JP5486131B2 - ビット長が可変的なデータ伝送のための方法及び装置 - Google Patents

ビット長が可変的なデータ伝送のための方法及び装置 Download PDF

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Description

本発明は、CANシステムの少なくとも2つの加入者の間でデータを伝送するための装置、方法、及びインタフェースに関し、その際、データフレーム内の伝送されるビットの時間的長さは、少なくとも2つの異なる値を取りうる。
例えば、独国特許出願公開第10000305号明細書には、「コントローラ・エリア・ネットワーク」(CAN:Controller Area Network)と、「タイム・トリガ型CAN」(TTCAN:Time Triggered CAN)と呼ばれるCANの拡張版と、が記載されている。CANで利用される媒体アクセス制御方法は、ビットごとのアービトレーションに基づいている。ビットごとのアービトレーションの場合は、複数の加入者局がバスシステムのチャネルを介してデータを同時に伝送することが可能であり、これにより、データ伝送が妨げられることはない。さらに、加入者局は、チャネルを介したビットの送信の際に、当該チャネルの論理的状態(0又は1)を定めることが出来る。送信されるビットの値が、定められたチャネルの論理的状態と一致しない場合には、加入者局はチャネルへのアクセスを終了する。CANの場合、ビットごとのアービトレーションは通常、チャネルを介して伝送されるデータフレーム内のアービトレーションフィールドにおいて行われる。加入者局がアービトレーションフィールドを完全にチャネルに送信した後で、当該加入者局は、自身がチャネルに対する排他的アクセス権を有することが分かる。従って、アービトレーションフィールドの伝送の終わりは、加入者局がチャネルを排他的に利用できる許可区間の始まりに相当する。CANのプロトコル仕様書によれば、他の加入者局は、送信加入者局がデータフレームの検査フィールド(CRCフィールド)を伝送してしまうまでチャネルにアクセスしてはならず、即ち、チャネルにデータを送信してはならない。従って、CRCフィールドの伝送の終了時点は、許可区間の終了に相当する。
ビットごとのアービトレーションによって、チャネルを介した、データフレームの破壊されない伝送が達成される。これにより、CANの良好な実時間性能が得られるが、これに対して、加入者局により送信されるデータフレームが、他の局により送信された更なる別のデータフレームとの衝突のために、チャネルを介した伝送の間に破壊される可能性がある媒体アクセス制御方法の場合には、明らかに不都合な実時間動作を有する。なぜならば、衝突及び当該衝突により必要となるデータフレームの新たな伝送のために、データ伝送の遅延が生じるからである。
CAN、又は、その拡張版であるTTCANのプロトコルは、実時間条件下で短いメッセージを伝送するために特に適している。しかしながら、より大きなデータブロックがCANドメインを介して伝送される場合には、チャネルの比較的小さなデータレートは、制限を加える要因となる。ビットごとのアービトレーションの正しい機能を保証するために、ビットの伝送のために、バスシステムの寸法(Ausdehnung)と、チャネル上での信号前処理速度と、バス加入者のインタフェースモジュール内での本来の処理時間と、に特に依存する最小時間が保たれる必要がある。なぜならば、アービトレーションの間、全てのバス加入者は、バス状態(0又は1)についての統一的なイメージを有し、当該バス状態に対する同等のアクセス権を有する必要があるからである。従って、ビットレートは、個々のビットの時間の短縮によっては簡単に上げることが出来ない。
それにもかかわらず、制御ユニットのプログラミングのために必要な比較的大きなデータブロックを、本来はCANドメインへの接続のために設けられた通信インタフェースを介して十分に高速に伝送しうるために、独特特許出願公開第10153085号明細書は、データブロックの伝送のための通信インタフェースを、ビットごとのアービトレーションが実施されず比較的高いビットレートが可能な他の通信モードに一時的に切り替えることを提案している。但し、この場合、ある程度の時間CANプロトコルによる通信を中断する必要がある。例えばエラーのためにCANプロトコルに従ったバスシステムの駆動がもはや開始されえない場合には、バスシステムの故障が起こる。さらに、比較的大きなデータブロックの伝送によって、CANプロトコルに従って行われる後続の伝送が著しく遅延することになり、CANの実時間性能が損なわれる。従って、車両又は制御ユニットの製造工程の末端での制御ユニットのプログラミングのための上記方法の利用のみならず、車両の駆動中の間の上記方法の利用も有効ではない。
独国特許出願公開第10311395号明細書には、CAN通信と、非対称な直列通信プロトコルと、の間で切り替え可能なシステムが記載されており、このシステムは、非同期モードにおいて、より高い伝送レートを可能とするが、その際に、このプロトコルは、CAN基準からは外れている。
独国特許出願公開第10340165号明細書では、CANネットワーク内のセンサとアクチュエータとの間の同期化の改善が提案されている。これにより、遅延時間の削減が達成されるが、その際、伝送レートは上がらない。
本発明の課題は、より多くのデータ量を比較的迅速にCANネットワーク内で送信することが可能であり、バスを介したメッセージ伝送の際に実時間条件を遵守することが可能な方法、装置、及び、インタフェースを記載することである。本課題は、請求項1に記載の特徴を備えたデータ伝送方法によって、並びに、従属請求項に記載された装置及びインタフェースによって解決される。
上記の課題は、本発明に基づいて、限られた時間の間に、特に、データフレーム内でアービトレーションが行われた後に、ビット長、即ち、ビットの時間的な長さが、アービトレーションのために利用された値に対して短縮されることによって解決される。換言すれば、伝送されるデータフレームのデータフィールド内の限られた区間について、バスのクロックレートが、基本クロックレートに対して上げられる。その際に、クロックレートは基本的に、増分され複数の様々な値を取ることも可能であり、これら値の切り替えのための時点が、データフレーム内に任意に存在しうる。一般的には、バス加入者がクロックレートの任意の推移について一様に理解しており、データフレームに含まれる情報を一様に解釈できる限りにおいて、クロックレートは任意の推移を有しうるであろう。
送信されたデータを受信者が正しく解釈できるために、データフレームが少なくとも1つの部分範囲において本発明に基づき変更されたビット長を有するという事実を、受信者に報知する必要がある。受信者に対する報知は標識を介して行われる。その際に、標識に従って、ビット長、及び、ビット長の変更の時点についての格納された値を利用することが有利でありうる。これに関する一例は、データフレームのヘッダ範囲内の、設定された未使用の(frei)ビットによる標識であろうし、当該ビットの2つの可能な値のうちの1つについて、例えばデータフレーム全体において、全バス加入者のために設定された因子(Faktor)の分だけ短縮されたビット長が利用される。
他の可能性は、標識内で、又は、データフレーム内の設定された他の箇所で、ビット長及び/又はビット長の変更の時点に関する情報を、受信者宛てに伝達することである。例えば、データフィールドの最初の3ビットで、整数としてのビット長のための短縮因子(Reduktionsfaktor)又は短縮除数(Reduktionsdivisor)を伝達し、当該因子が乗算されたビット長を、設定された切り替え時間の後で、データフィールドの残りの時間のために利用することが可能であろう。
更なる別の好適な実施形態において、標識が、先行するデータフレームで送信され、この方法で、少なくとも1つのバス加入者に対して、自身に宛てられた後続のデータフレームが短縮されたビット長を有することが注意喚起される。
少なくともデータフレームのSOF(Start of Frame)ビットとアービトレーションフィールドとが、バスの基本クロックレートに相当するビット長を有する場合には、更に有利である。この場合には、アービトレーションの結果に従って、ビット長の短縮が、適切に、現在伝達されるデータフレームの送信者及び受信者のところで行われ、全バス加入者のところでサンプリング周波数を対応して上げるために必要であろうエネルギーが節約されうる。
その加入者が基本クロックレートに対応するビット長を一貫して遵守するバスシステム内、及び、その加入者が本発明に基づいて短縮されたビット長により機能しうるバスシステム内で、本発明に係る方法を実施する装置を利用するために、当該装置を、適切な入力により切り替え可能に構成することは更に有利である。その場合に、本発明に基づいて機能する装置は、フレキシブルに(flexibel)、新しいネットワーク及び古いネットワーク内で使用されうる。
短縮されたビット長により伝送されるビットが、そのビット長を切り替えないバス加入者のところでエラーを引き起こすこと、又は、短縮されたビット長により伝送されたビットのエッジに対する、誤った再同期化が起こることを防止するために、ここで記載される方法では、少なくとも、ビット長が短縮されたデータの伝送の間に、1つ以上のバス加入者、特に、そのビット長を切り替えないバス加入者のところでの再同期化を停止することが有利でありうる。例えば、バスシステムは、バス加入者として、フルノード(Full−Knoten)又はエコノード(Eco−Knoten)を有し、その際に、フルノードは、例えば高次の発振子のような適切な手段によって、ビット長を切り替えるよう構成され、一方エコノードは、通常のビット長のみ使用することが可能である。フルノードが、短縮されたビット長を有するメッセージを送信する場合に、エコノードは、例えば、最後の長いビットからその通信を停止し、もはやビット再同期化も行わない。例えば、データフレームの識別子に対する依存関係、又は、アービトレーションの結果及び/又は適切な標識に対する依存関係により、再同期化の停止を、間近に迫るビット長の短縮を検出することに対して依存させることが可能である。予め設定可能な時間の間、例えば、3個の中断ビット(Intermission−bit)を従えるEnd of Frameに対応する遅い10ビット長の間、レセッシブ(rezessiv)なバス状態を監視した場合には、エコノードは再び通信を開始する。その場合には、対応する検出のために、不正確で、安価で、エネルギーを節約する発振子で十分である。
以下では、本発明が図面を用いて提示され、より詳細に解説される。
バスを介してデータフレームを交換することが可能な複数の加入者を備えた従来技術によるCANバスシステムを示す。 CAN基準ISO11898−1に従ったデータフレームの構造を概略的に示す。 本発明に基づき様々なビット長の範囲に分けられたデータフレームの構造を概略的に示す。 ビット長の変更についての必要な情報を受信者に報知する標識の、データフレーム内での時間的位置の一例である。 データフレームと本発明に係るバス加入者との間でビット長の変更についての必要な情報を共有するための様々な可能性を示す。 データフレームと本発明に係るバス加入者との間でビット長の変更についての必要な情報を共有するための様々な可能性を示す。

以下では、本発明に係る方法及び装置についての実施例が記載される。具体的な例が、実現を解説するために使用されるが、本発明の思想の範囲を限定するものではない。
図1は、当該図1に示される複数の加入者110、120、130、140を備えた従来技術のCANバス100を示している。加入者間では、CAN基準ISO11898−1に従ったデータフレームが交換される。バスには、例えば500kBaud(キロボー)のクロックレートが適用され、即ち、本例では、ビット長は2μsである。
図2aは、バス100を介して伝送することが可能なデータフレーム200の概略的な構造を示している。データフレームは、原則的に、(通常ではフィールド「スタートオブフレーム(Start of Frame)」「アービトレーションフィールド(Arbitration Field)」及び「コントロールフィールド(Control Field)」から成る)ヘッダ範囲201と、データフィールド202と、(通常ではCRCフィールド、ACKフィールド、及び「エンドオブフレーム(End of Fram)」から成る)終端範囲203と、に分けられる。ここで示されるケースでは、データフィールドの伝送は時点t5に始まり、末端範囲の伝送は時点にt6に始まる。データフレーム全体について、クロックレートは一定である。
図2bは、ヘッダ範囲211、データフィールド212、及び、末端範囲213から成るデータフレーム210の、本発明に基づき逸脱した構造を例示している。さらに、ビット長の切り替えの開始を示す時点t3、及び、ビット長の切り替えの終了を示す時点t4が示されている。ここで示されるケースでは、データフィールド全体について、クロックレートが例えば因子4の分だけ上げられ、又は、ビット長が逆数の因子の分だけ0.5μSに短縮される。これに対応して、時点t3は、データフレームのデータフィールドの開始t5と一致し、時点t4は、データフレームの終端範囲の終了t6と一致する。他の発展形態において、時点t3及びt4は他の位置にも、例えばデータフィールド内に存在しうるであろう。
図3は、本発明に係るデータフレーム210の構造を改めて示す。さらに、データフレームのヘッダ範囲内の、本発明に係る標識310の位置が例示的に示されている。ここで示される発展形態では、ヘッダ範囲内の1つ以上のビットを標識のために利用することが可能であろう。例えば、予約されたビットを、因子4の分だけ短縮されたビット長の標識として利用することが可能であろう。本例では、示される時点t1は予約されたビットの開始であり、示される時点t2は予約されたビットの終了であり、以前と同様に、時点t3はビット長の切り替えの開始に対応し、時点t4はビット長の切り替えの終了に対応する。
本発明に係る標識の特別なケースは、伝送のために利用される短縮されたビット長を、CANマトリックス(CAN Matrix)の定義の枠組みにおける、データフレームの識別子に従って設定するという可能性である。この設定の際に、各データフレームの潜在的な送信者及び受信者が分かっている場合には、所定の識別子を有するメッセージの全ての送信者及び受信者が、短縮されたビット長を利用するために構成されているのか、即ち、所謂「フルノード」であるのか、又は、上記全ての送信者及び受信者が短縮されたビット長を利用するために構成されていないのか、即ち「エコノード」であるのか、ということも分かっている。その場合、これに従って、所定の識別子を有するデータフレーム、又は、特にフルノード間でのみ交換される識別子の一群からのデータフレームが、設定された範囲内で、短縮されたビット長を利用することを設定できる。このことは、識別子自体によって各受信者に対して報知される。
更なる別の可能性は、ここでは詳しくは記載しないが、先行するデータフレーム内で標識310を送信し、この方法で、少なくとも1つのバス加入者に対して、自身に宛てられた後続のデータフレームが短縮されたビット長を有することを注意喚起することである。この場合には、本発明に係る各データフレーム内で標識を一緒に送信する必要はなく、1度だけ散発的(sporadisch)に送信すればよい。
図4a及び4bは、標識の情報内容に関する。ここでは、様々な種別のデータフレームについて、データフレーム内でのビット長の各推移についての情報をバス加入者のところに格納し、標識の枠組みにおいて種別情報のみを伝達するという可能性が生まれる。代替的に、ビット長の短縮を記述する特性値も、標識と共に送信することが可能である。
示されるケースでは、2種類のデータフレームしか存在せず、種別A(例えば図2aのような、CAN基準に従った均一なビット長を有するデータフレーム)と、種別B(例えば図2bのような、データフィールド内のビット長が因子4の分だけ短縮されたデータフレーム)とを切り替えるために、標識310として、データフレーム210の1ビットのみが利用される。種別Aのデータフレームを送信及び/又は受信するエコバス加入者(Eco−Busteilnehmer)405及び406は、基準ビット長L1を知っている。種別Bのデータフレームを送信及び/又は受信するフルバス加入者(Full−Busteilnehmer)410及び420は、発生するビット長L1及びL2の両方の値を知っており、標識の位置「t1、t2」、及び、短縮されたビット長の範囲の開始時点t3及び終了時点t4によって、その送信挙動及び受信挙動が適切な形態で適合される。場合によっては、一時的に受信を中断し、ビット再同期化を停止しうるために、エコ加入者405及び406も追加的に、標識の位置「t1、t2」を知っている。図との関連で言及された、データフレームの識別子に対する本発明に係るビット長の短縮の依存関係によって、この場合はデータフレームの識別子内に内在する、標識が付けられた範囲「t1、t2」の知識も、加入者405及び406内で同様に必要となる。
当然のことながら、種別Bのデータフレームのみバス上で利用し、これに対応して、全てのバス加入者がフル加入者として構成され、その送信挙動及び受信挙動を、短縮されたビット長に対して調整することも可能である。
他の可能性は、図4bに示されている。ここでは、標識310の他に、ビット長の変更についての情報の部分、特にバスレートをその分だけ上げ、又はビット長をその分だけ短縮する因子Fについての情報の部分も伝達される。本例では、種別Bのデータフレームを送信及び/又は受信するフルバス加入者430及び440は、標識の位置「t1、t2」、及び、短縮されたビット長の範囲の開示時点t3及び終了時点t4を知っており、変更されたビット長をL2=L1/Fとして計算し、その送信挙動及び受信挙動を適切な形態で適合させる。例えば、データフィールドの最初の3ビットの利用によって、8個の異なる因子F、例えば、1〜8の間の値を伝達し、因子を受信した後の定められた時点において、例えば、データフィールドの4番目のビット又は5番目のビットのところで、ビット長を対応して切り替えることが可能である。
図4a及び図4bで示される実施例において、短縮されたビット長を有する種別Bのデータフレームが伝達されることが判明した場合には、サンプリングレートの切り替えが厳密に行われるように、本方法を実現することが可能である。この場合には、短縮されたビット長についての知識が適時に、受信バス加入者のところに存在する必要がある。特に、短縮されたビット長の範囲の前に、示される例では、データフィールドよりも時間的に前に、同一のデータフレーム又は先行するデータフレームで、標識を伝送する必要がある。
さらに、短縮されたビット長の種別Bのデータフレームが伝達される場合には、加入者のうちの幾つかが、特に各送信者及び受信者が、サンプリングレートの切り替えを行うということも可能である。
フルノードは、本方法を実施するために例えば高次の発振子を有するが、エコノード内では、コストを節約するために、対応してよりコストが掛かる発振子を省略することが可能である。エコノードのために、短縮されたビット長のデータが伝送される期間内に、短縮されたビット長を有するデータフレームの伝送により起こりうる、バス信号のエッジに対する誤った再同期化を防止するために、再同期化を停止することが可能である。エコノード内でも、受信プロセスを完全に中断し、例えば、エネルギーを節約する静止状態を取ることが可能であり、当該静止状態においては、例えば選択的に、エコノードの個々のバスモジュールに電圧が供給されない。上記停止及び/又は中断を、間近に迫るビット長の短縮を検出することに依存させてもよい。このために、本発明に係るデータフレームの標識を援用することが可能であり、即ち、エコバス加入者は、短縮されたビット長の種別のデータフレームをシグナリングする標識310を検出した際に、当該データフレームのための再同期化又は通信を停止するであろう。エコバス加入者は、例えば、予め設定可能な時間の間、例えば、3個の中断ビットを従えるEnd Of Frameに対応する遅い10ビット長の間、レセッシブなバス状態を監視した場合には、再同期化又は通信を再び開始する。
(例示されるケースでは種別A又は種別Bに従った)データフレームの種別分類は、CANマトリックスの定義の枠組みにおいて、例えば、各データフレームの送信者及び受信者がフルノード又はエコノードであるかに従って設定し、この方法で設定された種別Bのデータフレームのための再同期化を停止することも同様に可能であろう。このためには、バス加入者内の対応するアドレスリスト又はアドレスフィルタに、対応する種別情報を設ける必要があるであろう。

Claims (18)

  1. バスを介してデータフレームを交換する少なくとも2つのバス加入者を備えたバスシステム内での直列データ伝送のため方法であって、前記バス加入者は、識別子に従って、自身がどのデータフレームを受信するのかを決定し、前記データフレームは、CAN基準ISO11898−1に従った論理的構造を有する、前記方法において、
    データフレーム内の時間的ビット長(L1、L2)は、少なくとも2つの異なる値を取ることが可能であり、
    前記データフレーム内の予め設定され又は予め設定可能な少なくとも1つの第1の範囲について、前記時間的ビット長(L1)は、前記CAN基準ISO11898−1の規定に対応し、
    予め設定され又は予め設定可能な少なくとも1つの第2の範囲において、前記時間的ビット長(L2)は、前記第1の範囲に対して短縮され、
    前記時間的ビット長の変更は、送信者によって、同一のデータフレーム又は先行する前記データフレームのうちの1つに含まれる標識(310)によりシグナリングされることを特徴とする、直列データ伝送方法。
  2. 前記標識(310)は、標識が付けられた前記データフレームの予め設定され又は予め設定可能な前記第1の範囲内に存在することを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  3. 前記第1の範囲は、少なくともSOFビット及びアービトレーションフィールドを含むことを特徴とする、請求項1又は2に記載の方法。
  4. 前記標識(310)は、前記標識が付けられたデータフレームの前記識別子の一部又は全体から得られることを特徴とする、請求項2又は3に記載の方法。
  5. 前記標識(310)は、前記第1の範囲内の1ビットによって実現されることを特徴とする、請求項2又は3に記載の方法。
  6. 前記時間的ビット長は、厳密に2つの異なる値(L1、L2)を取りうることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。
  7. 前記標識(310)に並んで、前記少なくとも1つの第2の範囲内で利用されるビット長が分かる少なくとも1つの情報(F)が伝送されることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の方法。
  8. 前記第1の範囲は、前記データフィールドの数ビットを含み、前記数ビットにより、前記少なくとも1つの情報(F)が伝送されることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法。
  9. 前記標識(310)は、先行するデータフレームで送信され、前記標識によって、少なくとも1つのバス加入者は、自身に宛てられた後続のデータフレームが短縮されたビット長を有することに対して備えることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  10. 第1群のバス加入者は、前記標識(310)に従って前記ビット長の短縮を行い、第2群のバス加入者は、前記標識(310)に従って、ビット再同期化を停止し、及び/又は、受信プロセスを中断し、及び/又は、停止状態を取ることを特徴とする、請求項1〜9のいずれか1項に記載の方法。
  11. 前記第1群のバス加入者には、フルノードとして設計され、短縮されたビット長を利用するために構成された全てのバス加入者が含まれることを特徴とする、請求項10に記載の方法。
  12. 前記第1群のバス加入者には、フルノードして設計され、短縮されたビット長を利用するために構成され、正に伝送される前記データフレームの送信者又は受信者である全てのバス加入者が含まれることを特徴とする、請求項10に記載の方法。
  13. バスを介してデータフレームを交換する少なくとも2つのバス加入者を備えたバスシステム内での直列データ伝送のための装置であって、前記バス加入者は、識別子に従って、自身がどのデータフレームを受信するのかを決定し、前記データフレームは、CAN基準ISO11898−1に従った論理的構造を有する、前記装置において、
    データフレーム内の時間的ビット長(L1、L2)を、少なくとも2つの異なる値の間で切り替える手段が設けられ、
    前記データフレーム内の予め設定され又は予め設定可能な少なくとも1つの第1の範囲について、前記時間的ビット長(L1)は、前記CAN基準ISO11898−1の規定に対応し、
    予め設定され又は予め設定可能な少なくとも1つの第2の範囲において、前記時間的ビット長(L2)は、前記第1の範囲に対して短縮され、
    前記時間的ビット長の変更は、送信者によって、同一のデータフレーム又は先行する前記データフレームのうちの1つに含まれる標識(310)によりシグナリングされることを特徴とする、装置。
  14. 請求項2〜9のいずれか1項に記載のデータ伝送方法を実施する手段が設けられることを特徴とする、請求項13に記載の装置。
  15. バスを介してデータフレームを交換する少なくとも2つのバス加入者を備えたバスシステム内での直列データ伝送のための装置であって、前記バス加入者は、識別子に従って、自身がどのデータフレームを受信するのかを決定し、前記データフレームは、CAN基準ISO11898−1に従った論理的構造を有する、前記装置において、
    前記時間的ビットの変更が、送信者によって、同一のデータフレーム又は先行する前記データフレームのうちの1つに含まれる標識(310)によりシグナリングされ、
    前記標識(310)に従って、ビット再同期化を停止し、及び/又は、受信プロセスを中断し、及び/又は、停止状態を取る手段が設けられることを特徴とする、装置。
  16. 前記標識を含むデータフレームが、少なくとも2つの範囲内で前記ビット長の少なくとも2つの異なる値を有することが前記標識(310)を用いて検出される限りにおいて、前記ビット再同期化が停止され、及び/又は、前記受信プロセスが中断され、及び/又は、停止状態が取られことを特徴とする、請求項15に記載の装置。
  17. 前記識別子によって識別されたデータフレームを、前記装置が読み込む必要がないことが前記識別子を用いて検出される限りにおいて、前記ビット再同期化が停止され、及び/又は、前記受信プロセスが中断され、及び/又は、停止状態が取られことを特徴とする、請求項16に記載の装置。
  18. 前記装置は、入力信号によって切り替え可能に実現され、CAN基準ISO11898−1に従った挙動と、本発明に基づいて修正された挙動と、の間で切り替えられることを特徴とする、請求項13〜17のいずれか1項に記載の装置。
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