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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sende-/Empfangseinrichtung für eine Teilnehmerstation eines seriellen Bussystems 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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Für die Kommunikation zwischen Sensoren und Steuergeräten, beispielsweise in Fahrzeugen, wird häufig ein Bussystem eingesetzt, in welchem Daten als Nachrichten im Standard ISO11898-1:2015 als CAN Protokoll-Spezifikation mit CAN FD übertragen werden. Die Nachrichten werden zwischen den Busteilnehmern des Bussystems, wie Sensor, Steuergerät, Geber, usw., als analoge Signale übertragen.
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Jeder Busteilnehmer des Bussystems ist mit einer Sende-/Empfangseinrichtung an den Bus angeschlossen. In der Sende-/Empfangseinrichtung ist mindestens ein Empfangskomparator vorgesehen, der die analogen Signale von dem Bus empfängt und in ein digitales Signal umsetzt. Der Inhalt des digitalen Signals kann von einem Protokollkontroller interpretiert werden. Zudem kann der Protokollkontroller ein Signal für die Übertragung auf dem Bus erstellen und mit der Sende-/Empfangseinrichtung auf den Bus senden, so dass zwischen den Busteilnehmern Informationen austauschbar sind.
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Um Daten mit höherer Bitrate über den Bus übertragen zu können als bei CAN, wurde im CAN FD Nachrichten-Format sowie im CAN XL 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 im Vergleich zu CAN gesteigert. Dabei wird bei CAN FD-Rahmen oder CAN FD-Nachrichten die maximal mögliche Datenrate über einen Wert von 1 MBit/s hinaus gesteigert. Zudem ist die Nutzdatenlänge von 8 auf bis zu 64 Bytes erweitert. Ähnliches gilt für CAN XL, bei welchem die Schnelligkeit der Datenübertragung in den Bereich von Beispiel 10 Base-T1S Ethernet gesteigert sein soll und die bisher mit CAN FD erreichte Nutzdatenlänge von bis zu 64 Bytes größer sein soll. Dadurch kann die Robustheit des CAN oder CAN FD basierten Kommunikationsnetzwerks vorteilhaft beibehalten werden.
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Im Laufe der Spezifikation der analogen seriellen Datenübertragung auf der CAN-Busleitung wurden für CAN XL mittlerweile Sendepegel und Empfangsschwellen für den mindestens einen Eingangskomparator der Sende-/Empfangseinrichtung (Transceiver) jeder Teilnehmerstation festgelegt. Die Sendepegel und Empfangsschwellen sind auf eine möglichst flexible Auslegung der Busleitungstopologie optimiert worden und unterscheiden sind in den verschiedenen Betriebsmodi der Sende-/Empfangseinrichtung (Transceiver).
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Nachteilig daran ist, dass die beiden logischen Bitpegel auf der CAN-Busleitung nicht immer eindeutig erkannt werden, wenn die empfangende Sende-/Empfangseinrichtung auf andere Empfangsschwellen eingestellt ist als Sendepegel auf dem Bus übertragen werden. Dies kann insbesondere auftreten, wenn eine Sende-/Empfangseinrichtung (Transceiver) aus einem Ruhezustand aufgeweckt wird und versucht, sich wieder in die laufende Kommunikation auf dem Bus zu integrieren. Um eine solche Integration einer CAN-Teilnehmerstation zu ermöglichen, bei der die CAN-Teilnehmerstation noch nicht weiß, welche die korrekte Betriebsart für die Sende-/Empfangseinrichtung ist, wurde für den mindestens einen Eingangskomparator eine dritte Empfangsschwelle T_OoB (Threshold Out-of-Bounds eingefügt, die einen Wert von beispielsweise -0,4 V hat.
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Problematisch ist jedoch, dass die Empfangsschwelle T_OoB eine Synchronisation der Teilnehmerstationen stören kann. Grund dafür ist, dass die Empfangsschwelle T_OoB beim Zurückschalten von der Datenphase in die Arbitrationsphase Bitflanken an dem Anschluss der Sende-/Empfangseinrichtung für ein RxD-Signal verschiebt, das aus dem vom Bus empfangenen Signal gebildet wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sende-/Empfangseinrichtung für eine Teilnehmerstation eines seriellen Bussystems und ein Verfahren zur Kommunikation in einem seriellen Bussystem bereitzustellen, welche die zuvor genannten Probleme lösen. Insbesondere sollen eine Sende-/Empfangseinrichtung für eine Teilnehmerstation eines seriellen Bussystems und ein Verfahren zur Kommunikation in einem seriellen Bussystem bereitgestellt werden, bei welchen die Integration einer CAN-Teilnehmerstation in die laufende Kommunikation verbessert wird.
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Die Aufgabe wird durch eine Sende-/Empfangseinrichtung für eine Teilnehmerstation eines seriellen Bussystems mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Sende-/Empfangseinrichtung hat einen ersten Anschluss zum Empfang eines Sendesignals von einer Kommunikationssteuereinrichtung, ein Sendemodul zum Senden des Sendesignals auf einen Bus des Bussystems, bei welchem Bussystem zum Austausch von Nachrichten zwischen Teilnehmerstationen des Bussystems mindestens eine erste Kommunikationsphase und eine zweite Kommunikationsphase verwendet werden, ein Empfangsmodul zum Empfang des Signals von dem Bus, wobei das Empfangsmodul ausgestaltet ist, aus dem von dem Bus empfangenen Signal ein digitales Empfangssignal zu erzeugen, einen zweiten Anschluss zum Senden des digitalen Empfangssignals an die Kommunikationssteuereinrichtung zum Empfang eines Betriebsart-Umschaltsignals von der Kommunikationssteuereinrichtung, und einen Betriebsart-Umschaltblock zur Auswertung des an dem zweiten Anschluss von der Kommunikationssteuereinrichtung empfangenen Betriebsart-Umschaltsignals, wobei der Betriebsart-Umschaltblock ausgestaltet ist, das Sendemodul und/oder das Empfangsmodul abhängig von einem Ergebnis der Auswertung in eine von drei verschiedenen Betriebsarten zu schalten, und wobei der Betriebsart-Umschaltblock ausgestaltet ist, eine Umschaltung der Betriebsart der zweiten Kommunikationsphase in die Betriebsart der ersten Kommunikationsphase bis zu einer Bitgrenze einer Umschaltphase zwischen den Kommunikationsphasen zeitlich zu verzögern.
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Mit der Sende-/Empfangseinrichtung ist es möglich, dass ein „false positive“ bei der CAN-Idle-Detection verhindert wird. Als Folge davon kann die Integration einer Teilnehmerstation in die laufende Kommunikation am Bus ermöglicht werden. Zudem wird dennoch die Synchronisation der Sende-/Empfangseinrichtung und damit der übergeordneten Teilnehmerstation (CAN-Knoten) ermöglicht oder bleibt erhalten.
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Außerdem kann mit der Sende-/Empfangseinrichtung in einer der Kommunikationsphasen eine von CAN bekannte Arbitration beibehalten werden und dennoch die Übertragungsrate gegenüber CAN oder CAN FD nochmals beträchtlich gesteigert werden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass zwei Kommunikationsphasen mit unterschiedlicher Bitrate verwendet werden und der Beginn der zweiten Kommunikationsphase, in welcher die Nutzdaten mit höherer Bitrate als in der Arbitration übertragen werden, für die Sende-/Empfangseinrichtung sicher kenntlich gemacht wird. Daher kann die Sende-/Empfangseinrichtung sicher von einer ersten Kommunikationsphase in die zweite Kommunikationsphase umschalten oder zurück. 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.
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Das von der Sende-/Empfangseinrichtung durchgeführte Verfahren kann auch zum Einsatz kommen, wenn in dem Bussystem auch mindestens eine CAN-Teilnehmerstation und/oder mindestens eine CAN FD Teilnehmerstation vorhanden ist, die Nachrichten nach dem CAN-Protokoll und/oder CAN FD Protokoll senden.
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Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Sende-/Empfangseinrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Möglicherweise ist der Betriebsart-Umschaltblock ausgestaltet, bei der Umschaltung von der zweiten Kommunikationsphase in die erste Kommunikationsphase die Umschaltung der Betriebsart vorzunehmen, wenn in dem von dem Empfangsmodul ausgegebenen Empfangssignal eine Flanke zwischen verschiedenen Buszuständen auftritt und die Sende-/Empfangseinrichtung nicht der Sender der Nachricht ist.
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Der Betriebsart-Umschaltblock kann ausgestaltet sein, das Sendemodul in einer Betriebsart der zweiten Kommunikationsphase abzuschalten, in welcher die Sende-/Empfangseinrichtung nicht der Sender der Nachricht ist.
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Möglicherweise ist der Betriebsart-Umschaltblock ausgestaltet, bei der Umschaltung von der zweiten Kommunikationsphase in die erste Kommunikationsphase die Umschaltung der Betriebsart vorzunehmen, wenn die Sende-/Empfangseinrichtung in der zweiten Kommunikationsphase Sender der Nachricht ist und in dem Sendesignal eine Flanke zwischen verschiedenen Buszuständen auftritt.
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Möglicherweise ist das Sendemodul ausgestaltet, in der ersten Kommunikationsphase Bits der Signale auf den Bus mit einer ersten Bitzeit zu treiben, die um mindestens den Faktor 10 größer als eine zweite Bitzeit von Bits ist, die das Sendemodul in der zweiten Kommunikationsphase auf den Bus treibt. Hierbei kann das Betriebsart-Umschaltsignal über den zweiten Anschluss zur Signalisierung der Umschaltung der Betriebsart mindestens einen Puls mit einer Pulszeitdauer haben, die in etwa gleich der zweiten Bitzeit ist oder kürzer als die zweite Bitzeit ist.
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Die Kommunikationssteuereinrichtung kann ausgestaltet sein, an dem Anschluss für das digitale Empfangssignal als Betriebsart-Umschaltsignal eine Kennung mit einem vorbestimmten Wert an das Empfangsmodul zu senden, wenn von der ersten Kommunikationsphase in die zweite Kommunikationsphase umzuschalten ist.
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Beispielsweise ist die Kennung ein Bit mit einem vorbestimmten Wert oder Pulsmuster oder die Kennung ist ein vorbestimmtes Bitmuster.
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Gemäß einer Option ist das in der ersten Kommunikationsphase von dem Bus empfangene Signal mit einem anderen Physical Layer erzeugt als das in der zweiten Kommunikationsphase von dem Bus empfangene Signal.
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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 Sende-/Empfangseinrichtung und die zuvor beschriebene Kommunikationssteuereinrichtung können Teil einer Teilnehmerstation 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 weist mindestens eine der mindestens zwei Teilnehmerstationen eine zuvor beschriebene Sende-/Empfangseinrichtung auf.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren zur Kommunikation in einem seriellen Bussystem nach Anspruch 13 gelöst. Das Verfahren wird mit einer Sende-/Empfangseinrichtung einer Teilnehmerstation für ein Bussystem ausgeführt, bei welchem zum Austausch von Nachrichten zwischen Teilnehmerstationen des Bussystems mindestens eine erste Kommunikationsphase und eine zweite Kommunikationsphase verwendet werden, wobei die Teilnehmerstation ein Sendemodul, ein Empfangsmodul, einen Betriebsart-Umschaltblock, einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, und wobei das Verfahren die Schritte aufweist, Empfangen, mit dem Empfangsmodul, eines Signals von dem Bus des Bussystems, Erzeugen, mit dem Empfangsmodul, aus dem von dem Bus empfangenen Signal eines digitalen Empfangssignals und Ausgeben des digitalen Empfangssignals an dem zweiten Anschluss, Auswerten, mit dem Betriebsart-Umschaltblock, eines an dem zweiten Anschluss von der Kommunikationssteuereinrichtung empfangenen Betriebsart-Umschaltsignals, und Schalten, mit dem Betriebsart-Umschaltblock, des Sendemoduls und/oder des Empfangsmoduls abhängig von einem Ergebnis der Auswertung in eine von drei verschiedenen Betriebsarten, wobei der Betriebsart-Umschaltblock eine Umschaltung der Betriebsart der zweiten Kommunikationsphase in die Betriebsart der ersten Kommunikationsphase bis zu einer Bitgrenze einer Umschaltphase zwischen den Kommunikationsphasen zeitlich verzögert.
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Das Verfahren bietet dieselben Vorteile, wie sie zuvor in Bezug auf die Sende-/Empfangseinrichtung und/oder die Kommunikationssteuereinrichtung 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.
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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 Teilnehmerstationen des Bussystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel gesendet werden können;
- 3 ein vereinfachtes schematisches Blockschaltbild einer Teilnehmerstation des Bussystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
- 4 ein elektrisches Schaltbild eines Betriebsart-Umschaltblocks zur Umschaltung der Betriebsart einer Sende-/Empfangseinrichtung der Teilnehmerstation von 3;
- 5 bis 9 einen zeitlichen Verlauf von Signalen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel für eine Zeitphase, bei der eine erste Betriebsart der Sende-/Empfangseinrichtung, die in der Arbitrationsphase (erste Kommunikationsphase) eingeschaltet wird, in eine von zwei Betriebsarten der Sende-/Empfangseinrichtung geschaltet wird, in welche die Sende-/Empfangseinrichtung in einer Datenphase als zweite Kommunikationsphase umschaltbar ist;
- 10 bis 15 einen zeitlichen Verlauf von Signalen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel für eine Zeitphase, bei der die Betriebsart der Sende-/Empfangseinrichtung für die zweite Kommunikationsphase, der Betriebsart der Sende-/Empfangseinrichtung für die Datenphase, zurück in die erste Betriebsart umgeschaltet wird, welche die Betriebsart der Sende-/Empfangseinrichtung für die Arbitrationsphase ist;
- 15 bis 17 einen zeitlichen Verlauf von Signalen bei der Teilnehmerstation von 3, wenn sich die Teilnehmerstation in eine laufende Kommunikation auf dem Bus zu integrieren versucht; und
- 18 ein elektrisches Schaltbild eines Betriebsart-Umschaltblocks zur Umschaltung der Betriebsart einer Sende-/Empfangseinrichtung der Teilnehmerstation von 3 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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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 FD-Nachfolge-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 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. 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 einen Umschaltblock 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 einen Umschaltblock 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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In jeder Teilnehmerstation 10, 20, 30 werden die Nachrichten 45, 46 kodiert in Form von Rahmen über eine TXD-Leitung und eine RXD-Leitung bitweise zwischen der jeweiligen Kommunikationssteuereinrichtung 11, 21, 31 und der zugehörigen Sende-/Empfangseinrichtungen 12, 22, 32 ausgetauscht. Dies ist nachfolgend genauer beschrieben.
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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 Kommunikationssteuereinrichtungen 11, 31 erstellen und lesen erste Nachrichten 45, die beispielsweise modifizierte CAN Nachrichten 45 sind, die nachfolgend auch CAN XL Nachrichten 45 genannt werden. Hierbei sind die modifizierten CAN Nachrichten 45 oder CAN XL Nachrichten 45 auf der Grundlage eines CAN FD-Nachfolgeformats aufgebaut, 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.
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Die Kommunikationssteuereinrichtung 21 kann wie ein herkömmlicher CAN-Protokollkontroller bzw. 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. Im letzteren Fall ist die Kommunikationssteuereinrichtung 21 wie ein herkömmlicher CAN FD-Controller ausgeführt.
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Die Sende-/Empfangseinrichtungen 12, 32 können bis auf die nachfolgend noch genauer beschriebenen Unterschiede als CAN XL-Transceiver ausgeführt sein. Die Sende-/Empfangseinrichtungen 12, 32 sind zusätzlich oder alternativ wie ein herkömmlicher CAN FD Transceiver ausführbar. Die Sende-/Empfangseinrichtung 22 kann wie ein herkömmlicher CAN Transceiver oder CAN FD Transceiver ausgeführt sein.
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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 455 unterteilt, nämlich eine Arbitrationsphase 451, eine erste Umschaltphase 452, die am Ende der Arbitrationsphase 451 liegt, eine Datenphase 453, eine zweite Umschaltphase 454, die am Ende der Datenphase 453 liegt, und eine Rahmenendphase 455.
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In der Arbitrationsphase 451 wird beispielsweise am Anfang ein Bit gesendet, das auch SOF-Bit genannt wird und den Beginn des Rahmens bzw. Start of Frame anzeigt. In der Arbitrationsphase 451 wird außerdem ein Identifizierer mit beispielsweise 11 Bit zur Identifikation des Senders der Nachricht 45 gesendet. Bei der Arbitration wird mit Hilfe des 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 Umschaltphase 452 und der anschließenden Datenphase 453 einen exklusiven Zugriff auf den Bus 40 des Bussystems 1 bekommt.
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In der ersten Umschaltphase 452 wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Umschaltung von der Arbitrationsphase 451 in die Datenphase 453 vorbereitet. Dabei wird eine in mindestens einem Bit enthaltene Protokollformatinformation gesendet, welche geeignet ist, CAN XL-Rahmen gegenüber CAN-Rahmen oder CAN FD-Rahmen zu unterscheiden. Die Umschaltphase 452 kann ein Bit AL1 haben, das die Bitdauer T_B1 eines Bits der Arbitrationsphase 451 hat und mit dem Physical Layer der Arbitrationsphase 451 gesendet wird. Der Physical Layer entspricht der Bitübertragungsschicht oder Schicht 1 des bekannten OSI-Modells (Open Systems Interconnection Modell). Zusätzlich kann ein beispielsweise 12 Bit langer Datenlängencode (Data-Length-Code) gesendet werden, der dann zum Beispiel Werte von 1 bis zu 4096, insbesondere bis zu 2048 oder einen sonstigen Wert mit der Schrittweite von 1 annehmen kann, oder alternativ Werte von 0 bis 4095 oder höher annehmen kann. Der Datenlängencode kann alternativ weniger oder mehr Bit umfassen, so dass der Wertebereich und die Schrittweite andere Werte annehmen können.
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In der Datenphase 453 werden die Nutzdaten des CAN XL-Rahmens 450 bzw. der Nachricht 45 gesendet, was auch als Datenfeld der Nachricht 45 bezeichnet werden kann. Die Nutzdaten können entsprechend dem Wertebereich des Datenlängencodes Daten aufweisen, beispielsweise mit einer Anzahl von bis zu 4096 Bytes oder einer größeren Anzahl von Bytes oder eine sonstige beliebige Anzahl von Daten. Am Ende der Datenphase 453 kann beispielsweise in einem Prüfsummenfeld eine Prüfsumme über die Daten der Datenphase 453 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. Insbesondere ist die Prüfsumme eine Rahmenprüfsumme F_CRC, mit welcher alle Bits des Rahmens 450 bis zum Prüfsummenfeld abgesichert werden. Danach kann ein FCP-Feld mit vorbestimmtem Wert, beispielsweise 1100, folgen.
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In der zweiten Umschaltphase 454 wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Umschaltung von der Datenphase 453 in die Rahmenendphase 455 vorbereitet. Dabei wird eine in mindestens einem Bit enthaltene Protokollformatinformation gesendet, welche geeignet ist, die Umschaltung zu realisieren. Die Umschaltphase 454 kann ein Bit AH1 haben, das die Bitdauer T_B1 eines Bits der Arbitrationsphase 451 hat, jedoch mit dem Physical Layer der Datenphase 453 gesendet wird.
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In der Rahmenendphase 455 kann nach zwei Bits AL2, AH2 in einem Endefeld in der Rahmenendphase 455 mindestens ein Acknowledge-Bit ACK enthalten sein. Danach kann eine Folge von 11 gleichen Bits folgen, welche das Ende des CAN XL-Rahmens 450 anzeigen. Mit dem mindestens einen Acknowledge-Bit ACK 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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Mindestens in der Arbitrationsphase 451 und der Rahmenendphase 455 wird ein Physical Layer wie bei CAN und CAN-FD verwendet. Zusätzlich kann in der ersten Umschaltphase 452 zumindest teilweise, also am Anfang, ein Physical Layer wie bei CAN und CAN-FD verwendet werden. Zusätzlich kann in der zweiten Umschaltphase 454 zumindest teilweise, also am Ende, ein Physical Layer wie bei CAN und CAN-FD verwendet werden.
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Ein wichtiger Punkt während der Phasen 451, 455, am Anfang der Phase 452 und am Ende der Phase 454 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.
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Die Arbitration am Anfang eines Rahmens 450 bzw. der Nachricht 45, 46 und das Acknowledgement in der Rahmenendphase 455 des Rahmens 450 bzw. der Nachricht 45, 46 ist nur dann möglich, wenn die Bitzeit deutlich mehr als doppelt so lang ist wie die Signal-Laufzeit zwischen zwei beliebigen Teilnehmerstationen 10, 20, 30 des Bussystems 1. Daher wird die Bitrate in der Arbitrationsphase 451, der Rahmenendphase 455 und zumindest teilweise in den Umschaltphasen 452, 454 langsamer gewählt als in der Datenphase 453 des Rahmens 450. Insbesondere wird die Bitrate in den Phasen 451, 452, 454, 455 als 500 kbit/s gewählt, woraus eine Bitzeit von ca. 2µs folgt, wohingegen die Bitrate in der Datenphase 453 als 5 bis 10 Mbit/s oder mehr gewählt wird, woraus eine Bitzeit von ca. 0,1µs und kürzer folgt. Somit ist die Bitzeit des Signals in den anderen Kommunikationsphasen 451, 452, 454, 455 um mindestens den Faktor 10 größer als die Bitzeit des Signals in der Datenphase 453.
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Ein Sender der Nachricht 45, beispielsweise die Teilnehmerstation 10, beginnt ein Senden von Bits der Umschaltphase 452 und der anschließenden Datenphase 453 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. Der Sender kann entweder nach einem Teil der Umschaltphase 452 auf die schnellere Bitrate und/oder den anderen Physical Layer wechseln oder erst mit dem ersten Bit, also mit dem Beginn, der anschließenden Datenphase 453 auf die schnellere Bitrate und/oder den anderen Physical Layer wechseln.
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Ganz allgemein können in dem Bussystem mit CAN XL im Vergleich zu CAN oder CAN FD insbesondere folgende abweichenden Eigenschaften realisiert werden:
- a) Übernahme und ggf. Anpassung bewährter Eigenschaften, die für die Robustheit und Anwenderfreundlichkeit von CAN und CAN FD verantwortlich sind, insbesondere Rahmenstruktur mit Identifier und Arbitrierung nach dem CSMA/CR-Verfahren,
- b) Steigerung der Netto-Datenübertragungsrate auf etwa 10 Megabit pro Sekunde, und
- c) Anheben der Größe der Nutzdaten pro Rahmen auf etwa 4kbyte oder auf einen beliebigen anderen Wert.
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3 zeigt den grundlegenden Aufbau der Teilnehmerstation 10 mit der Kommunikationssteuereinrichtung 11, der Sende-/Empfangseinrichtung 12 und dem Umschaltblock 15. Die Teilnehmerstation 30 ist in ähnlicher Weise aufgebaut, wie in 3 gezeigt, außer dass der Block 35 separat von der Kommunikationssteuereinrichtung 31 und der Sende-/Empfangseinrichtung 32 vorgesehen ist. Daher werden die Teilnehmerstation 30 und der Block 35 nicht separat beschrieben. Die nachfolgend beschriebenen Funktionen des Umschaltblocks 15 sind bei dem Umschaltblock 35 identisch vorhanden.
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Gemäß 3 hat die Kommunikationssteuereinrichtung 11 zudem ein Kommunikationssteuermodul 111, einen Sendesignal-Ausgangstreiber 112 und ein RxD-Anschluss-Konfigurationsmodul 113. Die Kommunikationssteuereinrichtung 11 ist als Mikrocontroller ausgestaltet oder weist einen Mikrocontroller auf. Die Kommunikationssteuereinrichtung 11 verarbeitet Signale einer beliebigen Anwendung, beispielsweise eines Steuergeräts für einen Motor, eines Sicherheitssystems für eine Maschine oder ein Fahrzeug, oder sonstige Anwendungen.
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Nicht gezeigt in 3 ist jedoch eine System-ASIC (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 können unter anderem die Sende-/Empfangseinrichtung 12 und eine nicht dargestellte Energieversorgungseinrichtung eingebaut sein, welche die Sende-/Empfangseinrichtung 12 mit elektrischer Energie versorgt. Die Energieversorgungseinrichtung liefert üblicherweise eine Spannung CAN_Supply von 5 V. Je nach Bedarf kann die Energieversorgungseinrichtung jedoch eine andere Spannung mit einem anderen Wert liefern und/oder als Stromquelle ausgestaltet sein.
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Gemäß 3 hat die Sende-/Empfangseinrichtung 12 zudem ein Sendemodul 121, ein Empfangsmodul 122, einen Treiber 123 für das Sendesignal TxD, einen Empfangssignal-Ausgangstreiber 124 und einen Treiber 125, der ein Signal RxD_TC an den Umschaltblock 15 ausgibt. Der Umschaltblock 15 bildet aus dem Signal RxD_TC und einem Signal S_SW, welches das Ausgangssignal des Empfangsmoduls 122 ist, ein Betriebszustand-Schaltsignal S_OP zum Schalten des Sendemoduls 121 und/oder des Empfangsmoduls 122. Zusätzlich bildet der Umschaltblock 15 aus dem Signal S_OP und den Signalen TxD, S_SW ein Betriebszustand-Schaltsignal S_OPT zum Schalten von Empfangsschwellen des Empfangsmoduls 122. Das Schaltsignal S_OP kann beispielsweise in einem Bit das Schaltsignal für das Sendemodul 121 und das Empfangsmodul 122 enthalten. Alternativ kann das Schaltsignal S_OP ein zwei Bit breites Signal sein, um Sendemodul 121 und Empfangsmodul 122 getrennt anzusteuern, indem beispielsweise das erste Bit zum Schalten des Sendemoduls 121 und das zweite Bit zum Schalten des Empfangsmoduls 122 vorgesehen ist. Selbstverständlich sind beliebige alternative Möglichkeiten der Ausgestaltung des Schaltsignals S_OP denkbar. Das Sendemodul 121 wird auch als Transmitter bezeichnet. Das Empfangsmodul 122 wird auch als Receiver bezeichnet.
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Der Umschaltblock 15 kann als Schaltblock ausgestaltet sein, der insbesondere mindestens ein Flipflop aufweist. Dies ist nachfolgend in Bezug auf 4 bis 14 noch genauer beschrieben.
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Auch wenn nachfolgend immer von der Sende-/Empfangseinrichtung 12 gesprochen wird, 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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Wie in 3 gezeigt, ist die Sende-/Empfangseinrichtung 12 an den Bus 40 angeschlossen, genauer gesagt dessen erste Busader 41 für CAN_H und dessen zweite Busader 42 für CAN_L. Die erste und zweite Busader 41, 42 sind in der Sende-/Empfangseinrichtung 12 mit dem Sendemodul 121 und mit dem Empfangsmodul 122 verbunden. Die Spannungsversorgung für die Energieversorgungseinrichtung zum Versorgen der ersten und zweiten Busader 41, 42 mit elektrischer Energie erfolgt wie üblich. Außerdem ist die Verbindung mit Masse bzw. CAN_GND wie üblich realisiert. Ähnliches gilt für die Terminierung der ersten und zweiten Busader 41, 42 mit einem Abschlusswiderstand.
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Der Umschaltblock 15 ist ausgestaltet, in einer empfangenen Nachricht 45 vom Bus 40, den Beginn der jeweiligen Umschaltphasen 452, 454 zu erkennen und dann die Eigenschaften der Sende-/Empfangseinrichtung 12 umzuschalten. Dabei kann der Umschaltblock 15 zwischen den folgenden Betriebsarten der Sende-/Empfangseinrichtung 12 umschalten:
- a) erste Betriebsart: Sende-/Empfangseigenschaften für die Arbitrationsphase 451,
- b) zweite Betriebsart: Sende-/Empfangseigenschaften für die Datenphase 453 als Sender (Sendeknoten), Sende-/Empfangseinrichtung 12 agiert als Sender und damit auch Empfänger der Nachricht 45 bzw. eines Rahmens 450,
- c) dritte Betriebsart: Sende-/Empfangseigenschaften für die Datenphase 453 als Empfänger (Empfangsknoten), Sende-/Empfangseinrichtung 12 ist kein Sender, sondern agiert nur als Empfänger der Nachricht 45 bzw. eines Rahmens 450.
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Das RxD-Anschluss-Konfigurationsmodul 113 konfiguriert den Anschluss RxD je nach der erforderlichen Kommunikationsrichtung unter Verwendung von Signalen S1, S2 an seinem Eingang, wie nachfolgend beschrieben. Das Signal S1 kann als RxD_out_ena bezeichnet werden, welches kein Treiben des zusätzlichen Signals RxD_TC über den RxD-Anschluss (erste Anschluss-Betriebsart) oder ein Treiben des zusätzlichen Signals RxD_TC über den RxD-Anschluss (zweite Anschluss-Betriebsart) ermöglicht. Das Signal S2 kann als RxD_out_val bezeichnet werden. Je nach Wert des Signals S2 treibt die Kommunikationssteuereinrichtung 11 den Anschluss RxD an den Umschaltzeitpunkten zwischen den zwei verschiedenen Kommunikationsphasen zur Signalisierung der einzustellenden Betriebsart an die Sende-/Empfangseinrichtung 12, also zum einen in der ersten Umschaltphase 452 zur Umschaltung zwischen Arbitrationsphase 451 und Datenphase 453 und zum anderen in der zweiten Umschaltphase 454 zur Umschaltung zwischen Datenphase 453 und Rahmenendphase 455. Optional kann die Kommunikationssteuereinrichtung 11, je nach Wert des Signals S2, den Anschluss RxD in einer dritten Anschluss-Betriebsart treiben, die auch „Talk-Mode“ genannt werden kann, in welcher eine interne Kommunikation zwischen den Einrichtungen 11, 12 möglich ist. Ansonsten ist der Anschluss RxD, wie insbesondere bei CAN üblich, für die Kommunikationssteuereinrichtung 11 ein Eingang (Input), also kein Ausgang, wie zuvor beschrieben, so dass die Kommunikationssteuereinrichtung 11 den Anschluss RxD nicht treibt. Der Anschluss RxD kann somit mit Hilfe des RxD-Anschluss-Konfigurationsmoduls 113 und der Signale S1, S2 bidirektional betrieben werden. In anderen Worten, der Anschluss RxD ist ein bidirektionaler Anschluss.
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Hierfür sind die Kommunikationssteuereinrichtung 11 und der Ausgangstreiber 124 derart ausgestaltet, dass die Kommunikationssteuereinrichtung 11 den Anschluss RxD beim Treiben zum Zweck der Signalisierung stärker treibt als der Ausgangstreiber 124. Dadurch ist vermieden, dass der Wert der RxD-Leitung unbestimmt sein könnte, wenn sowohl die Kommunikationssteuereinrichtung 11 als auch der Ausgangstreiber 124 den Anschluss RxD treibt und es zu einer Überlagerung der beiden Signal-Quellen an dem Anschluss RxD kommt. Bei einer solchen Überlagerung der beiden Signal-Quellen an dem Anschluss RxD setzt sich somit immer die Kommunikationssteuereinrichtung 11 durch. Dadurch ist der Wert der RxD-Leitung immer bestimmt.
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Damit kann der Umschaltblock 15 die Möglichkeit bereitstellen, über den RxD-Anschluss ein Einstellen einer der zuvor genannten drei Betriebsarten in der Sende-/Empfangseinrichtung 12 zu signalisieren, die verschiedene Betriebszustände der Sende-/Empfangseinrichtung 12 bilden. Ein zusätzlicher Anschluss an der Sende-/Empfangseinrichtung 12 und damit auch an der Kommunikationssteuereinrichtung 11 ist dafür nicht erforderlich.
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Der Umschaltblock 15 ist hierfür gemäß 3 mit den drei Eingängen versehen, über die in den Umschaltblock 15 ein Signal RxD_TC, das Signal TxD und das Signal S_SW eingespeist werden. Das Signal RxD_TC basiert auf einem Signal, das von der Kommunikationssteuereinrichtung 11 über den Anschluss für das RxD-Signal an die Sende-/Empfangseinrichtung 12 gesendet wird. Mit dem Signal RxD_TC signalisiert die Kommunikationssteuereinrichtung 11 der Sende-/Empfangseinrichtung 12 zum einen, dass die Sende-/Empfangseinrichtung 12 nun die Umschaltung in die Betriebsart für die Datenphase 453 vorzunehmen hat. Am Ende der Datenphase 453 kann die Kommunikationssteuereinrichtung 11 mit dem Signal RxD_TC die Umschaltung der Sende-/Empfangseinrichtung 12 von der Betriebsart der Datenphase 453 in die Betriebsart für die Arbitrationsphase 451 vornehmen. Außerdem können mit dem Signal RxD_TC beliebige andere Informationen von der Kommunikationssteuereinrichtung 11 an die Sende-/Empfangseinrichtung 12 gesendet werden, wie zuvor erwähnt.
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Gemäß 3 führt die Sende-/Empfangseinrichtung 12 das Signal RxD_TC von dem Anschluss RxD über den Treiber 125 zum Anschluss des Umschaltblocks 15 für das Signal RxD_TC. Das Signal S_SW wird dagegen aus dem vom Bus 40 empfangenen Signal generiert. Das Signal RxD_TC wird zwischen dem Anschluss für das RxD-Signal und dem Ausgang des Empfangssignaltreibers 124 zu dem Umschaltblock 15 geleitet. Das Signal S_SW wird von dem Ausgang des Empfangsmoduls 122 und vor dem Eingang des Empfangssignaltreibers 124 zu dem Umschaltblock 15 geleitet.
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Gemäß einem speziellen Beispiel, das in 4 gezeigt ist, hat der Umschaltblock 15 zwei D-Flipflops 151, 152, in welche das Signal RxD_TC als Taktsignal eingegeben wird. Die beiden D-Flipflops 151, 152 reagieren auf steigende Taktflanken des Taktsignals, also des Signals RxD_TC. An dem Eingang des D-Flipflops 151 liegt zudem mit dem Signal S_H ein High-Zustand oder ein erster binärer Signalzustand an. Außerdem wird in die D-Flipflops 151, 152 das invertierte Signal S_SW als Reset eingegeben. Das Signal S_SW wird vor der Eingabe in D-Flipflops 151, 152 über einen Inverter 155 geleitet. Die D-Flipflops 151, 152 sind mit Logikgattern 156, 157 verschaltet, nämlich einem UND-Gatter 156 und einem ODER-Gatter 157. Der Ausgang des ODER-Gatters 157 wird einem D-Flipflop 158 als Taktsignal zugeführt, in welches auch ein Time-Out-Signal S_TO als Reset gespeist wird, das den Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer T0 anzeigt. Das Signal S_TO wird aktiv, wenn eine vorbestimmte Zeitdauer T0, beispielsweise 11 Bitzeiten, lang keine Flanken auf dem Bus 40 festgestellt werden. Das D-Flipflop 158 reagiert auf steigende Taktflanken. Zudem ist zwischen das D-Flipflop 158 und einen Eingang des UND-Gatters 156 ein Inverter 159 geschaltet. In dem speziellen Beispiel von 4 wird, während das Signal S_SW High ist, das dritte D-Flipflop 158 durch zwei fallende Flanken des Signals RxD_TC von 0 auf 1 geschaltet. Wenn das Flipflop 158 auf 1 steht, wird es, während das Signal S_SW High ist, durch eine fallende Flanke des Signals RxD_TC von 1 auf 0 geschaltet. Wenn das Signal S_SW Low ist, werden die beiden D-Flipflops 151, 152 zurückgesetzt und reagieren nicht auf steigende Flanken des Signals RxD_TC.
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Mit Hilfe eines Blocks 160 kann die Sende-/Empfangseinrichtung 12 bei dem Übergang von der Datenphase 453 zu der Rahmenendphase 455 zunächst das Umschalt-Signal RxD_TC speichern, das mindestens einen von der Kommunikationssteuereinrichtung 11 getriebenen High-Puls enthält. Dies ist in Bezug auf 5 bis 14 nachfolgend genauer beschrieben.
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Die zuvor beschriebenen Umschaltbedingungen können selbstverständlich anders festgelegt werden, beispielsweise steigende Flanken auf dem Signal RxD_TC während das Signal S_SW Low ist. Außerdem sind andere Pegel und/oder andere Zahlen von Flanken möglich, mit anderen Schaltungen im Umschaltblock 15.
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In dem speziellen Beispiel von 4 treibt das D-Flipflop 158 das binäre Betriebszustand-Schaltsignal S_OP. Wenn das Schaltsignal S_OP zwei Bit breit sein soll, oder wenn mehr als zwei Betriebszustände dargestellt werden sollen, werden zusätzliche D-Flipflops mit anderen Umschaltbedingungen benötigt als zuvor beschrieben.
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Erkennt der Umschaltblock 15 die Umschaltphase 452, wird mit dem aus dem Umschaltblock 15 ausgegebenen Signal S_OP der Betriebszustand des Sendemoduls 121 und/oder des Empfangsmoduls 122 und damit die Betriebsart der Sende-/Empfangseinrichtung 12 geschaltet. Dies ist in Bezug auf 5 bis 9 näher erläutert.
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Im Betrieb des Bussystems 1 setzt das Sendemodul 121, wenn die Teilnehmerstation 10 als Sender agiert, ein Sendesignal TxD der Kommunikationssteuereinrichtung 11 in entsprechende Signale CAN_H und CAN_L für die Busadern 41, 42 um und sendet diese Signale CAN_H und CAN_L auf den Bus 40, wie in 5 für den Übergang von Arbitrationsphase 451 mit der Umschaltphase 452 zu der Datenphase 453 gezeigt. Dabei wird von einer Bitdauer T_B1 der Arbitrationsphase 451 zu einer kürzeren Bitdauer T_B2 der Datenphase 453 umgeschaltet. Auch wenn hier für die Sende-/Empfangseinrichtung 12 die Signale CAN_H und CAN_L genannt sind, so sind diese in Bezug auf die Nachricht 45 als Signale CAN-XL_H und CAN-XL_L zu verstehen, die in der Datenphase 453 von den herkömmlichen Signalen CAN_H und CAN_L in mindestens einem Merkmal abweichen, insbesondere in Bezug auf die Bildung der Buszustände für die verschiedenen Datenzustände des Signals TxD und/oder in Bezug auf die Spannung bzw. den Physical Layer und/oder die Bitrate. Bei dem Beispiel von 5 weichen die Signale CAN-XL_H und CAN-XL_L in der Datenphase 453 in Bezug auf die Bildung der Buszustände für die verschiedenen Datenzustände des Signals TxD und in Bezug auf die Spannung bzw. den Physical Layer und die Bitrate von den herkömmlichen Signalen CAN_H und CAN_L in den Phasen 451, 452 ab.
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Wie in 6 gezeigt, bildet sich in Folge der Signale auf dem Bus 40 ein Differenzsignal VDIFF = CAN_H - CAN_L aus. 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 Teilnehmerstation 10 Sender der Nachricht 45 ist oder nicht. Hierbei verwendet das Empfangsmodul 122 in der Arbitrationsphase 451 und zu Beginn der Umschaltphase 452 eine Empfangsschwelle T_a. Am Ende der Umschaltphase 452 und in der Datenphase 453 verwendet das Empfangsmodul 122 ausschließlich eine Empfangsschwelle T_d, die zwischen bei 0V bzw. zwischen +/- 0.1V liegt. Der minimale Wert für eine Differenzspannung eines Buszustands D0 in der Datenphase 453, der als VDIFF_D0_Min bezeichnet ist, liegt in dem unteren Bereich für die Empfangsschwelle T_a. Das Empfangsmodul 122 bildet dabei ein Signal S_SW und gibt dieses über den Empfangssignal-Ausgangstreiber 124 als digitales Empfangssignal RxD an die Kommunikationssteuereinrichtung 11 weiter, wie in 3 gezeigt. Ist die Sende-/Empfangseinrichtung 12 in die Betriebsart für die Arbitrationsphase 451 geschaltet, kann die Einrichtung 12 die „0“-Bits der Datenphase 453 nicht sicher erkennen, weil die aktuelle Schaltschwelle bzw. Empfangsschwelle T_a in ihrem unteren Toleranzbereich liegt, und damit unterhalb von VDIFF_D0_Min liegen könnte.
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7 zeigt einen Teil des Sendesignals TxD, das beispielsweise von der Teilnehmerstation 10 auf den Bus 40 gesendet wird. Mit einer sich im Betrieb einstellenden Verzögerungszeitdauer T_TLD, die auch als Transmitter Loop Delay bezeichnet wird, empfängt die Teilnehmerstation 10 als Sender ein Signal und bildet daraus mit dem Empfangsmodul 122 und dem Treiber 124 ein digitales Empfangssignal RxD_T, wie in 8 gezeigt. Die Verzögerungszeitdauer T_TLD hängt von Temperatur, Betriebsspannung und Produktions-Toleranzen ab und ist üblicherweise im Datenblatt der Sende-/Empfangseinrichtung 12 angegeben in einem Toleranzbereich spezifiziert. Im Idealfall ist keine Verzögerungszeitdauer T_TLD vorhanden.
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Gemäß 5 bis 7 sendet die Kommunikationssteuereinrichtung 11 vor der Umschaltphase 452 in dem Sendesignal TxD nacheinander ein FDF-Bit und ein XLF-Bit jeweils mit dem Zustand High (erster binärer Signalzustand). Danach folgt ein resXL-Bit, das mit dem Zustand Low (zweiter binärer Signalzustand) gesendet wird und von einem AL1-Bit gefolgt wird, das mit dem Zustand Low (zweiter binärer Signalzustand) gesendet wird. Danach wird am Ende der Arbitrationsphase 451 aufgrund eines Signals RxD_TC, das in 8 gezeigt ist und eine Pulszeitdauer T_B3 hat, von den Bits der Arbitrationsphase 451 mit der Bitzeit T_B1 auf die Bitpegel und Schaltschwelle(n) der Datenphase 453 sowie mit der Bitzeit T_B2 umgeschaltet, wie in 5 bis 9 gezeigt. Die Pulszeitdauer T_B3 ist in etwa gleich oder kleiner bzw. kürzer als die Bitzeit T_B2. Insbesondere ist die Pulszeitdauer T_B3 gleich der Bitzeit T_B2. Die Pulszeitdauer T_B3 ist kleiner oder kürzer als die Bitzeit T_B1. Nach dem AL1-Bit folgen Bits DH1, DL1 der Datenphase 453 und anschließend die Nutzdaten. Das Signal RxD_TC schaltet nur die analogen Komponenten 121, 122 der Sende-/Empfangseinrichtung 12 um. Die Längen der Bitzeiten T_B1, T_B2 werden nur innerhalb der digitalen Kommunikationssteuereinrichtung 11 umgeschaltet.
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Gemäß 9 empfängt die Teilnehmerstation 30, die beispielsweise nur Empfänger des Signals von dem Bus 40 ist, das Signal von dem Bus 40 mit einer zusätzlichen Verzögerungszeitdauer T_BLD, die auch als Bus Line Delay bezeichnet wird. Die Teilnehmerstation 30 bildet daraus ein digitales Empfangssignal RxD_R, wie in 9 gezeigt. Das Empfangssignal RxD_R ist also im Vergleich zu dem Empfangssignal RxD_T zusätzlich um die Verzögerungszeitdauer T_BLD verzögert.
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Gemäß 8 sieht somit die Sende-/Empfangseinrichtung 12 der Teilnehmerstation 10 ein Empfangssignal RxD_T, das in dem AL1-Bit, das den zweiten binären Signalzustand hat (Low) abweichend von dem zuvor beschriebenen Verlauf des TxD-Signals von 7, zwei High-Pulse AL_2 aufweist. Mit anderen Worten, die Kommunikationssteuereinrichtung 11 sendet über den RxD-Anschluss ein Signal RxD_TC, in welchem in dem AL-Bit eine Kennung in Form von zwei Pulsen AL_2 mit dem ersten binären Signalzustand (High), also mit dem inversen Signalzustand, gesendet werden. Dadurch wird der Sende-/Empfangseinrichtung 12 signalisiert, dass von ihrer ersten Betriebsart in ihre zweite Betriebsart umzuschalten ist, um aus den folgenden Bits des Sendesignal TxD das Bussignal CAN_H, CAN_L zu erzeugen. Das Signal RxD_TC bewirkt an der Flanke S_TD die Umschaltung mit dem Umschaltblock 15. In der zweiten Betriebsart agiert die Teilnehmerstation 10 als Sender und als Empfänger der Nachricht 45 bzw. des Rahmens 450.
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Gemäß 9 sieht dagegen die Sende-/Empfangseinrichtung 32 der Teilnehmerstation 30 ein Empfangssignal RxD_R, das in dem AL1-Bit, abweichend von dem zuvor beschriebenen Verlauf des TxD-Signals von 7, einen High-Pulse AL_1 aufweist. Mit anderen Worten, die Kommunikationssteuereinrichtung 31 sendet über ihren RxD-Anschluss ein Signal RxD_TC, in welchem in dem AL-Bit eine Kennung in Form von einem Puls AL_1 mit dem ersten binären Signalzustand, (High), also mit dem inversen Signalzustand, gesendet wird. Dadurch wird der Sende-/Empfangseinrichtung 32 signalisiert, dass von ihrer ersten Betriebsart in ihre dritte Betriebsart umzuschalten ist. Das Signal RxD_TC bewirkt an der Flanke S_RD die Umschaltung mit dem Umschaltblock 15.In der dritten Betriebsart agiert die Teilnehmerstation 30 nur als Empfänger des Rahmens 450, das heißt die Teilnehmerstation 30 hat die vorangehende Arbitration verloren oder derzeit keine Nachricht 45 zu senden.
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Die Signalisierung kann somit derart erfolgen, dass eine Folge von zwei High-Pulsen AL_2 den Übergang von der Arbitrationsphase 451 (erste Betriebsart) in die Datenphase 452 als Sender (zweite Betriebsart) anzeigt, wie in 8 gezeigt, und dass ein High-Puls AL_1 den Übergang von der Arbitrationsphase 451 (erste Betriebsart) in die Datenphase 452 als Empfänger (dritte Betriebsart) anzeigt, wie in 9 gezeigt. Danach kann die Übertragung der Daten des Datenfelds 453 eines Rahmens 450 ausgeführt werden.
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Bei dem Übergang der Betriebsart der Sende-/Empfangseinrichtung 12 von der ersten Betriebsart (Arbitration) zu der zweiten oder dritten Betriebsart ist die Zeitverzögerung des Blocks 160 auf den Wert Null eingestellt. Somit schaltet das Empfangsmodul 122 seine Empfangsschwelle T_a der Arbitrationsphase 451 auf die Empfangsschelle T_d der Datenphase 453 sofort. Ist die Sende-/Empfangseinrichtung 12 in die zweite Betriebsart zu schalten, also wenn die Sende-/Empfangseinrichtung 12 als Sender des Rahmens 450 agiert, schaltet das Sendemodul 121, wenn das Sendesignal TxD auf Low (zweiter Signalzustand) schaltet. Selbstverständlich sind andere Schaltbedingungen ebenfalls vorstellbar.
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Wie anhand von 10 bis 14 erkennbar, geht die Sende-/Empfangseinrichtung 12 bei dem Übergang von der Datenphase 453 zu der Rahmenendphase 455 folgendermaßen vor. Mit Hilfe des Blocks 160 speichert die Sende-/Empfangseinrichtung 12 zunächst das Umschalt-Signal RxD_TC, das einen von der Kommunikationssteuereinrichtung 12 getriebenen Low-Puls enthält, wie in 13 gezeigt. Der Block 160 wartet dann auf eine Flanke auf dem TxD-Signal gemäß 12 und schaltet dann gleichzeitig sein Sendemodul 122 sowie die Empfangsschwelle seines Empfangsmoduls von der Empfangsschwelle T_d der Datenphase 453 auf die Empfangsschwelle T_a für die Arbitration um, also die Schaltschwellen ihres Empfangskomparators. Zusätzlich schaltet die Sende-/Empfangseinrichtung 12 eine Empfangsschwelle T_OoB (Threshold Out-of-Bounds) für ihren Empfangskomparator im Empfangsmodul ein.
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Dagegen geht die Sende-/Empfangseinrichtung 32, die bei dem gezeigten Beispiel nur Empfänger des Rahmens 450 ist, beim Übergang von der Datenphase 453 vor, wie aus 11 und 14 erkennbar. Die Sende-/Empfangseinrichtung 32 wartet auf eine Flanke S_TH auf dem Bus 40, also eine Flanke des Signals S_SW und schaltet dann erst die Empfangsschwelle seines Empfangsmoduls von der Empfangsschwelle T_d der Datenphase 453 auf die Empfangsschwelle T_a für die Arbitration um, also die Schaltschwellen ihres Empfangskomparators. Zusätzlich schaltet die Sende-/Empfangseinrichtung 32 eine Empfangsschwelle T_OoB (Threshold Out-of-Bounds) für ihren Empfangskomparator im Empfangsmodul ein.
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Mit anderen Worten, signalisiert die Kommunikationssteuereinrichtung 12, 32 ihrer zugehörigen Sende-/Empfangseinrichtung 12, 32, die Betriebsart der Sende-/Empfangseinrichtung 12, 32 umzuschalten, verzögert die Sende-/Empfangseinrichtung 12, 32 das Umschalten, bis die Sende-/Empfangseinrichtung 12, 32 eine Bitgrenze erkennt. Die Sende-/Empfangseinrichtung 12 im Sender erkennt die Bitgrenze an einer Flanke auf dem TxD-Eingangs-Pin. Die Sende-/Empfangseinrichtung 12, 32 im Empfänger, der kein Sender des Rahmens 450 ist, erkennt die Bitgrenze an einer Flanke auf dem CAN-Bus 40.
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Dies verhindert, dass die Empfangsschwelle T_OoB das Zurückschalten des Sende-/Empfangseinrichtung 12 von der Datenphase 453 zu der Betriebsart der Arbitrationsphase 455, 451 stört, indem die zweite Flanke des AH1-Bits an dem RxD-Anschluss verschoben wird. Dadurch wird die Synchronisierung der Teilenehmerstationen 10, 20, 30 des Bussystems 1 nicht gestört, die sonst durch ein Verschieben der zweiten Flanke des AH1-Bits an dem RxD-Anschluss verschoben würde.
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Somit ist die Empfangsschwelle T_OoB bei der Integration einer Teilnehmerstation 10, 20, 30 in eine laufende Kommunikation verwendbar, wie in 15 bis 17 gezeigt. Dazu sucht die Teilnehmerstation 10, 20, 30 nach einer ununterbrochenen Folge von 11 rezessiven Bits, das heißt RxD = 1 bzw. RxD_R = 1 bzw. RxD_T = 1. Danach wird der Bus als Idle, also im Ruhezustand, erkannt. Diese Folge von 11 rezessiven Bits tritt zwischen dem dominanten ACK-Bit des einen CAN-Rahmens 450 und dem Start-Bit SOF des folgenden CAN-Rahmens 450 auf oder auch wenn gar keine Rahmen 450 gesendet werden.
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Bei dem Beispiel von 15 bis 17 geht die Kommunikation auf dem Bus 40 nach der Übertragung der Phasen 451, 452 in die Datenphase 453. Die Teilnehmerstation, die eingeschaltet wurde, agiert zunächst nur als Empfänger und erzeugt dabei als Signal RxD ein Empfangssignal RxD_R, wie in 17 gezeigt. Die Teilnehmerstation ist beispielsweise die Teilnehmerstation 10. Bei der Teilnehmerstation 10 ist die Sende-/Empfangseinrichtung 12 somit nach dem Einschalten zunächst in die Betriebsart für die Arbitrationsphase 451 geschaltet. Dabei sind bei dem Empfangsmodul 122 die Empfangsschwellen T_a, T_OoB eingeschaltet, wie in 16 veranschaulicht. Die Empfangsschwelle T_OoB (Threshold Out-of-Bounds) ist notwendig geworden, weil die Empfangsschwelle T_a der Arbitrationsphase 451 die logischen ,0'-Bits in der Datenphase 453 nicht sicher erkennen kann. Grund dafür ist, dass die Empfangsschwelle T_a je nach Fertigungstoleranzen, Temperatur und Betriebs-Spannung im Bereich von 0.5V bis 0.9V liegt, wie in ISO 11898-2 spezifiziert. Liegt die Differenzspannung VDIFF darüber, ist RxD = ‚0‘ = dominant. Liegt die Differenzspannung VDIFF darunter, ist RxD = ‚1‘ = rezessiv. Liegt die Differenzspannung VDIFF in dem genannten Bereich, ist RxD unbestimmt. Eine logische ,0' sollte in der Datenphase 453 als VDIFF = 1V gesendet werden. Wird diese Spannung über die Busleitung an den empfangenden Teilnehmerstationen (Empfangsknoten) auf VDIFF = 0.8V abgeschwächt, kann diese Spannung VDIFF mit der Empfangsschwelle T_a nicht sicher erkannt werden.
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Gemäß 17 bildet die Teilnehmerstation 10 aus den von dem Bus 40 empfangenen Signalen gemäß 15 und 16 das Empfangssignal RxD_R aufgrund der Empfangsschwellen T_a und T_OoB. Zustände DA_R, deren Spannungswerte U für die Differenzspannung VDIFF = CAN_H - CAN_L nicht oberhalb der Obergrenze des für die Empfangsschwelle T_a festgelegten Toleranzbereichs liegen, werden beispielsweise als rezessiv erkannt. Dagegen werden Zustände D_D, deren Differenzspannung unterhalb der Empfangsschwelle T_OoB liegt, als dominant erkannt. Dies gilt auch für den Zustand D_D, der bei dem Zeitpunkt t1 vorliegt. Der Wert für die Schwelle T_a liegt aufgrund der oben beschriebenen Toleranzen im Bereich von 0.5V bis 0.9V.
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So bewirkt die Empfangsschwelle T_OoB, dass die ,1'-Bits in der Datenphase 453 als ,0'-Bits ausgegeben werden und kompensiert so nicht erkannte ,0'-Bits, wenn deren Differenzspannung VDIFF in den unsicheren Bereich von T_a abgeschwächt wird. Die Empfangsschwelle T_OoB verhindert also, dass eine solche Teilnehmerstation irrtümlich eine Folge von Datenbits fälschlicherweise als Ruhezustand des Busses 40 erkennt und daher annimmt, der CAN-Bus 40 sei frei und deshalb einen eigenen Rahmen startet, der den aktuell schon gesendeten Rahmen stört.
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Durch die zuvor beschriebene Ausgestaltung der Teilnehmerstation 10 ist keine galvanische Verbindung durch jeweils einen zusätzlichen Anschluss an der Kommunikationssteuereinrichtung 11 und der damit verbundenen Sende-/Empfangseinrichtung 12 erforderlich, damit die Kommunikationssteuereinrichtung 11 den Zeitpunkt der Bitpegel- und Schaltschwellen-Umschaltung oder sonstigen Daten an die Sende-/Empfangseinrichtung 12 übertragen kann. Das heißt, der Block 15 benötigt vorteilhaft keinen zusätzlichen Anschluss, der an einem Standardgehäuse der Sende-/Empfangseinrichtung 12 nicht verfügbar ist. Somit ist durch den Block 15 kein Wechsel auf ein anderes größeres und kostenintensives Gehäuse notwendig, um einen zusätzlichen Anschluss bereitzustellen.
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Außerdem ermöglicht der Betriebsart-Umschaltbock 15, dass die Sende-/Empfangseinrichtung 12 keine Protokollkontroller-Funktionalität benötigt. Ein solcher Protokollkontroller könnte unter anderem die Umschaltphase 452 der Nachricht 45 erkennen und abhängig davon die Datenphase 453 einleiten. Da ein solcher zusätzlicher Protokollkontroller jedoch beachtlich Fläche in der Sende-/Empfangseinrichtung 12 oder dem ASIC benötigen würde, bewirkt der Betriebsart-Umschaltbock 15 eine deutliche Senkung des Ressourcenbedarfs.
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Dadurch bietet die Verschaltung des Betriebsart-Umschaltbocks 15 mit einer üblichen Sende-/Empfangseinrichtung eine sehr unaufwändige und kostengünstige Lösung, um der Sende-/Empfangseinrichtung 12 kenntlich zu machen, dass eine Umschaltung und welche Umschaltung zwischen ihren verschiedenen Betriebsarten vorzunehmen ist, nämlich insbesondere von der ersten Betriebsart in die zweite Betriebsart oder von der ersten Betriebsart in die dritte Betriebsart oder von der zweiten Betriebsart in die erste Betriebsart oder eine sonstige Umschaltung von Betriebsarten.
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Durch die beschriebene Ausgestaltung der Sende-/Empfangseinrichtung(en) 12, 32 können in der Datenphase 452 weit höhere Datenraten als mit CAN oder CAN-FD erreicht werden. Zudem kann die Datenlänge in dem Datenfeld der Datenphase 453 beliebig gewählt werden, wie zuvor beschrieben. Dadurch können die Vorteile von CAN in Bezug auf die Arbitrierung beibehalten und dennoch eine größere Anzahl von Daten in kürzerer Zeit als bisher sehr sicher und damit effektiv übertragen werden, das heißt, ohne dass eine Wiederholung der Daten aufgrund eines Fehlers notwendig wäre, wie nachfolgend erläutert.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Fehlerrahmen in dem Bussystem 1 bei der Übertragung von Nachrichten 45 nicht benötigt werden, jedoch optional verwendet werden können. Werden keine Fehlerrahmen verwendet, werden Nachrichten 45 nicht mehr zerstört, was eine Ursache für die Notwendigkeit einer Doppelübertragung von Nachrichten beseitigt. Dadurch steigt die Nettodatenrate.
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Ist das Bussystem kein CAN Bussystem, kann der Betriebsart-Umschaltblock 15, 35 ausgelegt werden oder sein, auf andere Umschaltsignale zu reagieren. In diesem Fall kann der Betriebsart-Umschaltblock 15, 35 abhängig von einem Ergebnis seiner Auswertung das Sendemodul 121 und/oder das Empfangsmodul 122 in eine von mindestens zwei verschiedenen Betriebsarten schalten und mindestens eine der Betriebsarten nach Ablauf einer bei dem Betriebsart-Umschaltblock 15, 35 voreingestellten Zeitdauer T0 in eine andere der Betriebsarten umschalten.
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18 zeigt eine Variante für einen Umschaltblock 150, der gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel bei einer Teilnehmerstation 10 anstelle des Umschaltblocks 15 einsetzbar ist.
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Im Unterschied zu dem vorangehenden Ausführungsbeispiel verwendet der Umschaltblock 150 das Signal S_OP als Eingang anstelle des Signals RxD_TC. Auch auf diese Weise können die Vorteile des vorangehenden Ausführungsbeispiels erzielt werden.
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Ansonsten ist das Bussystem 1 bei dem zweiten Ausführungsbeispiel auf die gleiche Weise aufgebaut, wie zuvor in Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel beschrieben.
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Alle zuvor beschriebenen Ausgestaltungen der Blöcke 15, 35, 150, 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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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 10 Base-T1S Ethernet, Feldbussystemen, usw. einsetzbar.
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Das zuvor beschriebene Bussystem 1 gemäß den Ausführungsbeispielen ist anhand eines auf dem CAN-Protokoll basierenden Bussystems beschrieben. Das Bussystem 1 gemäß den Ausführungsbeispielen kann jedoch auch eine andere Art von Kommunikationsnetz sein, bei welchem Daten seriell mit zwei verschiedenen Bitraten übertragbar sind. Es ist vorteilhaft, jedoch nicht zwangsläufige Voraussetzung, dass bei dem Bussystem 1 zumindest für bestimmte Zeitspannen ein exklusiver, kollisionsfreier Zugriff einer Teilnehmerstation 10, 20, 30 auf einen gemeinsamen Kanal gewährleistet ist.
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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.
