CN102804702A - 总线系统的星形联接器，具有这种星形联接器的总线系统以及用于在总线系统中进行信号交换的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种星形联接器(10)，所述星形联接器能够根据经连接部(11)输入的信号输入的时隙来区分信号，并且根据输入该信号的连接部以及该时隙将信号传递到至少一个其它的连接部(11)。尤其是能够采用一分派方式，在该分派方式中星形联接器(10)在一时隙中将总线系统用作单一的总线系统，而在另一时隙中将总线系统虚拟地分成两个子系统。

Description

总线系统的星形联接器,具有这种星形联接器的总线系统以及用于在总线系统中进行信号交换的方法
技术领域
本发明涉及一种用于总线系统的星形联接器以及一种使用这种星形联接器的总线系统。本发明还涉及一种用于在总线系统中进行信号交换的方法，其中多个总线支路通过星形联接器彼此联接。
背景技术
星形联接器是星形线路的核心部件。在这样的星形联接器上连接有多个总线支路。每个总线支路包括至少一个控制装置，其中控制装置中的至少一部分可进行发送而控制装置中的至少一部分可进行接收，优选的是，控制装置中的至少一部分既可进行发送又可进行接收。星形联接器的任务是，将从一个支路输入的信号传递给其它支路。在此，有源的(aktiver)星形联接器将信号放大。这样，例如从DE 102005061395A1已知一种用在具有星形拓扑的通信系统中的有源星形汇接点/中性点(Sternpunkt)，该星形汇接点借助运算放大器将输入的模拟信号放大并传递。在该文献中公开了，输入的数据信号可被分配至其余支路中的一个或多个中。然而，由于DE 102005061395A1中的有源星形汇接点具有纯模拟式的运行方式，使得该有源星形汇接点不适合应用在时控/时间控制的系统中。
在时控总线系统、如机动车中使用的FlexRay系统或TTP/C系统中，一个周期时间被分成多个时隙。在每个时隙中仅允许一个特定的控制装置进行发送，因此不会与另外的控制装置的信号产生信号干涉。在这种时控的系统中存在所谓的总线监控器(英文：bus guardians)，该总线监控器检查在相应的时间点、也就是说在当前的时隙中是否允许一总线系统的用户(控制装置)进行发送。该总线监控器还确定出是否允许对消息/报文(Botschaft)进行继续处理。这种总线监控器可集成在星形联接器中。在时控系统中，这种星形联接器通常包括用于每个支路的级联收发器。从星形联接器的角度来看，在多个能与总线支路相连接的连接部上分别配备有这样的收发器、即收发装置。收发器将经相应的连接部进入的模拟信号转换成数字信号，并将待输出到相应的连接部的信号从数字信号转换成模拟信号。在信号已被转换成数字信号但仍未被重新转换成模拟信号的阶段中，可使用总线监控器功能。因此，星形联接器通常包括计时器，从而能够将各个时隙彼此区分开。随着总线用户数量的增加，总线达到了与该总线的传输能力相关的极限。例如FlexRay总线具有10MBit的总线带宽。人们希望尽可能优化地利用这个带宽。为此，人们将总线系统划分成各个簇(Cluster)，其中在为一个簇规定的时隙中允许该簇的总线用户进行发送。仅在使用所谓的网关/网间连接器的情况下，能够在不同的簇之间进行数据交换。在时控系统中，在每个簇系统中必须存在有至少两个同步节点。为了确保通信，在每簇中必须使用一特有/自身的总线监控器。
发明内容
本发明的目的在于，改善时控总线系统中的数据传输效率。
所述目的通过提供具有权利要求1特征的星形联接器、根据权利要求8所述的具有这种星形联接器的总线系统、以及根据权利要求10所述的在总线系统中进行信号交换的方法而实现。
所述目的通过一种用于总线系统的星形联接器而实现，该星形联接器具有多个连接部，所述连接部能与总线支路相连接，其中，连接部通过相应的收发装置与数字式的数据处理单元相联接，其中，收发装置将经各自相应的连接部输入的模拟信号转换成被传递至数据处理单元的数字信号，并将由数据处理单元发送的数字信号转换成被传递至各自相应的连接部的模拟信号，其中，数据处理单元包括计时器，从而能针对每个连接部将时间划分成周期性重复的时隙序列，其中，数据处理单元设计成，使得由一连接部在预先给定的、为该连接部规定的时隙中获得的信号在一通过预先给定的分派方式确定的、为根据所述预先给定的分派方式确定的至少一个其它连接部规定的时隙中被传递至该至少一个其它连接部。
由于在根据本发明的星形联接器中信号传递不是自动地进行，而是基于预先给定的分派方式按规定地进行，所以能够通过适当地设计该预先给定的分派方式而针对相应的目的优化地设计总线系统。该分派方式尤其是可以被看作，与现有技术不同，不是在每个时隙中将由第一连接部接收的所有信号都传递至所有其它的连接部。因此在至少一个时隙中实现了，星形联接器将总线系统(网络)虚拟地分成多个子系统(子网络)，其中仅在子系统内部传递消息。尤其是实现了，星形联接器以时间重叠的方式、例如在全局(globale)规定时隙序列的情况下，在同一时隙中通过两个连接部接收信号，其中，它将信号从第一连接部传递至第一其它连接部，并且将信号从第二连接部传递至第二其它连接部。于是，在该时隙的持续时间内，连接在第一连接部上的总线支路与连接在第一其它连接部上的总线支路形成一子网络，而连接在第二连接部上的总线支路与连接在第二其它连接部上的总线支路也形成一子网络。星形联接器通过考虑时隙而同时具有总线监控器的功能。即使形成有虚拟的多个子网络，作为两个子网络的部件用单个星形联接器也足够了，该星形联接器同时具有用于全部子网络的总线监控器的功能。因此，能优化地利用由FlexRay总线系统提供的带宽。无需在各个子系统中分别地进行独立的时钟同步，这是因为基于所述分派方式可规定，信号在一个或多个时隙内被传递至全部的总线支路，通过该信号可实现时钟同步。因此，完全不需要改变协议。可取消网关。因此，该解决方案成本特别低。
在一实施方式中，分派方式尤其是与时隙相关并且对于不同的时隙分派方式不同，即使经同一连接部输入信号也是如此。换言之，对于经至少一个连接部输入的信号，在两个不同的为连接部规定的时隙中分派方式是不同的。也就是说，在恰恰是连接在该连接部上的总线支路中的总线用户可以有时为子网络发送信号，有时为整个网络发送信号。这表明，至少一个连接部满足：在为该连接部规定的第一时隙中输入的信号被传递至第一其它连接部，而在为该连接部规定的第二时隙中输入的信号不被传递至该第一其它连接部。第一其它连接部可简单地停止(enfallen)。后一信号可例如代替地被传递至第一信号不被传递至的第二其它连接部。
在一优选实施方式中，全局地规定时隙，也就是说，对于每个连接部规定相同的时隙序列。这简化了处理和分派。
其实现了，在至少一个时隙中能经至少两个不同的连接部接收信号，从第一连接部输入的信号被传递到至少一个第一其它连接部，而从第二连接部在同一时隙中输入的信号被传递到至少一个第二其它连接部。这正好是下列的情况：至少在所涉及的时隙的持续时间内总线系统被分成两个子系统。
优选的是，数据处理单元如此迅速地工作，使得信号可在该信号被接收的同一时隙中被传递。也可以有意地使信号在与该信号输入的时隙不同的另一(尤其是其后的)时隙中被传递。由此在通信中提高了灵活性。
在根据本发明的星形联接器中，不是必须全局地规定时隙。也可设想为不同的连接部规定不同的时隙序列的实施方式。然而优选的是被分成不同时隙的周期时间相同。当希望在不同的总线支路中使用具有尽可能不同的基本设定(Grundeinstellungen)的不同控制装置时，利用不同的时隙可能是有帮助的。因此避免了昂贵的匹配。但分派是可能的。例如，可以在第一连接部中将周期时间分成四个时隙，而在第二连接部中将周期时间分成六个时隙。于是，在两个连接部中第一时隙同时开始，在具有四个时隙的连接部中的第三时隙与在具有六个时隙的连接部中的第四时隙同时开始。在较短的时隙中接收的信号尤其可在较长的时隙中被传递。
根据本发明的星形联接器当(在不同的连接部处)连接有至少三个总线支路时优选用在总线系统中。在三个总线支路中可全局地进行通信，也就是说，经第一支路输入的信号可被继续发送至两个另外的总线支路。也可以形成由两个总线支路构成的分组，在所述分组中两个总线支路之一的信号被发送给这两个总线支路中的另一个，而第三总线支路不参与通信。在四个总线支路的情况下可规定甚至两个子网络。
因此，星形联接器的数据处理单元可设计成，使得在一连接部处从一个总线支路输入的信号仅被传递至其它的总线支路的一部分中。在利用四个总线支路时，接收信号的持续时间是重叠的，在以下情况下尤其如此：全局地规定时隙序列并且在同一时隙中由两个不同的总线支路接收信号，从而将从第一总线支路输入的信号传递至第一其它总线支路并将从第二总线支路输入的信号传递至第二其它总线支路。
在根据本发明的用于在总线系统中进行信号交换的方法中，在所述总线系统中，通过星形联接器使多个总线支路相联接，其中，为每个总线支路规定时隙序列，在该方法中，在至少一个第一总线支路中(从连接在那里作为总线用户的控制装置)在至少一个为该第一总线支路规定的时隙中发送信号，星形联接器将该信号传递到至少一个根据该第一总线支路和发送该信号的时隙确定的其它的总线支路。
重要的是，星形联接器在确定其它的总线支路时依赖于输入信号的总线支路以及输入该信号的时隙。这种星形联接器必须使信号以数字形式存在并且提供数据处理单元，通过该数据处理单元确定其它的总线支路。
尤其可能的是，在两个总线支路中发遂时间上重叠的信号，所述信号被星形联接器接收并传递至不同的其它的总线支路。这种情况优选在全局规定时隙或部分全局地规定时隙时出现：在至少一部分总线支路中规定相同的时隙序列。在第一时隙中，在所述一部分总线支路中的至少两个总线支路中发送信号，这两个信号被传递给(尤其是所述一部分总线支路中的)不相同的总线支路。
总线系统分成两个子系统的情况优选仅出现在第一时隙中，而在第二时隙中，在所述一部分总线支路中的仅一个总线支路中发送信号，该信号被传递至(尤其是该一部分总线支路的)全部其它的总线支路、但优选被传递至全部的总线支路。在第二时隙期间，整个总线系统被看作是统一的总线系统，该统一的总线系统可以尤其是进行时钟同步。
星形联接器可解码信息，从而能够决定：该星形联接器是否将该信息用于时钟同步。为此，星形联接器必须也考虑信息的输入时间。
优选地，以模拟和数据式半导体处理过程/半导体工艺(Halbleiterprozessen)制造星形联接器。在优选的情况下，在一个模具(Die)中或利用两个模具在壳体中以混合式的过程制造。
在总线系统上优选规定至少三个状态：IDLE、0和1。为此，存在两个导线，正总线(BP)和负总线(BM)。例如以下列的方式产生电压：
BP＝BM＝2.5V＝IDLE(无信号发送)
BP-(150mV至1000mV)＝BM+(150mV至1000mV)＝″1″
BP+(150mV至1000mV)＝BM-(150mV至1000mV)＝″0″
星形联接器尤其是具有时钟输入(石英谐振器(Quarz))，因为数字逻辑装置需要一时钟脉冲/节拍。
星形联接器根据预先给定的开关阵列来运行预先给定的例程/线路。星形联接器可以每次在接上电压时被配置。为此，开关阵列保存在内部的RAM中。或者所述配置存储在内部的闪存中。当例如在车辆维护的情况下加入新控制装置时，应当可以改变所述配置。
附图说明
下面，借助附图描述本发明的一优选实施方式，其中
图1示意性示出根据本发明的星形联接器；以及
图2示出能通过根据本发明的星形联接器来实现的、被发送的和被接收的信息的分派方式。
具体实施方式
整体上用“10”表示的星形联接器具有多个连接部11。在所述连接部上尤其能连接FlexRay总线FR1、FR2、FR3...FRn。从整个总线系统的角度来看，其为单个的总线支路。每个连接部11都与一收发装置12(该收发装置也可称为总线驱动器)彼此联接。该收发装置将经连接部11输入的模拟信号转换成数字信号，并将所述数字信号继续发送至数据处理装置13，收发装置12接收来自数据处理装置13的数字数据并且将所述数字数据转换成发送至连接部11的模拟信号。
数字式数据处理装置13可设计为FPGA(“Field Programmable GateArray”，现场可编程门阵列)，也可以设计为微控制器或数字信号处理器。图中示出数据处理单元13的功能性子单元，该功能性子单元用14、16和18表示。分派单元14从连接部11接收信号、从而从相关的总线支路FR1至FRn接收信号，并且相反地也向它们发送信号。该分派单元与计时器(“时钟”)16彼此联接。数据处理单元13还包括总线监控单元18。该总线监控单元18可基于时间信号来判定：是否允许从连接部11输入信号。也就是说，在整个总线系统中，在总线支路FR1、FR2、FR3至FRn中应当划分出：在哪个时隙中允许信号被发送。从星形联接器10的角度来看，在相应的总线支路FR1至FRn中由哪个总线用户发送是不重要的。所有被允许发送并由星形联接器10接收的信号被分派单元传递，确切地说根据预先给定的分派方式传递。分派单元14根据信号输入的时隙对信号进行分派。信号可被传递至全部其它的、没有接收到该信号的连接部11中。信号也可以仅被传递至一部分连接部11中。尤其可能的是，在同一时隙中由两个连接部11接收信号，其中所述信号被传递至不同的、其它的连接部。
这一点在图2中示出。图2针对四个FlexRay支路FR1至FR4、以时间轴(时间线，Zeitstrahl)作为横坐标示出哪个信息(信号)被接收或发送的时间序列。
在第一时隙20中，总线支路FR1发送信息a。星形联接器10将该信息传递至全部其它的总线支路，也就是说该信息被总线支路FR2、FR3和FR4接收。在时隙20中，星形联接器10如常规的有源星形联接器那样地工作。
在时隙22中，在相同的两个总线支路、即FR1和FR2中各发送一信息，确切地说在FR1中发送信息b，而在FR2中发送信息c。星形联接器10将来自FR1的信息b传递至FR3并且在那里被接收。星形联接器10将来自FR2的信息c传递至FR4并且在那里被接收。因此，在时隙22的持续时间中，星形联接器10将总线系统分成两个子系统、也就是说包括FR1、FR3的子系统和包括FR2、FR4的子系统。在时隙24期间也是这样划分的。在此，在FR1中发送信息d并且该信息被传递至FR3中。在FR4中发送信息e并且该信息被传递至FR2中。
在时隙26中也规定了两个子系统，但是这两个子系统与时隙22和24中的子系统不同：在FR4中发送信息f，该信息被星形联接器10传递至FR1并且在那里被接收。在FR3中发送信息g，该信息被星形联接器10传递至FR2并且被接收。因此，在时隙26的持续时间中，虚拟地存在有包括FR1、FR4的子系统和包括FR2、FR3的子系统。
随后，在时间系统28中，星形联接器10又如常规的星形联接器那样工作：仅在一个总线支路中，当前是在FR4中发送信息、即信息h，该信息被传递至全部其它的总线支路FR1、FR2、FR3并且在这些总线支路中被接收。
星形联接器10以特别高效的方式利用FlexRay系统的可供使用的带宽。该系统在时隙20和28中被用作一整体系统，而在时隙22、24和26中该系统被分成子系统，但仅是虚拟地划分。不需要网关。不需要在各个子系统中分别进行自己的时钟同步，这是因为时钟同步可以在时隙20和28中进行。因此，完全不需要改变协议。在星形联接器10中同时提供了总线监控器18的功能。

Claims (17)

1.一种用于总线系统的星形联接器(10)，所述星形联接器具有多个连接部(11)，所述连接部能与总线支路(FR1、FR2、FR3...FRn)相连接，其中，所述连接部(11)通过相应的收发装置(12)与数字式的数据处理单元(13)相联接，其中，所述收发装置(12)将经各自相应的连接部(11)输入的模拟信号转换成被传递至所述数据处理单元(13)的数字信号，并将由所述数据处理单元(13)发送的数字信号转换成被传递至各自相应的连接部(11)的模拟信号，其中，所述数据处理单元(13)包括计时器(16)，从而能针对每个连接部(11)将时间划分成周期性重复的时隙(20、22、24、26、28)序列，其中，所述数据处理单元(13)设计成，使得由一连接部(11)在预先给定的、为该连接部(11)规定的时隙中接收到的信号在一通过预先给定的分派方式确定的、为至少一个根据所述预先给定的分派方式确定的其它连接部(11)规定的时隙(20、22、24、26、28)中被传递至所述至少一个其它连接部(11)。
2.根据权利要求1所述的星形联接器(10)，其特征在于，对于经至少一个连接部(11)输入的信号，在两个不同的为连接部规定的时隙(20、22、24、26、28)中分派方式是不同的。
3.根据权利要求2所述的星形联接器(10)，其特征在于，所述连接部中的至少一个满足：在为该连接部规定的第一时隙(20)中输入的信号被传递至第一其它连接部，而在为该连接部规定的第二时隙(22、24)中输入的信号不被传递至该第一其它连接部。
4.根据权利要求1所述的星形联接器(10)，其特征在于，为每个连接部(11)规定相同的时隙。
5.根据权利要求4所述的星形联接器(10)，其特征在于，在至少一个时隙(22、24、26)中能经至少两个不同的连接部(11)接收信号，从第一连接部输入的信号被传递到至少一个第一其它连接部，而从第二连接部在同一时隙(22、24、26)中输入的信号被传递到至少一个第二其它连接部。
6.根据权利要求4或5所述的星形联接器(10)，其特点在于，信号在与该信号输入的时隙不同的另一时隙中被传递。
7.根据上述权利要求中任一项所述的星形联接器(10)，其特征在于，规定一周期时间，所述周期时间对于至少两个不同的连接部(11)被分成不同长度的时隙。
8.根据上述权利要求中任一项所述的星形联接器(10)，其特征在于，所述信号以信息的形式存在，所述信息能由所述星形联接器解码。
9.根据上述权利要求中任一项所述的星形联接器(10)，其特征在于，所述星形联接器是以模拟式和数字式半导体处理过程制成的。
10.根据上述权利要求中任一项所述的星形联接器(10)，其特征在于，所述星形联接器具有用于提供时钟脉冲的输入端。
11.一种具有根据上述权利要求中任一项所述的星形联接器(10)的总线系统，其上连接有至少三个总线支路(FR1、FR2、FR3...FRn)。
12.根据权利要求11所述的总线系统，其特点在于，所述数据处理单元(13)被设计成，使得在一连接部(11)处从一个总线支路输入的信号仅被传递至其它的总线支路的一部分中。
13.根据权利要求11所述的总线系统，其特点在于，总线电压在1伏与4伏之间。
14.一种用于在总线系统(10)中进行信号交换的方法，在所述总线系统中，通过星形联接器(10)使多个总线支路(FR1、FR2、FR3...FRn)相联接，其中，为每个总线支路(FR1、FR2、FR3...FRn)规定时隙序列，其中，在至少一个第一总线支路中在至少一个为该第一总线支路规定的时隙(20、22、24、26、28)中发送信号，所述星形联接器将该信号传递到至少一个根据该第一总线支路和发送该信号的时隙确定的其它的总线支路。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在两个总线支路中发送时间上重叠的信号，所述信号被传递至不相同的其它的总线支路。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，为至少一部分总线支路规定相同的时隙序列，在所述时隙(22、24、26)中的第一时隙中，在所述一部分总线支路中的至少两个总线支路中发送信号，其中，这两个信号被传递至不相同的总线支路。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，在所述时隙的第二时隙(20、28)中，在所述一部分总线支路中的仅一个总线支路中发送信号，该信号被传递至全部其它的总线支路。
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