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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung, die vorgesehen ist,
Bestandteil eines Moduls in einem CAN-System mit einer CAN-Verbindung
zu sein.
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Das
Spezifizieren, Verifizieren und Validieren von CAN-Systemen in der
Absicht, ausreichende Information zu erhalten, um eine sichere Funktion
während
der gesamten Lebensdauer des Systems zu erhalten, ist Stand der
Technik. Diesbezüglich
sei auf Instrumente verschiedener Art verwiesen, die auf dem allgemeinen Markt
für die
Analyse von CAN-Bussen verfügbar
sind, zum Beispiel CANalyzer von Vector Informatik GmbH, X-analyzer
von Warwick Technologies Ltd. und CANLab von Accurate Technologies
Inc., wobei es sich in allen Fällen
um PC-gestützte
Software handelt, die in Interaktion mit verschiedenen CAN/PC-Schnittstellen
von Kvaser AB, z. B. LAPcan, Nachrichten und Error Frames auf dem
Bus einholen, zeitstempeln und senden können, um das zeitbezogene Verhalten
der Nachrichten auf dem Bus und ein Auftreten eines Fehler bzw.
den Zeitpunkt dieses Auftretens festzustellen. Darüber hinaus
gibt es andere Instrumente, beispielsweise CANscope von Vector Informatik,
die Spannungspegel auf dem CAN-Bus als Funktion der Zeit und anhand
des Regelwerks des CAN-Protokolls ein interpretiertes Bild liefern,
in dem die Spannungspegel als CAN-Bits präsentiert werden. Es gibt auch
konventionelle Oszilloskope mit einer eingebauten entsprechenden
Interpretation. Kvaser vertreibt ein Produkt, Memorator, das eine
große
Anzahl von Nachrichten zeitstempeln und für spätere Analyse speichern kann.
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Es
besteht ein bekanntes Problem darin, dass CAN-Controller (CC) nur
für bestimmte
Bitzeiten eingestellt werden können,
die durch den Oszillator vorgegeben sind, der den CC taktet. So
lassen sich zum Beispiel 1 Mbit/s überhaupt nicht mit einer Taktfrequenz
von 13 MHz oder 33 MHz einstellen, während bei ediner Frequenz von
12 MHz nur die Samplepunktlagen 50 % und 66,67 % gewählt werden
können.
Für die
Datenkommunikation im Allgemeinen sind Oszil latoren mit hoher Genauigkeit
erforderlich, meistens 500 ppm bis herunter auf 20 ppm. Der USB-Standard
z. B. erfordert mindestens 500 ppm Genauigkeit, und für USB-Bauteile
gelten häufig
engere Toleranzen, Philips beispielsweise verlangt 50 ppm beim USB-Host-Controller
ISP1761. Die Genauigkeitsanforderungen in der CAN-Norm ISO 11898
beruhen auf Phase_Seg1, Phase_Seg2, SJW und Bitzeit. Es besteht
somit ein Unterschied bei den Anforderungen an die Oszillatorgenauigkeit
zwischen einem Datenkommunikationssystem wie USB und einem Steuersystem
wie CAN. Im erstgenannten Fall ist die Genauigkeit durch die Spezifikation
vorgegeben, während
sie im anderen Fall vom Systemaufbau in einem einzelnen System abhängig ist.
In einer Kommunikation zwischen einem CAN-Bus und einem Computer
erfolgt die Kommunikation über
eine Schnittstelle. Die Kommunikation zwischen der Schnittstelle
und den Computer geschieht meistens über eine serielle Datenkommunikation,
die eine genaue Oszillatorfrequenz erfordert, zum Beispiel USB mit
12 MHz und 50 ppm.
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Ein
gemeinsames Merkmal der bekannten Instrumente ist, dass ihnen eine
Validierungsfunktion fehlt, mit der die einzelnen an einen CAN-Bus
angeschlossenen Module bzw. die CAN-Einstellungen und Oszillatoren
kontrolliert werden können.
Es besteht auch ein Bedarf, eine ein CAN-Modul bildende Einheit
an das CAN-System anschließen
und für
verschiedene Ziel- und Indizierfälle
sowie als Quelle im System für
Interpretation und Initiierung verschiedener Funktionen im CAN-System
nutzen zu können.
Die Einheit muss z. B. im Zusammenhang mit Prüfungen als Störquelle
an das System angeschlossen werden können. Die Einheit muss als
separat an das CAN-Modul oder entsprechend einfach anschließbare Einheit
vermarktet werden können. Die
Einheit muss auch mit einfach aufgebauten und funktionierenden Komponenten
arbeiten können.
Die Einheit muss gegen Verbindungen unterschiedlicher Art (Topologien),
vorzugsweise einer Busverbindung, aber auch gegen optische Verbindungen,
Sternverbindungen und/oder Netzverbindungen arbeiten können.
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Zur
Lösung
des Grundproblems, ein einen Mikroprozessor enthaltendes CAN-Modul an eine beliebige Bitzeit
anpassen zu können,
wird ein Oszillator mit va riabler Taktfrequenz eingeführt, der
den CC taktet, sowie eine Referenzfrequenz, die mit der variablen
Taktfrequenz verglichen werden kann. Die Referenzfrequenz kann als
Quelle einen Kristalloszillator haben oder indirekt aus Nachrichten
auf dem CAN-Bus extrahiert werden, indem gemessen wird, wie viele
Taktzyklen die Nachricht vom Start-of-Frame bis zum Bestätigungsbit
die Nachricht in Anspruch nimmt, und die mit einem theoretisch errechneten
Wert verglichen wird.
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Somit
besteht ein Bedarf an einer Anordnung, die das angegebene Problem
mithilfe eines eigenen Mikrocomputers oder zusammen mit einem übergeordneten
Computer lösen
kann. Die vorliegende Erfindung bietet eine vollständige oder
teilweise Lösung
der genannten Problemstellung und zeigt im Anschluss daran neue
Wege bei der Betrachtungsweise in Bezug auf den CAN-Bus und dessen
Funktion.
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Die
Erfindung benutzt in der Hauptsache einen CC, einen CAN-Transceiver
(CT), einen Oszillator mit variierbarer Frequenz, eine CPU mit dazu
gehörenden
Speichern sowie Peripheriekomponenten und eine Referenzfrequenz.
Für eine
indirekte Extraktion der Referenzfrequenz benutzt die Erfindung
Protokollregeln gemäß CAN (ISO
11898-1) sowie die Anzeige von SOF- und ACK-Bits in den CAN-Nachrichten.
Insbesondere werden die Regeln des Protokolls für den Aufbau einer CAN-Nachricht
auf dem Bus benutzt. Für
bestimmte Zwecke werden auch ein oder mehrere Rechner benutzt. Die
Erfindung zeigt auch ein Verfahren für eine automatische Anpassung
eines Moduls an die Bitrate eines Systems.
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Als
hauptsächlich
kennzeichnend für
eine Anordnung gemäß der Erfindung
kann betrachtet werden, dass sie einen Oszillator, der abhängig von
Steuerungen durch einen dazu gehörenden
Mikrocomputer eine Anzahl von verschiedenen Frequenzen erzeugt,
und einen die Frequenzen nutzenden CAN-Controller umfasst.
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Weiterentwicklungen
des Erfindungsgedankens gehen aus den Unteransprü chen hervor.
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Gemäß der Erfindung
ist angewiesen, dass CAN-Nachrichten nur in CAN-Controllern vorkommen sollen. Ein sendender
CAN-Controller erzeugt Impulse auf TTL-Ebene auf seiner TX-Verbindung
an einen CAN-Transceiver, der diese zu einer Impulsfolge auf dem
Bus verstärkt.
Die CAN-Transceiver der empfangenden Module lesen die Impulsfolge
auf dem Bus aus und wandeln diese in Impulse auf TTL-Ebene um und
präsentieren
sie auf der RX-Verbindung des jeweiligen angeschlossenen CAN-Controllers.
Der CAN-Controller interpretiert die Impulse gemäß dem CAN-Protokoll und entscheidet,
ob sie eine korrekte CAN-Nachricht repräsentieren oder nicht.
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Diese
Sichtweise führt
zu der Erkenntnis, dass man eine Anordnung mit einem CAN-Transceiver,
einem CAN-Controller, einem variablen Oszillator und einem Mikroprozessor
als Hauptbauteilen aufbauen kann, und dass man mit diesen Hauptbauteilen
teils Impulse und Impulsfolgen auf dem Bus erzeugen kann, teils
Impulse und Impulsfolgen auf dem Bus gemäß den Regeln des CAN-Protokolls analysieren
kann und teils entscheiden kann, innerhalb welcher Grenzen die Impulsfolge
auf dem Bus als korrekte CAN-Nachrichten zu interpretieren sind,
wann Error Flags erzeugt werden sollen und wann ein Impuls auf der
CAN-Verbindung unbeachtet bleiben soll. Die neue Sichtweise besteht
darin, dass CAN-Nachrichten nur in CAN-Controllern vorkommen. Ein
sendender CAN-Controller erzeugt Impulse auf TTL-Ebene auf seiner
TX-Verbindung zu einem CAN-Transceiver, der diese zu einer Impulsfolge
auf dem Bus verstärkt.
Die CAN-Transceiver der empfangenden Module lesen die Impulsfolge
auf dem Bus aus und wandeln diese in Impulse auf TTL-Ebene um und
präsentieren
sie auf der RX-Verbindung des jeweiligen angeschlossenen CAN-Controllers.
Der CAN-Controller interpretiert die Impulse gemäß dem CAN-Protokoll und entscheidet,
ob sie eine korrekte CAN-Nachricht repräsentieren oder nicht.
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Diese
neuartige Sichtweise führt
zu der Erkenntnis, dass man eine Anordnung mit einem CAN-Transceiver,
einem CAN-Controller, einem variablen Oszillator und einem Mikroprozessor
als Hauptbauteilen aufbauen kann, welche teils variierende Impulse
und Impulsfolgen auf einer CAN-Verbindung zur Stimulation und Provokation
von CC anderer, an der Verbindung angeschlossener erzeugen kann,
teils Impulse und Impulsfolgen auf dem Bus gemäß den Regeln des CAN-Protokolls
analysieren kann und teils entscheiden kann, innerhalb welcher Grenzen
die Impulsfolge auf dem Bus als korrekte CAN-Nachricht oder Error
Flag interpretiert werden kann.
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Eine
gegenwärtig
vorgeschlagene Ausführungsform,
die die kennzeichnenden Merkmale der Erfindung aufweist, wird nachstehend
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben; in den Zeichnungen zeigen
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1 den
Aufbau von Bits und Bitsegmenten in einem CAN-System;
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2 als
Blockschaltbild den Aufbau eine CAN-Moduls mit den neuen Komponenten
und anschließbar
an ein CAN-System, das eine Verbindung (z. B. eine Busverbindung)
umfasst, an die auch andere CAN-Module angeschlossen sind;
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3 als
Blockschaltbild eine zweite Ausführung
eines CAN-Moduls mit einer Anzahl von CAN-Controllern und Transceivern;
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4 als
kombiniertes Diagramm und Blockschaltbild Bit- und Strukturkonstellationen;
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5 als
Diagramm die Wechselbeziehungen zwischen Bitkonstellationen;
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6 als
Diagramm weitere Wechselbeziehungen zwischen Bitkonstellationen;
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7 als
Blockschaltbild eine im Verhältnis
zur Ausführung
gemäß 3 modifizierte
Ausführung;
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8 als
Blockschaltbild eine im Verhältnis
zur Ausführung
gemäß 3 zusätzlich modifizierte
Ausführung;
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9 als
Blockschaltbild eine dritte Ausführung.
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Zum
leichteren Verständnis
der Erfindung wird in 1 der Aufbau des CAN-Bits 100 erläutert. Es
ist aus einer Anzahl von Bit-Quanta, BTQ, aufgebaut, die von einem
Oszillator erzeugt wird, dessen Frequenz von einem Prescaler vorgeteilt
ist und in Synchronisationssegment (Sync_Seg), Propagationssegment (Prop_Seg),
Phasensegment 1 (Phase_Seg1) und Phasensegment 2 (Phase_Seg2), alternativ
in Sync_Seg, Time Segment 1 (TSEG_1) und Time Segment 2 (TSEG_2)
unterteilt ist. Gemäß den Regeln
für CAN
ist das Zeichen 0 dominant über
1. Außerdem
können
maximal 5 aufeinander folgende Zeichen von gleichem Wert gesendet
werden, danach muss zumindest ein Zeichen mit umgekehrtem Wert gesendet
werden. Wenn sechs oder mehr Zeichen von gleicher Sorte gesendet
werden sollen, wird ein zusätzliches
Zeichen von umgekehrter Art eingeschoben, man nennt das Bitstuffing.
Für Signalisierung
wird nach dem Verfahren Non-Return-to-Zero (NRZ) codiert, d. h.
aufeinander folgende Zeichen von gleichem Wert werden mit „Dead reckoning" eingerechnet. Ein
freier Bus hat den kontinuierlichen Wert 1. Eine Nachricht wird
mit einer Null eingeleitet, Start-of-Frame (SOF). Die rezessive
Flanke beim Wechsel von 1 auf 0 bei SOF wird zur Synchronisation
sämtlicher
CC genutzt. Diese werden dann bei jeder rezessiven Flanke in der
folgenden Bitsequenz in einer Nachricht resynchronisiert. Die Synchronisationssprungweite
(Synchronization Jump Width (SJW)) bezeichnet die maximale Anzahl
von BTQ, die zur Einstellung der Bitlänge bei der Resynchronisation
benutzt werden darf. Bei der Resynchronisation erfolgt eine Verkürzung von
TSEG_1 oder Verlängerung
von TSEG_2 um die erforderliche Anzahl von BTQ, jedoch um maximal
SJW. Das CAN-Protokoll stellt die Anforderung an die Oszillatoren
der an ein System angeschlossenen CC. Deren Frequenz fosc darf nicht
um mehr als df von der Nennfrequenz fnom abweichen, wie angegeben
in folgenden Formeln, wobei sämtliche
Bedingungen erfüllt
sein müssen: [(1 – df)·fnom fosc (1 + df)·fnom] 1) df {Phase_Seg1, Phase_Seg2)min/2·(13·Tb – Phase_Seg2) 2 df (SJW/20·Tb) 3) worin Tb
= Nenn-Bitzeit
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Wie
aus dem Vorstehenden hervorgeht, ist die Toleranzanforderung an
die Oszillatorfrequenz eines Moduls abhängig von der Einstellung des
CAN-Controllers
und den vorherrschenden Signalverzögerungen. Ausführlichere
Information hierzu ist in der Norm ISO 11898-1 zu finden.
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In 2 ist
die Erfindung schematisch dargestellt. An eine CAN-Verbindung 201 ist
teils eine erfindungsgemäße Anordnung 202 angeschlossen,
teils ein Modul 203 oder mehrere Module 204, die
auf dem Bus aktiv sind. Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst einen
Mikroprozessor 205 mit erforderlicher Peripherieausrüstung 206 und
kann über
eine Verbindung 207 an einen übergeordneten Rechner, z. B.
einen Personal Computer (PC) über
eine USB-Verbindung,
angeschlossen werden. Der Mikroprozessor ist über die Verbindung 209 an
den CAN-Controller CC1 angeschlossen. Der CAN-Controller umfasst
eine Zustandsmaschine (Statemachine) 230, die nach einem
Regelwerk für
CAN 231 arbeitet, Fehlerzähler (Error counter) 232,
Sendelogik 233, die ausgehende Impulse erzeugt, Bitzeitlogik 234,
die u. a. Samplepunkt und Bitende bestimmt, Konfigurationsregister 235,
Nachrichtenwarteschlange für
ankommende 236 und ausgehende 237 Nachrichten,
Filter 238, Taktgenerator 239 sowie Kommunikationsorgane 240 für Kommunikation
mit dem Mikroprozessor. CC1 ist mit einer Taktfrequenz getaktet,
die vom variablen Oszillator 211 erzeugt worden ist. Der
Mikroprozessor stellt mithilfe des Programms 243 die Frequenz
des Oszillators über
die Verbindung 212 und die Einstelllogik 241 ein.
CC1 ist über
die Sendeverbindung TX1 und Empfangsverbindung RX1 mit dem CAN-Transceiver
CT1 verbunden. CT1 ist über
die CAN-High-Verbindung 213 und die CAN-Low-Verbindung 214 mit dem
CAN-Bus verbunden. Diese sind auch an den A/D-Wandler 215 angeschlossen,
der das Potential der jeweiligen Verbindung im Verhältnis zum
Massereferenzpotential 216 erkennen kann. Der Mikroprozessor
kann den A/D-Wandler über
die Verbindung 217 auslesen und dadurch nicht nur die Pegelwechsel
auf dem Bus feststellen, sondern auch die Potentialabweichungen
anderer sendender Module vom Massereferenzpotential 216 messen. Über die
Verbindung 218 kann der Mikroprozessor mithilfe des Programms 243 auch
den CT1 in aktiven oder „Listen-only"-Modus umstellen.
Im „Listen-only"-Modus ist verhindert,
dass die CC1-Signale an TX1 auf den Bus gelangen, aber sie werden
an RX1 rückgeführt. Der
Mikroprozessor hat auch eine oder mehrere Zeitfunktionen 219 mit
Zähler
und Capture-Register 220.
Auf dem Bus kommen Impulsfolgen 221 vor. Jede dieser Impulsfolgen 221' wechselt zwischen
zwei differenziellen Spannungspegeln, Pegel 0 (Level 0) und Pegel
1 (Level 1). CT1 empfängt
eine Impulsfolge 221' und
präsentiert
sie auf dem CC1-RX-Eingang RX1 auf TTL-Pegel 220''. Die Impulsfolge wird nun von
CC1 gemäß den CAN-Regeln
interpretiert. Der erste Wechsel 242 von Pegel 1 auf Pegel
0 wird als SOF interpretiert, wenn Pegel 0 weiterhin im Samplepunkt
ansteht, andernfalls bleibt der Wechsel unberücksichtigt. Wenn der Pegel
nach SOF weiterhin 0 beim nächsten
Samplepunkt ist, wird das erste Bit im CAN-Identifier als 0 registriert.
Sollte ein Wechsel auf Pegel 1 stattgefunden haben, wird das Bit
als 1 registriert usw. Bei Sendung erzeugt CC1 ein Bitmuster gemäß den CAN-Regeln,
das als eine Impulsfolge auf der Verbindung TX1 an CT1 geht, der
die entsprechende Impulsfolge auf den CAN-Bus sendet. Es wird nun
angenommen, dass CC1 auf eine Bitlänge eingestellt ist, die um
das 6-fache länger
ist als der in den Modulen 203 und 204 eingestellte
Wert, und dass CC1 eine Nachricht senden soll, bei der der CAN-Identifier
mit 1 beginnt. CC1 sendet SOF an CT1, der wiederum den CAN-Buspegel
von 1 auf 0 wechselt. Dieser Pegel bleibt bestehen, bis CC1 Pegel
1 ausgibt. In der Zwischenzeit haben 203 und 204 CC ein
korrektes SOF und danach fünf
Bits mit dem gleichen Zeichen 0 detektiert, was gegen die Bitstuffingregeln des
CAN-Protokolls verstößt, so dass
sie ein Error Flag senden. Damit dürfte die folgende Sichtweise
erläutert sein:
wenn ein CC über
einen CT Impulsfolgen auf dem CAN-Bus entlang dessen lokaler Einstellung
und gemäß den Regeln
des CAN-Protokolls
erzeugt und interpretiert, lassen sich mit einer beschreibungsgemäßen Anordnung
für einen
Bus Impulse und Impulsfolgen mit CC1 und CT1 unter Anwendung der
CAN-Regeln erzeugen und interpretieren, die von anderen an den Bus
angeschlossenen Modulen gemäß den gleichen CAN-Regeln
empfangen und anders interpretiert werden. Außerdem lässt sich durch den Empfang
von Impulsfolgen von anderen Modulen feststellen, innerhalb welcher
Einstellgrenzen der CC1 gemäß den CAN-Regeln
die Impulsfolgen als korrekt interpretiert, und dadurch lassen sich
die Abweichungen des sendenden Moduls von den Nenn-Einstellwerten
feststellen. So kann z. B. der Samplepunkt von Modul 203 auf
folgende Weise festgestellt werden:
- 1. Die
Module 204 werden vom Bus abgekoppelt oder in den „Silent"-Modus gesetzt.
- 2. Es wird angenommen, dass die Bitrate des Systems 250 kbit/s
beträgt
und dafür
mit der Frequenz von 16 MHz eingestellt ist.
- 3. Der Mikrocontroller 205 stellt den Oszillator auf
21,333 MHz ein und fordert CC1 zum Senden einer beliebigen Nachricht
auf, wenn der CAN-Identifier
mit 1111 beginnt.
- 4. Wenn der Mikroprozessor SOF angezeigt hat, entweder durch
Erkennen des Pegelwechsels durch den A/D-Wandler 215 oder,
wenn der CC1 von dem Typ ist, der einen SOF-Interrupt erzeugt, bei
Empfang eines solchen Interrupts, wechselt er beim CT1 um auf „Silent"-Modus, und der CC1
empfängt
dann seine eigene Nachricht.
- 5. Ein Impuls ist auf den Bus gelegt worden, der 75 % einer
Null gemäß CAN-Protokoll
darstellt. Der CC hat in 203 eine rezessive Flanke von
Pegel 1 auf Pegel 0 erkannt, und wenn der Pegel nicht im Samplepunkt vorliegt,
erfolgt keine Maßnahme,
was für
diesen Fall angenommen worden ist.
- 6. Nachdem der CC1 seine eigene Nachricht empfangen hat, wird
dies an den Mikrocontroller berichtet, und es kann der Schlusssatz
gezogen werden, dass der Impuls kürzer war als beim CC im 203-Samplepunkt.
- 7. Der Vorgang wird ab Schritt 3 oben wiederholt, jedoch mit
der Frequenz 21 MHz.
- 8. Nun erfolgt der Wechsel nach dem Samplepunkt, und der CC
in 203 interpretiert ein SOF, auf den Einsen folgen. Wenn
sechs Einsen gezählt
sind, sendet der CC in 203 ein Error Flag.
- 9. Der CC1 empfängt
seine eigene Nachricht, aber aufgrund des vom CC in 203 gesendeten
Error Flags sendet der CT1 Pegel 0.
- 10. Der CC1 meldet aufgrund des Error Flags einen Bitfehler
und berichtet „missglückten Sendevorgang" an den Mikroprozessor.
- 11. Anhand des Ereignisses kann festgestellt werden, dass der
CC im 203-Samplepunkt
zwischen 75 % und 76,2 % der Bitzeit liegt.
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In 3 ist
der Aufbau eines CAN-Moduls gemäß der Erfindung
dargestellt. An den CAN-Bus 301 ist ein Modul 302 gemäß der Erfindung
angeschlossen, und ein oder mehrere andere an das System angeschlossene
Module sind durch 304 dargestellt. Das CAN-Modul besteht
aus einem Mikroprozessor 305 mit erforderlichen Peripheriekomponenten 306.
Das CAN-Modul kann über
die Verbindung 308, beispielsweise eine USB-Verbindung,
an einen übergeordneten
Rechner, z. B. einen PC, angeschlossen sein. Die Mikroprozessoranordnung
umfasst eine oder mehrere Zeitfunktionen 309, 309' mit jeweils
einem Zähler
mit einem oder mehreren Capture-Registern 310, 310'. Der Oszillator 303 ist
von einem Typ mit variabler Frequenz und taktet die Zeitfunktion 310.
Im Mikroprozessor enthalten bzw. an diesen angeschlossen ist ein
CAN-Controller CC1, der ebenfalls mit dem Oszillator 303 getaktet
wird. Der CC ist auf herkömmliche
Weise über
die RX- und TX-Verbindungen an einen Transceiver CT1 angeschlossen.
Beim Transceiver CT1 ist Kreis 340 mit dem CAN-Controller verschaltet,
Kreis 341 mit der CAN-Verbindung, Kreis 342 mit
dem Mikroprozessor, und die Logik 343 ist für unter
anderem den Wechsel zwischen „Listen-only"-Modus und aktivem
Modus geschaltet. Der Transceiver hat u. a. zur Aufgabe, die Pegel
auf der Verbindung den in der verarbeitenden Ausrüstung anstehenden Verarbeitungspegeln
anzupassen. Als Transceiver können
an sich bekannte Typen wie der SN65HVD235D von Texas Instruments
verwendet werden. Die Frequenz des Oszillators 303 kann über die
Verbindungen 313 durch den Mikroprozessor gesteuert werden.
Die Mikroprozessoranordnung umfasst außerdem einen Temperatursensor 317.
Das CAN-System arbeitet mit einer Nenn-Bitrate, z. B. 250 kbit/s,
in der Praxis ein üblich
vorkommender Wert. Das bekannte CAN-Protokoll SAE J1939 benutzt
diese Bitrate. Der Oszillator 303 kann ein Dallas Maxim
DS1086 mit einer in 5,12-MHz-Stufen digital einstellbaren Grundfrequenz
von zwischen 33,3 und 66,6 MHz sein. Innerhalb jeder Stufe kann
die Frequenz in 5-kHz-Schritten verstellt werden, d. h. 1024 Schritte,
die eine Auflösung
von ca. 1 Promille ergeben.
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Beispiele
für Bitgeschwindigkeiten,
die mit CC1 erzielt werden:
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Aus
obigem Beispiel geht hervor, dass sich eine Zeitauflösung von
Teilen einer Nanosekunde in der Bitzeit je Einstellschritt erzielen
lässt und
mit ein und der gleichen Eingangsfrequenz unterschiedliche Bitzeiten durch Änderung
der An zahl von BTQ im Bit erhalten kann. Somit kann ein preisgünstiger
variabler Oszillator, wie der vorgeschlagene, zur Erzeugung von
Bits mit kleinen Unterschieden zueinander benutzt werden. Der vorgeschlagene
Oszillator hat allerdings sehr weite Toleranzen, +/–0,5 % für die eingestellte
Grundfrequenz und mehr als 3 % über
den Temperaturbereich von –40...+85 °C. Um den
Einfluss dieser Toleranzen zu vermindern, werden eine Referenzfrequenz 312 eingeführt, die
mit einem Kristalloszillator 311 erzeugt werden kann, und
der Temperatursensor 317, um die aktuelle Temperatur und
damit Möglichkeit
zur Korrektur bei Temperaturabweichungen zu erhalten. Für einige
gewisse Frequenzen gibt es Kristalloszillatoren mit hoher Präzision,
50 ppm und darunter, zu einem niedrigen Preis, da diese in massenproduzierten
Geräten
wie Mobiltelefonen, Computern, Uhren usw. verwendet werden. Der
Oszillator 311 kann vorzugsweise aus einem solchen Sortiment
ausgewählt
werden, da die Frequenz im Vergleich mit Präzision und Preis von untergeordneter
Bedeutung ist. Der Oszillator 311 taktet die Zeitfunktion 309' mit der festen
Frequenz 312, die in eine für den Rechner 310' geeignete Frequenz
heruntergeteilt sein kann. Auf entsprechende Weise ist der variable
Oszillator 303 der Zeitfunktion 309 zugeschaltet.
Der Oszillator 303 taktet den CC1. Der Mikroprozessor 305 wird vorzugsweise über die
Verbindung 314 vom Oszillator 303 getaktet, wenn
ein interner CC genutzt werden soll, er kann jedoch auch auf andere
Weise getaktet sein. Über
die Verbindung 313 stellt der Mikroprozessor 305 die
Ausgangsfrequenz 315 des Oszillators 303 ein.
Der Mikroprozessor 305 kann über die Verbindung 316 beim
Temperatursensor 317 die aktuelle Temperatur abfragen.
Darüber
hinaus ist im Speicher des Mikroprozessors Information 318 über die
Frequenz des Oszillators 311 und eventuell auch dessen
Temperaturabhängigkeit
gespeichert. Um die Genauigkeit der Frequenz 315 zu verbessern,
wird nun die Frequenz 312 wie folgt als Referenzfrequenz
herangezogen:
Das System besteht nun aus einem einstellbaren
Taktsignal 315 mit einer schlechteren Genauigkeit, z. B.
0,5 %, und einem zweiten, gut definierten Taktsignal 312 mit
einer hohen Genauigkeit, z. B. 20 ppm, wobei diese Taktsignale in
ein Verhältnis
zueinander gebracht werden sollen, damit deren Wechselbeziehung
sichergestellt ist und man demzufolge den Oszillator 303 für eine höhere Genauigkeit,
z. B. 200 ppm oder besser, kalibrieren kann. Die Messung eines Taktsignals
kann auf zweierlei Weise erfolgen. Bei der direkten Methode wird
die Periode des Taktsignals gemessen. Wenn die Periodendauer eines
25-MHz-Taktsignals
40 Nanosekunden beträgt,
erfordert eine Messung mit einer Genauigkeit von 0,1 % eine Auflösung von
5 Pikosekunden, was beim gegenwärtigen
Stand der Technik schwer realisierbar ist. Bei der zweiten Methode
wird die Anzahl der Taktimpulse über
eine bestimmte Zeitperiode gezählt
und mit der Anzahl von Taktimpulsen gemäß folgender Gleichung verglichen:
Taktimpulse_312/(309'_ImpuseProSekunde·309'_Messperiode)==
Taktimpulse_315/(309_ImpulseProSekunde·309_Messperiode)
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Wenn
die gleiche Messperiode für
beide Frequenzen benutzt wird, ergibt sich folgende, vereinfachte Gleichung:
309_ImpulseProSekunde
==
309'_ImpulseProSekunde·(Taktimpulse_315/Taktimpulse_312).
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Die
Durchführungsweise
bei der Messung ist abhängig
davon, welchen Typ von Zähler
und Peripherielogik die Implementierung bereitstellt, und dies variiert
mit dem Typ von Mikroprozessor und Peripherielogik, die zur Verfügung stehen.
Wenn z. B. ein M32C-Prozessor von Renesas Technology Corp. benutzt
wird, kann die Messung auf folgende Weise durchgeführt werden.
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Zuerst
ist sicherzustellen, dass die Taktgeber eine Taktfrequenz haben,
die unter 10 MHz liegt, da die Eingänge des Rechners dieses Prozessors
nicht für
höhere
Frequenz als diese ausgelegt sind. Der eine Taktgeber kann eine
höhere
Frequenz haben, wenn diese auch zum Takten des Mikroprozessor benutzt
wird, da diese bis zu 32 MHz betragen kann. Das Taktsignal 312 wird über den
Frequenzteiler 320, der die Frequenz auf den zulässigen Wert
von 9,5 MHz halbiert, an einen der Taktsignaleingänge 321 des
Mikroprozessors angeschlossen. Das Signal kann durch Einstellen
einer speziellen Logik für
diesen Eingang an einen 16-Bit-Zähler 310' angeschlossen
werden. Der M32C hat eine weitere Logik 322, die ein Starten
des Zählers
ermöglicht, wenn
ein einge stellteR Wert erreicht ist oder der Zähler seinen höchsten Wert
von hexadezimal FFFF erreicht hat. Wenn dies eintrifft, hat die
Zählerlogik
eine Funktion, durch die ein Eingang den Pegel wechseln kann, d. h,
man erhält
ein im Verhältnis
zur angeschlossenen Taktfrequenz heruntergeteiltes Taktsignal. Dieser
Ausgang wird danach an einen anderen Zählereingang 323 am
M32C angeschlossen. Bei diesem Zähler 310 wird die
Eingangslogik so eingestellt, dass das Signal zum Starten und Anhalten
des Zählers
benutzt wird. Dieser Rechner wird so eingestellt, dass er die interne
Uhr 324 zählt,
die mit dem Taktsignal 315 betrieben wird. Wenn der Zähler 310', der die Taktsignale 312 zählt, seinen
Wechselpunkt 1' erreicht,
wechselt der Ausgang in 322 und startet das Zählen der
Taktsignale, die vom Taktsignal 315 im Zähler 310 kommen.
Danach werden diese beiden Zähler
gleichzeitig Impulse zählen,
Wenn der erste Zähler
seinen Wechselpunkt 2' erreicht
hat, wechselt der Ausgang den Wert, und der zweite Zähler 310 wird
angehalten. Danach kann der Mikroprozessor den Wert im zweiten Zähler 1 auslesen
und diesen direkt mit dem Wechselpunkt von 1' auf 2' des ersten Zählers vergleichen. Der M32C
hat eine Logik, mit der die Taktimpulse 312 umskaliert
werden können,
indem die Frequenz heruntergeteilt wird, bevor sie dem zweiten Zähler zugeschaltet
wird. Wenn die Auflösung
bei dieser direkten Messung nicht ausreichend ist, kann die Messung
durch die Anwendung von Interrupt und Programm über eine in obigen Messmethoden
angegebene Anzahl hinaus verlängern.
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Als
Alternative zur Erzeugung einer Referenzfrequenz mit einem Kristalloszillator
kann eine solche Referenzfrequenz aus dem CAN-Bus extrahiert werden.
In diesem Fall wird ein CC benutzt, der bei Detektierung von SOF
ein Signal abgeben kann, wie z. B. der CC MCP2515 von Microchip
Technology Inc., und der CAN-Anschluss des Moduls muss auf „Listen-only"-Modus einstellbar
sein, d. h. es müssen
Nachrichten empfangen und dürfen
keine Signale auf den Bus gesendet werden können. Diese Aufgabe erfüllt der
CAN-Transceiver SN65HVD235D von Texas Instruments. Dieser kann in „Autobaud-feedback-loop" geschaltet werden, wobei
er als Signale Eingangssignale zum RX-Eingang des CC weiterleitet, während er
eine Ausgabe von CC-Signalen am TX-Ausgang auf den Bus blockiert,
d. h. entsprechend dem „Listen-only"-Modus. Mit obiger Komponentenauswahl
kann der CT1 vom Mikroprozessor 305 über die Verbindung 330 in
aktiven oder „Listen-only"-Modus gesetzt werden,
und der CC1 kann einen SOF-Impuls direkt oder indirekt an die Taktfunktion 309 oder
wahlweise über
Verbindung 331 an den Mikroprozessor 305 erzeugen.
Auf gleiche Weise können Signale
an RX1 und TX1 direkt oder indirekt über die Verbindungen 332 bzw. 333 an 309 angeschlossen
werden. Es wird vorausgesetzt, dass das oder die an den CAN-Bus 301 angeschlossene
Modul bzw. Module 304 Nachrichten, dargestellt durch 332,
senden. Damit ist die vorher beschriebene Referenzfrequenzanordnung 333 nun
nicht erforderlich. Die Extraktion der Referenzfrequenz erfolgt
durch die nachstehend beschriebenen Ablauffolge. Es wird angenommen,
dass die Bitrate auf dem CAN-Bus 301 250 kbit/s beträgt.
- 1. Der Mikroprozessor 305 stellt über die
Verbindung 313 den Oszillator 303 auf eine für den CC1
passende Frequenz ein, mit der 250 kbit/s erhalten wird, z. B. 16
MHz.
- 2. Der Mikroprozessor stellt danach über die Verbindung 313 beim
CC1 die Bitlänge
8 BTQ, 75 % Samplepunkt, SJW = 4 und Prescaler = 8 ein.
- 3. CT1 wird in „Listen-only"-Modus gesetzt.
Kommentar:
Bei
dieser Einstellung wird dem CC1 die Kompensation einer starken Abweichung
zwischen sendendem CC-Oszillator und dem eigenen Oszillator gestattet,
indem er seine Bitzeit bei jeder Resynchronisation um bis zu 4 BTQ
hochjustiert.
- 4. Wenn SOF von CC1 signalisiert wird, wird der Wert des Zählers 310 im
Capture-Register 1 gefangen.
- 4a. Alternativ fängt
der Zähler 310 jeden
Wert, wenn die Verbindung 332 eine rezessive Flanke in
einem Capture-Register aufweist.
- 5. Der Mikroprozessor liest und speichert den gefangenen Wert,
wenn er von CC1 eine SOF-Anzeige erhalten hat.
- 6. Wenn CT1 eine rezessive Flanke auf TX1 signalisiert, was
dem Zähler 310 über die
Verbindung 332 übermittelt
wird, wird der Wert des Zählers
im Capture-Register 2 gefangen.
- 7. Der Mikroprozessor liest den gefangenen Wert einen oder mehrere
Taktzyklen nach der Detektierung einer rezessiven Flanke auf TX1
ab.
- 8. Wenn der CC1 den Empfang einer Nachricht an den Mikroprozessor
angezeigt hat, liest Letzterer diese aus und rechnet mithilfe der
Regeln des CAN-Protokolls aus, wie viele Taktzyklen N in 309 diese
Nachricht vom SOF-Samplepunkt bis zur rezessiven Flanke in ACK in
Anspruch genommen hätte;
- 8a. alternativ: von der rezessiven Flanke in SOF bis zur rezessiven
Flanke in ACK.
- 9. Der Mikroprozessor berechnet den Wert M, der die Differenz
zwischen den in Capture-Register 1 und Capture-Register 2 gefangenen
Werten minus der Anzahl von Impulsen, entsprechend 6 BTQ (Anzahl
bis zum Samplepunkt in SOF), bezeichnet;
- 9a. alternativ: minus 0.
- 10. Der Mikroprozessor extrahiert die Referenzfrequenz durch
Division von N mit M.
-
Durch
wiederholte Messungen und Mittelwertberechnungen bei Nachrichten
mit dem gleichen CAN-Identifier kann die Frequenz eines spezifischen
Moduls im Netz extrahiert werden. Durch Messung von Nachrichten
mit verschiedenen CAN-Identifiern und Mittelwertberechnungen kann
eine virtuelle Systemfrequenz extrahiert werden.
-
Wenn
der Oszillator 303 für
die Referenzfrequenz kalibriert worden ist, kann er auf die richtige
Frequenz eingestellt werden, damit die korrekte Bitzeit für das System
erhalten wird. Das Bittiming-Register von CC1 wird danach auf die
für das
System angegebenen Werte eingestellt und ist danach bereit für eine aktive Signalisierung
auf dem Bus. Es ist angebracht, die Kalibrierung bei verschiedenen
Temperaturen zu wiederholen, wonach eine Temperaturkalibrierung
durchgeführt
werden kann.
-
Spreizung
-
Die
Erfindung stellt somit die Möglichkeit
bereit, unter Anwendung einfacher und preisgünstiger Standardkomponenten
ein Modul gemäß einer
CAN-Systemspezifikation
mit beliebiger Bitzeit und geringer Frequenzabweichung einzustellen.
Wie in der Einleitung angegeben, ist die Anforderung in Bezug auf
die Oszillatortoleranz der einzelnen Module abhängig vom Aufbau des Systems
und der CC-Einstellung von Bitzeit und SJW. Es besteht ein Bedarf,
die Spezifikation verifizieren und validieren zu können. Hierzu
kann der variable Oszillator 303 genutzt werden. Als Ausgangspunkt
dient die in der aktuellen Spezifikation für das CAN-System angegeben
Toleranz, z. B. 1 %. Der Mikroprozessor ist zuerst auf die Nennfrequenz,
z. B. 16 MHz, eingestellt, und eine Anzahl von Nachrichten, z. B.
1000, wird fehlerfrei empfangen. Danach stellt der Mikroprozessor (16·1,05)
MHz ein, und wenn eine Anzahl von Nachrichten, z. B. 1000, korrekt
empfangen wird, ist die obere Toleranzgrenze für Empfang verifiziert. Der
Vorgang wird mit der Oszillatoreinstellung (16·0,995) MHz wiederholt, und
wenn die gleiche Anzahl von Nachrichten korrekt empfangen wird,
ist der gesamte Toleranzbereich für Empfang verifiziert. Danach
wird der Vorgang mit einem Senden der entsprechenden Anzahl von
Nachrichten wiederholt, und wenn diese gesendet werden können, ohne
dass die übrigen
Module Error Frames erzeugen, ist der Toleranzbereich verifiziert.
Zur Validierung des Toleranzbereichs wird die Spreizung erweitert,
z. B. auf +/–1,5
%, und der Mikroprozessor erhöht
die Frequenz schrittweise, z. B. in 0,01-%-Schritten, nach jeder 1.000.
erhaltenen Nachricht. Für
jeden Schritt wird die Anzahl von Error Frames registriert, die
der CC1 erzeugt. Durch Erfassen aller Werte in einem Testfahrzeug über einen
längeren
Zeitraum und unter extremen Verhältnissen
kann die Anzahl von Error Frames als Funktion der Frequenz zusammengestellt
werden, und damit lassen sich die Grenzen für die zulässige Frequenzabweichung im
System validieren.
-
In 4 ist
eine alternative Ausführung
der erfindungsgemäßen Anordnung 402 dargestellt,
die an einen CAN-Bus 401 angeschlossen ist und mit 250
kbit/s ar beitet. Das Modul 402 hat eine dreifache Bestückung mit
CC, CT und Oszillatoren sowie einen Mikroprozessor 405 mit
erforderlichen Peripheriekomponenten 406. Das Modul ist über die
Verbindung 408, z. B. eine USB-Verbindung, an einen übergeordneten
Rechner 407, z. B. einen PC, angeschlossen. Die Mikroprozessoranordnung
umfasst eine Zeitfunktion 409 und eine Anzahl von Capture-Registern 410.
Der Oszillator 411 taktet den Mikroprozessor und die Zeitfunktion.
Im Mikroprozessor enthalten bzw. an diesen angeschlossen ist ein
CAN-Controller CC1, der ebenfalls mit dem Oszillator 411 getaktet
wird. Der CC ist auf herkömmliche
Weise über
die RX- und TX-Verbindungen an einen Transceiver CT1 angeschlossen.
Der erste CT kann über
die Verbindung 414 von Prozessor 405 in aktiven
oder passiven Modus gesetzt werden. Auf die gleiche Weise sind weitere
zwei CAN-Controller und -Transceiver, CC2 und CT2 bzw. CC3 und CT3,
angeordnet. Diese werden jedoch von den Oszillatoren OSC2 bzw. OSC3
getaktet. Die Frequenz der letztgenannten Oszillatoren kann über die
Verbindungen 415 bzw. 416 vom Mikroprozessor gesteuert
werden. Die Oszillatoren OSC2 und OSC3 sind von variablem Typ wie
bereits vorstehend beschrieben, und der Oszillator 411 hat
eine feste Frequenz. Darüber
hinaus ist die Mikroprozessoranordnung mit einem oder mehreren Timern,
mit 417 dargestellt, und einem Temperatursensor 418 ausgerüstet.
-
Aktives Detektieren
-
1. Bestimmung des Samplepunkts
-
Ein
Zielmodul 403 im Samplepunkt des Systems ist zu bestimmen.
Eventuell angeschlossene sonstige Module 404 werden abgeschaltet
oder in einen Modus gesetzt, bei dem sichergestellt ist, dass keine
aktive Signalisierung auf den Bus und kein Senden eines ACK-Bits
oder Error Frames erfolgen kann, sog. „Silent"-Modus. Um den Samplepunkt des Moduls 403 bestimmen
zu können,
werden CC2 auf 1 Mbit/s mit 20 BTQ und OSC2 auf 40 MHz eingestellt,
CT1 und CC1 werden auf gewohnte Weise für eine Kommunikation mit der
Bitgeschwindigkeit 250 kbit/s eingestellt. Die Einstellung ist nicht
kritisch, da der CC1 lediglich zur Detektierung von Fehlern benutzt
werden wird. Der CC2 erhält
den Befehl zum Senden einer Nachricht mit einem CAN-Identifier,
der mit 0011111 eingeleitet wird. Der restliche Teil der Nachricht
ist bedeutungslos. Das Zielmo dul wird 00 als ein SOF auffassen.
Es wird angenommen, dass das Modul einen 16-MHz-Taktgeber hat und dieser
für 16
BTQ und 75 % Samplepunkt eingestellt ist, d. h. 4 BTQ vor dem Ende.
In 4 ist das Verfahren ausführlicher dargestellt. Der CC1
sendet die Nachricht wie oben beschrieben, hier dargestellt mit 501.
Das Zielmodul registriert ein SOF und erwartet, eine Null gemäß 502 zu
lesen. Durch Erhöhen
der Frequenz von OSC2 wird der Impuls kürzer gestaltet, so dass das
Zielmodul im Samplepunkt eine Eins liest, hier dargestellt mit 503 und 503'. Das Zielmodul
interpretiert dann die rezessive Flanke als eine Störung und
führt keine
Maßnahme
durch. Durch Senken der Frequenz bei OSC2 wird der Impuls länger gestaltet
(504, 504'),
und wenn das Zielmodul einen dominanten Pegel erkennt, wird es danach
Nullen und Einsen erwarten, jedoch höchstens vier Nullen in Folge
oder fünf
Einsen in Folge, gemäß den Regeln
für CAN.
Durch Variieren der Frequenz bei OSC2 und damit auch des Impulses,
so dass das Zielmodul abwechselnd innerhalb immer engerer Intervalle ein
Error Frame erzeugt bzw. nicht erzeugt, kann der Samplezeitpunkt
des Zielmoduls mit hoher Genauigkeit berechnet werden, indem die
Fähigkeit
des CC, CAN-Nachrichten zu senden, ausgenutzt wird. Es ist jedoch erforderlich,
dass die Ausgabe von Signalen vom CC2 an den Bus nach dem Erzeugen
des Impulses verhindert wird, und der CC1 darf den Bus nicht auslesen
können,
bevor der Impuls abgeklungen ist. Dies wird dadurch erzielt, dass
vor Beginn des Vorgangs der CT2 in aktiven Modus gesetzt und der
CT1 vom Bus abgeschaltet werden. Wenn der CC2 seinen eigenen Samplepunkt 505 in
seinem eigenen SOF detektiert, triggert er den Timer 507 mit
dem Signal 508. Dieses Signal ist auf annähernd 7 μs gesetzt.
Wenn die Zeit abgelaufen ist, wird das Signal 509 erzeugt,
das den CT2 vom Bus abschaltet und den CT1 einschaltet, wobei CT-Modi indirekt
ausgenutzt werden, indem das Umschalten während der andauernden CAN-Signalisierung
erfolgt. Der Umschaltvorgang ist durch 510 dargestellt.
Dies resultiert darin, dass der CC1 den Bus als rezessiv (511)
ausliest, wenn der Impuls kürzer
ist als der Samplepunkt des Zielsystems, wenn dagegen der Impuls
länger
ist als der Samplepunkt des Zielsystems, wird ein aktives Error
Flag gesetzt, nachdem das Zielmodul sechs rezessive Bits (512)
detektiert hat. Der CC1 wird dies als ein SOF (513) detektieren,
und nach fünf Bits
in Folge wird er ein aktives Error Flag (514) erzeugen.
Dieses Ereignis erzeugt ein Interrupt 515 an den Mikroprozessor
entweder durch ein SOF oder ein aktives Error Flag oder durch beide,
abhängig
von den Eigenschaften und der Einstellung des CC1, der dadurch über Information
verfügt,
um indirekt den Samplepunkt des Zielmoduls nach der dargestellten
Methode feststellen zu können.
Der Mikroprozessor kann somit mithilfe des CC1 detektieren, ob das
Zielsystem ein aktives Error Flag sendet oder nicht. Die in CAN
spezifizierte Fehlerhandhabung wird indirekt zur Messung des Samplezeitpunkts
benutzt.
-
Verbesserte Genauigkeit
-
Bei
dem oben ausgewiesenen Verfahren wird der Samplepunkt mit einer
ansteigenden Flanke bestimmt. Das es sich um eine passive Flanke
handelt, ist deren Steilheit abhängig
von der Terminierung und Kapazitanz des Busses. Eine rezessive Flanke
ist aktiv gesteuert und daher steiler. Nachdem nun der Samplepunkt
grob bekannt ist, kann dessen Position mit zusätzlicher Genauigkeit bestimmt
werden, wenn eine rezessive Flanke eingegabelt wird. Jetzt wird
der CAN-Identifier der gesendeten Nachricht mit 0101111 eingeleitet,
was einen Doppelimpuls 515 erzeugt. Die Nachricht wird
mit der gleichen Bitgeschwindigkeit wie vorher gesendet. Wenn kein
Error detektiert wird, liegt der Samplepunkt 516 des Zielmoduls
in der Null. Wird ein Error detektiert, liegt der Samplepunkt in
der Eins, was hier durch 516' dargestellt
ist. Der Samplepunkt wird eingegabelt, indem die Bitzeit erhöht wird,
wenn ein aktives Error Flag erzeugt wird, bzw. indem die Bitzeit
verringert wird, wenn das aktive Error Flag ausbleibt. Mit einem
schrittweise abnehmenden Intervall wird der Samplepunkt bestimmt.
-
Bestimmung der Bitgeschwindigkeit
des Zielmoduls
-
Zur
Bestimmung der Bitgeschwindigkeit des Zielmoduls werden OSC2 und
CC2 zur Erzeugung eines Impulses benutzt, der vom Zielmodul abwechselnd
als die Einleitung einer Nachricht mit dem CAN-Identifier 00001x
und einer mit dem CAN-Identifier 00000x, wobei ein Bitstuffingfehler
auftritt, interpretiert wird. In 6 sind solche
Impulse dargestellt. Im erstgenannten Fall wird das Zielmodul ein
Error Frame senden, nachdem es fünf
rezessive Bits gezählt
hat, während es
im anderen Fall das Error Frame unmittelbar nach dem Detektieren
des fehlerhaften Bitstuffingbits sendet. Hierdurch ergibt sich die
Möglichkeit
zu einer Messung der Bitgeschwindigkeit des Zielsystems mit im Prinzip
der gleichen Methode, die bereits vorher beschrieben wurde, für die Einmessung
des Samplepunkts durch indirekte Nutzung der Spezifikation von Bit,
Stuffingbit, Nachricht und Fehlerhandhabung gemäß der CAN-Spezifikation. Da
nun der Samplepunkt des Zielmoduls bestimmt worden ist, lässt sich
ein Maß für die höchstmögliche Bitgeschwindigkeit
erhalten, die 25/23stel der Samplezeit beträgt. Es kann zweckmäßig sein,
CC2 und OSC2 so einzustellen, dass man eine Bitzeit erhält, die
4/3 der gemessenen Zeit beträgt.
Mit der vorher beschriebenen Methode wird ein Impuls mit der Länge von
fünf Bitzeiten
erzeugt. Impuls 601 ist länger geworden als die Summe
von SOF, vier Bits in Folge und der Zeit bis zum Samplepunkt S gemäß dem CC,
so dass dieser ein aktives Error Flag 602 aufgrund eines
Stuffingfehlers im nächsten
folgenden Bit erzeugt. Der Impuls 603 ist dagegen zu kurz,
so dass der CC des Zielmoduls eine Eins nach vier Nullen liest.
Nach dem Lesen von vier weiteren Einsen erwartet der CC eine Null 604,
liest aber statt dessen eine Eins und erzeugt deshalb ein aktives
Error Flag 605. Der Samplepunkt S des Zielmoduls ist dann zwischen
den Impulslängen
T1 und T2 eingeschlossen worden. Durch schrittweises Verringern
der Differenz zwischen T1 und T2 lässt sich die Zeit von der rezessiven
Flanke in SOF bis zum Samplepunkt S bestimmen. Die Bitzeit Tbm ergibt
sich aus folgender Gleichung: Tbm = (5·Tb – Tsm)/5worin
Tb die Bitzeit für
den CC2 bezeichnet und Tsm die Zeit des Zielmoduls bis zum Samplepunkt.
Da keine rezessive Flanke erzeugt worden ist, ist das Zielmodul
nie resynchronisiert worden.
-
Bestimmung der Synchronisationssprungweite
(SJW)
-
Die
Synchronisationssprungweite (SJW) bestimmt die maximale Justierung
der Bitzeit, die ein empfangendes Modul durchführen darf. Wenn nun der CC2
für Sendung
einer Nachricht gesetzt wird, deren CAN-Identifier mit 11 Einsen
eingeleitet wird, wird er die Bitfolge 01111101111101 senden, d.
h. den Dreifachimpuls 606. Durch Verlängern der Bitzeit im CC2 wird
der Dreifachimpuls 606' erhalten.
Das Zielmodul erwartet das Aussehen 607, aber da die rezessive
Flanke erst kurz vor dem Samplepunkt eintrifft, resynchronisiert
sie mit der SJW und erwartet das weitere Muster 608. Im
Samplepunkt 609 wird eine Null erwartet aber eine Eins gelesen,
und demzufolge wird ein aktives Error Flag 610 gesendet.
Durch Verkürzen
der Dreifachimpulsdauer kann das Zielmodul die Nachricht korrekt
empfangen. Auf diese Weise ist die Samplezeit 609 eingegabelt
worden und kann durch Variieren der Bitzeit von CC2 direkt gemessen
werden. Wenn die Zeit T3 von SOF bis zum Samplepunkt festgestellt
worden ist, ergibt sich die SJW-Zeit anhand folgender Gleichung: TSJW = T3 – (12·Tbm +
Tsm)
-
Bestimmung der Signalverzögerung
-
Die
Signalverzögerung
zwischen dem Zielmodul und dem Messmodul lässt sich einfach auf folgende Weise
messen. Den CC2 so einstellen, dass er eine Nachricht sendet, die
mit dem CAN-Identifier 111111x eingeleitet wird, d. h. es wird ein
Stuffingbit erzwungen. Nachdem ein SOF erzeugt worden ist, schaltet
der CT2 den Anschluss TX vom Bus ab, und damit ist der Impuls 701 in 7 erzeugt.
Der CC3 liest den Bus und detektiert ein SOF. Nachdem sechs Einsen
in Folge gelesen sind, wird ein aktives Error Flag erzeugt. Im Zielmodul
läuft der
gleiche Vorgang ab, jedoch später
aufgrund der Signalverzögerung.
Die Bitzeit in CC3 wird nun verlängert,
so dass sie kein Error Frame erzeugt, sondern ein aktives Error
Flag als Beginn eines legalen dominanten Bits liest. Mit 702 ist
dargestellt, wie das Zielmodul ein aktives Error Flag erzeugt, und
mit 703, wie der CC3 dies als ein dominantes Bit interpretiert.
Durch Verkürzen
der Bitzeit von CC3 wird dieser einen Stuffingbitfehler detektieren,
kurz bevor der Wechsel vom aktiven Error Flag des Zielmoduls angekommen
ist. Die rezessive Flanke des Zielmoduls kann auf diese Weise eingekreist
werden. Durch Einstellen der Bitlänge von CC3 bis zum Wechselpunkt
zwischen unmittelbarer Error-Frame-Erzeugung und nach fünf Bits in Folge kann die rezessive
Flanke des Zielmo duls eingemessen werden. Die Signalverzögerung Tsjw
ergibt sich nun aus folgender Gleichung: Tsjw
= (6·Tb3
+ Ts3) – (6·Tm + Tsm)worin
Tb3 die Bitzeit von CC3 und Ts3 dessen Samplezeit sowie Tm die Bitzeit
des Zielmoduls und Tsm dessen Samplezeit bezeichnen.
-
Kalibrierung von CC2 und
CC3
-
Die
vorstehend beschriebenen Methoden setzen voraus, dass die Bitzeiten
von CC2 und CC3, d. h. OSC2 und OSC3, nach einem Referenzwert kalibriert
werden. Als Referenz wird der Oszillator 211 herangezogen.
Der CC1 wird für
eine vorgegebene Bitgeschwindigkeit, z. B, 250 kbit/s, und der Samplezeitpunkt
auf 75 % der Bitzeit eingestellt. Mithilfe der bereits beschriebenen
Methode zur Messung der Bitgeschwindigkeit des Zielmoduls wird nun
die Bitgeschwindigkeit von CC1 mit CC2 bzw. CC3 eingemessen. Alternativ
wird der Samplezeitpunkt von CC1 nach der beschriebenen Methode
eingemessen, und dann wird direkt ein Wert für die Aussteuerungsspannung
von OSC2 bzw. OSC4 erhalten, um eine Bitlänge für 250·0,75 = 187,5 kbit/s zu erhalten.
Der jeweilige Oszillator schwingt temperaturabhängig. Mit dem Temperatursensor 418 wird
die momentane Temperatur während
des Kalibrierens gemessen. Durch Wiederholung des Kalibriervorgangs
bei verschiedenen Temperaturen kann eine Temperaturkompensation
berechnet werden. Alle Messungen können nun mit dem Oszillator 411 als
Referenz durchgeführt
werden. Dieser wiederum kann entsprechend einer externen Referenz
nach einer Methode kalibriert werden, die in den schwedischen Patentanmeldungen
SE 0401922-0 und SE 0401130-0 beschrieben ist.
-
Damit
der jeweilige CC im aktiven Error-Modus verbleibt, kann zwischendurch
eine Anzahl von Nachrichten gesendet werden, die als korrekt gesendet
interpretiert wird, damit die Fehlerzähler gemäß den Regeln des CAN-Protokolls
abwärts
zählen.
-
Alternativer
Aufbau und Kalibrierung
-
In 8 ist
eine alternative Gestaltung dargestellt, Der Kristalloszillator 411 ist
hier durch einen variablen Oszillator OSC1 ersetzt, der die CPU 405' und den CC1
taktet. Ein Referenzkristalloszillator 801 von guter Qualität, mit z.
B. 16 MHz und 20 ppm Genauigkeit oder 12 MHz und 50 ppm Genauigkeit,
ist hinzugekommen. Diesem und dem jeweiligen OSC sind die Zähler 802, 803, 804 bzw. 805 zugeschaltet,
die alle gleichzeitig von der CPU 405' gestartet und abgeschaltet werden
können
oder wahlweise Capture-Register haben, die gleichzeitig „gefroren" werden können. Der
Oszillator 801, der mit fester Frequenz arbeitet, kann
zum Takten von Peripherieausrüstung
benutzt werden, die vorzugsweise mit einer festen Frequenz arbeitet,
beispielsweise die Kommunikationskreise 806 für den übergeordneten
Rechner 407'.
Durch gleichzeitiges Zählen
der Impulse von 801 und dem jeweiligen OSC während ein
und des gleichen Zeitraums kann ein Bezug zwischen der Frequenz
dieser Oszillatoren und der Frequenz von 801 hergestellt
werden. Damit verfügt
die CPU 405' über ein
Werkzeug zum Einstellen des jeweiligen OSC auf eine beliebige Frequenz
innerhalb dessen Frequenzbereichs mit einer vorgegebenen Genauigkeit
im Verhältnis
zur Referenzfrequenz 801. Auf diese Weise ist eine lokale
Zeitbasis erstellt worden. Viele CPU haben einen oder mehrere eingebaute
CC, die mit der gleichen Basisfrequenz getaktet werden wie die CPU
selbst. Wenn die Basisfrequenz fest ist, begrenzt dies die Möglichkeiten
zur Anpassung eines eingebauten CC an eine geeignete Bitgeschwindigkeit
und an einen geeigneten Samplepunkt in einem CAN-System, das mit
einer anderen Grundfrequenz arbeitet. Da im vorliegenden Fall der
OSC1 justiert werden kann, kann auch ein eingebauter CC1 vorteilhafterweise
zur Anwendung kommen. Eine Anpassung der lokalen Zeitbasis an den übergeordneten
Computer 407' kann
erforderlich sein. Wenn die Kommunikation zwischen 402' und 407' ein Protokoll
benutzt, das auf synchronen Zeitlücken basiert, die vom übergeordneten
Rechner vorgegeben werden, z. B. USB, kann dessen SOF-Impuls ausgenutzt
werden, indem die Impulse des Oszillators 801 während einer
Zeitlücke
gezählt
werden. Eine Umschalteinheit 807 wird von der CPU 405' so gesteuert,
dass sie SOF-Impulse
von der USB-Einheit 806 einschaltet, die den Zähler 802 ein-
und aus schalten oder wahlweise dessen Capture-Register „gefrieren". Auf diese Weise
wird die Anzahl von Impulsen erhalten, die der Oszillator 801 während einer
Zeitlücke
erzeugt.
-
Passive Überwachung
-
Die
früher
beschriebenen Methoden setzen voraus, dass nur jeweils ein Zielmodul
eingeschaltet ist und eine aktive Signalisierung angewendet werden
kann. Dies ist in vielen Fällen
nicht möglich
oder nicht erwünscht.
Eine Methode, bei der Qualitätsmessung
indirekt die Eigenschaften der CAN-Controller und des CAN-Protokolls
zu nutzen, kann folgenden Ablauf haben.
-
Der
CC1 in 4 wird auf die Nenn-Bitgeschwindigkeit des Systems
eingestellt. Der CC2 wird schrittweise in Richtung einer niedrigeren
und CC3 in Richtung einer höheren
Bitgeschwindigkeit verändert.
Jedem CC werden in 409 zwei Capture-Register zugeordnet.
Die Zeit wird bei SOF sowie bei ACK-Bit oder lokal erzeugtem Error
Frame gefangen. Sämtliche
CT sind so eingestellt, dass ein Abhören, aber kein Senden auf dem
Bus erfolgen kann. Der TX3-Ausgang von CC3 wird über Verbindung 419 mit
dem Capture-Register 1 verbunden. Wenn der CC3 TX3 aktiviert, wird
die Zeit im Capture-Register 1 „gefroren". Auf diese Weise wird die Zeit für ein erzeugtes
ACK-Bit oder ein aktives Error Flag gefangen. Das Capture-Register
2 wird mit Verbindung 420 an das SOF-Signal von CC3 angeschlossen.
Auf diese Weise wird jede rezessive Flanke auf dem Bus gefangen,
die der CC3 als ein SOF interpretiert. CC1 und CC2 werden auf entsprechende
Weise an ihre jeweiligen Capture-Register angeschlossen. Nach jeder
von CC1 detektierten Nachricht oder jedem erzeugten Error Frame
liest der Mikroprozessor vorzugsweise folgende Werte aus:
Temperatur
Für jeden
CC:
Zeitpunkt für
SOF
Zeitpunkt für
ACK oder Error Frame
TSEG_1 und TSEG_2
Prescaler
SJW
Oszillatorfrequenz
CAN-Identifier
RTS-Bit
DLC
Empfangenes
Bitmuster im Empfangspuffer
TEC
REC
Error-Status-Register
-
Diese
Werte werden über
die Verbindung 408 an den übergeordneten Rechner 407 gesendet.
Der übergeordnete
Rechner protokolliert die zugesendeten Nachrichten. In bestimmten
Zeitabständen,
z. B. jede Sekunde, gibt der übergeordnete
Rechner dem Mikroprozessor 405 den Befehl, beim CC2 die
Bitzeit um ein bestimmtes Maß,
z. B. 0,1 %, zu verringern und beim CC3 um das gleiche Maß zu erhöhen. Mit
zunehmender Abweichung werden CC2 und CC3 Error Frames für bestimmte
Nachrichten erzeugen, während
CC1 korrekte Nachrichten empfängt.
Anhand von SOF- und ACK-Zeitstempelungen lässt sich feststellen, ob die
Lücke zwischen
einer Nachricht und der darauf folgenden Nachricht größer ist
als drei Bitzeiten. Wenn dies der Fall ist, haben keine Arbitrierung
und damit keine Resynchronisation beim Absender stattgefunden. Durch Überprüfung, bei
welchen Bitzeiten bei CC2 und CC3 die Erzeugung von Error Frames
für einen
vorgegebenen CAN-Identifier beginnt, lässt sich feststellen, um wie
viel die Bitzeit des sendenden Moduls von der des Messmoduls abweicht.
Die Bitgeschwindigkeit des sendenden Moduls ist der Mittelwert der
Bitgeschwindigkeiten von CC2 und CC3 beim Auftreten von Error Frames,
wenn CC2 und CC3 die gleiche SJW, vorzugsweise ein BTQ, haben. Da
jede Nachricht mit einem von Null getrennten DLC nur einen Absender
hat, kann die Bitgeschwindigkeit jedes Moduls im System bestimmt
werden. Durch eine kontinuierliche Überwachung eines Systems auf
diese Weise, können
Variationen im jeweiligen Modul gemessen und auf verschiedene Betriebssituationen
bezogen werden, und die Grenze für
ernstliche Störungen
lässt sich
extrapolieren.
-
Bestimmung der Nachrichtenlänge
-
Die
Länge einer
CAN-Nachricht variiert mit der Oszillatorfrequenz und Einstellung
des sendenden Moduls, der Resynchronisation beim Arbitrieren und
der Anzahl der Stuffingbits. Ein CC, z. B. CC3, wird auf die für Nenn-Bitgeschwindigkeit
des CAN-Systems und der CT3 auf einen Modus, in dem er nicht aktiv
an der Kommunikation beim Senden beteiligt ist, beispielsweise Autofeedback-Loop
im Fall TI 235, eingestellt. Beim SOF-Signal in CC3 werden
der Wert der Zeituhr 409 über 419 und des ACK-Bits über 420 im
Capture-Register 410 der
Zeituhr gefangen. Die Länge
der Nachricht ti ergibt sich aus folgender Gleichung: ti
= Ts3 + (tACK – ts)
+ 9·Tb3worin
- Ts3
- Samplezeit in CC3
- tACK
- Uhrzeit beim ACK-Bit
- ts
- Uhrzeit beim Samplepunkt
in SOF
- Tb3
- Bitzeit gemäß CC3
-
Die
Anzahl der Stuffingbits kann nach dem Empfang durch Anwendung der
Regeln des CAN-Protokolls berechnet werden, und damit kann auch
die Gesamtanzahl von Bits B in der Nachricht bestimmt werden. Da
eine Zeitstempelung bei der rezessiven Flanke beim ACK-Bit stattgefunden
hat und auf diese 8 Bits folgen, kann die Bitgeschwindigkeit Tb
beim sendenden Modul mit großer
Genauigkeit ermittelt werden durch folgende Gleichung: Tb = [Ts3 + (tACK – ts)]/(B – 9)
-
In 9 ist
eine von mehreren Hardwareaufbauten dargestellt. Zwei oder mehr
CC werden einer Umschalteinheit 901 zugeschaltet, die über die
Verbindung 902 von der CPU 405'' gesteuert
wird. Die CPU kann die TX-Verbindung umschalten vom jeweiligen CC
von der Verbindung an TX4 auf den eigenen RX-Eingang des CC, an einen anderen CC-RX-Eingang,
an einen Triggerausgang 903, der an ein geeignetes Ziel,
z. B. ein Capture-Register oder eine CC-Modusumschaltung, oder die TX-Verbindung
kann völlig
abgeschaltet werden. Die jeweilige CC-RX-Verbindung kann an RX4,
einen anderen oder andere CC-TX
geschaltet oder völlig
abgeschaltet werden. Auf diese Weise lassen sich einfach unterschiedliche
Konfigurationen für
verschiedene Zwecke realisieren. Außerdem können CC mit verschiedenen Eigenschaften
parallelgeschaltet werden, was von Vorteil sein kann. Zum Beispiel
kann MCP2515 ein SOF-Signal
erzeugen, ein Leistungsmerkmal, das den internen CC im Mikroprozessor
M16C von Mitsubishi fehlt. Letzterer hat ein technisch ausgefeiltes
Fehlerregister, das Schlussfolgerungen darüber zulässt, um welchen Typ von Fehler
es sich handelt und wo dieser in der Nachricht festgestellt wird,
ein Leistungsmerkmal, das dem vorher genannten CC fehlt. Durch Anschluss von
deren RX-Anschlüssen gemeinsam
an RX4 kann mehr Information über
eine korrupte Nachricht auf dem Bus erhalten werden.
-
Automatische Anpassung
an die anstehende Bitgeschwindigkeit in einem System
-
Die
vorher beschriebene Methode zum Einmessen der Länge einer Nachricht kann zur
automatischen Anpassung an die in einem System anstehende Bitgeschwindigkeit
zur Anwendung kommen. Die Länge
empfangener Nachrichten wird mithilfe eines Zählers gemessen, der an den
OSC3 angeschlossen ist. Der Rechner wird mit SOF gestartet und mit
ACK angehalten. Die Anzahl der Impulse, die dabei gezählt werden,
ergibt die Rohlänge
der Nachricht bis zum Acknowledge-Bit in der Sorte von Impulsen.
Die empfangene Nachricht wird danach gemäß den Regeln im CAN-Protokoll
so umgerechnet, dass die Anzahl von Impulsen bis zum Acknowledge-Bit
erhalten und multipliziert wird mit der Anzahl von Impulsen vom
OSC3, was ein Bit ergibt. Wenn die Anzahl von Bits gleich groß ist, hat
das Modul die korrekte Frequenz im Verhältnis zum sendenden Modul.
Bei höherer
Anzahl eigener Impulse ist die Frequenz des OSC3 zu verringern,
umgekehrt ist sie bei niedrigerer Anzahl zu erhöhen. Durch Wiederholen der
Messung bei Nachrichten von mehreren Modulen im System vor einer
Korrektur und Mittelwertbildung des Resultats kann eine Anpassung
an eine fiktive mittlere Bitlänge
im System durchgeführt
werden. Auf diese Weise kann ein Modul auf eine zuverlässige Weise
mit anderen Modulen zusammenarbeiten, auch wenn die Toleranz des
eigenen Oszillator weite Grenzen hat.
-
Die
Erfindung beschränkt
sich nicht auf die oben dargestellte Ausführungsform, sonder kann im
Rahmen der nachfolgenden Ansprüche
und des Erfindungsgedankens modifiziert werden.
