WO2001052074A1 - 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 teilnehmern Download PDF

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WO2001052074A1
WO2001052074A1 PCT/DE2000/004021 DE0004021W WO0152074A1 WO 2001052074 A1 WO2001052074 A1 WO 2001052074A1 DE 0004021 W DE0004021 W DE 0004021W WO 0152074 A1 WO0152074 A1 WO 0152074A1
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transmitted
bus system
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Andreas Weigl
Thomas Fuehrer
Bernd Mueller
Florian Hartwich
Robert Hugel
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Robert Bosch Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F13/00—Interconnection of, or transfer of information or other signals between, memories, input/output devices or central processing units
    • G06F13/14—Handling requests for interconnection or transfer
    • G06F13/36—Handling requests for interconnection or transfer for access to common bus or bus system
    • G06F13/362—Handling requests for interconnection or transfer for access to common bus or bus system with centralised access control
    • G06F13/3625—Handling requests for interconnection or transfer for access to common bus or bus system with centralised access control using a time dependent access
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F13/00—Interconnection of, or transfer of information or other signals between, memories, input/output devices or central processing units
    • G06F13/14—Handling requests for interconnection or transfer
    • G06F13/36—Handling requests for interconnection or transfer for access to common bus or bus system
    • G06F13/368—Handling requests for interconnection or transfer for access to common bus or bus system with decentralised access control
    • G06F13/372—Handling requests for interconnection or transfer for access to common bus or bus system with decentralised access control using a time-dependent priority, e.g. individually loaded time counters or time slot

Definitions

  • the invention relates to methods and apparatus for
  • the CAN protocol has been used as the state of the art in automotive networking for several years.
  • the communication there is controlled by events. Very large loads can be generated if the sending of different messages is to be initiated at the same time.
  • CAN's non-destructive arbitration mechanism guarantees that all messages are sent sequentially according to the priority of their identifiers. For hard real-time systems, an analysis of the runtimes and bus loads for the entire system must be carried out beforehand to ensure that all message deadlines can be met (even under peak load).
  • the invention thus includes a method and a device for exchanging data in messages between at least two participants which are connected by means of a bus system, the data-containing device
  • each message contains an identifier that characterizes the data contained, each participant deciding on the basis of the identifier whether it receives the message. It is considered the underlying
  • Bus system or bus protocol in particular expediently uses the CAN bus.
  • the invention relates generally to any bus system or bus protocol in which an object-oriented message or data transmission is used, that is to say the message and / or the data contained therein can be clearly identified by an identifier. This applies to all buses in which not the participants but the messages or their data are addressed, in particular the CAN bus.
  • the messages are advantageously timed by a first subscriber in such a way that the first subscriber repeatedly transmits a reference message over the bus at at least one predefinable time interval and the time interval in time windows of predeterminable length is divided, with the messages being transmitted in the time slots.
  • the invention thus advantageously comprises a higher protocol layer for the actual bus (CAN) protocol, which remains unchanged in the context of the time-controlled communication according to the invention.
  • the time-controlled communication thus advantageously allows the bus to be fully utilized and, at the same time, the latency times for each message are kept at a defined value.
  • the invention thus comprises a cyclical transmission of bus (CAN) messages.
  • CAN bus
  • TTCAN bus
  • a CAN bus is assumed in the following, whereby, as mentioned above, the considerations generally apply to all bus systems or bus protocols with object-oriented message transmission.
  • the reference message and the subsequent time slots until the next reference message are expediently combined into a first cycle of predeterminable length and / or predefinable structure, the structure corresponding to the length, number and temporal position of the time slots following the reference message in the time interval.
  • a plurality of first cycles of the same structure are advantageously combined to form a second cycle, messages in time slots whose time interval being greater than the time length of the first cycle also being repeatedly transmitted in the second cycle.
  • a cyclical message transmission is expediently omitted in at least one time window of the first or of the second cycle.
  • Arbitrating messages can then be transmitted in these initially empty time windows, that is to say those which do not have to be transmitted cyclically but are available, for example, when certain processes have ended.
  • FIG. 1 schematically shows a bus system with several participants.
  • FIG. 2 shows the basic sequence of the first cycles or basic cycles and the second cycles, the total cycles over time.
  • Figure 3 illustrates in detail the creation and message occupancy of the time window.
  • TTCAN is essentially based on a time-controlled, periodic communication, which is carried out by a timer (Node, subscriber) with the help of a time reference message, or shorter reference message RN is clocked.
  • the period until the next reference message RN is called the basic cycle and is divided into n time windows (see FIG. 2). Each time window allows the exclusive sending of a periodic message of different lengths.
  • These periodic messages are sent in a TTCAN controller using time stamps that are linked to the expiration of a logical relative time.
  • TTCAN also allows the consideration of free ones
  • Time windows These time slots can be used for so-called spontaneous messages, whereby access to the bus within these time slots is used via the arbitration scheme from CAN (arbitrating messages).
  • the synchronization of the timer clock (global time gZ) with the internal local time of the individual nodes 1Z1 to 1Z4 is taken into account and implemented efficiently.
  • FIG. 1 shows a bus system 100 with a plurality of bus users 101 to 105.
  • Each user 101 to 105 has its own time base 106 to 110, which on the one hand by an internal means such as a clock, counter, clock generator, etc. or externally to the respective user can be transferred.
  • the respective local time base 1Z1 to 1Z4 is in particular a counter, for example 16-bit counting up, which may only be influenced by a hardware reset.
  • the local time base is implemented here in each node or subscriber 102 to 105.
  • One participant, the timer, 101 has an exposed position.
  • Its time base is referred to as the global time base 106 with the global time gZ and is either implemented in the timer 101 or is transmitted externally to it.
  • the global time gZ is formed in each node from the local time base 107 to 110 or the local time 1Z (1Z1 to 1Z4) and an offset OS1 to OS4.
  • OSg is not zero occurs, for example, if the global Time gZ is transmitted from the outside to the timer 101, which also contains its own time base 106. Then the timer is also calibrated to the global time gZ and gZ and the time base 106 may not match.
  • the local offset is the difference between the local time at the time of transmission (SOF, Start Of Frame) of the reference message and the global time transmitted by the timer in this reference message.
  • the local time base is a counter, e.g. 16-bit up-counting, which may only be influenced by a hardware reset.
  • the local time base is implemented in every node.
  • the reference marker is e.g. designed as a 16-bit register.
  • Timer reference mark This is the reference mark of the timer received by the timekeepers in the reference message.
  • Local offset at global time The local offset at global time is the difference between the reference mark in the intermediate register and the global time stamp received in the reference message. It is used to calculate the global time from the local time.
  • the offset of the timer itself remains constant.
  • the timer sends its local reference mark plus local offset in the reference message.
  • the timer 101 is therefore also the node or
  • the arrow 112 indicates that the reference message RN 111 is sent to the other participants 102 to 105, in particular at the same time.
  • the reference message RN is the basis for the time-controlled, periodic operation of TTCAN. It is clearly identified by a special identifier, a special identifier, and is received by all nodes, here 102 to 105, as a clock. In principle, it is sent out cyclically by the timer 101.
  • the reference message can contain the following data: The number of the current basic cycle BZn, the reference mark of the timer in global time.
  • the reference mark is created by taking over the internal counter reading at the time of the "start of frame” bit (SOF) when the reference message from the timer is received.
  • SOF start of frame bit
  • the relative time RZl to RZ4 and RZg listed in the participants is the difference between the local time base and the last reference mark. All definitions regarding the used time stamps refer to the relative time of an individual participant. For example, it can be used permanently Signal present (for example by linking the two register values via a gate).
  • the reference mark determines the relative time of all nodes on the TTCAN bus.
  • the Wartchdog Wg and Wl to W4 also shown is a special relative time.
  • Such a relative time (watchdog) is defined in each node, at which a new reference message and thus also reference mark is expected at the latest.
  • the watchdog thus represents a special time stamp.
  • the watchdog is used primarily for initialization and reinitialization to monitor whether communication has actually been established. In this case, the watchdog should always be larger than the distance between the reference messages.
  • a time stamp is a relative point in time that establishes the relationship between the relative time and an action in the original bus (CAN) controller.
  • a time stamp is shown as a register, whereby a controller can manage several time stamps.
  • Several time stamps can be assigned to a message (see e.g. in Figure 4: Transmission group A occurs both in time window ZFla and in time window ZF4a).
  • Figure 2 shows the principle of time-controlled, periodic message or data transmission over time.
  • This message transmission is clocked by the timer using the reference message.
  • the period tO to t6 becomes referred to as the basic cycle BZ and divided into k time windows (ke W).
  • the reference messages RN of the respective basic cycles BZO to BZ3 are transmitted from tO to tl, t6 to t7, tl2 to tl3 and tl8 to tl9 in the time window ZFRN.
  • an overall cycle GZ1 can be formed from several basic cycles of the same structure, which begins at tO and ends at t24 in order to be run through again.
  • the time windows include, for example, 2 to 5 segments, each with 32 bit times, for example.
  • the number of time windows is, for example, 2 to 16, whereby only one time window or more than 16 would also be possible.
  • the number of basic cycles in a total cycle is, for example, 2 m with in particular m ⁇ 4.
  • Transmission release intervals or time window release intervals are marked, which e.g. It takes 16 or 32 bit times and describes the time frame within which the sending of the message regarding the basic cycle can begin.
  • Each time window allows the exclusive sending of a periodic message of different lengths.
  • two messages of different lengths and the assignment in the time window are shown as an example.
  • Message 1 (NI) as block 300 contains e.g. 130 bits and message 2 (N2) as block 301, for example 47 bits.
  • maximum and minimum time windows can be specified depending on the message length, in this example, for example, between 2 and 5 segments per time window.
  • a maximum time window ZFmax is thus considered Block 302, which comprises 5 segments (S1 to S5), each with 32 bit times, and a minimum time window ZFmin as block 303, which comprises 2 segments (S1 and S2), each with 32 bit times.
  • the messages N1 and N2 are transmitted in these, the messages therefore not having to completely fill the time windows, rather the time window sizes are predefined in accordance with the message length.
  • ZFmax must therefore offer sufficient time or space for the longest possible message, e.g. 130 bits or bit times, and ZFmin can be adapted to the shortest possible message, e.g. 47 bits.
  • the time window is the time frame that is available for a specific message (see FIG. 3).
  • the time window of a message is with the concern of the
  • the length of the time window is determined from i segments with, for example, 32 bit times (cf. block 304a).
  • the segmentation at 32 bit times in particular represents a hardware-friendly quantity.
  • the time window must not be shorter than the longest message occurring in this time window.
  • the bit time is in particular the nominal CAN bit time.
  • the send release interval or time window release interval describes the time frame within which the sending of the message may begin.
  • the transmission release interval is part of the time window.
  • the release is therefore in the interval timestamp and timestamp plus delta.
  • the value delta is significantly smaller than the length of the time window (e.g. 16 or 32 bit times for ZFF1 or ZFF2).
  • a message that does not start within the transmission release interval must not be sent.
  • FIG. 4 now represents an overall cycle (transmission matrix) GZ2.
  • the transmission matrix consists of individual basic cycles BZOa to BZ7a. All basic cycles of the overall cycle GZ2 have the same structure. These basic cycles can optionally be made up of exclusive (A to F) and arbitrating components.
  • a basic cycle begins with a reference mark in the reference message RN and consists of several (i) successive time windows of defined length (first time window ZFO or ZFRN for RN).
  • a time window is linked to a CAN message object for exclusive components.
  • a time window can also be left blank (409,421,441,417,445) or used for arbitrating components (403, 427).
  • a send group (column of the send matrix, A to F) form messages that are always sent in the same time window, but in different basic cycles (see figure
  • a period can thus be set up, e.g. A m ZFla and ZF4a: 401.407.413.419.425.431.437.443 and
  • a message object (of a time window) can be sent multiple times within a send group.
  • the message object or the message corresponds to the message object of the bus, in particular in CAN, and comprises the identifier or the identifier and the data itself.
  • the message object is supplemented by at least one of the following entries, preferably all three, in the send matrix: time window, basic mark, repetition rate.
  • the time window is the position (ZFO, ZFla to ZF5a) in the basic cycle (BZn, line of the send matrix).
  • the start of the time window is defined by reaching a certain time stamp.
  • the basic mark indicates in which basic cycle (BZOa to BZ7a) the message is sent for the first time in the overall cycle.
  • the repetition rate defines after how many basic cycles this transmission is repeated.
  • Single send request which means that the object is only valid once (for arbitrating components see below).
  • the automatic retransmission from CAN is for the
  • Exclusive news items (periodic news): Exclusive message objects are sent when the application watchdog is set, the "permanent send request" of the application to the CAN controller is set and the send release interval of the associated time window is open. In this case, it is correct
  • Time stamp for the message object matches the relative time.
  • the permanent send request remains set until it is reset by the application itself.
  • Arbitrating message objects are sent when the application watchdog is set, the "single send request" from the application to the CAN controller is set and the send release interval of the next time window intended for this is open. Then the time stamp for this time window is equal to the relative time The send request is reset by the CAN controller after successful transmission.
  • the simultaneous access of various spontaneous messages is via the
  • Bit arbitration controlled by CAN. If a spontaneous message loses against another spontaneous message in this time slot, it can only fight for bus access again in the next designated time slot.
  • Time-controlled means that every action starts from reaching a certain point in time (see time stamps and relative time).
  • time stamps and relative time When the entire cycle has been completed, ie all basic cycles have been processed once, the first basic cycle of the send matrix is started again. There are no time gaps in the transition. An overview of such a timed Communication system with timer has been shown in the description and the figures of the drawing.

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zum Austausch von Daten in Nachrichten zwischen wenigstens zwei Teilnehmern, welche mittels eines Bussystems verbunden sind, wobei die die Daten enthaltenden Nachrichten durch die Teilnehmer über das Bussystem übertragen werden und jede Nachricht eine, die enthaltenen Daten charakterisierende Kennung enthält, wobei jeder Teilnehmer anhand der Kennung entscheidet, ob er die Nachricht empfängt. Dabei werden die Nachrichten 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.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Austausch von Daten zwischen wenigstens zwei mit einem Bussystem verbundenen Teilnehmern
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtung zum
Austausch von Daten zwischen wenigstens zwei mit einem Bussystem verbundenen Teilnehmern gemäß den Oberbegriffen 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.
Es zeigt sich, daß der Stand der Technik nicht in jeder Hinsicht optimale Ergebnisse zu liefern vermag.
Vorteile der Erfindung
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, wobei die, die Daten enthaltenden
Nachrichten durch die Teilnehmer über das Bussystem übertragen werden und jede Nachricht eine, die enthaltenen Daten charakterisierende Kennung enthält, wobei jeder Teilnehmer anhand der Kennung entscheidet, ob er die Nachricht empfängt. 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. Busprotokolle 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.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der Beschreibung und den Merkmalen der Ansprüche.
Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung enthaltenen Figuren dargestellt.
Dabei zeigt Figur 1 schematisch ein Bussystem mit mehreren Teilnehmern.
In Figur 2 ist der prinzipielle Ablauf der ersten Zyklen oder Basiszyklen und der zweiten Zyklen, der Gesamtzyklen über der Zeit dargestellt.
Figur 3 veranschaulicht im Detail die Anlage und Nachrichtenbelegung der Zeitfenster.
In Figur 4 wird dann ein Gesamtzyklus mit 7 Basiszyklen und diversen Sendegruppen der Nachrichten sowie arbitrierender Nachrichten dargestellt.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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 Figur 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 1Z1 bis 1Z4 wird berücksichtigt und effizient umgesetzt.
Figur 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 1Z1 bis 1Z4 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 1Z (1Z1 bis 1Z4) 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 1Z (1Z1 bis 1Z4) 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 eine 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.
Lokale Zeitbasis und die Globale Zeit
Lokale Zeitbasis: 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.
Referenzmarken Zwiβchenregister : Bei jedem angenommenen SOF wird das Zwischenregister mit der lokalen Zeitbasis geladen.
Referenzmarker : 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 .
Zeitgeber-Referenzmarke : Das ist die von den Zeitnehmern empfangene Referenzmarke des Zeitgebers in der Referenznachricht . Lokaler Offset zur Globalen Zeit: 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 RZl 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 Wl 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. Einer Nachricht können mehrere Zeitmarken zugeordnet sein (siehe z.B. in Figur 4: Sendegruppe A kommt sowohl in Zeitfenster ZFla, 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.
Figur 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 tO bis t6 wird dabei als Basiszyklus BZ bezeichnet und in k Zeitfenster (k e W) unterteilt. Dabei werden von tO bis tl, t6 bis t7, tl2 bis tl3 und tl8 bis tl9 also im Zeitfenster ZFRN die Referenznachrichten RN der jeweiligen Basiszyklen BZO 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 tO 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 tzffl 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 Figur 3 sind beispielhaft zwei Nachrichten unterschiedlicher Länge und die Zuordnung im Zeitfenster dargestellt. Nachricht 1 (Nl) 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 (Sl bis S5) mit je 32 Bitzeiten umfasst und ein minimales Zeitfenster ZFmin als Block 303, welches 2 Segmente (Sl und S2) mit je 32 Bitzeiten umfasst vorgegeben. In diesen werden die Nachrichten Nl 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 Figur 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. Figur 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 Figur 4) . Die Sendematrix besteht aus einzelnen Basiszyklen BZOa 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 BZOa bis BZ7a) ist hier eine Zahl 2m = 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 ZFO 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 m unterschiedlichen Basiszyklen gesendet werden (siehe Figur
4) . Somit kann eine Periode aufgebaut werden, z.B. A m ZFla 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 21 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 (ZFO, ZFla 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 (BZOa 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 Nachrichtenob ekte (periodische Nachrichten) : 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 Nachrichtenob ekte (spontane Nachrichten) :
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.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Austausch von Daten in Nachrichten zwischen wenigstens zwei Teilnehmern, welche mittels eines Bussystems verbunden sind, wobei die, die Daten enthaltenden Nachrichten durch die Teilnehmer über das
Bussystem übertragen werden und jede Nachricht eine, die enthaltenen Daten charakterisierende Kennung enthält, wobei jeder Teilnehmer anhand der Kennung entscheidet, ob er die Nachricht empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachrichten durch einen ersten Teilnehmer zeitlich derart gesteuert werden, 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.
2. 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 zusammengefasst werden, wobei die Struktur der Länge, Anzahl und zeitlichen Position der auf die Referenznachricht folgenden Zeitfenster in dem zeitlichen Abstand entspricht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, 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.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Zeitfenstern Nachrichten zyklisch übertragen werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 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.
6. Vorrichtung zum Austausch von Daten in Nachrichten zwischen wenigstens zwei Teilnehmern, welche mittels eines Bussystems verbunden sind, wobei die, die Daten enthaltenden Nachrichten durch die Teilnehmer über das Bussystem übertragen werden und jede Nachricht eine, die enthaltenen Daten charakterisierende Kennung enthält, wobei jeder Teilnehmer anhand der Kennung entscheidet, ob er die Nachricht empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachrichten durch einen ersten Teilnehmer zeitlich derart gesteuert werden, dass der erste Teilnehmer wiederholt eine Referenznachricht in wenigstens einem vorgebbaren zeitlichen Abstand über den Bus überträgt und
Mittel enthalten sind, durch die der zeitliche Abstand in Zeitfenster vorgebbarer Länge unterteilt wird und durch die die Nachrichten in den Zeitfenstern übertragen werden .
7. Vorrichtung zum Austausch von Daten in Nachrichten mit einem Bussystem und wenigstens zwei Teilnehmern, die durch das Bussystem verbunden sind, wobei die, die Daten enthaltenden Nachrichten durch die Teilnehmer über das Bussystem übertragen werden und jede Nachricht eine, die enthaltenen Daten charakterisierende Kennung enthält, wobei jeder Teilnehmer anhand der Kennung entscheidet, ob er die Nachricht empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachrichten durch einen ersten Teilnehmer zeitlich derart gesteuert werden, dass der erste Teilnehmer wiederholt eine Referenznachricht in wenigstens einem vorgebbaren zeitlichen Abstand über den Bus überträgt und Mittel enthalten sind, durch die der zeitliche Abstand in Zeitfenster vorgebbarer Länge unterteilt wird und durch die die Nachrichten in den Zeitfenstern übertragen werden.
8. Bussystem zum Austausch von Daten zwischen wenigstens zwei Teilnehmern, dadurch gekennzeichnet, dass mit ihm ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgeführt wird.
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