichten oder CAN FD-Nachrichten 46. Bei den CAN FD-Nachrichten 46 kann eine Anzahl von 0 bis zu 64 Datenbytes umfasst sein, die noch dazu mit einer deutlich schnelleren Datenrate als bei einer Classical CAN-Nachricht übertragen werden. Insbesondere ist die Kommunikationssteuereinrichtung 21 bis auf die Einheit 25 wie ein herkömmlicher CAN oder CAN FD-Controller ausgeführt.
Die Sende-/Empfangseinrichtung 22 kann wie ein herkömmlicher CAN Transceiver nach ISO 11898-2:2016 oder CAN FD Transceiver ausgeführt sein. Die Sende-/Empfangseinrichtungen 12, 32 können ausgeführt sein, um je nach Bedarf Nachrichten 45 bzw. Bits eines Rahmens gemäß dem CAN XL-Format oder Nachrichten 46 bzw. Bits eines Rahmens gemäß dem derzeitigen CAN FD-Format für die zugehörige Kommunikationssteuereinrichtung 11, 31 bereitzustellen oder von dieser zu empfangen.
Mit den beiden Teilnehmerstationen 10, 30 ist eine Bildung und dann Übertragung von Nachrichten 45 mit dem CAN XL Format sowie der Empfang solcher Nachrichten 45 realisierbar.
2 zeigt in ihrem oberen Teil für die Nachricht 46 einen CAN FD-Rahmen 460, wie er von der Sende-/Empfangseinrichtung 12 oder der Sende-/Empfangseinrichtung 22 oder der Sende-/Empfangseinrichtung 32 über der Zeit t seriell auf den Bus 40 gesendet wird. In dem unteren Teil von 2 ist für die Nachricht 45 ein spezielles Beispiel eines CAN-XL-Rahmens 450 gezeigt, wie er von der Sende-/Empfangseinrichtung 22 oder 32 über der Zeit t seriell auf den Bus 40 gesendet werden kann. Alternativ kann der obere Teil von 2 als Classical CAN-Rahmen und der untere Teil von 2 als CAN FD-Rahmen oder CAN XL-Rahmen interpretiert werden.
Gemäß 2 sind die Rahmen 450, 460 für die CAN-Kommunikation auf dem Bus 40 in unterschiedliche Kommunikationsphasen 451, 452, 453 unterteilt, nämlich eine Arbitrationsphase 451, eine Datenphase 452, und eine Rahmenendphase 453. In der Arbitrationsphase 451 am Anfang des Rahmens 450, 460 überträgt die zugehörige Sende-/Empfangseinrichtung 12, 22, 32 einen Identifizierer 451x und einen Teil eines Steuerfelds. In der Datenphase 452 werden unter anderem folgende Daten gesendet: ein Teil des Steuerfelds, die Nutzdaten des CAN-XL-Rahmens bzw. der Nachricht 45, 46 in einem Datenfeld DF und eine Checksumme. Bei einem Rahmen 450 kann ein Teil des Steuerfelds ein optionales Datentypfeld (DataType Feld) DT sein, das den Typ der Daten angibt, die in dem Datenfeld DF gesendet werden. Das Datentypfeld DT ist in 2 zur Veranschaulichung mit einer größeren Länge gezeigt, als es in Relation zu der Länge des Datenfelds DF oft ist. Das Datentypfeld DT kann in dem Steuerteil des Rahmens 450, 460, insbesondere am Anfang der Datenphase 452, oder am Ende der Arbitrationsphase 451 übertragen werden. Nach der Datenphase 452, folgt die Rahmenendphase 453, die entsprechend ISO11898-1:2015 auch zur Arbitrationsphase gehört. Die Rahmenendphase 453, die auch als Arbitrationsphase am Ende des Rahmens 450, 460 bezeichnet werden kann, weist unter anderem folgende Teile auf: ein ACK-Feld und eine Rahmenendekennzeichnung (EOF, End of Frame). Die Rahmenendphase 453 ist hier nicht weiter relevant und daher nicht genauer beschrieben.
In der Arbitrationsphase 451 überträgt die zugehörige Sende-/Empfangseinrichtung 12, 22, 32 Bits des Rahmens 450, 460 mit einer langsameren Bitrate als in der Datenphase 452. Bei CAN FD ist die Datenphase 452 gegenüber der Datenphase 452 des Classical CAN-Rahmens zeitlich deutlich verkürzt. In besonderen Anwendungsfällen können die beiden Bitraten der Phasen 451, 452 auf gleiche Werte konfiguriert werden, aber üblicherweise ist die Bitrate in der Datenphase 452 wesentlich höher als in der Arbitrationsphase 451.
Für CAN XL wird ein Rahmenformat definiert, in dem nicht nur die Bitraten innerhalb des Rahmens 450 bzw. der Nachricht 45 umgeschaltet werden, sondern optional auch der Betriebsmodus der Sende-/Empfangseinrichtung 12, 32. In der Arbitrationsphase 451 arbeitet die Sende-/Empfangseinrichtung 12, 32 in einem Betriebsmodus (hier genannt CAN), der kompatibel ist zu ISO 11898-2:2016. In der Datenphase 452 des Rahmens 450 kann die Sende-/Empfangseinrichtung 12, 32 optional in einen anderen Betriebsmodus geschaltet werden, der höhere Bitraten und damit eine schnelle Datenübertragung möglich macht.
Die Arbitrationsphase 451 wird genutzt, um mit Hilfe eines Identifizierers (ID) 451x bitweise zwischen den Teilnehmerstationen 10, 20, 30 auszuhandeln, welche Teilnehmerstation 10, 20, 30 die Nachricht 45, 46 mit der höchsten Priorität hat und daher für die nächste Zeit zum Senden zumindest in der anschließenden Datenphase 452 einen exklusiven Zugriff auf den Bus 40 des Bussystems 100 bekommt. Hierbei wird in der Arbitrationsphase 451 das bekannte CSMA/CR-Verfahren angewandt, welches gleichzeitigen Zugriff der Teilnehmerstationen 10, 20, 30 auf den Bus 40 erlaubt, ohne dass die höher priorisierte Nachricht 45, 46 zerstört wird. Dadurch können dem Bussystem 100 relativ einfach weitere Bus-Teilnehmerstationen 10, 20, 30 hinzugefügt werden, was sehr vorteilhaft ist.
Somit wird in der Arbitrationsphase 451 von der zugehörigen Sende-/Empfangseinrichtung 12, 22, 32 ein Physical Layer wie bei CAN und CAN-FD verwendet. Der Physical Layer entspricht der Bitübertragungsschicht oder Schicht 1 des bekannten OSl-Modells (Open Systems Interconnection Modell).
Sind die Zeitplanungseinheiten 15, 25, 35 nicht aktiviert, werden die Rahmen 450, 460 erstellt und der Buszugriff der einzelnen Teilnehmerstationen erfolgt unkoordiniert. Konflikte werden bei der Kommunikation auf dem Bus 40 mit einer Arbitration aufgelöst, wie in der ISO 11898-1:2015 festgelegt.
Das CSMA/CR-Verfahren hat zur Folge, dass es sogenannte rezessive Zustände auf dem Bus 40 geben muss, welche von anderen Teilnehmerstationen 10, 20, 30 mit dominanten Zuständen auf dem Bus 40 überschrieben 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 etwa 2 Megabit pro Sekunde im realen Fahrzeug-Einsatz.
Ein Sender der Nachricht 45, 46 beginnt ein Senden von Bits der Datenphase 452 auf den Bus 40 erst, wenn die entsprechende Teilnehmerstation 10, 20, 30 als der Sender die Arbitration gewonnen hat und die Teilnehmerstation 10, 20, 30 als Sender damit zum Senden einen exklusiven Zugriff auf den Bus 40 des Bussystems 100 hat.
Ganz allgemein können in dem Bussystem mit CAN XL im Vergleich zu CAN oder CAN FD folgende abweichenden Eigenschaften realisiert werden:

a) Übernahme und gegebenenfalls Anpassung bewährter Eigenschaften, die für die Robustheit und Anwenderfreundlichkeit von CAN und CAN FD verantwortlich sind, insbesondere Rahmenstruktur mit Identifizierer 451x und Arbitrierung nach dem CSMA/CR-Verfahren,
b) Steigerung der Netto-Datenübertragungsrate, insbesondere auf etwa 10 Megabit pro Sekunde,
c) Anheben der Größe der Nutzdaten pro Rahmen, insbesondere auf etwa 4kbyte.

3 zeigt einen Fall für eine Kommunikation auf dem Bus 40, bei welcher die Zeitplanungseinheiten 15, 25, 35 aktiviert sind. In diesem Fall ist ein deterministischer Buszugriff jeder der Teilnehmerstationen 10, 20, 30 möglich. Hierfür wird bei der Kommunikation auf dem Bus 40 eine Senderunde bzw. Runde C (Cycle) verwendet, in welcher im einfachsten Fall für jede der Teilnehmerstationen 10, 20, 30 ein Zeitschlitz S vorhanden ist. Die Anzahl SN der Zeitschlitze S entspricht also der Anzahl N der Teilnehmerstationen 10, 20, 30 am Bus 40. Die Bandbreite auf dem Bus 40 wird durch die Anzahl N der Teilnehmerstationen 10, 20, 30 geteilt.
Bei dem Beispiel von 3 gibt es vier Zeitschlitze S, nämlich die Zeitschlitze S1, S2, S3, S4, so dass vier beliebige Teilnehmerstationen der Teilnehmerstationen 10, 20, 30 vorhanden sind. Daher werden die vier beliebigen Teilnehmerstationen der Teilnehmerstationen 10, 20, 30 nachfolgend als Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 bezeichnet.
Ganz allgemein können SN Zeitschlitze S vorgesehen sein, wobei SN eine beliebige natürliche Zahl ist. Die Anzahl der Zeitschlitze S ist bei dem Beispiel von 3 konstant, also in jeder Runde C gleich. Alternativ kann die Anzahl der Zeitschlitze S jedoch variiert werden.
Es existiert mindestens eine Master-Teilnehmerstation am Bus 40. Die Master-Teilnehmerstation kann eine beliebige Teilnehmerstation der Teilnehmerstationen 10. 20, 30 sein, d.h. die Teilnehmerstation ist sowohl Master als auch normaler Teilnehmer. Die Master-Teilnehmerstation sendet am Anfang jeder Runde C einen Startrahmen, der nachfolgend als SOCR (Start-of-Cycle Rahmen) bezeichnet wird. Der SOCR ist in einer Ausgestaltung ein Rahmen mit hoch priorem Identifizierer ID und kurzem Datenfeld DF. Insbesondere kann das Datenfeld DF die in dem Bussystem 100 minimale Länge haben, insbesondere 0 Byte haben. Alle Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 am Bus 40 synchronisieren sich auf den SOCR und wissen dadurch, wann sie etwas senden dürfen.
Die Zeitplanungseinheiten 15, 25, 35 bewirken eine Erstellung der Rahmen 450, 460 gemäß den folgenden Regeln.
Jeder Rahmen 450, 460 beginnt wieder mit einer Arbitrationsphase 451. Der Identifizierer 451x kann für jeden Rahmen 450, 460 beliebig gewählt werden, so lange die bei CAN übliche Regel eingehalten wird, dass jeder Identifizierer 451x nur exklusiv von einer der Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 verwendet wird.
Die minimale Zeitschlitzdauer T_S_mn ist mindestens eine Arbitrations-Bitzeit, also so lang wie die Bitzeit eines Bits in der Arbitrationsphase 451. Die maximale Zeitschlitzdauer T_S_mx ist gleich der maximalen Länge eines Rahmens 460 oder 450. Somit ist die minimale Rundendauer T_C_mn gleich der Summe aller minimalen Zeitschlitzdauern T_S_mn plus die minimale Dauer eines SOCR. Außerdem ist die maximale Rundendauer T_C_mx gleich der Summe aller maximalen Zeitschlitzdauern T_S_mx plus die maximale Dauer eines SOCR.
Jede Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 darf auf den Bus 40 nur in dem Zeitschlitz S1, S2, S3, S4 senden, der für die Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 vorgesehen ist. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel darf jede Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 in dem für sie vorgesehenen Zeitschlitz S1, S2, S3, S4 einen einzigen Rahmen 450, 460 auf den Bus 40 senden.
Jede der Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 hat in ihrem Zeitschlitz S1, S2, S3, S4 jeweils eine Sendegelegenheit TO (Transmit Opportunity). Somit kann die Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 in dem ihr zugeordneten Zeitschlitz S1, S2, S3, S4 einen Rahmen 450, 460 senden oder kann die Gelegenheit zum Senden verstreichen lassen. Nach einer minimalen Zeitschlitzdauer T_S_mn ist die Sendegelegenheit TO verstrichen.
Bei dem Beispiel von 3 ist die minimale Runden-Dauer T_C_mn vier Arbitrations-Bitzeiten plus die Zeitdauer eines SOCR, weil 4 Zeitschlitze S1, S2, S3, S4 für die vier Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 bereitstehen. Die minimale Zeitschlitzdauer T_S_mn ist als 1Arbitrations-Bitzeit angenommen.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gelten folgende Grundannahmen. In der ersten Runde C, also nach dem Einschalten des Bussystems 100, werden die Zeitschlitze S1, S2, S3, S4 den einzelnen Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 zugeordnet. Die Zuordnung erfolgt dynamisch über die Rahmen-IDs bzw. Identifizierer 451x, welche die Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 zum Senden ihres ersten Rahmens 450, 460 verwenden. Mittels der Arbitration wird die Sendereihenfolge festgelegt, was der Zuordnung der Zeitschlitze S1, S2, S3, S4 zu den Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 entspricht.
Falls die Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 nicht gleichzeitig eingeschaltet werden, ist die Zuordnung der Zeitschlitze S1, S2, S3, S4 erst dann abgeschlossen, wenn die letzte Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 eingeschaltet ist und wenn jede Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 einen Rahmen 450, 460 gesendet hat. In den nachfolgenden Runden C bleibt die Zuordnung der Zeitschlitze S1, S2, S3, S4 zu den Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 erhalten. Das heißt, es erfolgt keine erneute Arbitration und die Sendereihenfolge ist unverändert. Wenn eine oder mehrere der Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 schlafen gehen und wieder aufwachen, erfolgt eine Re-Integration mit Hilfe des SOCR, der den Anfang jeder Runde C vorgibt. Dies ist später auch anhand von 4 genauer beschrieben. Hat eine Teilnehmerstation ihre Zeitschlitz-Zuordnung vergessen, so kann sie sich auch so integrieren, wie beim ersten Einschalten, das nachfolgend anhand von 3 beschrieben ist. Hierbei wird die Sendereihenfolge durch den verwendeten Rahmen-Identifizierer 451x und durch Arbitration am Bus 40 bestimmt.
Bei der Kommunikation auf dem Bus 40 gilt, dass der SOCR von anderen Rahmen unterscheidbar ist. Das kann beispielsweise durch die Verwendung eines speziellen Rahmen-Identifizierer 451x geschehen. Insbesondere hat der Rahmen-Identifizierer 451x die höchste Priorität und damit die entsprechende Prioritäts-ID. Dieser Rahmen-Identifizierer 451x muss dann allen Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 am Bus 40 bekannt sein. Alternative kann das beispielsweise auch durch einen speziellen Wert in dem Datentypfeld DT im Rahmen erfolgen, das von allen Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 am Bus 40 entsprechend ausgewertet wird. Alternativ oder zusätzlich kann ein vorbestimmtes Bit im Rahmen verwendet werden, um die Information zu transportieren, dass es sich bei diesem Rahmen um einen SOCR handelt. Dann wäre beispielsweise für dieses vorbestimmte Bit der Wert 0=kein SOCR und der Wert 1 = SOCR. Denkbar ist alternativ oder zusätzlich, ein Bit oder Byte im Datenfeld DF für die Kennzeichnung des SOCR zu verwenden.
Möglich ist, dass der SOCR unterschiedlich viel Information in seinem Datenfeld DF aufweist. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist in dem Datenfeld DF des SOCR keine Information enthalten. Somit wird bei dieser Variante keinerlei weitere Information als der Beginn der nächsten Runde C an die Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 mitgeteilt. Dies hat den Vorteil, dass der SOCR so wenig Kommunikationsbandbreite wie möglich verbraucht.
3 zeigt eine Startrunde C_SU, bei welcher in einer Zeitdauer T_C_SU die Zuordnung der Zeitschlitze S1, S2, S3, S4 zu den Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 festgelegt wird. Wie zuvor erwähnt, startet jede Runde C mit einem SOCR. Empfängt eine der Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 den SOCR, ist diese Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 bereit einen der Zeitschlitze S1 bis S4 zum Senden freizugeben, wie nachfolgend genauer beschrieben. Der Zeitschlitz in dem der SOCR gesendet/empfangen wird, entspricht einem Zeitschlitz „S0“. Der Einfachheit halber ist bei dem Beispiel von 3 angenommen, das alle Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 gleich zu Beginn einen Rahmen 450, 460 senden möchten.
In dem Zeitschlitz S1 starten alle Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 gleichzeitig einen Rahmen und nehmen an der Bus-Arbitration teil, wie durch A1234 in 3 dargestellt. Die Teilnehmerstation 4 gewinnt die Arbitration A und sendet ihren Rahmen. Dies ist mit TX4 in 3 dargestellt, wobei TX4 für das Sendesignal TX der Teilnehmerstation 4 steht und der Rahmen auf dem Sendesignal TX4 basiert. Dadurch ist der Zeitschlitz S1 der Teilnehmerstation 4 zugeordnet.
In dem Zeitschlitz S2 starten die Teilnehmerstationen 1, 2, 3 gleichzeitig einen Rahmen und nehmen an der Bus-Arbitration teil, wie durch A123 in 3 dargestellt. Die Teilnehmerstation 2 gewinnt die Arbitration und sendet ihren Rahmen. Dies ist mit TX2 in 3 dargestellt. Dadurch ist der Zeitschlitz S2 der Teilnehmerstation 2 zugeordnet.
Für Zeitschlitz S3 wird eine Arbitration zwischen den Teilnehmerstationen 1, 3 durchgeführt, wie zuvor beschrieben. Letztlich wird bei dem Beispiel von 3 der Zeitschlitz S3 der Teilnehmerstation 1 zugeordnet.
Der Zeitschlitz S4 wird der Teilnehmerstation 3 zugeordnet. Eine Arbitration erfolgt nicht mehr, weil die anderen Teilnehmerstationen 1, 2, 4 in dem Zeitschlitz S4 nichts senden.
Daher ist die TX-Sendereihenfolge durch die Arbitration im Folgenden als TX_4_2_1_3 festgelegt.
Danach kann ein Normalbetrieb des Bussystems 100 beginnen. Eine mögliche Runde C im Betrieb könnte eine Runde C_B sein, die in 3 im rechten Teil der Abbildung dargestellt ist. In der Runde C_B bleibt die TX-Sendereihenfolge unverändert als TX_4_2_1_3 festgelegt. In der Runde C_B senden die Teilnehmerstationen 3, 4. Dagegen senden die Teilnehmerstationen 1, 2 nicht. Daher nutzen die Teilnehmerstationen 3, 4 ihre Sendegelegenheit TO. Die Teilnehmerstationen 1, 2 lassen ihre Sendegelegenheit TO jedoch verstreichen. Somit ergibt sich eine mittlere Runden-Dauer T_C_B. Die maximale Rundendauer T_C_mx ergibt sich dann, wenn in jedem Zeitschlitz S1 bis S4 von der zugehörigen Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 ein Rahmen 450, 460 mit maximaler Länge gesendet wird. Die Zahl 1 in Zeitschlitz S3 drückt aus, dass dieser Zeitschlitz der Teilnehmerstation 1 zugeordnet ist. Die Zahl 2 in Zeitschlitz S2 drückt aus, dass dieser Zeitschlitz der Teilnehmerstation 2 zugeordnet ist. Analog gilt dies für die Zeitschlitze S1 und S4 und die Teilnehmerstationen 3, 4
Zur Umsetzung der zuvor beschriebenen Zeitplanung für ein Senden von Rahmen 450, 460 auf den Bus 40 ist jede der Zeitplanungseinheiten 15, 25, 35 aufgebaut, wie nachfolgend beschrieben.
Jede Master-Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 am Bus 40 kennt die Anzahl SN der Zeitschlitze S1, S2, S3, S4 pro Runde C. Im einfachsten Fall entspricht die Anzahl der Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 am Bus 40 der Zahl der Zeitschlitze S1, S2, S3, S4 pro Runde C, so dass sich eine 1:1 Zuordnung von Zeitschlitzen und Teilnehmerstationen ergibt. Die Anzahl SN der Zeitschlitze S1, S2, S3, S4 pro Runde C ist in den Zeitplanungseinheiten 15, 25, 35 der mindestens einen Master-Teilnehmerstation hinterlegt.
Generell gilt, dass eine beliebige Teilnehmerstation des Bussystems 100 die zuvor und im Folgenden beschriebenen Funktionen der Master-Teilnehmerstation übernehmen kann. Somit sind die Master-Teilnehmerstation und eine normale Teilnehmerstation keine zwei getrennten Teilnehmerstationen. Somit kann eine Teilnehmerstation beide Funktionen übernehmen, z.B. könnte die Teilnehmerstation 1 auch zusätzlich die Master-Teilnehmerstation sein.
Der normale Betrieb beginnt für eine Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4, sobald die Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 weiß, welche Zeitschlitz-Nummer ihr zugeordnet ist. Dies ist gemäß 3 der Fall, wenn die Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 ihren ersten Rahmen gesendet hat. Da jede Runde C mit einem SOCR beginnt, setzt die Master-Teilnehmerstation den Zählwert Scnt des Zählmoduls 15, 25, 35 ihrer Zeitplanungseinheit 15, 25, 35 nach dem Senden des SOCR auf Scnt:= 1. Außerdem setzt jede Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 den Zählwert Scnt des Zählmoduls 15, 25, 35 ihrer Zeitplanungseinheit 15, 25, 35 nach dem Empfang des SOCR auf Scnt:= 1. Ab jetzt zählt das Zählmodul 151, 251, 351 mit mindestens einem Zähler die Zahl der empfangenen Rahmen 450, 460 auf dem Bus 40 und die Zahl der verstrichenen Sendegelegenheiten TO. Hierbei zählt das Zählmodul 151, 251, 351 pro empfangenen Rahmen 450, 460 und pro verstrichener Sendegelegenheit TO, so dass der Zählwert Scnt des mindestens einen Zählers jeweils um 1 inkrementiert wird und damit gilt Scnt := Scnt + 1.
Sobald das Rahmenstartbit (Start-of-Frame-Bit) eines Rahmens 450, 460 auf dem Bus 40 gesendet wird, wertet das Zählmodul 151, 251, 351 den Rahmen 450, 460 als gesendeten Rahmen 450, 460 auf dem Bus 40. Dies gilt auch, wenn die Übertragung vom Sender abgebrochen wird, beispielsweise durch einen Fehlerrahmen 47 wegen eines Fehlers.
Gilt in dem Zählmodul 151, 251, 351 einer Teilnehmerstation für den Zählwert Scnt == eigene Zeitschlitz-Nummer, ist der nächste Zeitschlitz der eigene Zeitschlitz. Somit hat die Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 nach dem Zählwert Scnt == eigene Zeitschlitz-Nummer in dem nächsten Zeitschlitz die eigene Sendegelegenheit TO. Jetzt kann die betroffene Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 einen Rahmen 450, 460 senden oder die Sendegelegenheit TO verstreichen lassen. Hierbei zählt die Master-Teilnehmerstation mit ihrem Zählmodul 151, 251, 351 von 1 bis SN. Die einfachen Teilnehmerstationen zählen mit ihrem Zählmodul 151, 251, 351 von 1 bis „eigene Zeitschlitz-Nummer“, Danach können die einfachen Teilnehmerstationen, genauer gesagt ihr Zählmodul 151, 251, 351 weiter zählen oder nicht.
Gilt in dem Zählmodul 151, 251, 351 einer Master-Teilnehmerstation für den Zählwert Scnt == SN, ist der nächste Zeitschlitz derjenige Zeitschlitz, in dem das SOCR gesendet werden muss. Jetzt kann die Master-Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 einen SOCR Rahmen 450, 460 senden. Falls es mehrere Master gibt, starten alle Master-Teilnehmerstationen das Senden des SOCR in diesem Zeitschlitz. Mittels Arbitration wird sich der SOCR mit der höchsten Priorität durchsetzen.
Außerdem merkt sich die Zeitplanungseinheit 15, 25, 35 einer Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 den Zählwert Scnt als eigene Zeitschlitz-Nummer, wenn die Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 einen Rahmen senden konnte. Wenn sie ihre Sendegelegenheit TO verstreichen lässt, behält sie die eigene Zeitschlitz-Nummer aus der letzten Runde C.
Dies ist dann notwendig, wenn die Sendereihenfolge am Bus 40 neu vergeben wird und es dadurch wieder zu einer Arbitration kommt. Dies kann der Fall sein, wenn eine der Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 wieder aufgeweckt wurde und diese dann wieder an der Buskommunikation teilnehmen will. Dies ist anhand von 4 nachfolgend genauer beschrieben.
Nach dem Einschalten oder dem Aufwachen ist es den Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 unbekannt, welcher der Zeitschlitze S1, S2, S3, S4 pro Runde C der jeweiligen Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 zugeordnet ist.
4 zeigt den Fall, dass die Teilnehmerstation 3 zunächst schlief und dann wieder aufgeweckt wurde. Die nachfolgende Beschreibung gilt auch, wenn mehrere Teilnehmerstationen wieder eingeschaltet werden und gleichzeitig versuchen, sich zu re-integrieren.
Beispielsweise ist die Teilnehmerstation 3 zu dem Zeitpunkt t1 in 4 wieder aufgewacht und bereit zum Senden. Bis zu diesem Zeitpunkt und somit auch bis zu dem Zeitpunkt, bevor die Teilnehmerstation 3 schlafen gelegt wurde, war die Sendereihenfolge als TX_1_2_3_4 festgelegt, wie auf der linken Seite in 4 mit den Zahlen in den Zeitschlitzen gezeigt. Danach wartet die Teilnehmerstation 3, bis sie den SOCR empfängt. Da die Teilnehmerstation 3 ihre eigene Zeitschlitz-Nummer vergessen hat, versucht die Teilnehmerstation 3 nach dem Empfang des SOCR, also ab dem Zeitpunkt t2, einen Rahmen zu senden. Da der Zeitschlitz S1 jedoch der Teilnehmerstation 1 zugeordnet ist und auch diese versucht, ihren Rahmen zu senden, führt dies zu einer Arbitration am Bus 40.
Bei dem Beispiel von 4 findet daher in einem Zeitschlitz S1 eine Arbitration zwischen den Rahmen der Teilnehmerstationen 1, 3 statt, wie mit A13 in 4 dargestellt. Bei dem Beispiel von 4 gewinnt der Rahmen der Teilnehmerstation 1 die Arbitration, so dass letztlich das Sendesignal TX1 der Teilnehmerstation 1 in dem Zeitschlitz S1 gesendet wird und die Teilnehmerstation 1 ihren Zeitschlitz S1 behält.
Da der Rahmen der Teilnehmerstation 3 die Arbitration verloren hat, wiederholt die Teilnehmerstation 3 das Senden ihres Rahmens so oft, bis der Rahmen die Arbitration gewonnen hat und die Teilnehmerstation 3 ihren Rahmen senden kann oder aufgrund eines Bus-Fehlers den Sendeversuch abbricht. Jede Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 kann in einer Runde C einen Rahmen senden.
Daher arbitrieren die Rahmen der Teilnehmerstationen 2, 3 in dem Zeitschlitz S2 wie mit A23 in 4 dargestellt. Bei dem Beispiel von 4 gewinnt der Rahmen der Teilnehmerstation 2 die Arbitration, so dass letztlich das Sendesignal TX2 der Teilnehmerstation 2 in dem Zeitschlitz S2 gesendet wird. Damit behält die Teilnehmerstation 2 auch ihren Zeitschlitz S2.
In dem nächsten Zeitschlitz S3 versucht nur die Teilnehmerstation 3 ihren Rahmen zu senden. Die anderen Teilnehmerstationen 1, 2, 4 senden in dem Zeitschlitz S3 nicht, da der Zeitschlitz S3 zuvor der Teilnehmerstation 3 zugeordnet war. In dem Zeitschlitz S3 findet daher keine Arbitration statt. Damit kann die Teilnehmerstation 3 ihren Rahmen senden und hat ihren Zeitschlitz S3 wiedergefunden.
Danach kann auch für die Teilnehmerstation 3 wieder der normale Betrieb beginnen, da die Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 wieder weiß, welcher Zeitschlitz S1, S2, S3 S4 ihr zugeordnet ist, d.h. welche ihre eigene Zeitschlitz-Nummer ist.
Der Rahmen-Identifizierer 451x kann für jeden Rahmen 450, 460 beliebig gewählt werden, so lange die bei CAN übliche Regel eingehalten wird, dass jeder Identifizierer 451x nur exklusiv von einer Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 verwendet wird. Es ist jedoch alternativ denkbar, dass jede Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 zum Senden aller ihrer Rahmen nur einen einzigen Identifizierer 451x verwendet.
Abweichend von dem Beispiel von 4 gilt Folgendes. Hätte die Teilnehmerstation 3 einen höherprioren Rahmen-Identifizierer 451x verwendet als die Teilnehmerstation 1, so hätte die Teilnehmerstation 3 ihren Rahmen schon in dem Zeitschlitz S1 senden können. Damit hätte die Teilnehmerstation 3 den Zeitschlitz S1 von der Teilnehmerstation 1 übernommen. In diesem Fall hätte die Teilnehmerstation 1 ihren Rahmen dann spätestens in dem Zeitschlitz S3 senden können, da in dem Zeitschlitz S3 dann keine andere Teilnehmerstationen 2, 3, 4 senden würde.
Dadurch kann je nach Ergebnis der Arbitration, die Zuordnung der Zeitschlitze S1, S2, S3, S4 neu verteilt werden.
Ein Vorteil dieses Ausführungsbeispiels ist, dass die Realisierung sehr unaufwändig in der Konfiguration ist. Im einfachsten Fall, bei dem jeder Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 exakt ein Zeitschlitz S1, S2, S3, S4 zugeordnet ist, kommt das Bussystems 100 für die beschriebene Kommunikation mit den Zeitplanungseinheiten 15, 25, 35 ohne Konfiguration aus. Es reicht aus, dass nur die Master-Teilnehmerstation die Anzahl N der Teilnehmerstationen am Bus 40 und somit die Anzahl SN kennt.
Ein weiterer Vorteil des vorliegenden Ausführungsbeispiels liegt darin, dass die Kommunikation am Bus 40 durch die Arbitration selbstorganisierend ist, da die Zuordnung der Zeitschlitze S1, S2, S3, S4 zu den Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 über die Arbitration dynamisch erfolgt.
Die zeitliche Verzögerung im ungünstigsten Fall (Worst-Case Delay) für den Buszugriff einer Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 ist ungefähr wie bei PLCA von 10BASE-T1S, nämlich 2*SN maximale Rahmenlängen plus die Rahmenlänge des SOCR.
Außerdem hat das vorliegende Ausführungsbeispiel insbesondere den folgenden Vorteil. Kommt es durch einen Fehler in einer der Zeitplanungseinheiten 15, 25, 35 dazu, dass eine Teilnehmerstation im falschen Zeitschlitz sendet, dann führt das lediglich zu einer Arbitration und zu einer eventuellen Verzögerung des Sendens. Jedoch kann ein solcher Fehler nicht zum Zerstören der beiden Rahmen auf dem Bus führen, was zu einem Datenverlust führen kann.
Gemäß einer Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels ist mindestens ein Backup-Master vorgesehen. Dadurch gibt es auch für den Fall am Bus 40 mindestens eine Master-Teilnehmerstation, die regelmäßig den SOCR sendet. Auch der Backup-Master verwendet für den SOCR einen festen Rahmen-Identifizierer 451x. Dadurch kann kein „Single Point of Failure“ auftreten, bei welchem keine Master-Teilnehmerstation mehr vorhanden ist. Der mindestens eine Backup-Master kann von einer der Teilnehmerstationen 10, 20, 30 des Bussystems 100 realisiert sein.
Jeder Backup-Master verwendet für den von ihm gesendeten SOCR einen vorbestimmten Rahmen-Identifizierer 451x. Idealerweise haben die Rahmen-Identifizierer 451x der Backup-Master eine niedrigere Priorität als der Rahmen-Identifizierer 451x der Master-Teilnehmerstation.
Fällt die Master-Teilnehmerstation aus, gibt es zwei Möglichkeiten, wie der mindestens eine Backup-Master einspringen kann.
Gemäß einer ersten Variante starten die Master-Teilnehmerstation und alle Backup-Master immer gleichzeitig den SOCR. Da die Master-Teilnehmerstation und alle Backup-Master verschiedene Rahmen-Identifizierer 451x verwenden und da der Rahmen-Identifizierer 451x der Master-Teilnehmerstation die höchste Priorität hat, gewinnt die Master-Teilnehmerstation die Arbitration. Die Backup-Master erkennen das und unternehmen keinen weiteren SOCR-Sendeversuch in dieser Runde C. Jede Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 am Bus 40 erkennt aufgrund des Rahmen-Identifizierers 451x, welcher Master den SOCR gesendet hat.
Gemäß einer zweiten Variante wird von den Backup-Mastern geprüft, ob der vorgesehene Master den SOCR sendet oder nicht sendet wie erwartet. Das „Nicht Senden“ wird von den Backup-Mastern nach Ablauf einer vorbestimmten Wartezeit (Time-Out) erkannt. Beispielsweise beträgt die vorbestimmte Wartezeit (Time-Out) eine Arbitrations-Bitzeit. Der Backup-Master springt nach der vorbestimmten Wartezeit (Time-Out) ein und sendet seinen SOCR, so dass der „Single Point of Failure“ vermieden werden kann.
5 zeigt einen Zeitablauf bei dem Bussystem 100 zur Veranschaulichung einer Kommunikation gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Im Unterschied zu dem Zeitablauf der Kommunikation gemäß dem vorangehenden Ausführungsbeispiel ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die eigene Zeitschlitz-Nummer schon fest vorgegeben. Dies wird erreicht, indem auf dem Bus 40 fest zugeordnete Zeitschlitz-Nummern verwendet werden. Dadurch ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Re-Integrations-Verfahren überflüssig, da jede Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4, des Busses 40 den ihr zugeordneten Zeitschlitz S1, S2, S3, S4 kennt.
Die Zuordnung der Zeitschlitze kann implizit erfolgen, beispielsweise ist der Teilnehmerstation 1 der Zeitschlitz 1 zugeordnet, der Teilnehmerstation 2 ist der Zeitschlitz 2 zugeordnet, usw., wie in 5 als Beispiel gezeigt.
Alternativ kann die Zuordnung der Zeitschlitze explizit erfolgen, insbesondere im SOCR, mitgeteilt werden.
Erfolgt die Zuordnung explizit mit dem SOCR, werden in dem Datenfeld DF des SOCR Informationen übertragen. Hierbei ist es möglich, dass in dem Datenfeld DF des SOCR die Anzahl SN der Zeitschlitze und die Zeitschlitz-Zuordnung zu den Teilnehmerstationen des Busses 40 enthalten ist. Demzufolge wird mit dem Datenfeld DF des SOCR an die Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 die Anzahl SN der Zeitschlitze in der nun folgenden Runde mitgeteilt sowie auch die Zuordnung der Zeitschlitze zu den Teilnehmerstationen des Busses 40 mitgeteilt. In diesem Fall besteht die Option, dass in jeder Runde C die Anzahl SN der Zeitschlitze und die Zeitschlitz-Zuordnung zu den Teilnehmerstationen des Busses 40 beliebig festgelegt sein kann und somit in jeder Runde C anders sein kann.
Beispielsweise steht im ersten Byte im Datenfeld DF des SOCR die Anzahl SN der Zeitschlitze in der nun beginnenden Runde. Außerdem kann in den nachfolgenden Bytes im Datenfeld DF des SOCR die Zuordnung der Zeitschlitze zu den Teilnehmerstationen des Busses 40 enthalten sein. Beispielsweise enthält somit nach dem Byte 0 das Byte 1 im Datenfeld DF die Zuordnung von Zeitschlitz S1 zu einer Teilnehmerstation-Nummer, Byte 2 die Zuordnung von Zeitschlitz S2 zu einer Teilnehmerstation-Nummer, usw.
Damit kann die Bandbreite, also die Anzahl und/oder die Länge von Zeitschlitzen S1, S2, S3, S4, die einer Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 des Busses 40 zugesichert wird, im Betrieb sehr einfach erhöht oder gesenkt werden. Hierbei ergibt sich die Länge der Zeitschlitze S1, S2, S3, S4 durch die Länge des mindestens einen gesendeten Rahmens. Beispielsweise kann auf einen speziellen Betriebsmodus umgeschaltet werden, insbesondere das Flashen in der Werkstatt, wo dem Sender eine besonders hohe Bandbreite zugestanden wird. Alternativ oder zusätzlich kann auf einen Sicherheitsnotfall reagiert werden. Ein solcher Notfall könnte sein, dass eine Komponente ausfällt. Unter einer solchen Bedingung könnte mindestens einer eher unwichtigen Teilnehmerstation die Kommunikation vollständig oder zumindest teilweise untersagt werden. Damit wird erreicht, dass zusätzlichen Rahmen Bandbreite zugeteilt werden kann.
Durch die Auswertung der Information zu der Zuordnung der Zeitschlitze S1, S2, S3, S4, beispielsweise aus dem vom Bus 40 empfangenen SOCR, ist für die jeweilige Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 des Busses 40 die Zuordnung der Zeitschlitze S1, S2, S3, S4 in der Runde C sichtbar. Daher wird folgendermaßen vorgegangen.
Im Betrieb des Busses 40 gemäß 5 weiß somit jede Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 am Bus 40, genauer gesagt jede Zeitplanungseinheit 151, 251, 351, dass eine neue Runde C immer mit einem SOCR beginnt. Jede Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 am Bus 40, genauer gesagt jede Zeitplanungseinheit 151, 251, 351, weiß, welcher Zeitschlitz S1, S2, S3, S4 der Teilnehmerstation zugeordnet ist. Somit weiß jede Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 am Bus 40, genauer gesagt jede Zeitplanungseinheit 151, 251, 351, in welchem Zeitschlitz S1, S2, S3, S4 die Teilnehmerstation senden darf.
Dadurch, dass die Zeitschlitze S1, S2, S3, S4 den Teilnehmerstationen S1, S2, S3, S4 schon zugeordnet sind und jede Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 immer nur in ihrem Zeitschlitz S1, S2, S3, S4 sendet, erfolgt keine Arbitration. Somit muss nicht zwischen den zwei Fällen „Re-Integration nach dem Einschalten“ und „Normaler Betrieb“ unterschieden werden. Es gibt nur den normalen Betrieb, der bereits in Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel beschrieben ist.
Gemäß 5 ist der Teilnehmerstation 1 der Zeitschlitz S1 zugeordnet, der Teilnehmerstation 2 ist der Zeitschlitz S2 zugeordnet, der Teilnehmerstation 3 ist der Zeitschlitz S3 zugeordnet und der Teilnehmerstation 4 ist der Zeitschlitz S4 zugeordnet. Dies ist auf der linken Seite von 5 veranschaulicht. Die Zuordnung ist z.B. durch Konfiguration der Zeitplanungseinheit erfolgt.
Bei dem Beispiel von 5 wird die Teilnehmerstation 3 eingeschaltet und ist bei dem Zeitpunkt t4 bereit, an der CAN-Kommunikation teilzunehmen. Anschließend wartet die Teilnehmerstation 3 beispielsweise auf den SOCR. Mit dem Empfang es SOCR ist die Teilnehmerstation 3 synchronisiert. Danach wartet die Teilnehmerstation 3 auf den ihr zugeordneten Zeitschlitz, also bei dem Beispiel von 5 auf den zeitschlitz S3. Die Teilnehmerstation 3 kann dann ab einem Zeitpunkt t5 ihren Rahmen senden.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel wird somit die Teilnehmerstation-Nummer vom System-Integrator bzw. vom Konfigurator des Bussystems 100 vorgegeben. Daher ist die Reihenfolge der Kommunikation auf dem Bus 40 nicht mehr selbstorganisierend, sondern sie wird vorgegeben, nämlich über die Zuweisung der Teilnehmerstation-Nummer und optional zusätzlich über die Information im SOCR. Die Teilnehmerstationen dürfen dann nur in einer festgelegten Reihenfolge senden.
Diese Ausführungsvariante ist auch robuster hinsichtlich des Zählens der Zeitschlitze, da die Zuordnung der Zeitschlitze bereits fest vorgegeben ist. Außerdem hat auch das dritte vorliegende Ausführungsbeispiel insbesondere den zuvor genannten Vorteil, dass kein Rahmen zerstört wird, wenn es durch einen Fehler in einer der Zeitplanungseinheiten 15, 25, 35 dazu kommt, dass eine Teilnehmerstation im falschen Zeitschlitz sendet. Ein solcher Fehler führt lediglich zu einer Arbitration jedoch nicht zum Zerstören der beiden Rahmen auf dem Bus.
6 zeigt einen Zeitablauf bei dem Bussystem 100 zur Veranschaulichung einer Kommunikation gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
Im Unterschied zu dem Zeitablauf der Kommunikation gemäß dem vorangehenden Ausführungsbeispiel ist es bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel auch möglich, dass eine Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 nach dem Einschalten oder Aufwachen noch schneller wieder auf die Zeitschlitz-Nummer synchronisiert ist als bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen.
Daher wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Teilnehmerstation-Nummer als zusätzliche Information in den Rahmen 450, 460 übertragen. Dadurch ist am Bus 40 bzw. durch Auswertung des vom Bus 40 empfangenen Rahmens sichtbar, welche Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 des Busses 40 derzeit sendet. Damit ist für jede Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 bekannt, welche Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 derzeit sendet und somit welche Nummer der aktuelle Zeitschlitz S1, S2, S3, S4 hat. Hierfür wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel folgendermaßen vorgegangen.
Die Teilnehmerstation-Nummer kann an verschiedenen Stellen im Rahmen 450, 460 übertragen werden. Beispielsweise kann die Prioritäts-ID, die gleich dem Rahmen-Identifizierer 451x ist, der Teilnehmerstation-Nummer der Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 entsprechen. Alternativ oder zusätzlich kann die Teilnehmerstation-Nummer im Datenfeld DF oder mit via Datentypfeld (DataType Feld) DT übertragen werden.
Bei dem Beispiel von 6 ist die Zuordnung der Zeitschlitze S1, S2, S3, S4 zu den Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 auf der linken Seite von 6 zu sehen. Der Zeitschlitz S1 ist der Teilnehmerstation 1 zugeordnet, usw. und der Zeitschlitz S4 ist der Teilnehmerstation 4 zugeordnet.
Die Teilnehmerstation 3 wird eingeschaltet und ist bei dem Beispiel von 6 bei dem Zeitpunkt t6 bereit, um an der CAN Kommunikation Teil zu nehmen. Anschließend wartet die Teilnehmerstation 3 auf den SOCR oder auf einen anderen Rahmen, um sich auf die Zeitschlitz-Nummern zu synchronisieren. Bei dem Zeitpunkt t7 hat die Teilnehmerstation 3 einen Rahmen von der Teilnehmerstation 2 empfangen Sobald die Teilnehmerstation 3 die im Rahmen der Teilnehmerstation 2 übertragene Teilnehmerstation-Nummer empfangen hat, weiß die Teilnehmerstation 3, dass der soeben verstrichene Zeitschlitz der Zeitschlitz S2 ist. Dadurch ist die Teilnehmerstation 3 auf die Zeitschlitz-Nummern synchronisiert. Da bei diesem Beispiel direkt anschließend der Zeitschlitz S3 kommt, kann die Teilnehmerstation in dem Zeitschlitz S3 ihren Rahmen mit dem Sendesignal TX3 senden. Hätte die Teilnehmerstation 2 ihre Sendegelegenheit TO verstreichen lassen, hätte die Teilnehmerstation 3 wenige Bits später den SOCR empfangen und wäre damit auch auf die Zeitschlitze S synchronisiert.
Sehr vorteilhaft ist bei dem dritten Ausführungsbeispiel, dass eine wieder eingeschaltete oder aufgewachte Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 aufgrund der im Zeitschlitz S1, S2, S3, S4 übertragenen Teilnehmerstation-Nummer schneller auf die fest zugeordneten Zeitschlitz-Nummern S1, S2, S3, S4 bzw. die in der Kommunikation am Bus 40 vorhandenen Zeitschlitz-Nummern S1, S2, S3, S4 synchronisiert ist als bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen. Somit wird die zeitliche Verzögerung im ungünstigsten Fall (Worst-Case Delay) für den Buszugriff einer Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 auf 1*SN maximale Rahmenlängen plus die Rahmenlänge des SOCR reduziert. Damit ist die zeitliche Verzögerung im ungünstigsten Fall ca. um die Hälfte geringer als bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen.
Diese Ausführungsvariante ist auch robuster hinsichtlich des Zählens der Zeitschlitze, da die Zeitschlitznummer auf dem Bus 40 zu sehen ist. Noch dazu hat auch das vorliegende Ausführungsbeispiel insbesondere den bereits zuvor genannten Vorteil, dass kein Rahmen zerstört wird, wenn es durch einen Fehler in einer der Zeitplanungseinheiten 15, 25, 35 dazu kommt, dass eine Teilnehmerstation im falschen Zeitschlitz sendet. Ein solcher Fehler führt lediglich zu einer Arbitration jedoch nicht zu einer Zerstörung der beiden Rahmen auf dem Bus.
7 zeigt einen Zeitablauf bei dem Bussystem 100 zur Veranschaulichung einer Kommunikation gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. Hierfür zeigt 7 in ihrem linken Teil eine Runde mit einer minimalen Rundenzeitdauer T_C_mn, in welcher alle Zeitschlitze S1 bis S4 jeweils mindestens zwei Arbitrations-Bitzeiten haben. Beispielsweise hat der Zeitschlitz S3 eine erste Bitzeit B1_S3 und eine zweite Bitzeit B2_S3. Dasselbe gilt für die anderen Zeitschlitze S1, S2, S4.
Eine Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4, die in einem Zeitschlitz S1, S2, S3, S4 ihre Sendegelegenheit TO hat, muss ihren Rahmen im ersten Bit des ihr zugeordneten Zeitschlitzes S1, S2, S3, S4 starten, um einen Rahmen garantiert senden zu können. Somit verstreicht im Zeitschlitz S1, S2, S3, S4 kein Bit. Lässt eine Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 das erste Bit ihres Zeitschlitzes S1, S2, S3, S4 verstreichen, so hat die Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 auch ihre Sendegelegenheit TO verstreichen lassen, die der Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 den Versand eines Rahmes garantiert hätte. Somit möchte die Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 derzeit keinen Rahmen senden.
Als Folge davon kann eine andere Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 nun diesen Zeitschlitz S1, S2, S3, S4 zum Senden nutzen. Es ist jedoch möglich, dass beispielsweise die Teilnehmerstation 1 ihre erste Bitzeit B1_S1 ihres Zeitschlitzes S1 verstreichen lässt, aber dann in der zweiten Bitzeit B2_S1 ihres Zeitschlitzes S1 doch mit dem Senden eines Rahmens beginnt. Somit können bei diesem Beispiel alle Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 im zweiten Bit B2_S1 des Zeitschlitzes S1 einen Rahmen starten. Die Rahmen können auch um diesen freien Zeitschlitz S1 „kämpfen“, also am Bus 40 arbitrieren. Damit derjenige Rahmen die Arbitration gewinnt, der die höchste Priorität hat, können die Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 für ihre Rahmen, die im zweiten Bit eines Zeitschlitzes beginnen, Identifizierer 451x verwenden, die zur Priorität des Rahmens passen. Durch die Arbitration wird sich der Rahmen mit der höchsten Priorität durchsetzen.
Durch diese Ausgestaltung der minimalen Dauer T_S_mn der Zeitschlitze S1 bis S4 ist es möglich, dass eine der Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 die Sendegelegenheit TO einer anderen Teilnehmerstation nutzt, weil aus einer ungenutzt verstrichenen ersten Bitzeit klar ist, dass die entsprechende Teilnehmerstation ihre garantierte Sendegelegenheit TO nicht genutzt hat.
Bei dem Beispiel von 7 nutzt die Teilnehmerstation 4 den ihr zugeordneten vierten Zeitschlitz S4 zum Senden des Sendesignals TX4 in einem Rahmen. Zu einem Zeitpunkt t8 während des Zeitschlitzes S4 ist die Teilnehmerstation 3 bereit, einen Rahmen zu senden. Da die Teilnehmerstation 1 keinen Rahmen versendet - die erste Bitzeit B1_S1 verstreicht ungenutzt - sendet die Teilnehmerstation 3 ab dem Zeitpunkt t9 das Sendesignal TX3 als Rahmen in der zweiten Bitzeit B2_S1 des Zeitschlitzes S1. Der zweite und dritte Zeitschlitz S2, S3 wird jeweils von der zugehörigen Teilnehmerstation 2, 3 genutzt. Somit werden die Sendesignale TX2, TX3 jeweils in einem Rahmen auf den Bus 40 gesendet. Da die Teilnehmerstation 4 keinen Rahmen versendet - die erste Bitzeit B1_S4 verstreicht ungenutzt - senden die Teilnehmerstationen 1, 2 ab dem Zeitpunkt t10 Rahmen auf den Bus 40. Bei der folgenden Arbitration gewinnt die Teilnehmerstation 2, so dass das Sendesignal TX2 als Rahmen in dem Zeitschlitz S4 auf den Bus 40 gesendet wird.
Ein Vorteil des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist, dass eine deterministische Zuteilung der Kommunikationsbandreite mit einem Datenverkehr mit bestem Aufwand (Best-Effort- Datenverkehr) mischbar ist. Der Datenverkehr mit bestem Aufwand kommt nur zustande, wenn manche Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 die ihnen zugeteilte Bandbreite, also den Sendeschlitz S1, S2, S3, S4, nicht nutzen.
Ein weiterer großer Vorteil des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist, dass die zeitliche Verzögerung im ungünstigsten Fall (Worst-Case Delay) für den Buszugriff dadurch nur minimal zunimmt. Die zeitliche Verzögerung nimmt minimal zu, weil die Teilnehmerstationen erst eine Bitzeit abwarten, bevor sie einen anderen Zeitschlitz verwenden.
Prinzipiell kann die minimale Zeitschlitzdauer T_S_mn alternativ drei oder mehr Arbitrations-Bitzeiten lang sein. Die Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 am Bus 40 können dann in verschiedene Prioritätsklassen eingeteilt werden. Je niedriger die Prioritätsklasse einer Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4, desto später innerhalb eines freibleibenden Zeitschlitzes darf die Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 eine Sendung starten.
Gemäß einer Modifikation des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist die Ausgestaltung mit mindestens zwei Bitzeiten dazu verwendbar, dass sich Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 nach einem Aufwachen oder Einschalten so Re-Integrieren, dass eine sendende Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 nicht benachteiligt wird, indem der sendenden Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 der ihr zugeordnete Zeitschlitz S1, S2, S3, S4 weggenommen wird. Dazu verwendet möglichst jede Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 zur Re-Integration nur Zeitschlitze S1, S2, S3, S4, die im ersten Bit vom eigentlichen Zeitschlitz-Inhaber nicht verwendet wurden. Sendet die sich re-integrierende Teilnehmerstation der Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 ab dem zweiten Bit des Zeitschlitzes S1, S2, S3, S4 ihren Rahmen und gewinnt sie die Arbitration und kann den Rahmen erfolgreich senden, das heißt fehlerfrei, so wird ihr anschließend der Zeitschlitz, zugeordnet.
8 zeigt einen Zeitablauf bei dem Bussystem 100 zur Veranschaulichung einer Kommunikation gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel.
Im Unterschied zu den vorangehenden Ausführungsbeispielen ist die Kommunikationsbandreite am Bus 40 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht gleichmäßig zwischen den Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 verteilt. Stattdessen wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein sogenanntes WRR-Verfahren (Weighted Round Robin Verfahren) eingesetzt. Dabei bekommt jede Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 einen weiteren Parameter W (weight = Gewicht), der in der zugehörigen Zeitplanungseinheit 15, 25, 35 bei der Konfiguration einstellbar ist. Der Parameter W gibt die Zahl der Rahmen 450, 460 an, welche die Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 pro Runde C senden darf. Eine Teilnehmerstation 1, 2, 3, 4 bekommt dazu W Zeitschlitze zur Verfügung gestellt. Daher entspricht der in der mindestens einen Master-Teilnehmerstation eingestellte Parameter SN jetzt nicht mehr der Anzahl der Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4, sondern der Summe aller Werte des Parameters W.
8 zeigt ein Beispiel mit vier Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4, bei denen für die Teilnehmerstation 1 der Parameter W = 2 eingestellt ist. Dagegen ist für die anderen Teilnehmerstationen 2, 3, 4 jeweils ein Parameter W = 1 eingestellt. Somit berechnet sich die Anzahl SN der Zeitschlitze als SN = 2 + 1 + 1 + 1 = 5. Demzufolge hat eine Runde C eine Anzahl von 5 Zeitschlitzen, nämlich S1, S2, S3, S4, S5. Hierbei kann die Teilnehmerstation 1 pro Runde zwei Rahmen 450, 460 senden, nämlich in den Zeitschlitzen S1 und S2. Die anderen Teilnehmerstationen 2, 3, 4 können pro Runde C jeweils nur einen Rahmen 450, 460 senden.
9 zeigt zur Erläuterung eines sechsten Ausführungsbeispiels eine Differenzspannung V-diff, die sich aus der Differenz der Bussignale CAN_H und CAN_L auf dem Bus 40 berechnet.
Gemäß 9 sendet eine Teilnehmerstation 1, 2, 3, die ihre Sendegelegenheit TO nicht verwendet, einen kurzen Dominantpuls P am Anfang der Bits B1_S1, B1_S2, B1_S3, usw. in ihrem Zeitschlitz S1, S2, S3. Bei dem Beispiel von 9 wird in jedem Zeitschlitz S1, S2, S3 nur ein Bit, nämlich das Bit B1 gesendet, da die minimale Zeitschlitzdauer T_S_mn hier mit einer Arbitrations-Bitzeit angenommen ist. Die Bits werden von den empfangenden Teilnehmerstationen 1, 2, 3 bei einem Abtastzeitpunkt t_A abgetastet. Wenn die minimale Dauer T_S_mn eines Zeitschlitzes mehreren Arbitrations-Bitzeiten entspricht, dann kann die Teilnehmerstation, der der Zeitschlitz zugeordnet ist, am Anfang jedes Bits einen dominanten Puls P senden, wenn die Teilnehmerstation ihre Sendegelegenheit TO verstreichen lässt.
Hierbei sendet die zugehörige Teilnehmerstation 1, 2, 3 in den rezessiven Bits ihres Zeitschlitzes S1, S2, S3 einen Dominantpuls P von z.B. 200 ns. Alle CAN Teilnehmerstationen 1, 2, 3 synchronisieren sich auf die rezessiv-dominant-Flanke S_F des Dominantpulses P. Da die Arbitrations-Bitzeit gemäß der zuvor genannten Spezifikation auf 1000 ns bzw. 1 Mbit/s limitiert ist, ist ein entsprechender Puls P von 200ns nicht einschränkend. Alle Teilnehmerstationen 1, 2, 3 tasten das eigentlich rezessive Bit B1 trotz des Dominantpulses P als rezessiv ab, weil der Puls P am Abtastzeitpunkt t_A schon lange wieder zu Ende ist.
Hierdurch ist es möglich, dass die Teilnehmerstationen 1, 2, 3 die Synchronisation zu den Zeitschlitzen S1, S2, S3 nicht verlieren, auch wenn in der Kommunikation auf dem Bus 40 lange Idle Phasen vorkommen, in denen alle Teilnehmerstationen 1, 2, 3 ihre Sendegelegenheit TO nicht nutzen. Mittels der Dominantpulse P können die Teilnehmerstationen 1, 2, 3 synchronisiert gehalten werden.
Somit kommt das Bussystem 100 mit Takten zurecht, die relativ hohe Toleranzen haben. Hierbei synchronisieren sich die Teilnehmerstationen 1, 2, 3 auf rezessivdominant-Flanken am Bus 40.
Gemäß einem siebenten Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass eine oder mehrere Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 der vorangehenden Ausführungsbeispiele mehrere Rahmen pro Zeitschlitz S1, S2, S3, S4 senden. Diese Ausgestaltung ist beispielsweise vorteilhaft, um die Kommunikationsbandbreite am Bus 40 gerechter aufzuteilen, wenn beispielsweise die Teilnehmerstation 1 typischerweise kurze Rahmen 460 sendet und die Teilnehmerstation 2 typischerweise lange Rahmen 450 sendet. Kann jede Teilnehmerstation 1, 2 immer nur einen Rahmen in dem ihr zugeordneten Zeitschlitz S1, S2 senden, dann hat die Teilnehmerstation 1 bei den Verfahren gemäß dem ersten bis dritten Ausführungsbeispiel weniger Bandbreite als die Teilnehmerstation 2.
Um mehr Fairness hinsichtlich der Kommunikationsbandbreite zu erreichen als bei dem ersten bis dritten Ausführungsbeispiel, wird beispielsweise der Teilnehmerstation 1 erlaubt, während ihres Zeitschlitzes S1 mehrere kurze Rahmen 450 zu senden. Um fair zu bleiben, sollten die Rahmen 450 in Summe nicht länger sein als ein Rahmen 450 maximaler Länge.
Die Signalisierung, dass von der Teilnehmerstation 1 noch ein Rahmen 460 in dieser Sendegelegenheit TO gesendet wird, kann auf die folgenden Arten geschehen.
Beispielsweise kann hierfür der Identifizierer 451x verwendet werden. Hierbei werden die niederwertigen 4 Bit des Identifizierers (ID) 451x verwendet, um die Teilnehmerstation 1 zu identifizieren. Die nächsten 7 Bit des Identifizierers (ID) 451x werden verwendet, um mitzuteilen, dass noch weitere Rahmen 460 folgen werden. Beispielsweise kann 0x14 signalisieren, dass die Teilnehmerstation 4 einen Rahmen sendet, wobei die 1 signalisiert, dass dem Rahmen weitere Rahmen folgen. Dann könnte 0x04 signalisieren, dass die Teilnehmerstation 4 einen Rahmen sendet, wobei die 0 signalisiert, dass dem Rahmen keine Rahmen folgen.
Gemäß einer anderen Möglichkeit der Signalisierung, dass von der Teilnehmerstation 1 noch ein Rahmen 450 in dieser Sendegelegenheit TO gesendet wird, ist ein Feld Data Type (DT) im Kopf (Header) des Rahmens 450 verwendbar. Beispielsweise kann DT=0x30 signalisieren, dass kein anderer Rahmen der gleichen Teilnehmerstation folgt. Daher könnte DT=0x31 signalisieren, dass ein anderer Rahmen der gleichen Teilnehmerstation folgt.
Alternativ ist gemäß noch einer anderen Möglichkeit der Signalisierung ein dediziertes Bit im Kopf (Header) des Rahmens 460 verwendbar.
Alternativ ist gemäß noch einer anderen Möglichkeit der Signalisierung ein Bit oder Byte am Anfang des in 2 gezeigten Datenfelds DF in der Datenphase 452 verwendbar.
Der Vorteil liegt darin, dass mehr Fairness hinsichtlich der Aufteilung der Kommunikationsbandbreite zwischen Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 in dem Fall herstellbar ist, in dem die Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 unterschiedlich lange Rahmen 450, 460 versenden.
Gemäß einem achten Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass in den Zeitplanungseinheiten 15, 25, 35 die Anzahl SN der Zeitschlitze größer eingestellt wird als die Anzahl N der Teilnehmerstationen ist. In diesem Fall bleibt mindestens ein Zeitschlitz übrig, der keiner der Teilnehmerstationen und somit niemandem am Bus 40 gehört. Kombiniert man dies mit dem vierten Ausführungsbeispiel, wo erläutert wird, wie andere Teilnehmerstationen ungenutzte Zeitschlitze verwenden können - so können die überzähligen Zeitschlitze von jeder Teilnehmerstation genutzt werden.
Da in den überzähligen Zeitschlitzen prinzipiell alle Teilnehmerstationen gleichzeitig senden können und somit um den Bus 40 arbitrieren, entspricht dies einer strikten Prioritäts-Zeitplanung (Strict Priority Scheduling).
Beispielsweise hat der Bus N = 4 Teilnehmerstationen, also die Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4, und SN = 5 Zeitschlitze, also die Zeitschlitze S1, S2, S3, S4, S5. Jeder Teilnehmerstation ist exklusiv ein Zeitschlitz zugeteilt. Da in Zeitschlitz S5 nie ein Knoten sofort senden wird, können die Knoten ab dem zweiten Bit des Zeitschlitzes um den Zeitschlitz S5 arbitrieren.
Alternativ kann dieses achte Ausführungsbeispiel auch als eine Erweiterung des zweiten oder dritten Ausführungsbeispiels ausgeführt werden. Die Zeitplanungseinheiten 15, 25, 35 haben nicht nur die Anzahl SN der Zeitschlitze konfiguriert, sondern auch die Anzahl der Zeitschlitze, die allen Teilnehmerstationen, beispielsweise am Ende der Runde C, zur Verfügung stehen. Wenn die Zeitschlitze den Teilnehmerstationen fest zugeordnet sind wie in dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel, die Zeitschlitznummer optional in den gesendeten Rahmen enthalten ist und ein SOCR den Beginn einer Runde C markiert, dann ist eine Zeitplanungseinheit in der Lage, den Zeitschlitz S5 (aus dem Beispiel zuvor) zu erkennen. Wenn der Zeitschlitz S5 gekommen ist, können hier einfach alle Teilnehmerstationen um den Bus 40 arbitrieren. Die Kombination mit dem vierten Ausführungsbeispiel ist nicht mehr zwingend nötig.
Da jede der Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 in dem Zeitschlitz S5 senden kann, erfolgt die Zuteilung der Sendegelegenheit TO in dem Zeitschlitz S5 strikt gemäß der Priorität also dem Identifizierer 451x der Rahmen, welche die Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 in dem Zeitschlitz S5 senden (Strict Priority Scheduling). Der Rahmen Identifizierer 451x der Nachrichten 450, 460 ist in diesem Zeitschlitz S5 sinnvoller Weise entsprechend der tatsächlichen Priorität der Nachrichten zu wählen, damit sich der Rahmen mit der höchsten Priorität durchsetzen kann.
Gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass die Arbitrationsphase 451 bei der Kommunikation ganz oder zumindest teilweise weggelassen wird. Dadurch erfolgt im normalen Betrieb, auch bei dem ersten Ausführungsbeispiel, bei einer deterministischen Zeitplanung (Scheduling) mit den Zeitplanungseinheiten 15, 25, 35 keine Arbitration, weil jeder Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 ein oder mehrere Zeitschlitze S1, S2, S3, S4 zugeteilt sind. Demzufolge kann nach der Zuordnung der Zeitschlitze S1, S2, S3, S4 bzw. in diesem Betriebspunkt, die Arbitrationsphase 451 vor und nach der Datenphase 452 ganz oder zumindest teilweise weggelassen werden.
Dadurch ist die Arbitrationsphase 451 nun kürzer als bei CAN, also kürzer sein als derzeit in der ISO 11898-1:2015 festgelegt.
In einem solchen Fall sind die folgenden zwei Betriebsmodi vorhanden. In einem ersten Betriebsmodus verwenden alle Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 beim Einschalten normale CAN Rahmen oder CAN XL Rahmen, weil es zur Arbitration auf dem Bus kommen kann. Sobald alle Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 in Betrieb sind und alle Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4 auf die Zeitschlitze S1, S2, S3, S4 synchronisiert sind, kommt daher keine Arbitration mehr vor. Daher kann nun in den zweiten Betriebsmodus gewechselt werden, bei welchem die Arbitrationsphase 451 ganz oder zumindest teilweise weggelassen wird.
Damit kann vermieden werden, dass die Arbitrationsphase 451 und die Rahmenendphase 453 mit ihren relativ langen Bits, die vor und nach der Datenphase 452 angeordnet sind, zu einem relevanten Überhang (Overhead) bei der Datenübertragung auf dem Bus 40 und damit zu einer geringeren Netto-Datenrate führt.
Gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass die Identifizierer 451x, die zum Senden der Rahmen 450, 460 verwendet werden, in zwei Bereiche aufgeteilt werden. Erstens in einen hochprioren Bereich, der für diejenigen Rahmen 450, 460 verwendet wird, die von einer Teilnehmerstation in dem der Teilnehmerstation zugeordneten Zeitschlitz gesendet wird. Und zweitens in einen niederprioren Bereich, der für diejenigen Rahmen verwendet wird, die in einem Zeitschlitz gesendet werden, der der sendenden Teilnehmerstation nicht exklusiv zugeordnet ist.
Um zu versuchen, einen Zeitschlitz zu verwenden, der einer anderen Teilnehmerstation exklusiv zugeordnet ist, muss beispielsweise die Teilnehmerstation 1, der der beispielsweise derzeit präsente Zeitschlitz S3 nicht exklusiv zugeordnet ist, einfach beim Sendeversuch des Rahmens 450, 460 einen Identifizierer 451x aus dem niederprioren Bereich verwenden. Damit ist sichergestellt, dass beispielsweise die Teilnehmerstation 3, der bei diesem Beispiel der derzeit präsente Zeitschlitz S3 exklusiv zugeordnet ist, die Arbitration immer gewinnen würde und somit dieser Zeitschlitz S3 der Teilnehmerstation 3 exklusiv zugeordnet bleibt. Wenn jedoch bei diesem Beispiel mindestens eine der anderen Teilnehmerstation 1, 2, 4 etwas zu senden hat, kann diese andere Teilnehmerstation 1, 2, 4 gleich zu Beginn des Zeitschlitzes S3 versuchen, einen Rahmen 450, 460 mit einem Identifzierer 451x aus dem niederprioren Bereich zu senden.
Dies hat den Vorteil, dass bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die minimale Zeitschlitzdauer T_S_mn bei einer Arbitrations-Bitzeit verbleibt, wohingegen bei dem vierten Ausführungsbeispiel die minimale Zeitschlitzdauer T_S_mn zwei Arbitrations-Bitzeiten beträgt.
Alle zuvor beschriebenen Ausgestaltungen der Teilnehmerstationen 1, 2, 3, 4, 10, 20, 30, des Bussystems 100 und die darin ausgeführten Verfahren 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.
Auch wenn die Erfindung zuvor am Beispiel des CAN-Bussystems beschrieben ist, kann die Erfindung bei jedem Kommunikationsnetzwerk und/oder Kommunikationsverfahren eingesetzt werden. Insbesondere können bei dem Kommunikationsnetzwerk und/oder Kommunikationsverfahren zwei verschiedene Kommunikationsphasen verwendet werden, wie zuvor in Bezug auf die Kommunikationsphasen 451, 452 beschrieben.
Insbesondere kann das Bussystem 100 gemäß den Ausführungsbeispielen ein Kommunikationsnetzwerk sein, bei welchem Daten seriell mit zwei verschiedenen Bitraten übertragbar sind. Es ist vorteilhaft, jedoch nicht zwangsläufige Voraussetzung, dass bei dem Bussystem 100 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 100 der Ausführungsbeispiele ist beliebig. Insbesondere kann die Teilnehmerstation 20 in dem Bussystem 100 entfallen. Es ist möglich, dass eine oder mehrere der Teilnehmerstationen 10 oder 30 in dem Bussystem 100 vorhanden sind. Denkbar ist, dass alle Teilnehmerstationen in dem Bussystem 100 gleich ausgestaltet sind, also nur Teilnehmerstation 10 oder nur Teilnehmerstation 30 vorhanden sind.
Die deterministische Zeitplanung (Scheduling), die von den Zeitplanungseinheiten 15, 25, 35 ausgeführt wird, lässt sich zu beliebiger Zeit anschalten oder ausschalten, um sich an die aktuellen Betriebszustände des Bussystems 100 anzupassen. Beispielsweise wird im Echtzeitbetrieb die deterministische Zeitplanung (Scheduling) verwendet. Dagegen kann die deterministische Zeitplanung (Scheduling) jedoch in der Werkstatt beim Aufspielen (Flashen) neuer Firmware-Versionen ausgeschaltet werden.
Möglich ist zusätzlich oder alternativ, dass bei einem Betrieb der deterministischen Zeitplanung (Scheduling) die zuvor beschriebenen Parameter SN, Ws, die von den Zeitplanungseinheiten 15, 25, 35 verwendet werden, im laufenden Betrieb beliebig änderbar sind.

Claims

Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) für ein serielles Bussystem (100), mit einer Kommunikationssteuereinrichtung (11; 21; 31) zum Steuern einer Kommunikation der Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) mit mindestens einer anderen Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) des Bussystems (100), einer Sende-/Empfangseinrichtung (12; 22; 32) zum Senden eines von der Kommunikationssteuereinrichtung (11; 21; 31) erzeugten Sendesignals (TX1; TX2; TX3; TX4) in einem Rahmen (450; 460) auf einen Bus (40) des Bussystems (100), und einer Zeitplanungseinheit (15; 25; 35) zur Planung eines zeitlichen Zugriffs der Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) auf den Bus (40) in mindestens einem Zeitschlitz (S1 bis S4) einer Runde (C) von zeitlich aufeinanderfolgenden Zeitschlitzen (S1 bis S4), wobei in einer Runde (C) für jede Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) des Busses (40) zum Senden ihres Sendesignals (TX1; TX2; TX3; TX4) mindestens ein Zeitschlitz (S1 bis S4) vorgesehen ist und sich die Runde (C) zyklisch wiederholt, und wobei die Zeitplanungseinheit (15; 25; 35) ausgestaltet ist, unter Verwendung mindestens einer von dem Bus (40) empfangenen Information eine Zuordnung zu bestimmen, die festlegt, welchen Zeitschlitz (S1 bis S4) der Runde (C) die Sende-/Empfangseinrichtung (12; 22; 32) zum Senden des Rahmens (450; 460) für das Sendesignal (TX1; TX2; TX3; TX4) auf den Bus (40) verwenden darf.
Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine von dem Bus (40) empfangene Information ein den Start der Runde mitteilender Rahmen (SOCR) ist, und wobei die mindestens eine von dem Bus (40) empfangene Information zudem einen Rahmen-Identifizierer (451x) und/oder eine Zuordnung der Zeitschlitze (S1 bis S4) einer Runde (C) zu den Teilnehmerstationen (10; 20; 30; 1 bis 4) des Busses (40) und/oder die Information umfasst, welche der Teilnehmerstationen (10; 20; 30; 1 bis 4) des Busses (40) derzeit sendet.
Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zeitplanungseinheit (15; 25; 35) ausgestaltet ist, als die mindestens eine von dem Bus (40) empfangene Information zumindest den den Start der Runde mitteilenden Rahmen (SOCR) zu verwenden und einen Rahmen-Identifizierer (451x) eines Senders eines vom Bus (40) empfangenen Rahmens (450; 460) auszuwerten.
Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Zeitplanungseinheit (15; 25; 35) ausgestaltet ist, ein Datenfeld (DF) des den Start der Runde mitteilenden Rahmens (SOCR) auszuwerten, in welchem die mindestens eine von dem Bus (40) empfangene Information angeordnet ist.
Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zeitplanungseinheit (15; 25; 35) ausgestaltet ist abzuwarten, bis die Kommunikationssteuereinrichtung (11; 21; 31) einen den Start der Runde mitteilenden Rahmen (SOCR) von dem Bus (40) empfangen hat, und ausgestaltet ist, daran anschließend mit den anderen Teilnehmerstationen (10; 20; 30; 1 bis 4) des Busses (40) im Betrieb des Bussystems (100) unter Verwendung einer Priorität des Sendesignals (TX1; TX2; TX3; TX4) festzulegen, welchen Zeitschlitz (S1 bis S4) der Runde (C) die Sende-/Empfangseinrichtung (12; 22; 32) zum Senden des Rahmens (450; 460) für das Sendesignal (TX1; TX2; TX3; TX4) auf den Bus (40) verwenden darf.
Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kommunikationssteuereinrichtung (11; 21; 31) ausgestaltet ist, zumindest in einer Einschaltphase (C_E) des Busses (40) den Rahmen (450; 460) in eine erste Kommunikationsphase (451) und eine zweite Kommunikationsphase (452) aufzuteilen, und wobei in der ersten Kommunikationsphase (451) ausgehandelt wird, welche der Teilnehmerstationen (10, 20, 30) des Busses (40) in der nachfolgenden zweiten Kommunikationsphase (452) einen zumindest zeitweise exklusiven, kollisionsfreien Zugriff auf den Bus (40) bekommt.
Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) nach Anspruch 6, wobei die Anzahl (SN) der Zeitschlitze (S1 bis S4) pro Runde (C) größer ist als die Anzahl der Zeitschlitze (S1 bis S4), die den Teilnehmerstationen (10; 20; 30; 1 bis 4) des Busses (40) pro Runde (C) zugeordnet sind, und wobei in einem Zeitschlitz (S5), der keiner der Teilnehmerstationen (10; 20; 30; 1 bis 4) des Busses (40) zugeordnet ist, in der ersten Kommunikationsphase (451) ausgehandelt wird, welche der Teilnehmerstationen (10, 20, 30) des Busses (40) in der nachfolgenden zweiten Kommunikationsphase (452) einen zumindest zeitweise exklusiven, kollisionsfreien Zugriff auf den Bus (40) bekommt.
Teilnehmerstation (10; 30) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die minimale Dauer eines Zeitschlitzes (S1 bis S4) eine Bitzeit eines Bits der ersten Kommunikationsphase (451) ist, und wobei die Zeitplanungseinheit (15; 25; 35) optional ausgestaltet ist, in einem Zeitschlitz (S1 bis S4), der der Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) zugeordnet ist, einen Rahmen (450; 460) mit einer Priorität zu senden, die höher ist als eine Priorität eines Rahmens (450; 460), welchen die Zeitplanungseinheit (15; 25; 35) ausgestaltet ist, in einem Zeitschlitz (S1 bis S4) zu senden, der einer anderen Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) des Busses (40) zugeordnet ist.
Teilnehmerstation (10; 30) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die minimale Dauer eines Zeitschlitzes (S1 bis S4) zwei Bitzeiten eines Bits der ersten Kommunikationsphase (451) ist, und wobei die Zeitplanungseinheit (15; 25; 35) ausgestaltet ist, einen zeitlichen Zugriff der Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) auf den Bus (40) in dem zweiten Bit (B2_S1) eines Zeitschlitzes (S1 bis S4) der Runde (C) freizugeben, wenn eine andere Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) des Busses (40) in dem ersten Bit (B1_S1) des Zeitschlitzes (S1 bis S4) ihre Sendegelegenheit (TO) ungenutzt verstreichen lässt.
Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Zeitplanungseinheit (15; 25; 35) ein Zählmodul (151; 251; 351) aufweist, das ausgestaltet ist, seinen Zählwert bei jedem von dem Bus (40) empfangenen Rahmen (450; 460) zu inkrementieren und bei jeder für einen Zeitschlitz (S1, S2, S3, S4) ungenutzt verstrichenen Sendegelegenheit (TO) zu inkrementieren, und wobei das Zählmodul (151; 251; 351) ausgestaltet ist, seinen Zählwert auf 1 zu setzen, wenn der den Start der Runde mitteilende Rahmen (SOCR) empfangen wurde.
Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) nach Anspruch 10, wobei das Zählmodul (151; 251; 351) ausgestaltet ist, seinen Zählwert bei jedem von dem Bus (40) empfangenen Rahmen (450; 460) nach Empfang eines Bits zu inkrementieren, welches den Anfang eines Rahmens (450; 460) signalisiert, auch wenn der Rahmen (450; 460) später von der den Rahmen (450; 460) sendenden Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) wegen eines Fehlers abgebrochen wird.
Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Zeitplanungseinheit (15; 25; 35) ausgestaltet ist, einen zeitlichen Zugriff der Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) auf den Bus (40) für den nächsten Zeitschlitz (S1 bis S4) der Runde (C) freizugeben, wenn der Zählwert des Zählmoduls (151; 251; 351) gleich der der Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) zugeordneten Nummer des Zeitschlitzes (S1 bis S4) ist.
Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Zeitplanungseinheit (15; 25; 35) ausgestaltet ist, einen zeitlichen Zugriff der Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) auf den Bus (40) in einem Zeitschlitz (S1 bis S4) der Runde (C) freizugeben, wenn die Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) oder eine andere Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) des Busses (40) ihre Sendegelegenheit (TO) ungenutzt verstreichen lässt.
Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kommunikationssteuereinrichtung (11; 21; 31) ausgestaltet ist, in dem Sendesignal (TX1; TX2; TX3; TX4) eine Teilnehmerstation-Nummer anzuordnen, die auf dem Bus (40) exklusiv der Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) zugeordnet ist, und wobei die Zeitplanungseinheit (15; 25; 35) zur Freigabe eines zeitlichen Zugriffs der Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) auf den Bus (40) in dem der Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) zugeordneten Zeitschlitz (S1 bis S4) der Runde (C) ausgestaltet ist, wenn die Zeitplanungseinheit (15; 25; 35) eine Teilnehmerstation-Nummer in einem von dem Bus empfangenen Rahmen (450; 460) auswerten kann.
Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Anzahl der Zeitschlitze (S1 bis S4), die der Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) pro Runde (C) zugeordnet sind, zumindest zeitweise ungleich einer Anzahl von Zeitschlitzen (S1 bis S4) ist, die einer anderen Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) des Busses (40) pro Runde (C) zugeordnet sind.
Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) ausgestaltet ist, pro Zeitschlitz (S1 bis S4) mehr als einen Rahmen (450; 460) auf den Bus (40) zu senden, und/oder wobei die Anzahl der Rahmen (450; 460), welche die Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) pro Zeitschlitz (S1 bis S4) auf den Bus (40) senden darf, zumindest zeitweise ungleich einer Anzahl von Rahmen (450; 460) ist, die eine andere Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) des Busses (40) pro Zeitschlitz (S1 bis S4) auf den Bus (40) senden darf.
Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kommunikationssteuereinrichtung (11; 21; 31) ausgestaltet ist, am Anfang eines rezessiven Bits in dem der Teilnehmerstation zugeordneten Zeitschlitz einen Dominantpuls (P) zu senden, der kürzer als die Bitzeit des rezessiven Bits (B1_S1) ist, wenn die Kommunikationssteuereinrichtung (11; 21; 31) ihre Sendegelegenheit (TO) ungenutzt verstreichen lässt.
Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) derart ausgestaltet ist, dass die Zeitplanungseinheit (15; 25; 35) je nach zeitlichen Anforderungen an die Kommunikation auf dem Bus (40) ein- oder ausschaltbar ist, oder dass ein Betriebsmodus der Zeitplanungseinheit (15; 25; 35) durch Konfiguration von vorbestimmten Parametern (SN, W) im laufenden Betrieb des Bussystems (100) änderbar ist, wobei der Betriebsmodus der Zeitplanungseinheit (15; 25; 35) einen vorbestimmten Modus einer Kommunikation auf dem Bus (40) festlegt.
Bussystem (1), mit einem Bus (40), mindestens zwei Teilnehmerstationen (10; 20; 30; 1 bis 4) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die mindestens zwei Teilnehmerstationen (10; 20; 30; 1 bis 4) über den Bus (40) derart miteinander verbunden sind, dass sie seriell miteinander kommunizieren können, wobei mindestens eine der Teilnehmerstationen (10; 20; 30; 1 bis 4) eine Master-Teilnehmerstation (10; 20; 30) zum Senden eines Rahmens (SOCR) ist, welcher den mindestens zwei Teilnehmerstationen (10; 20; 30; 1 bis 4) den Start einer Runde einer Kommunikation auf dem Bus (40) mitteilt, wobei optional mindestens ein Backup-Master (10; 20; 30) zum zusätzlichen Ausführen der Funktion der Master-Teilnehmerstation (10; 20; 30) auf dem Bus (40) vorgesehen ist.
Verfahren zur Kommunikation in einem seriellen Bussystem (100), wobei das Verfahren mit einer Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) des Bussystems (100) ausgeführt wird, die eine Kommunikationssteuereinrichtung (11; 21; 31) und eine Sende-/Empfangseinrichtung (12; 22; 32) aufweist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist, Steuern, mit einer Kommunikationssteuereinrichtung (11; 21; 31), einer Kommunikation der Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) mit mindestens einer anderen Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) des Bussystems (100), und Senden, mit einer Sende-/Empfangseinrichtung (12; 22; 32), eines von der Kommunikationssteuereinrichtung (11; 21; 31) erzeugten Sendesignals (TX1; TX2; TX3; TX4) in einem Rahmen (450; 460) auf einen Bus (40) des Bussystems (100) gemäß der Planung einer Zeitplanungseinheit (15; 25; 35), welche einen zeitlichen Zugriff der Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) auf den Bus (40) in mindestens einem Zeitschlitz (S1 bis S4) einer Runde (C) von zeitlich aufeinanderfolgenden Zeitschlitzen (S1 bis S4) plant, wobei in einer Runde (C) für jede Teilnehmerstation (10; 20; 30; 1 bis 4) des Busses (40) zum Senden ihres Sendesignals (TX1; TX2; TX3; TX4) mindestens ein Zeitschlitz (S1 bis S4) vorgesehen ist und sich die Runde (C) zyklisch wiederholt, und wobei die Zeitplanungseinheit (15; 25; 35) unter Verwendung mindestens einer von dem Bus (40) empfangenen Information in der Lage ist eine Zuordnung zu bestimmen, die festlegt, welchen Zeitschlitz (S1 bis S4) der Runde (C) die Sende-/Empfangseinrichtung (12; 22; 32) zum Senden des Rahmens (450; 460) für das Sendesignal (TX1; TX2; TX3; TX4) auf den Bus (40) verwenden darf.