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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Teilnehmerstation für ein serielles Bussystem und ein Verfahren zur Kommunikation in einem seriellen Bussystem, das mit hoher Datenrate und großer Fehlerrobustheit arbeitet.
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Stand der Technik
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In einer technischen Anlage ist heutzutage häufig ein Bussystem vorgesehen, das eine Kommunikation zwischen Sensoren und Steuergeräten der Anlage ermöglicht. Insbesondere in Fahrzeugen, wird häufig ein Bussystem eingesetzt, in welchem Daten als Nachrichten im Standard ISO11898-1:2015 als CAN Protokoll-Spezifikation mit CAN FD übertragen werden. Die Nachrichten werden zwischen den Busteilnehmern des Bussystems, wie Sensor, Steuergerät, Geber, usw., übertragen.
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Oft ist gewünscht, dass technische Anlagen immer mehr Funktionen bieten. Dies gilt insbesondere für Fahrzeuge. Die zunehmende Anzahl der Funktionen bedingt, dass auch der Datenverkehr im Bussystem zunimmt. Noch dazu ist es oft gefordert, dass die Daten schneller vom Sender zum Empfänger zu übertragen sind als bisher. Folge davon ist, dass die geforderte Bandbreite des Bussystems weiter steigen wird.
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Um Daten mit höherer Bitrate übertragen zu können als bei CAN, wurde im CAN FD Nachrichten-Format eine Option zur Umschaltung auf eine höhere Bitrate innerhalb einer Nachricht geschaffen. Bei solchen Techniken wird die maximal mögliche Datenrate durch Einsatz einer höheren Taktung im Bereich der Datenfelder über einen Wert von 1 MBit/s hinaus gesteigert. Solche Nachrichten werden nachfolgend auch als CAN FD-Rahmen oder CAN FD-Nachrichten bezeichnet. Bei CAN FD ist die Nutzdatenlänge von 8 auf bis zu 64 Bytes erweitert und sind die Datenübertragungsraten deutlich höher als bei CAN.
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Vorteilhaft an einem CAN oder CAN FD basiertes Kommunikationsnetzwerk ist beispielsweise seine Robustheit gegen Fehler. Jedoch hat ein solches Netzwerk doch eine deutlich geringere Schnelligkeit im Vergleich zu einer Datenübertragung bei zum Beispiel 100 Base-T1 Ethernet. Außerdem ist die bisher mit CAN FD erreichte Nutzdatenlänge von bis zu 64 Bytes für einige Anwendungen zu gering.
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Offenbarung der Erfindung
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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, bei welchen bei großer Fehlerrobustheit eine hohe Datenrate und eine Steigerung der Menge der Nutzdaten pro Rahmen realisiert werden kann.
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Die Aufgabe wird durch eine Teilnehmerstation für ein serielles Bussystem mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Teilnehmerstation hat eine Kommunikationssteuereinrichtung zum Erzeugen eines Sendesignals, um den Austausch von Nachrichten zwischen der Teilnehmerstation und mindestens einer anderen Teilnehmerstation des Bussystems zu steuern, einen Sendeanschluss zum Ausgeben des Sendesignals von der Kommunikationssteuereinrichtung an eine Sende-/Empfangseinrichtung, die ausgestaltet ist, basierend auf dem Sendesignal ein Signal auf einen Bus des Bussystems zu senden, und eine Einrichtung zur Auswertung des Sendesignals und/oder zur Auswertung eines Empfangssignals, das von der Sende-/Empfangseinrichtung aus dem von dem Bus empfangenen Signal erzeugt wurde, wobei das Sendesignal, derart ausgestaltet ist, dass die Sende-/Empfangseinrichtung in einer ersten Kommunikationsphase des Sendesignals in einen ersten Zustand zum Senden des Sendesignals auf den Bus zu schalten ist und in einer zweiten Kommunikationsphase in mindestens einen zweiten oder dritten Zustand zum Senden des Sendesignals auf den Bus zu schalten ist, und wobei die Einrichtung ausgestaltet ist, über den Sendeanschluss eine erste Kennung an die Sende-/Empfangseinrichtung auszugeben, wenn die Auswertung der Einrichtung ergibt, dass die Sende-/Empfangseinrichtung von dem zweiten oder dritten Zustand in den ersten Zustand zu schalten ist.
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Mit der Teilnehmerstation ist es insbesondere möglich, in einer ersten Kommunikationsphase eine von CAN bekannte Arbitration beizubehalten und dennoch die Übertragungsrate gegenüber CAN oder CAN FD nochmals beträchtlich zu steigern. Dies kann dadurch erreicht werden, dass zwei Kommunikationsphasen mit unterschiedlicher Bitrate verwendet werden und die Umschaltungen zwischen den beiden Kommunikationsphasen für die Sende-/Empfangseinrichtung sicher kenntlich gemacht wird. Dabei ermöglicht die Signalisierung auch, dass die Sende-/Empfangseinrichtung selbst bei Fehlerfällen, wo die normale Zurückschaltung in den Arbitrationszustand aufgrund von starken Störungen nicht funktioniert hat, sicher von der zweiten Kommunikationsphase in die erste Kommunikationsphase umschalten kann. Als Folge davon ist eine deutliche Steigerung der Bitrate und damit der Übertragungsgeschwindigkeit von Sender zum Empfänger realisierbar. Hierbei ist jedoch gleichzeitig eine große Fehlerrobustheit gewährleistet. Dies trägt mit dazu bei, eine Nettodatenrate von mindestens 10 Mbps zu realisieren. Noch dazu kann die Größe der Nutzdaten bis zu 4096 Byte pro Rahmen betragen.
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Die Teilnehmerstation realisiert die Signalisierung an die Sende-/Empfangseinrichtung für die Umschaltung von der zweiten Kommunikationsphase in die erste Kommunikationsphase über den Anschluss für ein Sendesignal. Dies ist besonders robust, weil dieser Anschluss oder die daran angeschlossene Leitung von einem Mikrokontroller der Teilnehmerstation getrieben wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass kein zusätzlicher Anschluss zwischen dem Mikrokontroller und der Sende-/Empfangseinrichtung benötigt wird und diese Lösung damit sehr günstig zu realisieren ist.
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Noch dazu ist es bei der zuvor beschriebenen Ausgestaltung möglich, der Sende-/Empfangseinrichtung zusätzlich zu der zuvor beschriebenen ersten Signalisierungsmöglichkeit auch über den Anschluss für das Empfangssignal eine zweite Signalisierung für die vorzunehmende Umschaltung zwischen den beiden Kommunikationsphasen zu geben. Dadurch kann die Sicherheit der Umschaltung und damit die Robustheit der Kommunikation im Bussystem noch weiter erhöht werden. Insbesondere bietet die zuvor beschriebene erste Signalisierungsmöglichkeit eine Notfallrückschaltung von der zweiten Kommunikationsphase in die erste Kommunikationsphase.
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Noch dazu kann der Puls für die zuvor beschriebene erste Signalisierungsmöglichkeit verglichen mit einer Bitzeit in der zweiten Kommunikationsphase oder einer Datenbitzeit lang sein. Dies gestaltet die Signalisierung unkritisch, so dass die Signalisierung günstig zu implementieren ist.
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Daher ermöglicht die Einrichtung in dem Bussystem insbesondere, in einer ersten Kommunikationsphase eine von CAN bekannte Arbitration beizubehalten und dennoch die Übertragungsrate gegenüber CAN oder CAN FD nochmals beträchtlich zu steigern.
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Das von der Einrichtung durchgeführte Verfahren kann auch zum Einsatz kommen, wenn in dem Bussystem auch mindestens eine CAN FD tolerante CAN-Teilnehmerstation, die gemäß dem Standard der ISO 11898-1:2015 ausgestaltet ist, und/oder mindestens eine CAN FD Teilnehmerstation vorhanden sind/ist, die Nachrichten nach dem CAN-Protokoll und/oder CAN FD Protokoll senden/sendet.
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Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Teilnehmerstation sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einer Option ist die erste Kennung zum Umschalten von dem zweiten Zustand in den ersten Zustand ein Puls, der invers zu einem bisherigen Pegel des Sendesignals ist, und die erste Kennung zum Umschalten von dem dritten Zustand in den ersten Zustand hat einen Pegel, der eine Zeitdauer hat, die länger als eine Zeitdauer von direkt aufeinanderfolgenden Pulsen gleichen Pegels ist, die in dem dritten Zustand in dem Sendesignal auftreten können.
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Optional sind Buszustände des in der ersten Kommunikationsphase von dem Bus empfangenen Signals mit einem anderen Physical Layer erzeugt als Buszustände des in der zweiten Kommunikationsphase empfangenen Signals.
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Möglicherweise haben Bits des Sendesignals in der ersten Kommunikationsphase eine Bitzeit, die um mindestens den Faktor 10 größer als eine Bitzeit von Bits der zweiten Kommunikationsphase ist. Hierbei kann die erste Kennung zum Umschalten von dem zweiten Zustand in den ersten Zustand eine Zeitdauer haben, die kleiner als eine Bitzeit der ersten Kommunikationsphase ist und größer als eine Bitzeit der zweiten Kommunikationsphase ist.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung ausgestaltet, über den Sendeanschluss die Kennung an die Sende-/Empfangseinrichtung auszugeben, wenn die Auswertung der Einrichtung ergibt, dass der Pegel des Empfangssignals in der zweiten Kommunikationsphase für eine vorbestimmte Zeitdauer konstant ist.
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Möglicherweise ist die Einrichtung ausgestaltet, das Empfangssignal mit dem Sendesignal zu vergleichen, um zu bestimmen, ob über den Sendeanschluss die erste Kennung zu senden ist, welche der Sende-/Empfangseinrichtung eine Schaltung in ihren ersten Zustand zum Senden des Signals auf den Bus anzeigt.
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Die Teilnehmerstation kann zudem einen Empfangsanschluss haben zum Ausgeben des digitalen Empfangssignals von der Sende-/Empfangseinrichtung an die Kommunikationssteuereinrichtung, wobei die Einrichtung ausgestaltet ist, das digitale Empfangssignal mit dem digitalen Sendesignal zu vergleichen, um zu bestimmen, ob der Datenfluss am Empfangsanschluss für die Zeitdauer von mindestens einem Bit umzukehren ist, um über den Empfangsanschluss eine zweite Kennung zu senden, welche der Sende-/Empfangseinrichtung eine Umschaltung zwischen ihren Zuständen zum Senden des Signals auf den Bus anzeigt.
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Optional ist die Einrichtung ausgestaltet, die Kommunikationssteuereinrichtung zu veranlassen, in der Zeit, in welcher die Einrichtung den Datenfluss des digitalen Empfangssignals umkehrt, an dem Anschluss für das digitale Empfangssignal die zweite Kennung mit einem vorbestimmten Wert an die Sende-/Empfangseinrichtung zu senden. Hierbei kann die zweite Kennung ein Bit mit einem vorbestimmten Wert sein. Alternativ oder zusätzlich ist die zweite Kennung ein vorbestimmtes Bitmuster.
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Die zuvor beschriebene Teilnehmerstation kann die Sende-/Empfangseinrichtung aufweisen, welche optional ein Sendemodul zum Senden von Nachrichten als das Signal auf den Bus und ein Empfangsmodul zum Empfang des Signals von dem Bus aufweist, wobei die Sende-/Empfangseinrichtung ausgestaltet ist, ihr Sendemodul zu verriegeln, so dass das Sendesignal von dem Sendeanschluss nicht auf den Bus gesendet wird, wenn die Sende-/Empfangseinrichtung in den zweiten Zustand geschaltet ist.
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Möglicherweise weist die Kommunikationssteuereinrichtung die Einrichtung auf.
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Denkbar ist, dass in der ersten Kommunikationsphase ausgehandelt wird, welche der Teilnehmerstationen des Bussystems in der nachfolgenden zweiten Kommunikationsphase einen zumindest zeitweise exklusiven, kollisionsfreien Zugriff auf den Bus bekommt.
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Die zuvor beschriebene Teilnehmerstation kann Teil eines Bussystems sein, das zudem einen Bus und mindestens zwei Teilnehmerstationen umfasst, welche über den Bus derart miteinander verbunden sind, dass sie seriell miteinander kommunizieren können. Hierbei ist mindestens eine der mindestens zwei Teilnehmerstationen eine zuvor beschriebene Teilnehmerstation.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren zur Kommunikation in einem seriellen Bussystem nach Anspruch 15 gelöst. Das Verfahren wird mit einer Teilnehmerstation für ein Bussystem ausgeführt, die eine Kommunikationssteuereinrichtung, einen Sendeanschluss und eine Einrichtung aufweist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist, Erzeugen, mit der Kommunikationssteuereinrichtung, eines Sendesignals, um den Austausch von Nachrichten zwischen der Teilnehmerstation und mindestens einer anderen Teilnehmerstation des Bussystems zu steuern, Ausgeben, mit dem Sendeanschluss, des Sendesignals von der Kommunikationssteuereinrichtung an eine Sende-/Empfangseinrichtung, die ausgestaltet ist, basierend auf dem Sendesignal ein Signal auf einen Bus des Bussystems zu senden, wobei das Sendesignal, derart ausgestaltet ist, dass die Sende-/Empfangseinrichtung in einer ersten Kommunikationsphase des Sendesignals in einen ersten Zustand zum Senden des Sendesignals auf den Bus zu schalten ist und in einer zweiten Kommunikationsphase in mindestens einen zweiten oder dritten Zustand zum Senden des Sendesignals auf den Bus zu schalten ist, Auswerten, mit der Einrichtung, des Sendesignals und/oder eines Empfangssignals, das von der Sende-/Empfangseinrichtung aus dem von dem Bus empfangenen Signal erzeugt wurde, und Ausgeben, mit der Einrichtung über den Sendeanschluss einer ersten Kennung an die Sende-/Empfangseinrichtung, wenn die Auswertung der Einrichtung ergibt, dass die Sende-/Empfangseinrichtung von dem zweiten oder dritten Zustand in den ersten Zustand zu schalten ist.
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Das Verfahren bietet dieselben Vorteile, wie sie zuvor in Bezug auf die Teilnehmerstation genannt sind.
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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.
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Figurenliste
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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 einer Sende-/Empfangseinrichtung für eine Teilnehmerstation des Bussystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel gesendet werden können;
- 3 ein vereinfachtes schematisches Blockschaltbild einer Teilnehmerstation des Bussystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in einer ersten Betriebsart;
- 4 ein vereinfachtes schematisches Blockschaltbild der Teilnehmerstation von 3 in einer zweiten Betriebsart;
- 5 ein Beispiel für einen zeitlichen Verlauf eines digitalen Sendesignals TxD, das von einer Teilnehmerstation des Bussystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel auf einen Bus des Bussystems gesendet wird;
- 6 einen zeitlichen Verlauf von analogen Bussignalen CAN-XL_H und CAN-XL_L, die sich im Normalbetrieb in Folge des Sendesignals TxD von 5 auf dem Bus einstellen;
- 7 einen zeitlichen Verlauf einer Differenzspannung VDIFF, die aus den Bussignalen CAN-XL_H und CAN-XL_L von 6 resultiert;
- 8 einen zeitlichen Verlauf eines digitalen Empfangssignals RxD, das eine Teilnehmerstation des Bussystems von dem Bus empfängt und aus den Signalen von 6 und 7 erzeugt;
- 9 ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf von Signalen beim Umschalten der Betriebsarten bzw. Betriebszustände der Sende-/Empfangseinrichtung der Teilnehmerstation von 3 und 4 zwischen den verschiedenen Kommunikationsphasen einer Nachricht;
- 10 und 11 ein Beispiel für einen zeitlichen Verlauf von Signalen RxD1, TxDl, welche eine Kommunikationssteuereinrichtung der Teilnehmerstation gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel an ihren Anschlüssen TXD, RXD treibt, wenn die Teilnehmerstation nur Empfänger einer Nachricht von dem Bus ist; und
- 12 und 13 ein Beispiel für einen zeitlichen Verlauf von Signalen RxD1, TxDl, welche eine Kommunikationssteuereinrichtung der Teilnehmerstation gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel an ihren Anschlüssen TXD, RXD treibt, wenn die Teilnehmerstation als Sender einer Nachricht auf den Bus agiert.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente, sofern nichts Anderes angegeben ist, mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt als Beispiel ein Bussystem 1, das insbesondere grundlegend für ein CAN-Bussystem, ein CAN FD-Bussystem, ein CAN XL-Bussystem, und/oder Abwandlungen davon, ausgestaltet ist, wie nachfolgend beschrieben. Das Bussystem 1 kann in einem Fahrzeug, insbesondere einem Kraftfahrzeug, einem Flugzeug, usw., oder im Krankenhaus usw. Verwendung finden.
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In 1 hat das Bussystem 1 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 Differenz-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 ein Fehlerrahmen 47 (Error Flag) gesendet werden. Die Teilnehmerstationen 10, 20, 30 sind beispielsweise Steuergeräte, Sensoren, Anzeigevorrichtungen, usw. eines Kraftfahrzeugs.
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Wie in 1 gezeigt, hat die Teilnehmerstation 10 eine Kommunikationssteuereinrichtung 11, eine Sende-/Empfangseinrichtung 12 und eine Umschaltsignalisierungseinrichtung 15. Die Teilnehmerstation 20 hat dagegen eine Kommunikationssteuereinrichtung 21 und eine Sende-/Empfangseinrichtung 22. Die Teilnehmerstation 30 hat eine Kommunikationssteuereinrichtung 31, eine Sende-/Empfangseinrichtung 32 und eine Umschaltsignalisierungseinrichtung 35. 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.
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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.
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Die Kommunikationssteuereinrichtung 11 erstellt und liest erste Nachrichten 45, die beispielsweise modifizierte CAN Nachrichten 45 sind. Hierbei sind die modifizierten CAN Nachrichten 45 auf der Grundlage eines CAN XL-Formats aufgebaut, das in Bezug auf 2 detaillierter beschrieben ist.
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Die Kommunikationssteuereinrichtung 21 kann wie ein herkömmlicher CAN-Controller nach ISO 11898-1:2015 ausgeführt sein. Die Kommunikationssteuereinrichtung 21 erstellt und liest zweite Nachrichten 46, beispielsweise Classical CAN-Nachrichten 46. Die Classical CAN-Nachrichten 46 sind gemäß dem Classical Basisformat aufgebaut, bei welchem in der Nachricht 46 eine Anzahl von bis zu 8 Datenbytes umfasst sein können. Alternativ ist die Classical CAN-Nachricht 46 als CAN FD Nachricht aufgebaut, bei welcher eine Anzahl von bis zu 64 Datenbytes umfasst sein können, die noch dazu mit einer deutlich schnelleren Datenrate als bei der Classical CAN-Nachricht 46 übertragen werden. Im letzteren Fall ist die Kommunikationssteuereinrichtung 21 wie ein herkömmlicher CAN FD-Controller ausgeführt.
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Die Kommunikationssteuereinrichtung 31 kann ausgeführt sein, um je nach Bedarf eine CAN XL-Nachricht 45 oder eine Classical CAN-Nachricht 46 für die Sende-/Empfangseinrichtung 32 bereitzustellen oder von dieser zu empfangen. Die Kommunikationssteuereinrichtung 31 erstellt und liest also eine erste Nachricht 45 oder zweite Nachricht 46, wobei sich die erste und zweite Nachricht 44, 46 durch ihren Datenübertragungsstandard unterscheiden, nämlich in diesem Fall CAN XL oder CAN. Alternativ ist die Classical CAN-Nachricht 46 als CAN FD Nachricht aufgebaut. Im letzteren Fall ist die Kommunikationssteuereinrichtung 31 wie ein herkömmlicher CAN FD-Controller ausgeführt.
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Die Sende-/Empfangseinrichtung 12 kann bis auf die nachfolgend noch genauer beschriebenen Unterschiede als CAN XL-Transceiver ausgeführt sein. Die Sende-/Empfangseinrichtung 22 kann wie ein herkömmlicher CAN Transceiver oder CAN FD Transceiver ausgeführt sein. Die Sende-/Empfangseinrichtung 32 kann ausgeführt sein, um je nach Bedarf Nachrichten 45 gemäß dem CAN XL-Format oder Nachrichten 46 gemäß dem derzeitigen CAN-Basisformat für die Kommunikationssteuereinrichtung 31 bereitzustellen oder von dieser zu empfangen. Die Sende-/Empfangseinrichtungen 12, 32 sind zusätzlich oder alternativ wie ein herkömmlicher CAN FD Transceiver ausführbar.
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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.
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2 zeigt für die Nachricht 45 einen CAN XL Rahmen 450, wie er von der Sende-/Empfangseinrichtung 12 oder der Sende-/Empfangseinrichtung 32 gesendet wird. Der CAN XL-Rahmen 450 ist für die CAN-Kommunikation auf dem Bus 40 in unterschiedliche Kommunikationsphasen 451 bis 453 unterteilt, nämlich eine Arbitrationsphase 451, eine Datenphase 452 und eine Rahmenendphase 453.
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In der Arbitrationsphase 451 wird mit Hilfe eines Identifizierers bitweise zwischen den Teilnehmerstationen 10, 20, 30 ausgehandelt, welche Teilnehmerstation 10, 20, 30 die Nachricht 45, 46 mit der höchsten Priorität senden möchte und daher für die nächste Zeit zum Senden in der anschließenden Datenphase 452 einen exklusiven Zugriff auf den Bus 40 des Bussystems 1 bekommt.
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In der Datenphase 452 werden die Nutzdaten des CAN XL-Rahmens bzw. der Nachricht 45 gesendet. Die Nutzdaten können entsprechend dem Wertebereich eines Datenlängecodes beispielsweise bis zu 4096 Bytes oder einen größeren Wert aufweisen.
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In der Rahmenendphase 453 kann beispielsweise in einem Prüfsummenfeld eine Prüfsumme über die Daten der Datenphase 452 einschließlich der Stuffbits enthalten sein, die vom Sender der Nachricht 45 nach jeweils einer vorbestimmten Anzahl von gleichen Bits, insbesondere 10 gleichen Bits, als inverses Bit eingefügt werden. Zudem kann in einem Endefeld in der Rahmenendphase 453 mindestens ein Acknowledge-Bit enthalten sein. Außerdem kann eine Folge von 11 gleichen Bits vorhanden sein, welche das Ende des CAN XL-Rahmens 450 anzeigen. Mit dem mindestens einen Acknowledge-Bit kann mitgeteilt werden, ob ein Empfänger in dem empfangenen CAN XL-Rahmen 450 bzw. der Nachricht 45 einen Fehler entdeckt hat oder nicht.
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In der Arbitrationsphase 451 und der Rahmenendphase 453 wird 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).
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Ein wichtiger Punkt während der Phasen 451, 453 ist, dass das bekannte CSMA/CR-Verfahren Verwendung findet, 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 1 relativ einfach weitere Bus-Teilnehmerstationen 10, 20, 30 hinzugefügt werden, was sehr vorteilhaft ist.
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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.
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Ein Sender der Nachricht 45 beginnt ein Senden von Bits der Datenphase 452 auf den Bus 40 erst, wenn die Teilnehmerstation 10 als der Sender die Arbitration gewonnen hat und die Teilnehmerstation 10 als Sender damit zum Senden einen exklusiven Zugriff auf den Bus 40 des Bussystems 1 hat.
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Ganz allgemein können in dem Bussystem mit CAN XL im Vergleich zu CAN oder C FD folgende abweichenden Eigenschaften realisiert werden:
- a) Übernahme und ggf. Anpassung bewährter Eigenschaften, die für die Robusthei und Anwenderfreundlichkeit von CAN und CAN FD verantwortlich sind, insbesondere Rahmenstruktur mit Identifier und Arbitrierung nach dem CSMA/C Verfahren,
- b) Steigerung der Netto-Datenübertragungsrate auf etwa 10 Megabit pro Sekunde,
- c) Anheben der Größe der Nutzdaten pro Rahmen auf etwa 4kbyte.
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3 und 4 zeigen den grundlegenden Aufbau der Teilnehmerstation 10 mit der Kommunikationssteuereinrichtung 11, der Sende-/Empfangseinrichtung 12 und der Umschaltsignalisierungseinrichtung 15. Über einen Sendeanschluss TXD, der nachfolgend auch TXD-Anschluss genannt wird, kann die Kommunikationssteuereinrichtung 11 ein TxD-Signal und/oder eine Kennung 455 an die Sende-/Empfangseinrichtung 12 senden. Über einen Empfangsanschluss RXD, der nachfolgend auch RXD-Anschluss genannt wird, kann die Sende-/Empfangseinrichtung 12 ein RxD-Signal an die Kommunikationssteuereinrichtung 11 senden, wie in 3 veranschaulicht. Zudem kann die Kommunikationssteuereinrichtung 11 über den RXD-Anschluss eine Kennung 457 an die Sende-/Empfangseinrichtung 12 senden, wie in 4 veranschaulicht. Hierfür wird der Datenfluss an dem RXD-Anschluss von der Richtung gemäß 3 zeitweise umkehrt. Die Umkehrung des Datenflusses am Anschluss RXD für das Signal RxD ist insbesondere mit einem Schalter oder Schaltblock mit mindestens einem Transistor ausführbar.
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Die Teilnehmerstation 30 ist in ähnlicher Weise aufgebaut, wie in 3 und 4 gezeigt, außer dass die Umschaltsignalisierungseinrichtung 35 nicht in die Kommunikationssteuereinrichtung 31 integriert ist, sondern separat von der Kommunikationssteuereinrichtung 31 und der Sende-/Empfangseinrichtung 32 vorgesehen ist. Daher werden die Teilnehmerstation 30 und die Einrichtung 35 nicht separat beschrieben. Die nachfolgend beschriebenen Funktionen der Umschaltsignalisierungseinrichtung 15 sind bei der Umschaltsignalisierungseinrichtung 35 identisch vorhanden.
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Gemäß 3 und 4 hat die Teilnehmerstation 10 zusätzlich zu der Kommunikationssteuereinrichtung 11, der Sende-/Empfangseinrichtung 12 und der Einrichtung 15 zudem einen Mikrocontroller 13, welchem die Kommunikationssteuereinrichtung 11 zugeordnet ist, und eine System-ASIC 16 (ASIC = Anwendungsspezifische Integrierte Schaltung), die alternativ ein System Basis-Chip (SBC) sein kann, auf dem mehrere für eine Elektronik-Baugruppe der Teilnehmerstation 10 notwendige Funktionen zusammengefasst sind. In dem System-ASIC 16 ist zusätzlich zu der Sende-/Empfangseinrichtung 12 eine Energieversorgungseinrichtung 17 eingebaut, welche die Sende-/Empfangseinrichtung 12 mit elektrischer Energie versorgt. Die Energieversorgungseinrichtung 17 liefert üblicherweise eine Spannung CAN_Supply von 5 V. Je nach Bedarf kann die Energieversorgungseinrichtung 17 jedoch eine andere Spannung mit einem anderen Wert liefern. Zusätzlich oder alternativ kann die Energieversorgungseinrichtung als Stromquelle ausgestaltet sein.
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Die Sende-/Empfangseinrichtung 12 hat zudem ein Sendemodul 121, ein Empfangsmodul 122, und ein Auswertemodul 125. Das Auswertemodul 125 kann als Schaltblock ausgestaltet sein, der insbesondere mindestens einen Transistor aufweist. Dies ist nachfolgend noch genauer beschrieben.
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Auch wenn nachfolgend immer von der Sende-/Empfangseinrichtung 12 gesprochen ist, ist es alternativ möglich, das Empfangsmodul 122 in einer separaten Einrichtung extern von dem Sendemodul 121 vorzusehen. Das Sendemodul 121 und das Empfangsmodul 122 können wie bei einer herkömmlichen Sende-/Empfangseinrichtung 22 aufgebaut sein. Das Sendemodul 121 kann insbesondere mindestens einen Operationsverstärker und/oder einen Transistor aufweisen. Das Empfangsmodul 122 kann insbesondere mindestens einen Operationsverstärker und/oder einen Transistor aufweisen.
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Die Sende-/Empfangseinrichtung 12 ist an den Bus 40 angeschlossen, genauer gesagt dessen erste Busader 41 für CAN_H oder CAN-XL_H und dessen zweite Busader 42 für CAN_L oder CAN-XL_L. Über mindestens einen Anschluss 43 erfolgt die Spannungsversorgung für die Energieversorgungseinrichtung 17 zum Versorgen der ersten und zweiten Busader 41, 42 mit elektrischer Energie, insbesondere mit der Spannung CAN-Supply. Die Verbindung mit Masse bzw. CAN GND ist über einen Anschluss 44 realisiert. Die erste und zweite Busader 41, 42 sind mit einem Abschlusswiderstand 49 terminiert.
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Die erste und zweite Busader 41, 42 sind in der Sende-/Empfangseinrichtung 12 mit dem Sendemodul 121, das auch als Transmitter bezeichnet wird, und mit dem Empfangsmodul 122 verbunden, das auch als Receiver bezeichnet wird, auch wenn die Verbindung in 3 und 4 zur Vereinfachung nicht gezeigt ist.
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Im Betrieb des Bussystems 1 setzt das Sendemodul 121 ein Sendesignal TxD oder TxD, das in 5 gezeigt ist und von der Kommunikationssteuereinrichtung 11 erzeugt wurde, in entsprechende Signale CAN-XL_H und CAN-XL_L gemäß 6 für die Busadern 41, 42 um und sendet diese Signale CAN-XL_H und CAN-XL_L an den Anschlüssen für CAN-XL_H und CAN-XL_L auf den Bus 40. Auf dem Bus 40 bildet sich in Folge der Signale von 6 eine Differenzspannung VDIFF = CAN-XL_H - CAN-XL_L aus, die in 7 veranschaulicht ist.
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Das Empfangsmodul 122 bildet aus den von dem Bus 40 empfangenen Signalen CAN-XL_H und CAN-XL_L gemäß 6 bzw. deren Differenzspannung VDIFF gemäß 7 ein Empfangssignal RxD, wie in 8 gezeigt, und gibt dieses an die Kommunikationssteuereinrichtung 11 weiter.
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Mit Ausnahme eines Leerlauf- oder Bereitschaftszustands (Idle oder Standby), hört die Sende-/Empfangseinrichtung 12 mit dem Empfangsmodul 122 im Normalbetrieb immer auf eine Übertragung von Daten bzw. Nachrichten 45, 46 auf dem Bus 40 und zwar unabhängig davon, ob die Sende-/Empfangseinrichtung 12 Sender der Nachricht 45 ist oder nicht.
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Auch wenn dies in 5 bis 8 nicht explizit angegeben ist, hat die Bitrate in den Phasen 451, 453, also bei Arbitration und Rahmenende, einen Wert von maximal 1 Mbit/s. Dagegen kann die Bitrate in der Datenphase 452 den gleichen Wert haben, wie in 6 bis 6 gezeigt. Alternativ kann die Bitrate in der Datenphase 452 einen höheren Wert als in den Phasen 451, 453 haben, insbesondere 8 Mbit/s oder 10 Mbit/s oder noch höher. Bei einer solchen Alternative ist eine Bitzeit t_bt1 in den Phasen 451, 453 deutlich länger als eine Bitzeit t_bt2 in der Datenphase 452.
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Gemäß dem Beispiel von 6 haben die Signale CAN-XL_H und CAN-XL_L in den zuvor genannten Kommunikationsphasen 451, 453 die dominanten und rezessiven Buspegel 401, 402, wie von CAN bekannt. Dagegen unterscheiden sich die Signale CAN-XL_H und CAN-XL_L in der Datenphase 452 von den herkömmlichen Signalen CAN_H und CAN_L, wie nachfolgend noch genauer beschrieben.
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Wie aus dem linken Teil von 6 ablesbar, treibt das Sendemodul 121 nur in den zuvor genannten Kommunikationsphasen 451, 453 die dominanten Zustände 402 der differentiellen Signale CAN-XL_H und CAN-XL_L unterschiedlich. Dagegen sind die Buspegel auf den Busadern 41, 42 für die rezessiven Zustände 401 in den zuvor genannten Kommunikationsphasen 451, 453 gleich der Spannung Vcc bzw. CAN-Supply von beispielsweise etwa 2,5 V. Somit ergibt sich für eine Spannung VDIFF = CAN-XL_H - CAN-XL_L für die rezessiven Zustände 401 (logische ,1' bzw. H des Sendesignals TxD) ein Wert von 0V und für die dominanten Zustände 402 (logische ,0' bzw. L des Sendesignals TxD) ein Wert von ca. 2,0 V.
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Erkennt die Sende-/Empfangseinrichtung 12 das Ende der Arbitrationsphase 451, so wird die Sende-/Empfangseinrichtung 12 in eine zweite Betriebsart umgeschaltet. In der zweiten Betriebsart wird das Sendemodul 121 der Sende-/Empfangseinrichtung 12, wenn die Teilnehmerstation 10 in der Phase 451 die Arbitration verloren hat und daher in der Datenphase 452 nicht senden darf, von einem Zustand Z1, in welchem die Buszustände 401, 402 gemäß dem linken Teil von 6 bzw. 7 erzeugt werden, für die Datenphase 452 in einen zweiten Zustand Z2 geschaltet, in welchem die Sende-/Empfangseinrichtung 12 in der folgenden Datenphase 452 nur als Empfänger agiert. In diesem Fall wird die Sende-/Empfangseinrichtung 12, genauer gesagt ihr Empfangsmodul 122, somit von einer ersten Betriebsart in eine zweite Betriebsart umgeschaltet. Dagegen wird das Sendemodul 121 der Sende-/Empfangseinrichtung 12, wenn die Teilnehmerstation 10 die Arbitration gewonnen hat und daher ihre Nachricht 45 auf den Bus 40 senden darf, in der zweiten Betriebsart in einen Zustand Z3 umgeschaltet, in welchem aus den Datenzuständen Data_0 bzw. L und Data_1 bzw. H des Sendesignals TXD von 5 die Buszustände U_D0, U_D1 gemäß dem rechten Teil von 6 bzw. 7 erzeugt werden. Die Sende-/Empfangseinrichtung 12, genauer gesagt ihr Sendemodul 121 wird somit von einer ersten Betriebsart in eine zweite Betriebsart oder von einem Zustand Z1 in einen Zustand Z2 und/oder in einen Zustand Z3 umgeschaltet.
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Die Abfolge der Datenzustände Data_0 bzw. L und Data_1 bzw. H in dem Sendesignal TxD von 5 und somit der daraus resultierenden Buszustände U_D0, U_D1 für die Signale CAN-XL_H, CAN-XL_L in 6 und der daraus resultierende Verlauf der Spannung VDIFF von 7 dient nur der Veranschaulichung der Funktion der Sende-/Empfangseinrichtung 12. Die Abfolge der Datenzustände Data_0 bzw. L und Data_1 bzw. H in dem Sendesignal TxD und somit der daraus resultierenden Buszustände U_D0, U_D1 ist je nach Bedarf wählbar.
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Bei den zuvor beschriebenen Zuständen sind auf der Busleitung des Busses 40 bei dem Zustand Data_0 Buspegel zwischen etwa -0,6 V und etwa -2 V und bei dem Zustand Data_1 Buspegel zwischen etwa 0,6 V und etwa 2 V vorhanden. Bei den Zuständen Data_0 und Data_1 hat die Differenzspannung VDIFF = CAN-XL_H - CAN-XL_L also insbesondere eine maximale Amplitude von etwa 1,4 V, auch wenn 7 in einem speziellen Beispiel eine Amplitude für VDIFF als 2 V darstellt.
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Mit anderen Worten erzeugt das Sendemodul 121 gemäß 6 in einer ersten Betriebsart einen ersten Datenzustand, beispielsweise Data_0 bzw. L, als Buszustand 402 mit unterschiedlichen Buspegeln für zwei Busadern 41, 42 der Busleitung und einen zweiten Datenzustand, beispielsweise Data_1 bzw. H, als Buszustand 401 mit demselben Buspegel für die zwei Busadern 41, 42 der Busleitung des Busses 40.
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Beim Umschalten zwischen der Arbitrationsphase 451 und der Datenphase 452 stellt sich beispielsweise ein Buszustand 403 ein.
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Außerdem bildet das Sendemodul 121 für die zeitlichen Verläufe der Signale CAN-XL_H, CAN-XL_L in einer zweiten Betriebsart, welche die Datenphase 452 umfasst, den ersten und zweiten Datenzustand Data_0, Data_1 jeweils als Buszustand U_D0, U_D1 mit unterschiedlichen Buspegeln für die zwei Busadern 41, 42 der Busleitung des Busses 40. Dies ist in 6 und 7 gezeigt.
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Wie in 7 dargestellt, verwendet das Empfangsmodul 122 in den Kommunikationsphasen 451, 453 die von CAN/CAN-FD bekannte erste Empfangsschwelle T_a, insbesondere mit der typischen Lage von 0,7 V gemäß der ISO11898-2:2016, um die Buszustände 401, 402 in der ersten Betriebsart sicher erkennen zu können. Dagegen verwendet das Empfangsmodul 122 in der Datenphase 452 eine Empfangsschwelle T_d, welche bei etwa 0 V liegt. Optional sind zusätzliche Empfangsschwellen verwendbar.
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Die Umschaltsignalisierungseinrichtung 15 von 3 und 4 ist ausgestaltet, in einer vom Bus 40 empfangenen Nachricht 45 zu erkennen, wann zwischen den Kommunikationsphasen 451, 452 oder zwischen den Kommunikationsphasen 452, 453 umzuschalten ist. Hierfür kann die Umschaltsignalisierungseinrichtung 15 das in dem Bussystem 1 verwendete Kommunikationsprotokoll für Nachrichten 45, genauer gesagt für Rahmen 450 von 2, zumindest teilweise interpretieren. Außerdem kann die Umschaltsignalisierungseinrichtung 15 mit der Kennung 457 verschiedene Zustände Z1, Z2, Z3 signalisieren, in welche die Sende-/Empfangseinrichtung 12 beim Umschalten zu schalten ist. Hierfür verwendet die Umschaltsignalisierungseinrichtung 15 und/oder die Kommunikationssteuereinrichtung 11 nach Umkehrung des Signalflusses am RXD-Anschluss eine der Kennungen 457_Z1, 457_Z2, 457_Z3, wie nachfolgend in Bezug auf 9 bis 13 genauer beschrieben. Das Auswertemodul 125 wertet die Kennungen 457_Z1, 457_Z2, 457_Z3 aus, um die Sende-/Empfangseinrichtung 12 in die jeweiligen Zustände Z1, Z2, Z3 zu schalten, die von der Kennung 457, 457_Z1, 457_Z2, 457_Z3 vorgegeben werden.
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9 zeigt auf der linken Seite Signale TxD, RxD, RxD_I in einem ersten Umschaltabschnitt. Das Signal TxD ist ein Sendesignal TxD für einen Rahmen 450 am Übergang zur Datenphase 452 an dem TXD-Anschluss der Teilnehmerstation 10. Das Signal RxD ist das resultierende Empfangssignal RxD, das die Sende-/Empfangseinrichtung 12 über den Anschluss RXD an die Kommunikationssteuereinrichtung 11 sendet. Das Signal RxD_I ist ein Empfangssignal RxD_I, welches die Sende-/Empfangseinrichtung 12 an dem Anschluss RXD sieht, da die Kommunikationssteuereinrichtung 11 nach Umkehrung des RXD-Anschlusses, wie in 4 gezeigt und zuvor beschrieben, mit einem Signal RxD1 (12) eine Kennung 457_Z3 über den RXD-Anschluss sendet. Die Kennung 457_Z3 ist die Kennung 457, bei welcher die Sende-/Empfangseinrichtung 12 von dem Zustand Z1 in den Zustand Z3 umzuschalten ist.
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Auf der rechten Seite von 9 ist der zweite Umschaltabschnitt des Signals TxD, RxD, RxD_I bei der Umschaltung von der Datenphase 452 in die Rahmenendphase 453 gezeigt. Zwischen dem ersten und zweiten Umschaltabschnitt von 9 ergeben sich die Pegel des Signals TxD und somit der resultierenden RxD, RxD_I aus den jeweils zu sendenden Nutzdaten, was mit gestrichelten Linien für die Signale TxD, RxD, RxD_I dargestellt ist
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Wie in 9 gezeigt, verwendet die Sende-/Empfangseinrichtung 12 sowohl in der Arbitrationsphase 451 als auch in der Rahmenendphase 453 einen Physical Layer 451_P. Dagegen verwendet die Sende-/Empfangseinrichtung 12 in der Datenphase 452 einen Physical Layer 452_P, der sich von dem Physical Layer 451_P unterscheidet, wie bereits zuvor beschrieben und in 6 und 7 veranschaulicht
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In dem Sendesignal TxD signalisieren die Pegel H oder 1 des FDF-Bits und des XLF-Bits, dass in die Datenphase 452 eines Rahmens 450 umzuschalten ist. Das resXL-Bit wird in dem Rahmen 450 immer mit einem Pegel L oder 0 gesendet.
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Das resXL-Bit kann in Nachfolgeformaten zu dem Rahmen 450 anders verwendet werden.
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Da die Einrichtung 15 aufgrund der H-Pegel des FDF-Bits und des XLF-Bits bei dem Beispiel von 9 erkennt, dass eine Umschaltung in die Datenphase 452 vorzunehmen ist, kehrt die Einrichtung 15 den Datenfluss am Anschluss RXD für das Empfangssignal RxD um und sendet während eines Bits AH die Kennung 457 in einem Signal RxD1 über den Anschluss RXD, wie in 10 oder 12 gezeigt. Bei dem Beispiel von 9 wird die Kennung 457_Z3 in dem Signal RxD1 gesendet.
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Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel hat die Kennung 457 ein Bit, wenn die Sende-/Empfangseinrichtung 12 von dem Zustand Z1 während der Arbitrationsphase 451 für die Datenphase 452 in den Zustand Z2 umzuschalten ist. In dem Zustand Z2 ist die Teilnehmerstation 10 in der Datenphase 452 nur Empfänger, hat also die Arbitration verloren und darf somit in der Datenphase 452 nicht senden. Daher verriegelt die Sende-/Empfangseinrichtung 12 ihren Treiber bzw. das Sendemodul 121 und schaltet das CAN Adernpaar CAN_H/CAN_L beispielsweise hochohmig. Außerdem werden die Empfangsschwellen T_a, T_d angepasst, wie zuvor beschrieben. Eine derartige Umschaltung und der Zustand Z2 sind in 10 und 11 veranschaulicht.
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Zudem hat die Kennung 457 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei Bits, wenn die Sende-/Empfangseinrichtung 12 von dem Zustand Z1 in den Zustand Z3 umzuschalten ist. Bei einer derartigen Kennung 457 bewirkt das Auswertemodul 125, dass die Sende-/Empfangseinrichtung 12 nach dem ersten Puls von dem Zustand Z1 in den Zustand Z2 umschaltet und dann nach dem zweiten Puls in den Zustand Z3 umschaltet. In dem Zustand Z3 darf die Teilnehmerstation 10 in der Datenphase 452 ihre Nachricht 45 senden, hat also die Arbitration gewonnen und ist somit in der Datenphase 452 Sender der Nachricht 45. Eine derartige Umschaltung und der Zustand Z3 sind in 9 sowie in 12 und 13 veranschaulicht. Der Zustand Z1 kann alternativ als Arbitration-Phase-Mode bezeichnet werden. Der Zustand Z2 kann alternativ als Rx-Data-Phase-Mode bezeichnet werden. Der Zustand Z3 kann alternativ als Tx-Data-Phase-Mode bezeichnet werden.
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Ergibt die Auswertung, dass derzeit nicht (mehr) umzuschalten ist, beendet die Einrichtung 15 die Umkehrung des Datenflusses am Anschluss RXD für das Empfangssignal RxD, so dass wieder die Betriebsart von 3 vorliegt.
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Erkennt die Einrichtung 15 aufgrund des Empfangs der Prüfsumme CRC und des darauffolgenden Empfangs der Bitfolge DH2, DL2 in dem Sendesignal TxDl, wie auf der rechten Seite von 9 gezeigt, dass eine Umschaltung von der Datenphase 452 zu der Rahmenendphase 453 vorzunehmen ist, nimmt die Umschaltsignalisierungseinrichtung 15 wieder eine Signalisierung mit einer Kennung 457 über den Anschluss RXD vor. Hierfür signalisiert die Umschaltsignalisierungseinrichtung 15 am Ende der Datenphase 452 während einer Bitfolge AH mit einer Kennung 457_Z1 über den Anschluss RXD, dass die Sende-/Empfangseinrichtung 12 eine Umschaltung des Physical Layers 452_P der Datenphase 452 zu dem Physical Layer 451_P der Rahmenendphase 453 vorzunehmen hat.
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Ganz allgemein wird für die Rückschaltung in den Zustand Z1 am Ende der Datenphase 452 als Kennung 457 mindestens ein Puls mit inverser Polarität, verglichen mit den vorherigen Pulsen, von der Einrichtung 11 zu der Einrichtung 12 über den RXD Anschluss gesendet.
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Tritt nun während der Übertragung eines Rahmens 450 in der Datenphase 452 ein Fehler auf, wie in 10 und 11 mit dem gezackten Pfeil gezeigt, können die Teilnehmerstationen 10, 20, 30 gegebenenfalls kein Signal mehr vom Bus 40 empfangen und somit kein gültiges Signal RxD mehr erzeugen. Ist die Teilnehmerstation 10 eine empfangende Teilnehmerstation 10, die also die Arbitration verloren hat und in der Datenphase 452 nur Empfänger des Rahmens 450 ist, ist die Teilnehmerstation 10 in der Datenphase 452 in den Zustand Z2 geschaltet, wie in 11 gezeigt. Bei dem Zustand Z2 wird das Sendesignal TxD1 in der Datenphase 452 beispielsweise auf dem Pegel H gehalten, wie in 11 gezeigt. Die Teilnehmerstation 10 darf nicht senden. Alternativ kann das Sendesignal TxD1 in der Datenphase 452 auf dem Pegel L gehalten werden. Außerdem ist die mindestens eine Empfangsschwelle T_d angepasst für den Datenmodus als Empfänger.
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Bei dem Fehlerfall von 10 kann die Umschaltung des Physical Layers 452_P der Datenphase 452 zu dem Physical Layer 451_P nicht mit der zuvor beschriebenen Umschaltung mittels der Kennung 457 erfolgen.
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Daher sendet die Kommunikationssteuereinrichtung 11, wenn an dem Anschluss RXD in der Datenphase 452 für eine vorbestimmte Zeitdauer T1 kein gültiges Signal RxD mehr empfangen wird, die Kennung 455. Die Kennung 455 kann insbesondere mindestens ein Puls 1=>0=>1 sein. Die Kennung 455 hat eine Zeitdauer T2. Aufgrund der Kennung 455 schaltet die Sende-/Empfangseinrichtung 12 von dem Zustand Z2 in den Zustand Z1 um. Daher wird der Physical Layer 452_P der Datenphase 452 zu dem Physical Layer 451_P der Phasen 451, 453 umgeschaltet.
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Die Zeitdauer T2 der Kennung 455, also ihres mindestens einen Pulses, könnte beispielsweise 200ns sein. Damit wäre die Kennung 455 länger als ein Datenbit in der Datenphase 452 und somit robust von der Sende-/Empfangseinrichtung 12 am Anschluss TXD zu empfangen. Zudem ist eine solche Kennung 455 deutlich kürzer als die kürzeste erlaubte Arbitrationsbitzeit von 1000ns, und kann somit gut in einem Bit versteckt werden.
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Die Sende-/Empfangseinrichtung 12 sendet die Kennung 455 nicht auf den Bus 40.
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Die Sende-/Empfangseinrichtung 12 kann als Umschaltbedingung die Kombination aus beiden Flanken nehmen, also 1=>0 und anschließend 0=>1, oder nur die erste oder nur die zweite Flanke.
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Alternativ kann die Sende-/Empfangseinrichtung 12 noch die Länge oder Zeitdauer T2 der Kennung 455 bzw. des mindestens einen Pulses einbeziehen. Hierbei kann eine Mindestlänge oder Mindestzeitdauer T2 notwendig sein, um ein versehentliches Umschalten zu verhindern.
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Bei dem in 10 und 11 gezeigten Beispiel sendet die empfangende Teilnehmerstation 10 normalerweise nichts, weshalb ihr Signal TxD1 konstant ist.
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Ändert sich jedoch das Sendesignal TxD1 durch die Kennung 455, die mindestens einen Puls hat, so muss die Sende-/Empfangseinrichtung 12 in den Zustand Z1 zurückschalten, wie in 11 gezeigt.
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Bei dem in 12 und 13 gezeigten Beispiel tritt bei einem Zeitpunkt t2 in der Datenphase 452 bei der Teilnehmerstation 10 in dem Zustand Z3 ein Fehler auf, bei dem das Sendesignal TxD3 abbricht. In dem Zustand Z3 ist das Sendemodul 121 in der Sende-/Empfangseinrichtung 12 aktiv, um in der Datenphase 452 je nach dem Pegel des Sendesignals TxD3 die entsprechenden Buszustände für die Pegel 0 oder 1 auf den Bus 40 zu treiben.
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Ein solcher Fehler kann insbesondere durch einen Absturz der Software der Kommunikationssteuereinrichtung 11 oder durch das Rücksetzen der Hardware (Hardware-Reset) auftreten.
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Auch bei dem Fehlerfall von 13 kann die Umschaltung des Physical Layers 452_P der Datenphase 452 zu dem Physical Layer 451_P nicht mit der zuvor beschriebenen Umschaltung mittels der Kennung 457 erfolgen.
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Daher setzt die Kommunikationssteuereinrichtung 11, zumindest nach dem Wiederhochfahren der Hardware und/oder Software oder bei Auftreten des Hardwareausfalls, den Anschluss TXD auf den Pegel 1, wie in 13 gezeigt. Empfängt die Sende-/Empfangseinrichtung 12 an dem Anschluss TXD für eine vorbestimmte Zeitdauer T3 den Pegel 1, wertet die Sende-/Empfangseinrichtung 12 dies als Kennung 455 an dem Anschluss TXD, um die Sende-/Empfangseinrichtung 12 von dem Zustand Z3 in den Zustand Z1 umzuschalten. Daher wird der Physical Layer 452_P der Datenphase 452 zu dem Physical Layer 451_P der Phasen 451, 453 umgeschaltet.
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Die vorbestimmte Zeitdauer T3 kann mehrere Arbitrationsbitzeiten lang sein. Insbesondere kann die vorbestimmte Zeitdauer T3 eine Dauer von 6 Arbitrationsbitzeiten haben. Eine derartige Dauer entspricht bei einer Bitrate von 1Mbit/s in der Arbitrationsphase 451, bei der 1 Arbitrationsbitzeit 1 µs dauert, einer Zeitdauer T3 von 5 µs. Die Bitrate von 1Mbit/s entspricht der höchsten erlaubten Arbitrationsbitrate. Insbesondere hat die vorbestimmte Zeitdauer T3 eine Dauer, die länger als eine Zeitdauer von direkt aufeinanderfolgenden Pulsen gleichen Pegels ist, die in dem dritten Zustand Z3 in dem Sendesignal TxD oder TxD1 auftreten können.
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Die vorbestimmte Zeitdauer T3 soll bewirken, dass die Sende-/Empfangseinrichtung 12 einen Zeitablauf (TimeOut) erkennt, nach dem die Sende-/Empfangseinrichtung 12 in den Zustand Z1 zu schalten ist.
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Bei dem Zustand Z3 sendet die Teilnehmerstation 10 im Normalbetrieb einen Bitstrom auf den Bus, wie in 13 mit dem Sendesignal TxD3 am Anfang der Datenphase 452 gezeigt. Aufgrund der Stuff-Bits bei CAN wird am Anschluss TXD immer eine 0/1 Bitfolge mit unterschiedlich vielen 0 und 1 an die Sende-/Empfangseinrichtung 12 ausgegeben. Kommt aber für eine gewisse Zeit T3 ein konstanter Pegel über den Anschluss TXD an der Sende-/Empfangseinrichtung 12 an, so wertet das Auswertemodul 125 bzw. die Sende-/Empfangseinrichtung 12 dies derart, dass der Rahmen 450 entweder zu Ende ist oder abgebrochen wurde. Folglich muss die Sende-/Empfangseinrichtung 12 in den Zustand Z1 schalten.
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Somit nimmt die Einrichtung 15 nur für die Signalisierung der Umschaltung eine Änderung des Datenflusses am Anschluss RXD für das Empfangssignal RxD vor. Daher werden dann wie gewöhnlich am Anschluss für das Empfangssignal RxD die Daten von der Sende-/Empfangseinrichtung 12, genauer gesagt deren Empfänger 122, zu der Kommunikationssteuereinrichtung 11 geleitet.
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Um zu erkennen, dass umzuschalten ist, kann die Einrichtung 15 optional zusätzlich die Auswertung verwenden, die bereits von der Kommunikationssteuereinrichtung 11 durchgeführt wird. Dadurch kann das Auswerteergebnis der Einrichtung 15 plausibilisiert werden. Gegebenenfalls kann hier eine der Auswertungen höher bewertet werden als die andere, so dass die Auswertung verschiedene Sicherheitsstufen für die Erkennung des Umschaltens realisieren kann.
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Auf diese Weise macht die Einrichtung 15 die Umschaltung von der Arbitrationsphase 451 in die Datenphase 452 mit höherer Bitrate kenntlich. Damit liegt der Sende-/Empfangseinrichtung 12 die Information über diesen Zeitpunkt vor, um in die schnelle Datenphase 452 umschalten zu können.
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Als Folge davon ist keine galvanische Verbindung durch jeweils einen zusätzlichen Anschluss an der Kommunikationssteuereinrichtung 11 und damit verbundenen Sende-/Empfangseinrichtung 12 erforderlich, damit die Kommunikationssteuereinrichtung 11 den Zeitpunkt der Bitraten-Umschaltung an die Sende-/Empfangseinrichtung 12 übertragen. Das heißt, die Einrichtung 15 benötigt vorteilhaft keinen zusätzlichen Anschluss, der an einem Standardgehäuse nicht verfügbar ist. Somit ist durch die Einrichtung 15 kein Wechsel auf ein anderes größeres und kostenintensives Gehäuse notwendig, um einen zusätzlichen Anschluss bereitzustellen.
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Außerdem ermöglicht die Einrichtung 15, dass keine Integration einer Protokoll-Controller-Funktionalität in der Sende-/Empfangseinrichtung 12 erforderlich ist. Ein solcher Protocol-Controller, könnte unter anderem die Umschaltphase der Nachricht 45 erkennen und abhängig davon die Datenphase 452 einleiten. Da ein solcher zusätzlicher Protokoll-Controller jedoch beachtlich Fläche in der Sende-/Empfangseinrichtung 12 oder dem ASIC 16 benötigen würde, bewirkt die Einrichtung 15, welche zusätzlich oder alternativ die bereits vorhandene Funktionalität der Kommunikationssteuereinrichtung 11 verwenden kann, eine deutliche Senkung des Ressourcenbedarfs.
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Dadurch bieten die Einrichtung 15 und die Auswerteeinheit 125 eine sehr unaufwändige und kostengünstige Lösung, um der Sende-/Empfangseinrichtung 12 die Umschaltung zwischen den Kommunikationsphasen 451, 452, 453 kenntlich zu machen.
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Bei einer Modifikation des vorangehenden Ausführungsbeispiels ist die Einrichtung 15 ausgestaltet, am Übergang von Datenphase 452 zu Rahmenendphase 453 keine Signalisierung über den Anschluss RXD auszugeben. Stattdessen wird immer nur die Signalisierung über den Anschluss TXD ausgegeben. Hierfür wird die vorbestimmte Zeit T2 oder T3 entsprechend gewählt. Alternativ kann die Signalisierung über den Anschluss TXD ausgegeben werden, wenn das DH2-Bit und das DL2-Bit empfangen wurde. Insbesondere kann die Kennung 455 ausgestaltet sein, wie für die Kennung 457_Z1 in 9 gezeigt.
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Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel kann die Auswerteeinheit 125 und/oder die Einrichtung 15 auch den Zustand auf dem Bus 40 beobachten, um eine Umschaltbedingung zu erkennen. In diesem Fall kann zusätzlich eine Umschaltbedingung aus dem RxD-Signal abgeleitet werden. Da das RxD-Signal ein digitales Signal ist und der Zustand auf dem Bus 40 durch die analogen Pegel von CAN_H und CAN_L bzw. CAN-XL_H und CAN-XL_L definiert ist, enthält der Zustand auf dem Bus 40 mehr Information. In einem solchen Fall benötigt die Auswerteeinheit 125 und/oder die Einrichtung 15 jedoch einen Protokoll-Controller.
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Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel wird die Zurückschaltung der Sende-/Empfangseinrichtung 12 in den Arbitrations-Modus (Zustand Z1) noch sicherer dadurch erreicht, dass eine weitere Umschaltbedingung eingeführt ist. Demzufolge schaltet die Sende-/Empfangseinrichtung 12, wenn der Zustand des Busses 40 bzw. des Signals RxD für eine vorbestimmte Zeitdauer T_C konstant ist, beispielsweise für die vorbestimmte Zeitdauer T1 oder T3, von einem beliebigen Zustand Z2, Z3 in den Arbitrations-Modus (Zustand Z1).
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Die vorbestimmte Zeitdauer Zeit T_C ist so zu wählen, das bei keiner sinnvollen Bitrate in der Datenphase 452 so eine lange Zeit der gleiche Zustand auf dem Bus vorhanden ist. Flankenwechsel sind automatisch durch die bei CAN vorhandenen Stuff-Bits gegeben. Beispielsweise kann T_C = 6µs gewählt werden, wie zuvor in Bezug auf 12 und 13 beschrieben.
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Der Vorteil dieser zusätzlichen Umschaltbedingung ist, dass jede Teilnehmerstation 10, 20, 30 am Ende eines Rahmens 450, spätestens im EOF-Feld in den Arbitrations-Modus (Zustand Z1) zurück schaltet. Damit wird sichergestellt, dass der Bus 40 nicht versehentlich durch eine Sende-/Empfangseinrichtung 12 blockiert wird, insbesondere, weil die Sende-/Empfangseinrichtung 12 in den Zustand Z3 geschaltet ist.
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Gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel wird die Zurückschaltung der Sende-/Empfangseinrichtung 12 des sendenden Busteilnehmers, also hier die Teilnehmerstation 10, aus dem Zustand Z3 in den Arbitrations-Modus (Zustand Z1) dadurch erreicht, dass die Sende-/Empfangseinrichtung 12 selbsttätig in den Zustand Z1 schaltet, wenn sie einen Konflikt auf dem Bus 40 erkennt. Ein solcher Konflikt liegt vor, wenn mindestens zwei Sende-/Empfangseinrichtungen 12, 32 unterschiedliche Pegel auf den Bus treiben und daher das Sendesignal TxD nicht auf das Empfangssignal RxD weitergeleitet wird.
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Alle zuvor beschriebenen Ausgestaltungen der Einrichtungen 15, 35, der Teilnehmerstationen 10, 20, 30, des Bussystems 1 und des darin ausgeführten Verfahrens können einzeln oder in allen möglichen Kombinationen Verwendung finden. Insbesondere können alle Merkmale der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele und/oder deren Modifikationen beliebig kombiniert werden. Zusätzlich oder alternativ sind insbesondere folgende Modifikationen denkbar.
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Die in den Figuren gezeigte Empfangsschwelle T_d basiert auf der Annahme, dass in dem Bussystem 1 die Buszustände U_D0, U_D1 invers zueinander mit betragsmäßig gleichen VDIFF-Pegeln getrieben werden. Alternativ ist es jedoch möglich, die Empfangsschwelle T_d in dem Fall entsprechend anzupassen, wenn die Buszustände U_D0 und U_D1 mit z.B. zwei unterschiedlichen positiven VDIFF-Pegeln getrieben werden.
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Auch wenn die Erfindung zuvor am Beispiel des CAN-Bussystems beschrieben ist, kann die Erfindung bei jedem Kommunikationsnetzwerk und/oder Kommunikationsverfahren eingesetzt werden, bei welchem zwei verschiedene Kommunikationsphasen verwendet werden, in denen sich die Buszustände unterscheiden, die für die unterschiedlichen Kommunikationsphasen erzeugt werden. Insbesondere ist die Erfindung bei Entwicklungen von sonstigen seriellen Kommunikationsnetzwerken, wie Ethernet und/oder 100 Base-T1 Ethernet, Feldbussystemen, usw. einsetzbar.
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Insbesondere kann das Bussystem 1 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 1 zumindest für bestimmte Zeitspannen ein exklusiver, kollisionsfreier Zugriff einer Teilnehmerstation 10, 20, 30 auf einen gemeinsamen Kanal gewährleistet ist.
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Die Anzahl und Anordnung der Teilnehmerstationen 10, 20, 30 in dem Bussystem 1 der Ausführungsbeispiele ist beliebig. Insbesondere kann die Teilnehmerstation 20 in dem Bussystem 1 entfallen. Es ist möglich, dass eine oder mehrere der Teilnehmerstationen 10 oder 30 in dem Bussystem 1 vorhanden sind. Denkbar ist, dass alle Teilnehmerstationen in dem Bussystem 1 gleich ausgestaltet sind, also nur Teilnehmerstation 10 oder nur Teilnehmerstation 30 vorhanden sind.
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Zudem ist es möglich, die Bitzeitdauer t_bt2 in der Datenphase 452 im Vergleich zu der Bitzeitdauer t_bt1 zu verkürzen, die in der Arbitrationsphase 451 und Rahmenendphase 453 verwendet wird. In diesem Fall wird in der Datenphase 452 mit einer größeren Bitrate gesendet als in der Arbitrationsphase 451 und Rahmenendphase 453. Auf diese Weise lässt sich die Übertragungsgeschwindigkeit im Bussystem 1 noch weiter steigern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ISO11898-1:2015 [0002]
- ISO11898-2:2016 [0068]
