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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kommunikationssteuereinrichtung und eine Sende-/Empfangseinrichtung für eine Teilnehmerstation eines seriellen Bussystems und ein Verfahren zur Kommunikation in einem seriellen Bussystem, das mit hoher Datenrate arbeitet, wie beispielsweise CAN XL.
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Stand der Technik
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Serielle Bussysteme werden zur Nachrichten- oder Datenübertragung in technischen Anlagen verwendet, in welchen Sensoren und Steuergeräte eingesetzt werden. Das serielle Bussystem ermöglicht die Kommunikation zwischen den Sensoren und Steuergeräten der technischen Anlage. Eine solche technische Anlage ist beispielsweise ein Fahrzeug oder eine technische Produktionsanlage oder dergleichen.
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Für die Datenübertragung im Bussystem gibt es verschiedene Standards oder Datenübertragungsprotokolle. Für die Kommunikation zwischen Sensoren und Steuergeräten, beispielsweise in Fahrzeugen, wird häufig ein Bussystem eingesetzt, in welchem Daten als Nachrichten im Standard ISO11898-1:2015 als CAN Protokoll-Spezifikation mit CAN FD übertragen werden. Die Nachrichten werden zwischen den Busteilnehmern des Bussystems, wie Sensor, Steuergerät, Geber, usw., übertragen. Bei CAN FD wird bei der Übertragung auf dem Bus zwischen einer langsamen Betriebsart in einer ersten Kommunikationsphase (Arbitrationsphase) und einer schnellen Betriebsart in einer zweiten Kommunikationsphase (Datenphase) hin und her geschaltet. Bei einem CAN FD-Bussystem ist eine Datenübertragungsrate von größer 1 MBit pro Sekunde (1 Mbps) in der zweiten Kommunikationsphase möglich. CAN FD wird von den meisten Herstellern im ersten Schritt mit 500kbit/s Arbitrationsbitrate und 2Mbit/s Datenbitrate im Fahrzeug eingesetzt.
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Um noch größere Datenraten in der zweiten Kommunikationsphase zu ermöglichen, gibt es Nachfolgebussysteme für CAN FD, wie beispielsweise CAN-SIC und CAN XL. Bei CAN-SIC gemäß dem Standard CiA601-4 kann in der zweiten Kommunikationsphase eine Datenrate von etwa 5 bis 8 Mbit/s erreicht werden. Bei CAN XL ist eine Datenrate in der zweiten Kommunikationsphase von > 10 Mbit/s gefordert, wobei der Standard (CiA610-3) dafür derzeit bei der Organisation CAN in Automation (CiA) festgelegt wird. CAN XL soll neben dem reinen Datentransport über den CAN-Bus auch andere Funktionen unterstützen, wie funktionale Sicherheit (Safety), Datensicherheit (Security) und Dienstgüte (QoS = Quality of Service). Dies sind elementare Eigenschaften, die in einem autonom fahrenden Fahrzeug benötigt werden.
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Für die Erzeugung eines seriellen Signals für eine auf den Bus zu sendende Nachricht wird bei einer Teilnehmerstation des Bussystems eine Kommunikationssteuereinrichtung verwendet, die einen Protokoll-Controller aufweisen kann. Das serielle Signal wird an eine Sende-/Empfangseinrichtung weitergeleitet, die auch Transceiver genannt werden kann. Die Sende-/Empfangseinrichtung erzeugt aus dem seriellen Signal mindestens ein Signal, das auf dem Bus des Bussystems an andere Teilnehmerstationen im Bussystem zu übertragen ist. Für eine korrekte Umschaltung zwischen den zwei verschiedenen Kommunikationsphasen von CAN XL ist eine Kommunikation zwischen der Kommunikationssteuereinrichtung und der Sende-/Empfangseinrichtung einer Teilnehmerstation erforderlich.
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Für eine derartige interne Kommunikation zwischen der Kommunikationssteuereinrichtung und der Sende-/Empfangseinrichtung, die nicht auf den Bus gesendet werden soll, ist derzeit an beiden Einrichtungen ein zusätzlicher Anschluss erforderlich. Dies führt jedoch zu hohen Kosten, z.B. auf der Leiterplatine und im Mikrocontroller der zugehörigen Teilnehmerstation.
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Zudem führt das Übertragen der sonstigen Daten gegebenenfalls dazu, dass die übertragbare Datenrate im Bussystem sinkt.
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Offenbarung der Erfindung
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Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kommunikationssteuereinrichtung und 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 Kommunikationssteuereinrichtung und eine Sende-/Empfangseinrichtung für eine Teilnehmerstation eines seriellen Bussystems und ein Verfahren zur Kommunikation in einem seriellen Bussystem bereitgestellt werden, bei welchen mit geringen Kosten, großer Fehlerrobustheit und einer hohen Datenrate in dem Bussystem eine Kommunikation zwischen der Kommunikationssteuereinrichtung und der Sende-/Empfangseinrichtung einer Teilnehmerstation realisiert werden kann.
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Die Aufgabe wird durch eine Kommunikationssteuereinrichtung für eine Teilnehmerstation eines seriellen Bussystems mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Kommunikationssteuereinrichtung hat ein Kommunikationssteuermodul zum Erzeugen eines Sendesignals zum Steuern einer Kommunikation der Teilnehmerstation mit mindestens einer anderen Teilnehmerstation des Bussystems, wobei das Bussystem ausgestaltet ist, zum Austausch von Nachrichten zwischen Teilnehmerstationen des Bussystems mindestens eine erste Kommunikationsphase und eine zweite Kommunikationsphase zu verwenden, und ein Schnittstellenmodul zum Codieren des Sendesignals in zumindest einem Teil der zweiten Kommunikationsphase einer Nachricht in ein codiertes Sendesignals, und zum Einfügen von zusätzlichen Daten in mindestens ein Symbol des codierten Sendesignals, wobei das Schnittstellenmodul ausgestaltet ist, die zusätzlichen Daten als mindestens ein Symbol des codierten Sendesignals seriell zu der Information des Symbols des Sendesignals in das codierte Sendesignal einzufügen, und wobei die Symboldauer des Sendesignals und des codierten Sendesignals gleich ist.
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Mit der Kommunikationssteuereinrichtung ist es möglich, ohne zusätzliche teure Anschlüsse zwischen der Kommunikationssteuereinrichtung und der Sende-/Empfangseinrichtung zusätzliche Daten zwischen den beiden Einrichtungen zu übertragen. Die Kommunikationssteuereinrichtung ist dabei ausgestaltet, die zusätzlichen Daten in das Sendesignal zu integrieren, das von der Kommunikationssteuereinrichtung an die Sende-/Empfangseinrichtung zum Senden auf den Bus gesendet wird. Dennoch vermindert die Integration dieser zusätzlichen Daten nicht die bisherige schnelle Datenübertragung in dem seriellen Bussystem.
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Somit ermöglicht die Kommunikationssteuereinrichtung, dass mehr Daten zwischen der Kommunikationssteuereinrichtung und der Sende-/Empfangseinrichtung übertragen werden, auch wenn die Übertragungsfrequenz gleich bleibt, wie beispielsweise in dem Standard CiA610-3 festgelegt.
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Darüber hinaus kann mit der Kommunikationssteuereinrichtung 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.
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Als Folge davon ist eine hohe 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.
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Das von der Kommunikationssteuereinrichtung 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 Kommunikationssteuereinrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist das Schnittstellenmodul ausgestaltet, eine Pulsweitenmodulation zum Codieren des Sendesignals in zumindest einem Teil der zweiten Kommunikationsphase der Nachricht auszuführen.
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Möglicherweise ist das Schnittstellenmodul ausgestaltet, die Symboldauer des Sendesignals für das codierte Sendesignal in n Symbole für ein erstes Symbol des Sendesignals und in n Symbole für ein zweites Symbol des Sendesignals zu unterteilen, wobei n eine natürliche Zahl größer oder gleich 1 ist. Hierbei kann das Schnittstellenmodul ausgestaltet sein, die Information des Symbols des Sendesignals in das erste oder letzte Symbol der 2*n Symbole der Symboldauer des codierten Sendesignals einzufügen. Alternativ kann das Schnittstellenmodul ausgestaltet sein, die zusätzlichen Daten zwischen das erste und letzte Symbol der 2*n Symbole der Symboldauer des codierten Sendesignals einzufügen.
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Möglicherweise ist das Kommunikationssteuermodul ausgestaltet, das Sendesignal in der ersten Kommunikationsphase der Nachricht mit Symbolen mit einer ersten Bitzeit zu erzeugen, die um mindestens den Faktor 10 größer als eine zweite Bitzeit von Symbolen ist, die das Kommunikationssteuermodul in der zweiten Kommunikationsphase der Nachricht in dem Sendesignal erzeugt.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird zudem durch eine Sende-/Empfangseinrichtung für eine Teilnehmerstation eines seriellen Bussystems mit den Merkmalen von Anspruch 7 gelöst. Die Sende-/Empfangseinrichtung hat ein Sendemodul zum Senden eines Sendesignals auf einen Bus des Bussystems, wobei das Bussystem ausgestaltet ist, zum Austausch von Nachrichten zwischen Teilnehmerstationen des Bussystems mindestens eine erste Kommunikationsphase und eine zweite Kommunikationsphase zu verwenden, ein Schnittstellenmodul zum Decodieren des Sendesignals in zumindest einem Teil der zweiten Kommunikationsphase einer Nachricht in ein decodiertes Sendesignals, und zum Extrahieren von zusätzlichen Daten aus mindestens einem Symbol des codierten Sendesignals, und wobei das Schnittstellenmodul ausgestaltet ist, die zusätzlichen Daten aus mindestens einem Symbol des codierten Sendesignals zu extrahieren, die seriell zu der Information des Symbols des Sendesignals in das codierte Sendesignal eingefügt sind, und wobei die Symboldauer des Sendesignals und des decodierten Sendesignals gleich ist.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist das Schnittstellenmodul ausgestaltet, eine Decodierung einer Pulsweitenmodulation des Sendesignals in dem zumindest einen Teil der zweiten Kommunikationsphase der Nachricht auszuführen.
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Bei der Sende-/Empfangseinrichtung kann das Schnittstellenmodul ausgestaltet sein, die Symboldauer des codierten Sendesignal in n Symbole für ein erstes Symbol des codierten Sendesignals und in n Symbole für ein zweites Symbol des codierten Sendesignals zu unterteilen, wobei n eine natürliche Zahl größer oder gleich 1 ist. Hierbei ist das Schnittstellenmodul ausgestaltet, die Information des Symbols des Sendesignals aus dem ersten oder letzten Symbol der 2*n Symbole der Symboldauer des codierten Sendesignals zu extrahieren. Alternativ ist das Schnittstellenmodul ausgestaltet, die zusätzlichen Daten zwischen dem ersten und letzten Symbol der 2*n Symbole der Symboldauer des codierten Sendesignals zu extrahieren.
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Das Sendemodul kann ausgestaltet sein, das Sendesignal als differentielles Signal auf den Bus zu senden.
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Gemäß einer Option ist das Sendemodul ausgestaltet ist, das Sendesignal in der ersten Kommunikationsphase der Nachricht mit einem anderen Physical Layer zu erzeugen und auf den Bus zu senden als in der zweiten Kommunikationsphase der Nachricht.
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Bei den zuvor beschriebenen Einrichtungen können die zusätzlichen Daten mindestens eine Form von Daten der folgenden Daten aufweisen, nämlich Daten zum Signalisieren an die Sende-Empfangseinrichtung, in welche Betriebsart die Sende-Empfangseinrichtung ihre Betriebsart für die folgende Kommunikationsphase zu schalten hat, Daten zur Konfiguration der Sende-Empfangseinrichtung, Daten mit einer Anfrage an die Sende-Empfangseinrichtung, Daten zum Signalisieren an die Sende-Empfangseinrichtung, mit welcher Differenzspannung für den Bus die Sende-Empfangseinrichtung arbeiten soll, Daten zum Programmieren oder Flashen von Geräten, Daten mit einem Trigger für ein vorbestimmtes Aufweckmuster für eine vorbestimmte Teilnehmerstation des Bussystems.
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Denkbar ist, dass die erste Kommunikationsphase der Nachricht vorgesehen ist, um auszuhandeln, 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 Kommunikationssteuereinrichtung und die zuvor beschriebene Sende-/Empfangseinrichtung 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 Kommunikationssteuereinrichtung und 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 17 gelöst. Das Verfahren wird mit 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, und wobei das Verfahren die Schritte aufweist Erzeugen, mit einem Kommunikationssteuermodul, eines Sendesignals zum Steuern einer Kommunikation der Teilnehmerstation mit mindestens einer anderen Teilnehmerstation des Bussystems, Codieren, mit einem Schnittstellenmodul, des Sendesignals in zumindest einem Teil der zweiten Kommunikationsphase einer Nachricht in ein codiertes Sendesignals, und Einfügen, mit dem Schnittstellenmodul, von zusätzlichen Daten in mindestens ein Symbol des codierten Sendesignals, wobei das Schnittstellenmodul die zusätzlichen Daten als mindestens ein Symbol des codierten Sendesignals seriell zu der Information des Symbols des Sendesignals in das codierte Sendesignal einfügt, und wobei die Symboldauer des Sendesignals und des codierten Sendesignals gleich ist.
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Das Verfahren bietet dieselben Vorteile, wie sie zuvor in Bezug auf die Kommunikationssteuereinrichtung und/oder die Sende-/Empfangseinrichtung 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 Teilnehmerstationen des Bussystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel gesendet werden können;
- 3 ein vereinfachtes schematisches Blockschaltbild einer Teilnehmerstation des Bussystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
- 4 bis 7 jeweils ein Beispiel für eine zeitliche Darstellung von Signalen bzw. Zuständen bzw. Symbolen an der Teilnehmerstation von 3, wenn die Teilnehmerstation Sender einer über einen Bus des Bussystems gesendeten Nachricht ist;
- 8 bis 11 jeweils eine zeitliche Darstellung einer Codierung der Symbole L0 und L1 für ein Sendesignal mittels Pulsweitenmodulation (PWM), falls die Teilnehmerstation Sender einer über einen Bus des Bussystems gesendeten Nachricht ist; und
- 12 und 13 jeweils eine zeitliche Darstellung einer Codierung des Symbols L1 für ein Sendesignal mittels Pulsweitenmodulation (PWM), falls die Teilnehmerstation Empfänger einer über den Bus des Bussystems gesendeten Nachricht ist; und
- 14 ein Beispiel für das serielle Einfügen von zusätzlichen Daten in die Symbole von 8 bis 13 bei dem ersten 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 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 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, ein erstes Schnittstellenmodul 15 und ein zweites Schnittstellenmodul 16. Im Unterschied dazu hat die Teilnehmerstation 20 eine Kommunikationssteuereinrichtung 21 und eine Sende-/Empfangseinrichtung 22. Die Teilnehmerstation 30 hat eine Kommunikationssteuereinrichtung 31, eine Sende-/Empfangseinrichtung 32, ein erstes Schnittstellenmodul 35 und ein zweites Schnittstellenmodul 36. 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 codiert in Form von Rahmen über eine TXD-Leitung und eine RXD-Leitung bitweise zwischen der jeweiligen Kommunikationssteuereinrichtung 11, 21, 31 und der zugehörigen Sende-/Empfangseinrichtung 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 CAN XL Nachrichten 45 auf der Grundlage des CAN XL-Formats 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-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 und/oder CAN SIC-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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Zum Senden der Nachrichten 45, 47 mit CAN XL und/oder CAN SIC werden bewährte Eigenschaften übernommen, die für die Robustheit und Anwenderfreundlichkeit von CAN und CAN FD verantwortlich sind, insbesondere Rahmenstruktur mit Identifier und Arbitrierung nach dem bekannten CSMA/CR-Verfahren. 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 Pegeln oder dominanten Zuständen auf dem Bus 40 überschrieben werden können.
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Mit den beiden Teilnehmerstationen 10, 30 ist eine Bildung und dann Übertragung von Nachrichten 45 mit dem CAN XL Format oder CAN FD Format sowie der Empfang solcher Nachrichten 45 mit CAN-FD-Transceiver und/oder CAN-SIC-Transceiver und/oder CAN-XL-Transceiver realisierbar.
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2 zeigt für die Nachricht 45 einen Rahmen 450, der insbesondere ein CAN XL Rahmen ist, wie er von der Kommunikationssteuereinrichtung 11 für die Sende-/Empfangseinrichtung 12 zum Senden auf den Bus 40 bereitgestellt wird.
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Hierbei erstellt die Kommunikationssteuereinrichtung 11 den Rahmen 450 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als kompatibel mit CAN FD. Alternativ ist der Rahmen 450 kompatibel zu CAN SIC.
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Gemäß 2 ist der Rahmen 450 für die CAN-Kommunikation auf dem Bus 40 in unterschiedliche Kommunikationsphasen 451, 452 unterteilt, nämlich eine Arbitrationsphase 451 (erste Kommunikationsphase) und eine Datenphase 452 (zweite Kommunikationsphase). Der Rahmen 450 hat, nach einem Startbit SOF, ein Arbitrationsfeld 453, ein Steuerfeld 454, ein Datenfeld 455, ein Prüfsummenfeld 456 und ein Rahmenabschlussfeld 457.
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In der Arbitrationsphase 451 wird mit Hilfe eines Identifizierers (ID) mit beispielsweise Bits ID28 bis ID18 in dem Arbitrationsfeld 453 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. In der Arbitrationsphase 451 wird ein Physical Layer wie bei CAN und CAN-FD verwendet. Der Physical Layer entspricht der Bitübertragungsschicht oder Schicht 1 des bekannten OSI-Modells (Open Systems Interconnection Modell).
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Ein wichtiger Punkt während der Phase 451 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 Pegeln oder 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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In der Datenphase 452 werden neben einem Teil des Steuerfelds 454 die Nutzdaten des CAN-XL-Rahmens 450 bzw. der Nachricht 45 aus dem Datenfeld 455 sowie das Prüfsummenfeld 456 gesendet. In dem Prüfsummenfeld 456 kann 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. Am Ende der Datenphase 452 wird wieder in die Arbitrationsphase 451 zurückgeschaltet.
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In einem Endefeld in der Rahmenabschlussphase 457 kann 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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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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Somit verwenden die Teilnehmerstationen 10, 30 in der Arbitrationsphase 451 als erster Kommunikationsphase teilweise, insbesondere bis zum FDF-Bit (inklusive), ein von CAN/CAN-FD bekanntes Format gemäß der ISO11898-1:2015. Jedoch ist im Vergleich zu CAN oder CAN FD in der Datenphase 452 als zweiter Kommunikationsphase eine Steigerung der Netto-Datenübertragungsrate, insbesondere auf über 10 Megabit pro Sekunde möglich. Außerdem ist ein Anheben der Größe der Nutzdaten pro Rahmen, insbesondere auf etwa 2kbyte oder einen beliebigen anderen Wert möglich.
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3 zeigt den grundlegenden Aufbau der Teilnehmerstation 10 mit der Kommunikationssteuereinrichtung 11, der Sende-/Empfangseinrichtung 12, einer System-ASIC 14 und den Schnittstellenmodulen 15, 16. Die Schnittstellenmodule 15, 16 verarbeiten eine Codierung zur Umschaltung der Betriebsart der Sende-/Empfangseinrichtung 12 zwischen Betriebsarten der beiden Kommunikationsphasen 451, 452. Zudem können mit Hilfe der Schnittstellenmodule 15, 16 zusätzliche Daten 17 von der Einrichtung 11 zu der Einrichtung 12 gesendet werden, wie nachfolgend genauer beschrieben.
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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. Alternativ oder zusätzlich ist der Mikrocontroller ausgestaltet für das Erfassen von mindestens einer physikalischen Größe, wie der Temperatur, dem Druck oder sonstiger physikalischer Größen, und Auswerten und/oder Weiterleiten der dabei entstehenden Informationen über den Bus 40 an eine andere Teilnehmerstation 10, 20, 30 des Bussystems 1 von 1.
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Die Kommunikationssteuereinrichtung 11 weist zusätzlich zu dem Schnittstellenmodul 15 ein Kommunikationssteuermodul 111 auf. Das Kommunikationssteuermodul 111 ist ein Protokoll-Controller, der ein Kommunikationsprotokoll, beispielsweise das CAN-Protokoll, implementiert, insbesondere das Protokoll für CAN XL oder CAN FD. Das Kommunikationssteuermodul 111 ist für die Ausgabe eines Signals TXD_PC an das erste Schnittstellenmodul 15 ausgestaltet. Das erste Schnittstellenmodul 15 hat einen Speicherblock 151, in dem beispielsweise die Daten 17 speicherbar sind. Zudem hat das erste Schnittstellenmodul 15 einen Codierblock 152, der aus dem Signal TXD_PC ein Sendesignal TXD erzeugt. Der Codierblock 152 führt in der Datenphase 452 eine Pulsweitenmodulation (PWM) des Signals TXD_PC aus und erzeugt so ein pulsweitenmoduliertes Sendesignal TXD für die Datenphase 452. Zusätzlich kann der Codierblock 152 in der Datenphase 452 die zusätzlichen Daten 17 in das Signal TXD_PC codieren, um das Sendesignal TXD zu erzeugen. Dies ist nachfolgend noch genauer beschrieben. Die Daten 17 können beispielsweise von der Kommunikationssteuereinrichtung 11 und/ oder dem Kommunikationssteuermodul 111 erzeugt werden und in dem Speicherblock 151 gespeichert werden.
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Im Unterschied dazu führt der Codierblock 152 in der Arbitrationsphase 451 keine Codierung des Signals TXD_PC aus. Daher gilt in der Arbitrationsphase 451: Signal TXD_TC = Sendesignal TXD.
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Das erste Schnittstellenmodul 15 gibt das Sendesignal TXD an den Anschluss TxD der Einrichtung 11 aus. Das Kommunikationssteuermodul 111 ist zudem für den Empfang eines Signals RXD von dem Anschluss RxD der Einrichtung 11 ausgestaltet.
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Bei dem Beispiel von 3 ist die Sende-/Empfangseinrichtung 12 in die System-ASIC 14 (ASIC = Anwendungsspezifische Integrierte Schaltung) integriert. Jedoch kann die Sende-/Empfangseinrichtung 12 alternativ eine separate Einrichtung sein. Die System-ASIC 14 kann alternativ ein System-Basis-Chip (SBC) sein, auf dem mehrere für eine Elektronik-Baugruppe der Teilnehmerstation 10 notwendige Funktionen zusammengefasst sind. In dem System-ASIC 14 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. Die Sende-/Empfangseinrichtung 12 hat zudem ein Sendemodul 121 und ein Empfangsmodul 122.
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Das erste Schnittstellenmodul 15 der Kommunikationssteuereinrichtung 11 ist symmetrisch zu dem zweiten Schnittstellenmodul 16 der Sende-/Empfangseinrichtung 12 aufgebaut. Das erste Schnittstellenmodul 15 kann auch PC-Schnittstellenmodul 15 genannt werden. Das zweite Schnittstellenmodul 16 kann auch TC-Schnittstellenmodul 16 genannt werden. Das erste Schnittstellenmodul 15 sendet von dem Anschluss TxD der Kommunikationssteuereinrichtung 11 das Sendesignal TXD an den Anschluss TxD der Sende-/Empfangseinrichtung 12. Somit wird zwischen den Schnittstellenmodulen 15, 16 das Sendesignal TXD übertragen.
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Das Schnittstellenmodul 16 hat einen Speicherblock 161 und einen Decodierblock 162. Der Decodierblock 162 führt in der Datenphase 452 eine Decodierung des Signals TXD aus, um die Pulsweitenmodulation zu beseitigen. Zudem extrahiert der Decodierblock 162 die Daten 17 aus dem Sendesignal TXD. Der Decodierblock 162 kann die Daten 17 insbesondere in dem Speicherblock 161 speichern. Die Daten 17 sind in der Sende-/Empfangseinrichtung 12 und/oder der System ASIC 14 verwendbar. Der Decodierblock 162 gibt somit das pulsweitendemodulierte Sendesignal TXD_TC an das Sendemodul 121 aus. Das Sendesignal TXD_TC wird von dem Sendemodul 121 für das Senden auf den Bus 40 verarbeitet.
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Im Unterschied dazu muss der Decodierblock 152 in der Arbitrationsphase 451 keine Decodierung einer Pulsweitenmodulation des Signals TXD ausführen. Grundsätzlich kann das Signals TXD jedoch NRZ-kodiert sein. Hierbei gilt NRZ = Non-Return-to-Zero = Codierung des Signals auf zwei verschiedene Leitungszustände, meist Spannungszustände, mit konstanten Pegeln während eines Symbols. Daher gilt in der Arbitrationsphase 451 Sendesignal TXD = Signal TXD_TC.
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Die Teilnehmerstation 30 ist in ähnlicher Weise aufgebaut, wie in 3 gezeigt, außer dass das Modul 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 das Modul 35 nicht separat beschrieben. Die nachfolgend beschriebenen Funktionen des erste Schnittstellenmoduls 15 sind bei dem ersten Schnittstellenmodul 35 identisch vorhanden. Die nachfolgend beschriebenen Funktionen des zweiten Schnittstellenmoduls 16 sind bei dem zweiten Schnittstellenmodul 36 identisch vorhanden.
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Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass das Modul 16 nicht in die Sende-/Empfangseinrichtung 12 integriert ist, sondern separat von der Kommunikationssteuereinrichtung 11 und der Sende-/Empfangseinrichtung 12 vorgesehen ist.
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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. Im Betrieb des Bussystems 1 setzt die Sende-/Empfangseinrichtung 12, genauer deren Sendemodul 121, das Sendesignal TXD_TC in entsprechende Signale CAN_H und CAN_L mit Spannungspegeln U für die Busadern 41, 42 um. Das Sendemodul 121 sendet diese Signale CAN_H und CAN_L über der Zeit t auf den Bus 40, wie in 4 gezeigt. Das Empfangsmodul 122 wertet von dem Bus 40 empfangene Signale CAN_H und CAN_L und/oder deren in 5 gezeigtes Differenzsignal VDIFF = CAN_H - CAN_L aus und bildet ein Empfangssignal RXD. Im Idealfall ist das Empfangssignal RXD gleich dem Sendesignal TXD_TC. Das Empfangsmodul 122 gibt das Empfangssignal RXD an dem Anschluss RxD der Einrichtung 12 aus.
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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 452 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.
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4 zeigt auf der linken Seite, dass die Teilnehmerstationen 10, 20, 30 in der Arbitrationsphase 451 Signale CAN_H, CAN_L auf den Bus 40 senden, die abwechselnd mindestens einen dominanten Zustand 401 oder mindestens einen rezessiven Zustand 402 haben. Nach der Arbitration in der Arbitrationsphase 451 steht eine der Teilnehmerstationen 10, 20, 30 als Gewinner fest. Angenommen, die Teilnehmerstation 10 hat die Arbitration gewonnen. Dann schaltet die Sende-/Empfangseinrichtung 12 der Teilnehmerstation 10 ihren Physical Layer am Ende der Arbitrationsphase 451 von einer ersten Betriebsart (SLOW) in eine zweite Betriebsart (FAST_TX) um, da die Teilnehmerstation 10 in der Datenphase 452 Sender der Nachricht 45 ist. Das Sendemodul 121 erzeugt dann in der Datenphase 452 bzw. in der zweiten Betriebsart (FAST_TX) abhängig von einem Sendesignal TxD nacheinander und somit seriell die Symbole L0 oder L1 in den Signalen CAN_H, CAN_L auf dem Bus 40. Die Frequenz der Signale CAN_H, CAN_L kann in der Datenphase 452 gesteigert sein, wie auf der rechten Seite in 4 gezeigt. Demzufolge ist die Symboldauer t_pr0 in der Arbitrationsphase 451 (erste Kommunikationsphase) größer als die Symboldauer t_pr in der Datenphase 452 (zweite Kommunikationsphase). Somit ist die Netto-Datenübertragungsrate in der Datenphase 452 im Vergleich zu der Arbitrationsphase 451 gesteigert. Dagegen schaltet die Sende-/Empfangseinrichtung 32 der Teilnehmerstation 30 ihren Physical Layer am Ende der Arbitrationsphase 451 von der ersten Betriebsart (SLOW) in eine dritte Betriebsart (FAST_RX) um, da die Teilnehmerstation 30 in der Datenphase 452 nur Empfänger, also kein Sender, des Rahmens 450 ist. Nach dem Ende der Arbitrationsphase 451 schalten alle Sende-/Empfangseinrichtungen 12, 32 der Teilnehmerstationen 10, 30 ihre Betriebsart in die erste Betriebsart (SLOW) um. Somit schalten alle Sende-/Empfangseinrichtungen 12, 32 auch ihren Physical Layer um.
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Die Umschaltung der Betriebsarten der Sende-/Empfangseinrichtungen 12, 32 zwischen der Betriebsart für die Arbitrationsphase 451 und den Betriebsarten FAST_TX oder FAST_RX wird über die Codierung der Daten in dem Signal TXD auf der TxD-Leitung zwischen den Anschlüssen TxD der Einrichtungen 11, 12 gesteuert. Wie zuvor erwähnt, wird die Codierung in dem PC-Schnittstellenmodul 15 der Einrichtung 11 unter Verwendung der Daten 17 vorgenommen. Diese Funktion des PC-Schnittstellenmoduls 15 kann auch PWM-Encoder genannt werden. Die Decodierung der Daten 17 aus dem Signal TXD wird in dem TC-Schnittstellenmodul 16 der Einrichtung 12 vorgenommen. Diese Funktion des TC-Schnittstellenmoduls 16 kann auch PWM-Decoder genannt werden.
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Gemäß 4 und 5 bildet sich in der Arbitrationsphase 451 im idealen Fall auf dem Bus 40 ein Differenzsignal VDIFF = CAN_H - CAN_L mit Werten von VDIFF = 2V für dominante Zustände 401 und VDIFF = 0V für rezessive Zustände 402. Dies ist auf der linken Seite in 4 und 5 gezeigt. Dagegen bildet sich in der Datenphase 452 auf dem Bus 40 ein Differenzsignal VDIFF = CAN_H - CAN_L mit Zuständen L0, L1 aus, wie auf der rechten Seite in 4 und 5 gezeigt.
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6 zeigt für die Datenphase 452 ein Beispiel für den Verlauf eines von dem Komunikationssteuermodul 111 erzeugten Sendesignals TXD_PC über der Zeit t. Das Sendesignal TXD_PC hat die beiden Symbole Hl (Hoch = High) und LW (Niedrig = Low). Das Sendesignal TXD_PC ist ein digitales Signal.
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Der Zustand L0 hat einen Wert VDIFF = 1V. Der Zustand L1 hat einen Wert VDIFF = - 1V. Das Empfangsmodul 122 kann die Zustände 401, 402 und L0, L1 jeweils mit den Empfangsschwellen unterscheiden, die in den Bereichen TH_T1, TH_T2, TH_T3 liegen. Dabei verwendet das Empfangsmodul 122 zumindest die Empfangsschwelle T1 von beispielsweise 0,7 V in der Arbitrationsphase 451. Das Empfangsmodul 122 verwendet die Empfangsschwelle T2 von beispielsweise -0,35 V beispielsweise in der Arbitrationsphase 451, gegebenenfalls jedoch auch in der Datenphase 452. Die Empfangsschwelle T3 von beispielsweise 0,0 V wird in der Datenphase 452 verwendet. Bei der Umschaltung zwischen der ersten bis dritten Betriebsart (SLOW, FAST_TX, FAST_RX), die zuvor beschrieben sind, schaltet das Empfangsmodul 122 jeweils die Empfangsschwellen T1, T2, T3 um.
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Mit Ausnahme eines Leerlauf- oder Bereitschaftszustands (Idle oder Standby), kann die Sende-/Empfangseinrichtung 12 derart eingerichtet sein, dass die Einrichtung 12 mit ihrem Empfänger im Normalbetrieb immer auf eine Übertragung von Daten bzw. Nachrichten 45, 46 auf dem Bus 40 hört und zwar unabhängig davon, ob die Teilnehmerstation 10 Sender der Nachricht 45 ist oder nicht. Der Sende-/Empfangseinrichtung 12 bildet aus den von dem Bus 40 empfangenen Signalen CAN_H und CAN_L das Empfangssignal RXD und gibt dieses an die Kommunikationssteuereinrichtung 11 weiter, wie bereits zuvor beschrieben.
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8 bis 11 zeigen für den Fall, dass die Teilnehmerstation 10 in der Datenphase 452 der Sender des Rahmens 450 ist, jeweils unterschiedliche Beispiele für die Codierung, welche der Codierblock 152 über der Zeit t für ein Symbol mit einer Symboldauer t_pr = 2 * 1/2 t_pr ausführt, um das Signal TxD_PC in das Sendesignal TXD umzuwandeln. In diesem Fall ist die Teilnehmerstation 10 in der Datenphase 452 in die Betriebsart FAST_TX geschaltet.
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Gemäß 8 bis 11 wechselt das resultierende pulsweitenmodulierte Signal TXD während der Symboldauer t_pr jeweils zwischen den Pegeln hoch HI (=High) und niedrig LW (=Low). Die Symboldauer t_pr beginnt zu einem Zeitpunkt t1, ist bei einem Zeitpunkt t2 zur Hälfte abgelaufen und endet zu einem Zeitpunkt t3. Bei den Zeitpunkten t1, t3 hat das Signal TXD jeweils etwa den Wert 0,5 Hl. Somit ist am Beginn und am Ende der Symboldauer t_pr jeweils ein Pegel von etwa 50% des Pegels Hl vorhanden.
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Bei CAN XL wird in der zweiten Kommunikationsphase (Datenphase) 452 eine Pulsweitenmodulation (PWM) für die Symbole L0, L1 in dem Sendesignal TXD_PC verwendet. Hierbei sind in dem Standard CiA610-3 minimale und maximale Pulslängen der Symbole L0, L1 in dem Signal TXD zwischen der Kommunikationssteuereinrichtung 11 und der Sende-/Empfangseinrichtung 12 festgelegt zur Dekodierung der Symbole L0, L1 in der Sende-/Empfangseinrichtung 12 mit einer Zeit t_decode <= 5 ns, wie in 8 bis 11 gezeigt. Zudem ist in dem Standard CiA610-3 festgelegt, dass eine Teilnehmerstation 10, 30, die bei der laufenden Übertragung einer Nachricht 45 auf dem Bus 40 kein Sender, sondern nur Empfänger der Nachricht 45 ist, von der Kommunikationssteuereinrichtung 11, 31 in dem Sendesignal TXD_PC ausschließlich das Symbol L1 gesendet werden darf. Zum Umschalten der Kommunikationsphasen 451, 452, 451 kann für die Kommunikation zwischen der Kommunikationssteuereinrichtung 11, 31 und der Sende-/Empfangseinrichtung 12, 32 einer Teilnehmerstation 10, 30 ebenfalls die Pulsweitenmodulation mit den Symbolen L0, L1 verwendet werden.
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8 und 9 zeigen jeweils unterschiedliche Beispiele für die Codierung des Zustands oder Symbols L0 in dem Sendesignal TXD. Dabei zeigt 8 eine Codierung, bei welcher das Sendesignal TXD ein Symbol L0_ma hat. Das Symbol L0_ma hat die maximal zulässige Zeitdauer für den Pegel hoch Hl (=High) und somit die minimal zulässige Zeitdauer für den Pegel niedrig LW (=Low). Im Unterschied dazu zeigt 9 eine Codierung, bei welcher das Sendesignal TXD ein Symbol L0_mi hat. Das Symbol L0_mi hat die minimal zulässige Zeitdauer für den Pegel hoch HI (=High) und somit die maximal zulässige Zeitdauer für den Pegel niedrig LW (=Low). Bei beiden Symbolen L0_ma, L0_mi ist die Zeitdauer für den Pegel hoch Hl (=High) < als die Hälfte der Symboldauer t_pr. Zudem beginnen beide Symbole L0_ma, L1_mi mit dem Pegel hoch Hl (=High) und enden mit dem Pegel niedrig LW (=Low).
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10 und 11 zeigen jeweils unterschiedliche Beispiele für die Codierung des Zustands oder Symbols L1 in dem Sendesignal TXD. Dabei zeigt 10 eine Codierung, bei welcher das Sendesignal TXD ein Symbol L1_mi hat. Das Symbol L1_mi hat die minimal zulässige Zeitdauer für den Pegel hoch Hl (=High) und somit die maximal zulässige Zeitdauer für den Pegel niedrig LW (=Low). Im Unterschied dazu zeigt 11 eine Codierung, bei welcher das Sendesignal TXD ein Symbol L1_ma hat. Das Symbol L1_ma hat die maximal zulässige Zeitdauer für den Pegel hoch Hl (=High) und somit die minimal zulässige Zeitdauer für den Pegel niedrig LW (=Low). Bei beiden Symbolen L1_mi, L1_ma ist die Zeitdauer für den Pegel hoch Hl (=High) größer als die Hälfte der Symboldauer t_pr. Zudem beginnen beide Symbole L1_mi, L1_ma mit dem Pegel hoch Hl (=High) und enden mit dem Pegel niedrig LW (=Low).
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Gemäß 8 bis 11 wird jedes der Symbole L0_ma, L0_mi, L1_mi, L1_ma des PWM-codierten Sendesignals TXD von dem Decodierblock 162 mit der Decodierzeit t_dc decodiert, genauer gesagt, mit einer zeitlichen Auflösung von t_dc erfasst und somit in das Sendesignal TXD_TC umgewandelt. Die Decodierzeit t_dc ist auf einen vorbestimmten Wert eingestellt. Beispielsweise gilt t_dc <= 5 ns, wie zuvor für CAN XL erwähnt. Die Decodierzeit t_dc ist in der Symboldauer t_pr verschiebbar. Dabei beginnt die Decodierzeit t_dc mit dem Zeitpunkt t1 oder die Decodierzeit t_dc endet mit dem Zeitpunkt t3. Alternativ beginnt oder endet die Decodierzeit t_dc mit dem Zeitpunkt t2. Somit beginnt oder endet die Decodierzeit t_dc jeweils bei einem Pegel von etwa 50% des Pegels Hl. Der Pegel, welchen der Decodierblock 162 in der Decodierzeit t_dc erkennt, wird als Pegel des Sendesignals TXD_TC erzeugt.
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12 und 13 zeigen Signalverläufe für den Fall, dass die Teilnehmerstation 10 in der Datenphase 452 nur der Empfänger des Rahmens 450 ist. 12 und 13 zeigen jeweils unterschiedliche Beispiele für die Codierung, welche der Codierblock 152 über der Zeit t für ein Symbol mit der Symboldauer t_pr = 2 * 1/2 t_pr ausführt, um das Signal TxD_PC in das Sendesignal TXD umzuwandeln. In diesem Fall ist die Teilnehmerstation 10 in der Datenphase 452 in die Betriebsart FAST_RX geschaltet. In der Betriebsart FAST_RX von CAN XL darf das Kommunikationsmodul 111 das Sendesignal TxD_PC nur so erzeugen, dass nur Symbole L1 auf den Bus 40 gesendet werden, wie bereits erwähnt.
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Gemäß 12 und 13 wechselt das resultierende pulsweitenmodulierte Signal TXD während der Symboldauer t_pr jeweils zwischen den Pegeln hoch Hl (=High) und niedrig LW (=Low), wie zuvor für 10 und 11 beschrieben.
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12 und 13 zeigen, im Unterschied zu 10 und 11, jeweils unterschiedliche Beispiele für die Codierung des Zustands L1_ma_RX, L1_mi_RX in dem Sendesignal TXD. Dabei zeigt 12 eine Codierung, bei welcher das Sendesignal TXD ein Symbol L1_ma_RX hat. Das Symbol L1_ma_RX hat die maximal zulässige Zeitdauer für den Pegel niedrig LW (=Low) und somit die minimal zulässige Zeitdauer für den Pegel hoch Hl (=High). Im Unterschied dazu zeigt 13 eine Codierung, bei welcher das Sendesignal TXD ein Symbol L1_mi_RX hat. Das Symbol L1_mi_RX hat die minimal zulässige Zeitdauer für den Pegel niedrig LW (=Low) und somit die maximal zulässige Zeitdauer für den Pegel hoch Hl (=High). Bei beiden Symbolen L1_ma_RX, L1_mi_RX ist die Zeitdauer für den Pegel hoch Hl (=High) > als die Hälfte der Symboldauer t_pr. Zudem beginnen beide Symbole L1_ma_RX, L1_mi_RX mit dem Pegel niedrig LW (=Low) und enden mit dem Pegel hoch Hl (=High).
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In dem Codierblock 152 ist für die Betriebsart FAST_TX konfiguriert, mit welchem der Symbole von 8 oder 9 ein Symbol L0 in dem Sendesignal TxD_PC zu codieren ist und mit welchem der Symbole von 10 oder 11 ein Symbol L1 in dem Sendesignal TxD_PC zu codieren ist. Daraus ergibt sich auch die Konfiguration für die Betriebsart FAST_RX zum Erzeugen der Symbole von 12 oder 13. Zudem ist in dem Codierblock 152 die Symboldauer t_pr festgelegt. Aus der Konfiguration des Codierblocks 152 ergibt sich auch die Konfiguration des Decodierblocks 162, insbesondere auch wann die Decodierzeit t_dc beginnt und/oder endet.
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Um die zusätzlichen Daten 17 in die Symbole von 8 bis 13 zu codieren, geht der Codierblock 152 vor, wie anhand von 14 beschrieben.
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Gemäß 14 kann der Codierblock 152 in einer Symboldauer t_pr einen Pegel L0 des Sendesignals TxD_PC mit 2*n Symbolen für das pulsweitenmodulierte Sendesignal TxD modulieren, wobei n eine natürliche Zahl größer oder gleich 1 ist. Zudem kann der Codierblock 152 einen Pegel L1 des Sendesignals TxD_PC mit 2*n Symbolen für das pulsweitenmodulierte Sendesignal TxD modulieren. Bei dem Beispiel von 14 stehen somit in einer Symboldauer t_pr die Symbole L0-n, L0-1, L0, L0+1, L0+n, L1-n, L1-1, L1, L1+1, L1+n zur Verfügung. Hiervon sind minimal nur das erste und letzte Symbol LO-n, L1+n für die Erkennung des Pegels L0 oder L1 notwendig, der von dem Sendesignal TxD_PC in das pulsweitenmodulierte Sendesignal TxD zu übertragen ist. Die anderen Symbole können für die Codierung der Daten 17 verwendet werden.
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14 zeigt ein Beispiel für eine Konfiguration des Codierblock 152 in der Betriebsart FAST_TX, bei der für ein Symbol L0 eine Konfiguration gemäß 9 und für ein Symbol L1 eine Konfiguration gemäß 11 gewählt ist. Daher können die Daten 17 zwischen das erste und letzte Symbol LO-n, L1+n, eingefügt werden. Ganz allgemein kann der Codierblock 152 die zusätzlichen Daten 17 als mindestens eines der Symbols LO-n, L1+n des codierten Sendesignals TXD seriell zu der Information des Symbols L0, L1 des Sendesignals TXD_PC in das codierte Sendesignal TXD einzufügen.
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Der Decodierblock 162 kann dann bei der Decodierung aus dem ersten und letzten Symbol LO-n, L1+n wieder ablesen, ob das Symbol L0 oder L1 in das Signal TxD_TC einzutragen ist. Zudem kann der Decodierblock 162 bei der Decodierung die Daten 17 extrahieren und beispielsweise in dem Speicherblock 161 speichern. Ähnliches gilt für die Konfiguration des Codierblocks 152 in der Betriebsart FAST_RX.
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Enthalten die Daten 17 beispielsweise die Betriebsart, in welche die Sende-/Empfangseinrichtung 12 zu schalten ist, werden die Daten 17 für das Schalten der Betriebsart der Sende-/Empfangseinrichtung 12 verwendet.
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Dadurch kann die Datenrate des Sendesignals TxD für mindestens ein Symbol des Signals von (L0/L1) = 1/t_pr gesteigert werden auf L0 moduliert mit 2*n Symbolen, L1 moduliert mit 2*n Symbolen =2*n / t_pr.
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Der Wert n für die Konfiguration des Codierblocks 152 ist beispielsweise in Abhängigkeit von der verwendeten Bitrate wählbar. Bei CAN-XL mit 5 Mbit/s in den Betriebsarten FAST-TX, FAST-RX gemäß dem Standard CiA610-3 beträgt die Symboldauer t_pr = 200 ns. Bei CAN-XL mit 20 Mbit/s in den Betriebsarten FAST-TX, FAST-RX gemäß dem Standard CiA610-3 beträgt die Symboldauer t_pr = 50 ns. Die festgelegte Genauigkeit der PWM-Dekodierung ist unabhängig von der Bitrate auf maximal 5ns festgelegt, wie bereits zuvor erwähnt. Damit ist n bei höheren Bitraten gering und bei geringen Bitraten hoch wählbar.
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Gemäß einer speziellen Ausführungsvariante gilt n = 1. Damit können alle Bitraten realisiert werden, die in dem Standard CiA610-3 spezifiziert sind.
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Die Daten 17 können nur in einem Teil der möglichen Symbole zwischen dem ersten und letzten Symbol LO-n, L1+n, eingefügt werden. Die Daten 17 werden in mindestens einem Symbol zwischen dem ersten und letzten Symbol LO-n, L1+n, eingefügt. Insbesondere können die Daten 17 nur in den Teil der möglichen Symbole für L0 moduliert mit 2*n Symbolen oder nur in den Teil der möglichen Symbole für L1 moduliert mit 2*n Symbolen eingefügt werden.
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Die Daten 17 können bei Bedarf auf mehr als eine Symboldauer t_pr aufgeteilt werden. Dies ist vorteilhaft, wenn eine größere Menge an Daten 17 übertragen werden soll und/oder die Bitrate eher hoch ist.
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Die Modulation kann durch den Codierblock 152 in jeder Pulsweitenmodulationsperiode (PWM-Periode) oder nur bedarfsweise, insbesondere nur in mindestens einer Pulsweitenmodulationsperiode (PWM-Periode) erfolgen.
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Das Verfahren kann für sendende Teilnehmerstationen 10, 30 (Fast-TX-Teilnehmerstationen 10, 30) und/oder für empfangende Teilnehmerstationen 10, 30 (Fast-RX-Teilnehmerstationen 10, 30) angewendet werden.
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Der beschriebene Aufbau der Teilnehmerstationen 10, 30 stellt somit eine robuste und einfache Möglichkeit bereit, zusätzliche Daten 17 zwischen der Kommunikationssteuereinrichtung 11 und der Sende-/Empfangseinrichtung 12 ohne zusätzliche teure Anschlüsse zu übertragen. Dabei wird auch sie Datenrate nicht gesenkt, sondern sogar bei der Übertragung von Daten während der Datenphase 452 eines Rahmens 450 im Vergleich zu den bekannten Techniken noch erhöht.
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Gemäß einer Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels ist es möglich, dass der Codierblock 152 anstelle einer Pulsweitenmodulation eine andere Codierung des Sendesignals TXD_PC ausführt. Hierfür ist jede Codierung möglich, welche in dem codierten Sendesignal TXD die Information des Symbols L0, L1 des Sendesignals TXD_PC seriell in der bisherigen Symboldauer t_pr einfügt.
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Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel ist der Codierblock 152 ausgestaltet, mit den Daten 17 eine Konfiguration der Sende-/Empfangseinrichtung 12 auszuführen. Damit kann die Konfiguration der Sende-/Empfangseinrichtung 12 quasi versteckt im TxD-Datenstrom erfolgen.
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Beispielsweise ist der Codieblock 152 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ausgestaltet, bei einem CAN XL Rahmen 450 die letzten zwei 0-Bits (FPC1, FCP0) mit dem Symbol L0-1 zu sendeen anstatt mit einem Symbol L0. Die Sende-/Empfangseinrichtung 12, insbesondere mittels des Decodierblocks 162, erkennt dann, dass die Sende-/Empfangseinrichtung 12 kurz nach dem Zurückschalten von der Betriebsart FAST-TX in die Betriebsart SLOW der Arbitrationsphase 451 in den Bereitschaftzustand (Standby) gehen soll.
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Diese Ausgestaltung der Teilnehmerstation 10 kann zu Einsparung von Anschlüssen der Sende-/Empfangseinrichtung 12 (Transceiver) führen. Beispielsweise kann der separat vorhandene Anschluss STB (Standby-Anschluss) entfallen. Dies ist bei einer separaten Sende-/Empfangseinrichtung 12 mit acht Anschlüssen (8-Pin-Standalone-Transceiver) sehr vorteilhaft, da so sehr unaufwändig getrennte Massen für das Sendemodul 121 (Transmitter) und den Anschluss RxD ermöglicht werden können. Dadurch können die Grenzwerte für die Emission bei den geforderten CAN-XL-Bitraten eingehalten werden.
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Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel ist der Codierblock 152 ausgestaltet, mit den Daten 17 mindestens eine Anfrage (Request) an die Sende-/Empfangseinrichtung 12 zu senden.
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Beispielsweise kann die Sende-/Empfangseinrichtung 12 und/oder die System-ASIC 14 infolge der Anfrage in den Daten 17 mindestens eine physikalische Größe erfassen. Die zugehörigen physikalischen Daten können insbesondere dem Codierblock 152 und/oder dem Kommunikationssteuermodul 111 und/oder der Einrichtung 11 zur Verfügung gestellt werden. Die physikalischen Daten können beispielsweise über eine separate Nachricht an den Codierblock 152 gesendet werden. Derartige physikalischen Daten für die Daten 17 können beispielsweise Daten in Bezug auf die Korrosion von elektrischen Verbindungskontakten bei den Busleitungen 41, 42 sein. Je nach Korrosion kann es erforderlich sein, dass auf der Seite der Einrichtung 11 Maßnahmen für die Änderung der Differenzspannung VDIFF des Sendesignals TxD einzuleiten. Damit kann die Qualität der Datenübertragung im Bussystem 1 sichergestellt werden (Quality-of-Service (Qos).
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Gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel ist der Codierblock 152 ausgestaltet, der Sende-/Empfangseinrichtung 12 mit den Daten 17 mitzuteilen, mit welcher Differenzspannung VDIFF die Sende-/Empfangseinrichtung 12 arbeiten soll. Beispielsweise kann das Symbol L0 bedeuten, dass die Sende-/Empfangseinrichtung 12 in den Betriebsarten FAST-TX, FAST-RX mit den Differenzspannungen VDIFF von 5 arbeiten soll. Das Symbol L0-1 kann bedeuten, dass der 0-Pegel mit einer geringeren Differenzspannung VDIFF gesendet werden soll als bei dem Beispiel von 5. Entsprechendes gilt für das Symbol L1. Dementsprechend kann das Symbol L1+1 bedeuten, dass der 1-Pegel mit einer höheren Differenzspannung VDIFF gesendet werden soll als bei dem Beispiel von 5.
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Gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel ist der Codierblock 152 ausgestaltet, mit den Daten 17 ein Programmieren/Flashen von Geräten mitzuteilen oder zu initiieren oder auszuführen. Jede elektronische Komponente, welche die Sende-/Empfangseinrichtung 12 (CAN-XL-Transceiver-Modul) enthält, einschließlich des Anschlusses TxD, kann über die Schnittstellenmodule 15, 16 programmiert werden. Beispielsweise können die Daten 17 die folgende Konfiguration vorgeben, nämlich eine Bitraten-Konfiguration für 10Mbit/s, wodurch t_pr_TxD = 100ns gilt. Zudem kann eine konservative/robuste Konfiguration n=2 vorgegeben werden, woraus eine Datenrate des Sendesignals TxD als 2*n / tpr = 4/100ns = 25Mbaud folgt.
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Gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel ist der Codierblock 152 ausgestaltet, mit den Daten 17 ein Triggern für selektive Aufweck-Bussignale (Wake-Up-Bussignale) zu initiieren oder auszuführen. Damit kann der Codierblock 152 die Sende-/Empfangseinrichtung 12 triggern, ein bestimmtes Aufweckmuster auf den Bus 40 zu senden, um beispielsweise nur eine einzelne Teilnehmerstation 10, 20, 30 des Bussystems 1 wieder aufzuwecken, nachdem diese für eine gewisse Zeitdauer nicht benötigt wurden und daher schlafen gelegt wurde. Beispielsweise ist ein selektives Aufwecken (Wakeup) bei CAN-XL mittels eines Pulses mit einem Spannungspegel von -1V möglich.
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Alle zuvor beschriebenen Ausgestaltungen der Einrichtungen 11, 12, 31, 32, der Module 15, 16, 35, 36, 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 das zuvor beschriebene Prinzip der Erfindung bei Schnittstellen verwendbar, welche für verschiedene Kommunikationsphasen ein Umschaltsignal von einem Protocol-Controller bzw. Modul 111 benötigen und/oder dabei einen Datenaustausch zwischen Einrichtungen 11, 12 benötigen.
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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 alternativ 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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In einem Rahmen 45 kann zwischen den Einrichtungen 11, 12 oder 31, 32 mindestens eine Form von Daten 17 integriert sein, die in den vorangehenden Ausführungsbeispielen beschrieben ist. Somit ist eine beliebige Kombination der Daten 17 möglich, die in den vorangehenden Ausführungsbeispielen beschrieben sind. Zudem ist die Anordnung der Daten 17 in der Datenphase 452 einer Nachricht 45 bzw. eines Rahmens 450 beliebig möglich.
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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.
