CN1792052A - 时间触发的通信系统以及用于同步双信道网络的方法 - Google Patents

时间触发的通信系统以及用于同步双信道网络的方法 Download PDF

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Abstract

一种单信道结构的双信道网络中的时间触发的通信系统，其中在每种情况下都为一条信道指定一个通信控制器(2，6)，并且两个相应的通信控制器(2，6)经由信道间接口(1a，1b)来相互进行通信的。所述信道间通信包括关于时间路径的限制点(G1，G2，...，G12)的信息。例如，限制点(G1，G2，...，G12)是循环开始的时间点。限制点的互换能够确定两个信道的时间偏移，并且可以确定校正值。在每两个循环之后还可以确定本地时钟的速率误差以及确定适当的校正值。通过上文所述的时间触发的通信系统，增加与安全性相关的网络的可靠性。

Description

时间触发的通信系统以及用于同步双信道网络的方法
本发明涉及的是包括两条信道以及至少两个节点的网络或通信系统。特别地，本发明涉及的是时间触发的通信系统。
由单个通信控制器(CC)控制两条信道的常规结构是很容易出现差错的，由此，这个通信控制器中的单独差错或完全故障都会导致通信出现故障或是导致到这两条信道的总线通信无效。在没有附加减错措施的情况下，单个有故障的通信控制器因为有故障的传输而能够阻碍这两条信道的通信(所谓的混串音(babbling idiot))。
在与安全性相关的应用中，数据是采用双信道方法传送的，由此可以借助冗余度来确保发送了两次的数据到达接收方至少一次，并且在那里得到正确处理。如上所述，由于访问两条信道的单个通信控制器有可能遭遇完全故障，因此这种通信控制器是不能达到这种可靠性等级的。
在与安全性相关的双信道网络中，同一数据会在两条信道上传送，主机则对其一致性进行检查，由此，数据通信应该同步具有决定性的重要意义。就此而论，其中术语“同步”来表示在两条信道上数据传输完全同时发生或者其时间偏移处于某个时间窗口以内。由于通信控制器依靠的是用于每一条信道的数据总线的相同时钟生成器，因此可以在时间上达到一致。
通信控制器主要包括控制器主机接口、协议引擎以及时钟生成器。
典型的容错和时间触发网络包括与通信节点相连的两条信道。这些节点的每一个都包括总线驱动器、通信控制器、主机，最后如有必要还会包括总线监护设备。
总线驱动器将通信控制器提供的比特和字节传送到与之相连的信道，并且依照正确的顺序来为通信控制器提供其在信道上接收的信息。在容错网络中，通信控制器与两条信道相连并且将数据提供给主机，此外它还接收来自主机的数据，并且按照正确顺序将接收数据装配成帧，以及将所述帧提供给总线驱动器。
时间触发或时间控制表示的是将时间切割成周期性循环。这些循环的每一个都包括多个分段。每一个网络节点则根据自身内置的时钟生成器来确定新循环的开始。至少有一个分段被分成了固定数目的时隙。每一个时隙只分配给一个通信控制器并且只有这个通信控制器才有权执行传送。而循环中的其它分段则可用于动态配置或是其它目的。
在一种配置设置中，指定了时隙以及相关联的通信控制器。具有独立配置数据集合的可选总线监护器则只能在这些时隙期间在总线上执行传送。
主机包括数据源和数据宿，它通常不参与总线协议活动。
通信系统由单个节点启动，这种节点即为所谓的冷启动节点。可以通过配置来选择这个节点，或者如果有多个节点可以用作冷启动节点，那么也可以通过应用那些最终只保留一个节点的算法来选择节点。选定的冷启动节点的通信控制器必须侦听这两条信道，以及同时向这两条信道发送用于冷启动的所有数据。在通信控制器内部，只有用于执行冷启动的单独的控制逻辑电路才可用于这两条信道。
每一个节点都会侦听这两条信道。如果节点接收到表明开始通信的特定帧，那么它将会接管所观测的传输时间表并且将其集成到自身系统中。因此，这两条信道在启动网络的时候实际上是同步的。
在节点相互调谐的情况下，由于各个节点自身推导出循环起点，因而推导出所有分段和时隙的时间顺序，因此需要时钟的分布式同步。每一个节点都具有自己的本地时钟，以便可以确保通信系统不依赖于单一的主时钟，所述单一主时钟的故障将会毁坏整个网络。而自身的本地时钟与网络中其它参与节点的本地时钟之间的差别则被用于以容错方式来校正自身的本地时钟，所述其它参与节点都是同步节点。
本地时钟可以采用两种方式校正，即时间偏移校正和时钟速率校正。此外，时钟速率校正还会尝试在系统中均衡不同的时钟速率，也就是说，它会试图使时钟速率更为接近。时间偏移则通常是通过在一次循环结束时校正本地时钟而被减小的，如果另外有必要减小时钟速率差错，那么还会通过在两个循环时间周期结束时校正本地时钟来减小时间偏移，这是因为有必要使用两个测量值来计算时钟速率偏移。
在不受主设备控制的系统中，节点自身是通过分布式无差错算法来保持相互同步的。
例如，这里描述的用于启动通信系统的系统对应的是在1999年7月21日由网址为http：//www.ttech.com的TT Tech ComputertechnikAG发布的“TTP/C Specification”第0.5版中的第0.1版；以及200年4月由网址为www.flexray.com的FlexRay Consortium发布的“FlexRay Requirements Specification”第2.0.2版。
本发明的一个目的是提供一种在起始段落中所述类型的时间触发的双信道网络，所述网络在容错方面得到了进一步的发展。本发明的另一个目的是提供一种用于同步上述类型的时间触发的双信道网络的方法。
这个目的是依照本发明并通过一个时间触发的通信系统实现的，所述系统包括至少两条信道(A，B)，以及至少第一节点和第二节点，其中
第一通信控制器被指定给第一信道，第二通信控制器被指定给第二信道，
第一和第二通信控制器均具有一个本地时钟，所述两个本地时钟是物理上独立的，
在第一通信控制器与第二通信控制器之间布置了用于信道间通信的接口。
术语“物理上独立”意味着虽然这两个本地时钟可以由同一个振荡器提供脉冲，但由于信道间通信的异步启动或延迟，因此它们仍旧是相互背离的。
这里描述的单信道结构意味着在通信系统的一个或多个节点上，两个信道中的每一个信道是由为其指定的通信控制器来驱动的。如果两个通信控制器并行操作，也就是说，在每种情况下，为两条信道的其中之一指定了一个通信控制器，在所述信道上传送由接收方进行比较的冗余信息，那么有必要以时间一致的方式来传送数据。然而，由于分布式的无故障同步算法不具有其它信道的信息，因此所述算法只能保持一个信道的通信控制器同步，由此不能确保这两个通信控制器的时钟生成器同步。这样一来，在两个通信控制器之间进行的信道间通信将会存在干扰。在这种情况下，信道间通信指的是在第一与第二通信控制器之间交换关于这两个信道的信息。而第一和第二通信控制器则共同构成了一个节点。
本发明描述的是如何可以将两个在时间一致性信道中基本上平衡的信道“更为齐心协力”，以便减小时间偏移，也就是使信道同步。使用上文所述的措施还是无法实现两个信道的精确同步，因为经由用于信道间通信的接口所进行的数据交换会引起延迟，虽然所述延迟很小。就此而论，术语“同步”是指在时间上一致。
信道间通信包括对与第一和第二通信控制器的相应时间路径的指定限制点有关的信息交换。优选地，所述指定限制点是相关信道上的一个循环开始的时间点。
依照一个优选实施例，第一和第二通信控制器包括用于接收并处理与所述限制点有关的信息的装置。举例来说，所述装置包括：控制器、存储器(RAM)以及电源。
依照本发明的一个实施例，这两个通信控制器布置在公用芯片上，并且接口也集成在所述芯片上。这样则提供了需要安装和电接触仅仅一个外壳的优点。
依照又另一个实施例，这两个通信控制器各自布置在它们自己的芯片上，并且接口布置在外部。结果，可以省略“公用芯片”这个故障区域。举例来说，如果出现过电压故障，那么这两个芯片中的一个芯片有可能未被损坏。由此，网络会在一个信道上运行。
本发明的目的还可以通过一种用于对包括两条信道以及至少一个节点的双信道网络进行同步的方法来解决，其中包括以下步骤：
在第二信道上的循环开始时，将第一限制点经由信道间接口传送到第一通信控制器，
接收第一限制点，
在第一信道的循环开始时，将第二限制点传送到第二通信控制器，
确定第一限制点与第二限制点之间的第一时间差，以及
根据第一时间差来为第一和第二信道的两个本地时钟产生第一和第二校正值。
这里描述的方法对本地时钟之间的时间偏移进行了校正。
由于有两个通信控制器可用，因此可以增强故障防护。由于这两个通信控制器是经由公共接口进行通信的，因此可以进行与当前时间路径或本地时钟时间有关的信息交换。
举例来说，时间差是通过从第二限制值中减去第一限制值来确定的。优选地，这两个本地时钟之间的时间偏移的校正值是由函数f(x)形成的，其中x＝(Delta i)/2。借助这个函数f，可以实现时间差按比例地记入到校正值中，这样一来，在极端情况中的各个偏差(既有可能由差错造成的，或者也有可能不是由差错造成的)也只会对信道中的通信控制器同步产生微小的影响。
同步方法利用第三限制值(G3)以及第四限制值(G4)在以下一个循环(cycle i+1)开始的循环方向上继续进行。
这个目的是依照本发明并通过权利要求9中要求保护的方法实现的，其中除了本地时钟之间的时间偏差之外，所述方法还考虑各个时钟速率的任何误差。由于需要用到理论上间隔一个循环的两次测量来测量速率，因此，只有在结束两个循环之后才会执行时钟速率误差补偿。
在本发明的一个实施例中，用于这两个本地时钟之间的时间偏移的校正值是由函数f(x)形成的，其中x＝(Delta i)/2，和/或用于时钟速率差错的校正值是由函数g(y)形成的，其中y＝((Delta i+1)-(Delta i))/(2*循环长度)。
在这里示出两个关于函数f(x)的非限定性实例，并且这两个实例也可以转换到g(y)：
a)对于abs(x)＜c，f(x)＝x，对于abs(x)＞＝c，f(x)＝x-sgn(x)，其中c＝常数
b)f(x)＝sgn(x)*min(abs(x)，c)，其中c＝常数。
函数f(x)旨在限制信道间同步、即两条信道之间的同步的影响，由此信道内同步、即在单信道上的同步将会保持完好，这意味着分布式算法只会受干扰，但不会被破坏。借助函数f和g，可以实现使时间差按比例记如到校正值中，这样一来，在极端情况中的各个偏差(既有可能由差错造成的，或者也有可能不是由差错造成)也会只对信道中的通信控制器同步产生微小的影响。
接下来将对形成校正值的实例进行描述，所述描述并未限制本发明的范围：
1)根据所谓的无差拍控制，将时间差与例如大小为2的的常数因子相除。
2)与所谓的阈值应用相对应，将时间差与一个常数因子相除，此外，将校正值的最大绝对值限制与例如1或2的另一个常数相除。
3)将时间差与常数因子相除，随后减去一个取决于差值绝对量的量。与所谓的阻尼(dampening)应用相对应，例如，如果差值与常数因子2的相除结果超过4，那么将会从中减去数值4并且应用所述减法的结果。
4)将各个实例或多个所述实例组合在一起，以产生校正值。
如果信道间差大于信道内的精确度，那么所述信道间的差是通过应用以如上所述的方式产生的校正值而被减小的。
通过应用所述机制，系统中任何单信道通信控制器之间的最大差异全都受限于一个指定值，所述指定值依赖于产生校正值的函数。
这里描述的机制还可用于同步通信控制器与相关的总线监护。在这种情况下必须以相对较高的频率来提供总线监护。
在一种变体中，经由接口传送限制值的转接时间延迟是已知或估计得到的，并且是通过校正值适配来补偿的。
节点是由两个等价的相应通信控制器形成的，由此它处于倒转了顺序的本发明的范围以内，并且所述方法是从第一信道开始的。
优选地，在车辆控制中将依照本发明并具有信道间通信的双信道网络用作通信系统，在所述车辆控制中，所述网络将被用于控制与安全性有关的处理。
参考下文中描述的一个(或多个)实施例中可以清楚了解本发明的这些和其它方面，并且参考下文中描述的一个(或多个)实施例来阐述本发明的这些和其它方面。
在附图中：
图1示出具有外部接口的单信道结构的实例；
图2示出具有集成在芯片上的接口的单信道结构的实例；
图3是信道间同步的第一变体的时间图；以及
图4示出信道间同步的第二变体的时间图。
图1示出具有外部接口1a的单信道结构实例。第一通信控制器2包括至少一个协议引擎3以及介于通信控制器2与主机5之间的接口4。第一通信控制器2在双信道网络的信道A上执行发送和接收，其中在这里并未更详细地示出所述信道A。
第二通信控制器6包括至少一个协议引擎7以及介于通信控制器6与主机5之间的接口8。第二通信控制器6在双信道网络的信道B上执行发送和接收，其中在这里并未更详细地示出所述信道B。
第一和第二通信控制器2、6分别布置在独立的第一和第二芯片9、10上。本地的信道间通信则是经由外部接口1a进行的。与双信道结构中的常规通信控制器相比，图1所示实例呈现出该常规通信控制器的整整两倍。所述实例具有如下优点：如果一个芯片出现故障，那么另一个芯片未损伤的可能性很大，由此这两个通信控制器中至少还有一个是正确工作的。
图2示出在芯片上集成了接口1b的单信道结构实例。第一通信控制器2包括至少一个协议引擎3以及介于通信控制器2与主机5之间的接口4。所述第一通信控制器2在双信道网络中的信道A上执行发送和接收，其中在这里并未更详细地显示所述信道A。
第二通信控制器6包括至少一个协议引擎7以及介于通信控制器6与主机5之间的接口8。所述第二通信控制器6在双信道网络中的信道B上执行发送和接收，其中在这里并未更详细地显示所述信道B。
第一与第二通信控制器2、6全都布置在一个公用芯片11上。本地的信道间通信是经由集成在这个芯片11上的接口1b进行的。与双信道结构中的常规通信控制器相比，图2所示实例减少了重复。所述实例具有只需安装一个外壳的优点。
图3示出信道间同步的第一变体的时间图。上面的时间路径涉及的是用于第一信道A的通信控制器2，下面的时间路径涉及的是用于第二信道B的通信控制器6。在这个实例中，第二信道B启动通信处理，也就是说，第二信道上的循环比第一信道上的循环启动得更早。循环由限制点G1和G3或G2和G4来界定，其中后面的限制点同时表示下一个循环(cycle+1)的开始。时间偏移Delta i是由限制点G2与G1之间的差值形成的。随后，函数f(x)会为每一条信道产生校正值，其中x＝(Delta i)/2。在结束一个循环之后以及在应用了校正值之后，指定的限制点G3和G4相互之间将会更为接近。这种情况是由虚线示出的，所述虚线表示的是理论限制点G3’和G4’。实际限制点G3和G4论证的是相互之间增加的一致性；在这种情况下，(Deltai+1)＜(Delta i)。
优选地，所述变体被用于高精度石英所驱动的时钟，所述石英具有10～50ppm的误差。
图4示出信道间同步的第二变体的时间图。在这个变体中，只有在两个循环之后才会应用校正值，因为为了确定时钟速率误差，还必须确定循环的长度。在这种情况下，时间偏移Delta i同样是由限制点G2与G1之间的差值形成的。随后，函数f(x)会为每一条信道产生校正值，其中x＝(Delta i)/2。在第二个循环(cycle+1)开始时，下一个限制点G7和G8将会互换。用于时钟速率误差的校正值则是由函数g(y)形成的，其中y＝((Delta i+1)-(Delta i))/(2*循环长度)。
优选地，这个实施例可以在具有低数据速率、长循环或是劣质石英的通信系统中使用。
总起来说，本发明涉及的是单信道结构的双信道网络中的时间触发的通信系统，其中在每种情况下都为一条信道指定一个通信控制器(2，6)，并且两个相应的通信控制器(2，6)经由信道间接口(1a，1b)相互进行通信。所述信道间通信包括与时间路径限制点(G1，G2，...，G12)有关的信息。举例来说，限制点(G1，G2，...，G12)是循环开始的时间点。限制点的互换能够确定两个信道的时间偏移，以及并且确定校正值。在每两个循环之后还可以确定本地时钟的速率误差以及确定适当的校正值。通过上文所述的时间触发的通信系统可以增加与安全性相关的网络的可靠性。

Claims (18)

1.一种时间触发的通信系统，所述系统包括至少两条信道(A，B)以及至少第一节点和第二节点，其特征在于：
第一通信控制器(2)被指定给第一信道(A)，并且第二通信控制器(6)被指定给第二信道(B)，
第一和第二通信控制器(2，6)均具有一个本地时钟，所述两个本地时钟是物理上独立的，
在第一通信控制器(2)与第二通信控制器(6)之间布置了用于信道间通信的接口(1a，1b)。
2.如权利要求1所述的时间触发的通信系统，其特征在于：信道间通信包括与第一(2)和第二(6)通信控制器的相应时间路径(CC-信道A，CC-信道B)的指定限制点(G1，G2，…，G12)有关的信息交换。
3.如权利要求2所述的时间触发的通信系统，其特征在于：第一和第二通信控制器(2，6)包括用于对与所述指定限制点(G1，G2，…，G12)有关的信息进行接收和处理的装置。
4.如权利要求1～3中任何一个权利要求所述的时间触发的通信系统，其特征在于：这两个通信控制器(2，6)都布置在一个公用芯片(11)上，并且接口(1b)也集成在所述芯片(11)上。
5.如权利要求1～3中任何一个权利要求所述的时间触发的通信系统，其特征在于：这两个通信控制器(2，6)各自布置在它们自己的芯片(9，10)上，并且接口(1a)被布置在外部。
6.一种用于对包括两条信道(A，B)以及至少一个节点的双信道网络进行同步的方法，其特征在于包括以下步骤：
在第二信道(B)上的循环(cycle i)开始时，将第一限制点(G1)经由信道间接口(1a，1b)传送到第一通信控制器(2)，
接收第一限制点(G1)，
在第一信道(A)上的循环(cycle i)开始时，将第二限制点(G2)传送到第二通信控制器(6)，
确定第一限制点(G1)与第二限制点(G2)之间的第一时间差(Delta i)，以及
根据第一时间差(Delta i)来为第一和第二信道(A，B)的两个本地时钟中的每一个产生第一和第二校正值。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：用于两个本地时钟之间的时间偏移的校正值是由函数f(x)形成的，其中x＝(Delta i)/2。
8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于：同步方法利用第三限制值(G3)以及第四限制值(G4)在以下一个循环(Cycle i+1)开始的循环方向上继续进行。
9.一种用于对包括两条信道(A，B)以及至少一个节点的双信道网络进行同步的方法，其特征在于包括以下步骤：
在第二信道(B)上的循环(cycle i)开始时，将第一限制点(G5)经由信道间接口(1a，1b)传送到第一通信控制器(2)，
接收第一限制点(G5)，
在第一信道(A)上的循环(cycle i)开始时，将第二限制点(G6)传送到第二通信控制器(6)，
确定第一限制点(G5)与第二限制点(G6)之间的第一时间差(Delta i)，
在第二信道(B)上的下一个循环(cycle i+1)开始时，将第三限制点(G7)经由信道间接口(1a，1b)传送到第一通信控制器(2)，
接收第三限制点(G7)，
在第一信道(A)上的下一个循环(cycle i+1)开始时，将第四限制点(G8)传送到第二通信控制器(6)，
确定第三限制点(G7)与第四限制点(G8)之间的第二时间差(Delta i+1)，以及
根据第一时间差(Delta i)和/或根据第二时间差(Delta i+1)来为第一和第二信道(A，B)的两个本地时钟中的每一个产生第一到第四校正值。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：用于所述两个本地时钟之间的时间偏移的校正值是由函数f(x)形成的，其中x＝(Deltai)/2，和/或用于时钟速率差错的校正值是由函数g(y)形成的，其中y＝((Delta i+1)-(Delta i))/(2*循环长度)。
11.如权利要求6～10中任何一个权利要求所述的方法，其特征在于：用于传送限制值的转接时间延迟是已知的或被估计得到的，并且是通过校正值适配来补偿的。
12.一种将具有信道间通信的双信道网络作为车辆控制设备中通信系统的应用。
13.一种用于时间触发的通信系统的设备，所述系统包括两条信道(A，B)，每条信道都具有一个节点，其中设备可以访问这两个节点，其特征在于：
所述设备包括
具有指定给第一信道(A)的本地时钟的第一通信控制器(2)，
具有指定给第二信道(B)的本地时钟的第二通信控制器(6)，以及
用于信道间通信的接口(1a，1b)，所述接口布置在第一通信控制器(2)与第二通信控制器(6)之间，以及
这两个本地时钟是物理上独立的。
14.如权利要求13所述的设备，其特征在于：这两个通信控制器(2，6)都布置在公用芯片(11)上，并且接口(1b)也集成在所述芯片(11)上。
15.如权利要求13所述的设备，其特征在于：这两个通信控制器(2，6)各自布置在它们自己的芯片(9，10)上，并且接口(1a)布置在两个芯片(9，10)的外部。
16.一种用于同步双信道网络的设备，所述网络包括两条信道(A，B)以及至少一个节点，其特征在于所述设备包括：
用于传送限制点(G1，G2，…，G8)的装置，
用于接收限制点(G1，G2，…，G8)的装置，
用于确定两个限制点(G1，G2，…，G8)之间的时间差(Delta i)的装置，以及
用于根据确定的时间差(Delta i)来为这两条信道(A，B)的两个本地时钟中的每一个产生至少一个校正值的装置。
17.一种车辆控制器，包括权利要求13～16中任何一个权利要求所述的设备。
18.一种程序，所述程序由处理器运行并且包括指令，所述指令用于实施一种如权利要求7～9中任何一个权利要求所述的在时间触发的通信系统中执行同步冷启动的方法。
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