DE10000303A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Austausch von Daten zwischen wenigstens zwei mit einem Bussystem verbundenen Teilnehmern - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Austausch von Daten zwischen wenigstens zwei mit einem Bussystem verbundenen TeilnehmernInfo
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- G05B2219/25031—TTCAN bus, time triggered can bus
Abstract
Verfahren und Vorrichtung zum Austausch von Daten in Nachrichten zwischen wenigstens zwei Teilnehmern, welche mittels eines Bussystems verbunden sind und eigene Zeitbasen aufweisen, wobei die die Daten enthaltenden Nachrichten durch die Teilnehmer über das Bussystem übertragen werden und ein erster Teilnehmer in einer Fuktion als Zeitgeber die Nachrichten zeitlich derart steuert, dass er wiederholt eine Referenznachricht, die eine Zeitinformation bezüglich der Zeitbasis des ersten Teilnehmers enthält, in einem vorgebbaren zeitlichen Abstand über den Bus überträgt, wobei der wenigstens zweite mittels seiner Zeitbasis eine eigene Zeitinformation abhängig von der Zeitinformation des ersten Teilnehmers bildet, wobei aus den beiden Zeitinformationen ein Korrekturwert ermittelt wird und der zweite Teilnehmer seine Zeitinformation und/oder seine Zeitbasis abhängig von dem Korrekturwert anpasst.
Description
Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtung zum
Austausch von Daten zwischen wenigstens zwei mit einem
Bussystem verbundenen Teilnehmern gemäß den Merkmalen der
unabhängigen Ansprüche.
Als Stand der Technik in der automobilen Vernetzung wird
seit einigen Jahren das CAN-Protokoll eingesetzt. Die
Kommunikation ist dort ereignisgesteuert geregelt. Sehr
große Lasten können erzeugt werden, wenn das Senden
verschiedener Nachrichten zur gleichen Zeit initiiert werden
soll. Der nicht-destruktive Arbitrierungsmechanismus von CAN
garantiert, daß sequentielle Senden aller Nachrichten gemäß
der Priorität ihrer Identifier bzw. Kennungen. Für harte
Echtzeitsysteme muß vorab eine Analyse der Laufzeiten und
Buslasten für das gesamte System gemacht werden, um sicher
zu gehen, daß alle Nachrichten-Deadlines eingehalten werden
können (selbst unter Spitzenbelastung).
Es gibt bereits Kommunikationsprotokolle, die auf einer
zeitgesteuerten Abarbeitung basieren, wie z. B. TTP/C oder
Interbus-S. Die Besonderheit hierbei ist, daß der Buszugriff
bereits vorab durch Vergabe von Sendezeitpunkten geplant
wird. Während der Laufzeit kann es somit zu keinen
Kollisionen kommen. Ebenso wird aber eine Spitzenlast am
Kommunikationsbus vermieden. Dabei ist der Bus also häufig
nicht vollständig ausgelastet.
Bei solchen zeitgesteuerten Systemen Systemen mit verteilten
Uhren sind Synchronisationsmechanismen erforderlich und
bekannt, wie z. B. Synchronisation auf Pegelwechsel einzelner
Bits usw.
Dadurch werden häufig zum Ausgleich von Toleranzen Abstände
zwischen einzelnen Nachrichten notwendig, wodurch die
Effizienz der Busauslastung herabgesetzt wird.
Es zeigt sich, daß der Stand der Technik nicht in jeder
Hinsicht optimale Ergebnisse zu liefern vermag.
Die Erfindung beinhaltet somit ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Austausch von Daten in. Nachrichten zwischen
wenigstens zwei Teilnehmern, welche mittels eines Bussystems
verbunden sind und eigene Zeitbasen aufweisen, wobei die,
die Daten enthaltenden Nachrichten durch die Teilnehmer über
das Bussystem übertragen werden und ein erster Teilnehmer in
einer Funktion als Zeitgeber die Nachrichten zeitlich derart
steuert, dass er wiederholt eine Referenznachricht, die eine
Zeitinformation bezüglich der Zeitbasis des ersten
Teilnehmers enthält, in einem vorgebbaren zeitlichen Abstand
über den Bus überträgt, wobei der wenigstens zweite
Teilnehmer mittels seiner Zeitbasis eine eigene
Zeitinformation abhängig von der Zeitinformation des ersten
Teilnehmers bildet, wobei aus den beiden Zeitinformationen
ein Korrekturwert ermittelt wird und der zweite Teilnehmer
seine Zeitinformation und/oder seine Zeitbasis abhängig von
dem Korrekturwert anpasst.
Dabei wird als zugrundeliegendes Bussystem bzw. Busprotokoll
insbesondere zweckmässigerweise der CAN-Bus eingesetzt. Die
Erfindung bezieht sich aber allgemein auf jedes Bussystem
bzw. Busprotokoll bei welchem eine objektorientierte
Nachrichten- bzw. Datenübertragung eingesetzt wird, also die
Nachricht und/oder die darin enthaltenen Daten durch eine
Kennung (Identifier) eindeutig erkennbar sind. Dies gilt für
alle Busse bei denen also nicht die Teilnehmer sondern die
Nachrichten bzw. deren Daten adressiert werden, insbesondere
den CAN-Bus.
Dabei werden die Nachrichten vorteilhafterweise durch einen
ersten Teilnehmer zeitlich derart gesteuert, dass der erste
Teilnehmer wiederholt eine Referenznachricht in wenigstens
einem vorgebbaren zeitlichen Abstand über den Bus überträgt
und der zeitliche Abstand in Zeitfenster vorgebbarer Länge
unterteilt wird, wobei die Nachrichten in den Zeitfenstern
übertragen werden.
Die Erfindung umfaßt vorteilhafterweise somit gegenüber dem
Stand der Technik eine höhere Protokollschicht zu dem
eigentlichen Bus(CAN)-Protokoll, das im Rahmen der
erfindungsgemäßen zeitgesteuerten Kommunikation unverändert
erhalten bleibt. Die zeitgesteuerte Kommunikation erlaubt es
somit vorteilhafterweise, den Bus voll auszulasten und
gleichzeitig die Latenzzeiten für jede Nachricht auf einem
definierten Wert zu halten.
Die Erfindung umfaßt also eine zyklisch ablaufende
Übertragung von Bus(CAN)-Nachrichten. Dadurch wird ein
deterministisches und zusammensetzbares Kommunikationssystem
erzeugt. Ein solches System wird bei dieser Erfindung im
Weiteren als TTCAN bezeichnet. Ebenso wird im Weiteren von
einem CAN-Bus ausgegangen, wobei wie oben genannt die
Überlegungen allgemein für alle Bussysteme bzw. Busproto
kolle mit objektorientierter Nachrichtenübertragung gelten.
Zweckmäßigerweise werden die Referenznachricht und die
nachfolgenden Zeitfenster bis zur nächsten Referenznachricht
zu einem ersten Zyklus vorgebbarer Länge und/oder
vorgebbarer Struktur zusammengefasst, wobei die Struktur der
Länge, Anzahl und zeitlichen Position der auf die
Referenznachricht folgenden Zeitfenster in dem zeitlichen
Abstand entspricht.
Weiterhin werden vorteilhafterweise mehrere erste Zyklen
gleicher Struktur zu einem zweiten Zyklus zusammengefasst,
wobei in dem zweiten Zyklus auch Nachrichten in Zeitfenstern
wiederholt übertragen werden, deren zeitlicher Abstand
größer ist als die zeitliche Länge des ersten Zyklus.
Zweckmässigerweise unterbleibt in wenigstens einem
Zeitfenster des ersten oder des zweiten Zyklus eine
zyklische Nachrichtenübertragung. In diesen zunächst leeren
Zeitfenstern können dann arbitrierende Nachrichten
übertragen werden, also solche, die nicht zyklisch
übertragen werden müssen sondern wenn z. B. bestimmte Abläufe
beendet sind zur Verfügung stehen.
Vorteilhafterweise wird jeder erste Zyklus mit einer
Referenznachricht gestartet und der wenigstens zweite
Teilnehmer ermittelt einen Abstand seiner Zeitbasis zur
Zeitbasis des ersten Teilnehmers. Damit kann
zweckmässigerweise aus der Differenz zweier Abstände der
Zeitbasen der wenigstens zwei Teilnehmer der Korrekturwert
ermittelt werden.
Dadurch kann vorteihafterweise ein Abgleichen der
Ganggenauigkeit der in einem TTCAN-System verteilten lokalen
Uhren erfolgen, um Sende- und Empfangszeitpunkte genauer als
im Stand der Technik zu synchronisieren.
Weiterhin von Vorteil ist, dass die Uhren in den einzelnen
Stationen dadurch eine größere Toleranz der Ganggenauigkeit
(billigere Bauelemente, insbesondere Oszillatoren) zwischen
den Synchronisationsintervallen aufweisen können.
Zweckmässigerweise können die ersten Zyklen oder Basiszyklen
(Abstand zwischen zwei Referenzbotschaften) größer werden
womit die Effizienz der Busauslastung steigt.
Weiterhin von Vorteil ist, dass die Länge eines Basiszyklus
ist nicht mehr durch die Toleranz der einzelnen Uhren
limitiert ist und dass die bei anderen Verfahren zum
Ausgleich von Toleranzen nötigen Abstände zwischen den
einzelnen Botschaften (sog. "Inter-frame-gaps") entfallen
können.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben
sich aus der Beschreibung und den Merkmalen der Ansprüche.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung
enthaltenen Figuren dargestellt.
Dabei zeigt Fig. 1 schematisch ein Bussystem mit mehreren
Teilnehmern.
In Fig. 2 ist der prinzipielle Ablauf der ersten Zyklen
oder Basiszyklen und der zweiten Zyklen, der Gesamtzyklen
über der Zeit dargestellt.
Fig. 3 veranschaulicht im Detail die Anlage und
Nachrichtenbelegung der Zeitfenster.
In Fig. 4 wird dann ein Gesamtzyklus mit 7 Basiszyklen und
diversen Sendegruppen der Nachrichten sowie arbitrierender
Nachrichten dargestellt.
Fig. 5 zeigt in Anlehnung an Fig. 1 die Korrektur
(Driftkorrektur) der lokalen Zeitbasen bzw.
Zeitinformationen.
In Fig. 6 ist in Form eines Blockschaltbildes ein Beispiel
für die Driftkorrektur selbst detailliert dargestellt.
Dieses Blockschaltbild kann in Hardware und/oder Software
realisiert werden.
TTCAN basiert im wesentlichen auf einer zeitgesteuerten,
periodischen Kommunikation, die durch einen Zeitgeber
(Knoten, Teilnehmer) mit Hilfe einer Zeitreferenznachricht,
oder kürzer Referenznachricht RN getaktet wird. Die Periode
bis zur nächsten Referenznachricht RN wird als Basiszyklus
bezeichnet und unterteilt sich in n Zeitfenster (siehe Fig.
2). Jedes Zeitfenster erlaubt das exklusive Senden einer
periodischen Nachricht mit unterschiedlicher Länge. Diese
periodischen Nachrichten werden in einem TTCAN-Controller
durch Verwendung von Zeitmarken, die mit dem Ablauf einer
logischen relativen Zeit gekoppelt sind, gesendet. TTCAN
erlaubt aber auch die Berücksichtigung von freien
Zeitfenstern. Diese Zeitfenster können für sogenannte
spontane Nachrichten genutzt werden, wobei der Zugriff
innerhalb dieser Zeitfenster auf den Bus über das
Arbitrierungsschema von CAN genutzt wird (arbitrierende
Nachrichten). Die Synchronisation der Zeitgeber-Uhr (Globale
Zeit gZ) mit der internen lokalen Zeit der einzelnen Knoten
lZ1 bis lZ4 wird berücksichtigt und effizient umgesetzt.
Fig. 1 zeigt ein Bussystem 100 mit mehreren Busteilnehmern
101 bis 105. Jeder Teilnehmer 101 bis 105 besitzt dabei eine
eigene Zeitbasis 106 bis 110, die einerseits durch ein
interners Mittel, wie eine Uhr, Zähler, Taktgenerator,
etc. oder extern zu dem jeweiligen Teilnehmer übertragen
werden kann. Die jeweilige lokale Zeitbasis lZ1 bis lZ4 ist
insbesondere ein Zähler, z. B. 16-bit aufwärtszählend, der
lediglich durch einen HW-Reset beeinflußt werden darf. Die
lokale Zeitbasis ist hier in jedem Knoten bzw. Teilnehmer
102 bis 105 implementiert. Ein Teilnehmer, der Zeitgeber,
101 besitzt dabei ein exponierte Stellung. Seine Zeitbasis
wird als globale Zeitbasis 106 mit der globalen Zeit gZ
bezeichnet und ist entweder in dem Zeitgeber 101
implementiert oder wird extern an diesen übertragen. Die
globale Zeit gZ wird prinzipiell in jedem Knoten aus der
lokalen Zeitbasis 107 bis 110 bzw. der lokalen Zeit lZ (lZ1
bis lZ4) und einem Offset OS1 bis OS4 gebildet. Dieser
Offset Osg beim Zeitgeber 101-ist in der Regel gleich Null
(Osg = 0). Alle anderen Knoten bilden ihre Sicht auf die
globale Zeit gZ aus der lokalen Zeit lZ (lZ1 bis lZ4) und
dem lokalen Offset OS1 bis OS4 und OSg wenn OSg ≠ 0. Der
Fall, dass OSg nicht Null ist, tritt z. B. auf wenn die
globale Zeit gZ von aussen an den Zeitgeber 101 übertragen
wird, und dieser zusätzlich eilte eigene Zeitbasis 106
enthält. Dann wird auch der Zeitgeber auf die globale Zeit
gZ geeicht und gZ und die Zeitbasis 106 stimmen eventuell
nicht überein. Der lokale Offset ist die Differenz zwischen
der lokalen Zeit zum Sendezeitpunkt (SOF, Start Of Frame)
der Referenznachricht und der vom Zeitgeber in dieser
Referenznachricht übertragenen Globalen Zeit.
Die lokale Zeitbasis ist ein Zähler, z. B.
16-bit aufwärtszählend, der lediglich durch einen HW-Reset
beeinflußt werden darf. Die lokale Zeitbasis ist in jedem
Knoten implementiert.
Bei jedem angenommenen SOF
wird das Zwischenregister mit der lokalen Zeitbasis geladen.
Wird die aktuelle Nachricht als
Referenznachricht erkannt, dann wird der Wert aus dem
Zwischenregister in den Referenzmarker übernommen (als
lokale Referenzmarke). Der Referenzmarker wird z. B. als 16-
Bit Register ausgelegt.
Das ist die von den Zeitnehmern
empfangene Referenzmarke des Zeitgebers in der
Referenznachricht.
Der lokale Offset zur
Globalen Zeit ist die Differenz zwischen der Referenzmarke
im Zwischenregister und der in der Referenznachricht
empfangenen Globalen Zeitmarke. Er wird zur Berechnung der
Globalen Zeit aus der lokalen Zeit verwendet.
Der Offset des Zeitgebers selbst bleibt konstant. In der
Referenznachricht sendet der Zeitgeber seine lokale
Referenzmarke plus lokalem Offset.
Der Zeitgeber 101 ist also auch derjenige Knoten bzw.
Teilnehmer, der die Zeitreferenznachricht 111 bzw. kürzer
die Referenznachricht RN aussendet. Der Pfeil 112 zeigt an,
dass die Referenznachricht RN 111 an die übrigen Teilnehmer
102 bis 105, insbesondere zeitgleich, versendet wird.
Die Referenznachricht RN ist die Basis für den
zeitgesteuerten, periodischen Betrieb von TTCAN. Sie ist
durch einen speziellen Identifier, eine spezielle Kennung,
eindeutig gekennzeichnet und wird von allen Knoten, hier 102
bis 105, als Taktgeber empfangen. Sie wird von dem Zeitgeber
101 prinzipiell zyklisch ausgesendet. Die Referenznachricht
kann folgende Daten beinhalten: Die Nummer des aktuellen
Basiszyklus BZn, die Referenzmarke des Zeitgebers in
Globaler Zeit.
Die Referenzmarke entsteht durch die Übernahme des internen
Zählerstandes zum Zeitpunkt des "Start of Frame"-Bits (SOF)
beim Empfang der Referenznachricht des Zeitgebers. Die
Referenzmarke ist somit eine Momentaufnahme der lokalen
Zeitbasis zum Empfangszeitpunkt der Referenznachricht.
Die in den Teilnehmern aufgeführte Relative Zeit RZ1 bis RZ4
und RZg ist die Differenz zwischen der lokalen Zeitbasis und
der letzten Referenzmarke. Alle Definitionen bezüglich der
verwendeten Zeitmarken beziehen sich auf die Relative Zeit
eines einzelnen Teilnehmers. Sie kann z. B. permanent als
Signal vorliegen (z. B. durch Verknüpfung der beiden
Registerwerte über Gatter). Die Referenzmarke bestimmt die
Relative Zeit aller Knoten am TTCAN-Bus.
Der ebenfalls dargestellte Wartchdog Wg und W1 bis W4 ist
ein spezieller relativer Zeitpunkt. In jedem Knoten wird ein
solcher relativer Zeitpunkt (Watchdog) definiert, zu dem
spätestens eine neue Referenznachricht und somit auch
Referenzmarke erwartet wird. Der Watchdog stellt somit eine
spezielle Zeitmarke dar. Der Watchdog dient vor allem in der
Initialisierung und Reinitialisierung zur Überwachung, ob
überhaupt eine Kommunikation zustande gekommen ist. Der
Watchdog sollte in diesem Fall immer größer sein als der
Abstand zwischen den Referenznachrichten.
Dabei ist Eine Zeitmarke ein relativer Zeitpunkt, der die
Beziehung zwischen der Relativen Zeit und einer Aktion im
ursprünglichen Bus(CAN)-Controller herstellt. Eine Zeitmarke
ist als Register dargestellt, wobei ein Controller mehrere
Zeitmarken verwalten kann. Einei Nachricht können mehrere
Zeitmarken zugeordnet sein (siehe z. B. in Fig. 4:
Sendegruppe A kommt sowohl in Zeitfenster ZF1a, als auch in
Zeitfenster ZF4a vor).
Bezüglich der Applikation wird insbesondere ein
Applikationswatchdog bedient. Dieser Watchdog muß von der
Applikation regelmäßig bedient werden, um dem TTCAN-
Controller den ordnungsgemäßen Betrieb zu signalisieren. Nur
wenn dieser Watchdog bedient wird, werden die Nachrichten
vom CAN-Controller gesendet.
Fig. 2 zeigt das Prinzip der zeitgesteuerten, periodischen
Nachrichten- bzw. Datenübertragung über der Zeit. Diese
Nachrichtenübertragung wird durch den Zeitgeber mit Hilfe
der Referenznachricht getaktet. Der Zeitraum t0 bis t6 wird
dabei als Basiszyklus BZ bezeichnet und in k Zeitfenster (k
∈ N) unterteilt. Dabei werden von t0 bis t1, t6 bis t7, t12
bis t13 und t18 bis t19 also im Zeitfenster ZFRN die
Referenznachrichten RN der jeweiligen Basiszyklen BZ0 bis
BZ3 übertragen. Die Struktur der einer Referenznachricht RN
nachfolgenden Zeitfenster ZF1 bis ZF5, also deren Länge (in
Segmenten S mit Δts = tsb - tsa), deren Anzahl und deren
zeitlichen Position, ist vorgebbar. Dadurch lässt sich aus
mehreren Basiszyklen gleicher Struktur ein Gesamtzyklus GZ1
bilden, der bei t0 beginnt und bei t24 endet um erneut
durchlaufen zu werden. Die Zeitfenster umfassen z. B. 2 bis 5
Segmente mit beispeilsweise je 32 Bitzeiten. Die Anzahl der
Zeitfenster ist beispielsweise 2 bis 16, wobei auch nur ein
Zeitfenster oder mehr als 16 möglich wären. Die Anzahl der
Basiszyklen in einem Gesamtzyklus ist beispielsweise 2m mit
insbesondere m ≦ 4.
Mit tzff1 und tzff2 sind beispielhaft zwei
Sendefreigabeintervalle bzw. Zeitfensterfreigabeintervalle
gekennzeichnet, welche z. B. 16 oder 32 Bitzeiten dauern und
den Zeitrahmen beschreiben innerhalb dessen mit dem Senden
der Nachricht bezüglich des Basiszyklus begonnen werden
darf.
Jedes Zeitfenster erlaubt das exklusive Senden einer
periodischen Nachricht mit unterschiedlicher Länge. In Fig.
3 sind beispielhaft zwei Nachrichten unterschiedlicher Länge
und die Zuordnung im Zeitfenster dargestellt. Nachricht 1
(N1) als Block 300 beinhaltet z. B. 130 Bit und Nachricht 2
(N2) als Block 301 beispielsweise 47 Bit.
Wie schon erwähnt können maximale und minimale Zeitfenster,
abhängig von der Nachrichtenlänge vorgegeben werden, hier in
diesem Beispiel z. B. zwischen 2 und 5 Segmenten pro
Zeitfenster. Somit wird ein maximales Zeitfenster ZFmax als
Block 302, das 5 Segmente (S1 bis S5) mit je 32 Bitzeiten
umfasst und ein minimales Zeitfenster ZFmin als Block 303,
welches 2 Segmente (S1 und S2) mit je 32 Bitzeiten umfasst
vorgegeben. In diesen werden die Nachrichten N1 und N2
übertragen, wobei die Nachrichten also die Zeitfenster nicht
vollständig ausfüllen müssen, vielmehr werden die
Zeitfenstergrössen entsprechend der Nachrichtenlänge
vorgegeben. ZFmax muss somit ausreichend Zeit bzw. Platz für
die längste mögliche Nachricht, z. B. 130 Bit bzw. Bitzeiten
bieten und ZFmin kann an die kürzest mögliche Nachricht,
z. B. 47 Bit, angepasst werden.
Generell ist das Zeitfenster der Zeitrahmen der für eine
bestimmte Nachricht zur Verfügung steht (siehe Fig. 3). Das
Zeitfenster einer Nachricht wird mit dem Anliegen der
Sendefreigabe geöffnet und der Beginn dieses Fensters stimmt
prinzipiell mit einer definierten Zeitmarke überein. Die
Länge des Zeitfensters wird aus i Segmenten mit
beispielsweise 32 Bitzeiten (vgl Block 304a) bestimmt. Die
Segmentierung zu insbesondere 32 Bitzeiten stellt dabei eine
HW-freundliche Größe dar. Das Zeitfenster darf nicht kürzer
sein, als die längste in diesem Zeitfenster vorkommende
Nachricht. Die Bitzeit ist insbesondere die nominale CAN-
Bitzeit.
Das Sendefreigabeintervall oder Zeitfensterfreigabeintervall
beschreibt den Zeitrahmen, innerhalb dessen mit dem Senden
der Nachricht begonnen werden darf. Das
Sendefreigabeintervall ist ein Teil des Zeitfensters. Die
Freigabe liegt also im Intervall Zeitmarke und Zeitmarke
plus Delta an. Der Wert Delta ist deutlich kleiner als die
Länge des Zeitfensters (z. B. 16 oder 32 Bitzeiten für ZFF1
oder ZFF2). Eine Nachricht deren Beginn nicht innerhalb des
Sendefreigabeintervalls liegt, darf nicht gesendet werden.
Fig. 4 stellt nun einen Gesamtzyklus (Sendematrix) GZ2 dar.
Gesamtzyklus (Sendematrix): Alle Nachrichten (RN, A bis F
und Arbitrierend) aller Teilnehmer werden als Komponenten
einer Sendematrix organisiert (siehe Fig. 4). Die
Sendematrix besteht aus einzelnen Basiszyklen BZ0a bis BZ7a.
Alle Basiszyklen des Gesamtzyklus GZ2 haben die gleiche
Struktur. Diese Basiszyklen können wahlweise aus exklusiven
(A bis F) und arbitrierenden Komponenten aufgebaut sein. Die
Gesamtzahl der Zeilen (also Basiszyklen BZ0a bis BZ7a) ist
hier eine Zahl 2 m = 8 mit m = 3.
Ein Basiszyklus (Zeile der Sendematrix) beginnt mit einer
Referenzmarke in der Referenznachricht RN und besteht aus
mehreren (i) aufeinander folgenden Zeitfenstern definierter
Länge (erstes Zeitfenster ZF0 bzw. ZFRN für RN). Die
Anordnung der Nachrichten innerhalb des Basiszyklus kann
frei festgelegt werden. Ein Zeitfenster wird für exklusive
Komponenten mit einem CAN Nachrichtenobjekt verknüpft. Ein
Zeitfenster kann auch frei gelassen werden
(409, 421, 441, 417, 445) oder für arbitrierende Komponenten
genutzt werden (403, 427).
Eine Sendegruppe (Spalte der Sendematrix, A bis F) bilden
Nachrichten, die immer im gleichen Zeitfenster, aber in
unterschiedlichen Basiszyklen gesendet werden (siehe Fig.
4). Somit kann eine Periode aufgebaut werden, z. B. A in ZF1a
und ZF4a: 401, 407, 413, 419, 425, 431, 437, 443 und
404, 410, 416, 422, 428, 434, 440, 446. Innerhalb einer Sendegruppe
kann ein Nachrichtenobjekt (eines Zeitfensters) mehrfach
gesendet werden. Die Periode einer Nachricht innerhalb einer
Sendegruppe muß eine Zahl 2 1 sein, wobei gilt: 1 <= m.
Das Nachrichtenobjekt bzw. die Nachricht entspricht dem
Nachrichtenobjekt des Busses, insbesondere in CAN, und
umfaßt den Identifier bzw. die Kennung sowie die Daten
selbst. In TTCAN wird das Nachrichtenobjekt um wenigstens
eine der folgenden Eintragungen, bevorzugter Weise um alle
drei, in der Sendematrix ergänzt: Zeitfenster, Basismarke,
Wiederholrate.
Das Zeitfenster ist die Position (ZF0, ZF1a bis ZF5a) im
Basiszyklus (BZn, Zeile der Sendematrix). Der Beginn des
Zeitfensters ist definiert durch Erreichen einer bestimmten
Zeitmarke.
Die Basismarke gibt an, in welchem Basiszyklus (BZ0a bis
BZ7a) im Gesamtzyklus die Nachricht erstmalig gesendet wird.
Die Wiederholrate definiert nach wievielen Basiszyklen diese
Übertragung wiederholt wird.
Um die Gültigkeit eines Nachrichtenobjekts für den CAN-
Controller zu kennzeichnen, gibt es ein "permanentes
Senderequest", das eine permanente Freigabe des Objekts
bedeutet (für exklusive Komponenten siehe unten) und ein
"einzelnes Senderequest", das eine einmalige Gültigkeit des
Objekts bedeutet (für arbitrierende Komponenten siehe
unten).
Die automatische Retransmission aus CAN ist für die
Nachrichten in TTCAN zweckmässigerweise ausgeschaltet.
Im weiteren wird nun nochmals die Nachrichtenübertragung
Periodische Nachrichten und Spontane Nachrichten im
Basiszyklus bzw. im Gesamtzyklus, insbesondere bezüglich der
Applikation, beschrieben. Dabei werden wieder exklusive
Nachrichten also periodische Nachrichten und arbitrierende
also spontane Nachrichten unterschieden.
Exklusive Nachrichtenobjekte werden gesendet, wenn der
Applikationswatchdog gesetzt ist, die "permanente
Sendeanforderung" der Applikation an den CAN-Controller
gesetzt ist und das Sendefreigabeintervall des zugehörigen
Zeitfensters geöffnet ist. In diesem Fall stimmt die
Zeitmarke für das Nachrichtenobjekt mit der Relativen Zeit
überein. Die permanente Sendeanforderung bleibt gesetzt, bis
sie von der Applikation selbst zurückgesetzt wird.
Arbitrierende Nachrichtenobjekte werden gesendet, wenn der
Applikationswatchdog gesetzt ist, die "einzelne
Sendeanforderung" von der Applikation an den CAN-Controller
gesetzt ist und das Sendefreigabeintervall des nächsten
dafür bestimmten Zeitfensters geöffnet ist. Dann ist die
Zeitmarke für dieses Zeitfenster gleich der Relativen Zeit.
Die Sendeanforderung wird nach erfolgreichem Senden vom CAN-
Controller zurückgesetzt. Der gleichzeitige Zugriff
verschiedener spontaner Nachrichten wird über die
Bitarbitrierung von CAN geregelt. Verliert eine spontane
Nachricht in diesem Zeitfenster gegen eine andere spontane
Nachricht, so kann sie erst im nächsten dafür bestimmten
Zeitfenster wieder um den Buszugang kämpfen.
Wird die gesamte Sendematrix bzw. der Gesamtzyklus
durchlaufen, so ergibt sich eine zyklische, zeitgesteuerte
Nachrichtenübertragung. Zeitgesteuert bedeutet, daß jede
Aktion vom Erreichen eines bestimmten Zeitpunkts ausgeht
(siehe Zeitmarken und Relative Zeit). Ist der Gesamtzyklus
vollständig durchlaufen, d. h. alle Basiszyklen wurden einmal
abgearbeitet, so wird wieder mit dem ersten Basiszyklus der
Sendematrix begonnen. Es entstehen keine zeitlichen Lücken
im Übergang. Ein Überblick eines solchen zeitgesteuerten
Kommunikationssystems mit Zeitgeber ist in der Beschreibung
und den Figuren der Zeichnung dargestellt worden.
In Fig. 5 ist in Anlehnung an Fig. 1 ein System mit
Teilnehmern und Bussystem dargestellt. Dabei wird in einem
Basiszyklus n beginnend zum Zeitpunkt tn eine Zeit-Drift
lokaler Zeiten bzw. Zeitbasen festgestellt. Im
darauffolgenden Basiszyklus n + 1 beginnend mit tn + 1 erfolgt
dann die Driftkortektur. Im nächsten Basiszyklus n + 2
beginnend mit tn + 2 sind dann die Zeiten bzw. Zeitbasen
korrigiert.
Fig. 6 zeigt nun detailliert eine erfindungsgemässes
Driftkorrektur. Jeder Knoten (TTCAN-Controller) enthält
dabei:
- - einen lokalen Oszillator der mit einem Zähler zusammen die lokale Zeit angibt
- - einen Referenzmarker, in dem die lokale Zeit beim Empfang einer Referenzbotschaft zwischengespeichert wird. Der Referenzmarker ist vorteilhafterweise als 2-fach FIFO ausgelegt
- - ein lokales Offsetregister (2-fach FIFO), das die Differenz zwischen lokaler Referenzmarke und der Zeitgeberreferenzmarke enthält
- - ein Offset-Differenz-Register, das die Differenz der letzten beiden Offsets enthält
- - ein Driftkorrekturwert-Register, das den Korrekturwert enthält, mit dem der lokale Zeitgeber nachkorrigiert werden muß
- - ein Korrekturperioden-Register
In einen TTCAN-System wird jeder Basiszyklus mit einer
Referenzbotschaft begonnen, in der ein Zeitbezug festgelegt
wird und jeder Knoten den Abstand seiner lokalen Zeit zu
dieser Referenz bestimmt.
Aus der Differenz der Abstände zweier Basiszyklen wird eine
lokale Abweichung berechnet und ins Verhältnis zur
Gesamtzeit gesetzt, woraus ein Grund-Korrekturwert für die
lokale Zeit berechnet wird. Dieser Grund-Korrekturwert kann
verfeinert werden, indem bei jedem weiteren Basiszyklus die
Differenz der lokalen Abweichung mit zur Korrektur verwendet
wird.
Zur einfachen Umsetzung des Algorithmus in Hardware oder
Software, kann während einer Korrekturperiode (Basiszyklus)
die üblicherweise nötige Quotientenbildung ersetzt werden
durch eine Prüfung, wie oft der Korrekturwert in der
Korrekturperiode enthalten ist. Dies kann z. B. durch eine
wiederholte Subtraktion des Korrekturwerts von der
Korrekturperiode in einem geeigneten Register geschehen, bis
der Restwert kleiner dem Subtrahenten ist. Daraufhin wird je
nach Vorzeichen der Korrekturwertänderung ein zusätzlicher
Zählimpuls eingefügt oder weggelassen. Zum verbleibenden
Restwert wird die Differenz zwischen den letzten beiden
lokalen Referenzmarken addiert.
Bei eingeschwungenem System ist damit eine Synchronisation
auf +/- eine Bitzeit über einen Basiszyklus möglich.
Die Begriffe Zeitreferenznachricht, Referenznachricht,
Referenzbotschaft und Zeitreferenzbotschaft sind
gleichbedeutend.
Claims (10)
1. Verfahren zum Austausch von Daten in Nachrichten zwischen
wenigstens zwei Teilnehmern, welche mittels eines
Bussystems verbunden sind und eigene Zeitbasen aufweisen,
wobei die, die Daten enthaltenden Nachrichten durch die
Teilnehmer über das Bussystem übertragen werden und ein
erster Teilnehmer in einer Funktion als Zeitgeber die
Nachrichten zeitlich derart steuert, dass er wiederholt
eine Referenznachricht, die eine Zeitinformation
bezüglich der Zeitbasis des ersten Teilnehmers enthält,
in einem vorgebbaren zeitlichen Abstand über den Bus
überträgt, wobei der wenigstens zweite Teilnehmer mittels
seiner Zeitbasis eine eigene Zeitinformation abhängig von
der Zeitinformation des ersten Teilnehmers bildet, wobei
aus den beiden Zeitinformationen ein Korrekturwert
ermittelt wird und der zweite Teilnehmer seine
Zeitinformation und/oder seine Zeitbasis abhängig von dem
Korrekturwert anpasst.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der zeitliche Abstand in Zeitfenster vorgebbarer Länge
unterteilt wird, wobei die Nachrichten in den
Zeitfenstern übertragen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Referenznachricht und die nachfolgenden Zeitfenster
bis zur nächsten Referenznachricht zu einem ersten Zyklus
vorgebbarer Länge und/oder vorgebbarer Struktur zusammen
gefasst werden, wobei die Struktur der Länge, Anzahl und
zeitlichen Position der auf die Referenznachricht folgen
den Zeitfenster in dem zeitlichen Abstand entspricht.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere erste Zyklen gleicher Struktur zu einem
zweiten Zyklus zusammengefasst werden, wobei in dem
zweiten Zyklus auch Nachrichten in Zeitfenstern
wiederholt übertragen werden, deren zeitlicher Abstand
größer ist als die zeitliche Länge des ersten Zyklus.
5. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet,
dass jeder erste Zyklus mit einer Referenznachricht
gestartet wird und der wenigstens zweite Teilnehmer einen
Abstand seiner Zeitbasis zur Zeitbasis des ersten
Teilnehmers ermittelt.
6. Verfahren nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet,
dass aus der Differenz zweier Abstände der Zeitbasen der
wenigstens zwei Teilnehmer der Korrekturwert ermittelt
wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
dass in wenigstens einem Zeitfenster des ersten oder des
zweiten Zyklus eine zyklische Nachrichtenübertragung
unterbleibt und in diesem Zeitfenster arbitrierende
Nachrichten übertragen werden.
8. Vorrichtung zum Austausch von Daten in Nachrichten
zwischen wenigstens zwei Teilnehmern, welche mittels
eines Bussystems verbunden sind und eigene Zeitbasen
aufweisen, wobei die, die Daten enthaltenden Nachrichten
durch die Teilnehmer über das Bussystem übertragen werden
und ein erster Teilnehmer in einer Funktion als Zeitgeber
die Nachrichten zeitlich derart steuert, dass er
wiederholt eine Referenznachricht, die eine
Zeitinformation bezüglich der Zeitbasis des ersten
Teilnehmers enthält, in einem vorgebbaren zeitlichen
Abstand über den Bus überträgt, wobei der wenigstens
zweite Teilnehmer mittels seiner Zeitbasis eine eigene
Zeitinformation abhängig von der Zeitinformation des
ersten Teilnehmers bildet, wobei aus den beiden
Zeitinformationen ein Korrekturwert ermittelt wird und
der zweite Teilnehmer seine Zeitinformation und/oder
seine Zeitbasis abhängig von dem Korrekturwert anpasst.
9. Vorrichtung zur Ermittlung eines Korrekturwertes nach
einem der Ansprüche 1 bis 8.
10. Bussystem zum Austausch von Daten zwischen wenigstens
zwei Teilnehmern, dadurch gekennzeichnet, dass mit ihm
ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7
ausgeführt wird.
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