串行总线系统的成员站和串行总线系统中数据传输的方法与流程

本发明涉及一种用于串行总线系统的成员站和一种用于在串行总线系统中的数据传输的方法，其中只能寻址多达15个成员。

背景技术：

CAN网络例如被设置在车辆中，用于在控制器之间进行通信。在CAN网络中，借助于CAN和/或CAN FD协议来传输消息，如在目前作为CAN协议规范的ISO11898-1:2015中以CAN FD描述的那样。

CAN或CAN FD的成功尤其是基于仲裁阶段的存在。在该阶段，在成员站之间依据识别码或标识符来协商：这些成员站中的哪个成员站接下来暂时没有冲突地访问总线系统的总线，以便通过总线将消息发给总线系统的其它成员站中的至少一个成员站。由此，可以没有冲突地传输消息的有效数据。

然而问题是：在仲裁时必须一直在总线上投放消息的位，直至这些位的电平已经在整个总线上传播。由此，在仲裁期间强烈限制了位的传输速度，这也被称作可传输的数据传输率。使该问题进一步尖锐的是：部分使用识别码被扩展的消息，这延长了仲裁阶段并且因此延长了到总线的缓慢通信的时间。这具有如下历史背景：在采用CAN FD之前，只能以与识别码相同的数据传输率来传输消息的内容。

还常见的是：一个成员站可使用不同的识别码，以便可以发出优先级不一样高的消息。在这种情况下适用：发送识别码最低的消息的成员站在仲裁中获胜并且因此紧接着允许发出消息内容或有效数据。因此可能的是：在总线上的可支配的带宽减小的情况下，优选重要的消息而不是不重要的消息。然而，这些成员站由此需要一定数目的可用的识别码。

除了CAN FD之外，在CAN总线上的越来越多的通信也需要提高数据传输率。

技术实现要素：

因而，本发明的任务是提供一种用于总线系统的成员站和一种用于在总线系统中的数据传输的方法，所述成员站和方法解决之前提到的问题。尤其应该提供一种用于总线系统的成员站和一种用于在总线系统中的数据传输的方法，其中相对于到目前为止的解决方案还可以进一步提高总线上的数据传输率。

该任务通过具有权利要求1的特征的用于串行总线系统的成员站来解决。该成员站包括：消息创建装置，用于创建针对总线系统的至少一个其它的成员站的要通过总线系统的总线串行传输的消息，使得该消息具有第一时间段和第二时间段；和发送/接收装置，用于将该消息串行地发送到总线上，使得数据在第一时间段内以比在第二时间段内慢的数据传输率来发送，其中该发送/接收装置在第二时间段内至少部分地独占地、没有冲突地访问总线，其中该消息创建装置被设计为：将识别码嵌入到第一时间段并且最迟在识别码的最后一位和另一位之后开始该第二时间段。

与常规的CAN或CAN FD相比，利用该成员站可以将数据传输率或数据率提高四倍。

利用由该成员站执行的通信，到目前为止的在常规的CAN或CAN FD中由于仲裁和其它所使用的控制位而形成的约为30%至39%的间接费用可以被降低到大约12%至14%并且因此明显被降低。由此，数据传输率升高大约19%至29%。

由该成员站执行的方法尤其可以在小型总线系统中投入使用，在该小型总线系统中，尤其是多达15个成员站连接到总线系统上。

此外，可以去掉按照位填充方法（Bit-Stuffing-Methode）嵌入的填充位，其中按照目前的ISO11898-1:2015在分别五个连续的显性位之后嵌入一个隐性位。当然，可选择在其它数目的位之后嵌入该隐性位。仅仅通过去掉填充位就可以使数据传输率提高56%。

因而，利用两个措施一起可以使数据传输率相对于到目前为止的方法加倍。

之前描述的成员站还可以被设计为使得该成员站在需要时更换到标准协议上并且接着同样可以与标准CAN成员站交换信息。

因此，由所描述的成员站实施的方法也能用在到目前为止的CAN总线系统中或在到目前为止的CAN总线系统中兼容。因而，如果不寻址超过尤其是15个成员站或区分消息的优先级，则标准CAN或标准CAN FD成员站可以逐渐地在总线中被之前描述的成员站来替换。

该成员站的其它有利的设计方案在从属权利要求中说明。

按照一个设计方案，消息创建装置设计为：将具有值0并且没有嵌入填充位的识别码嵌入到第一时间段的开头或者嵌入在第一时间段前面，其中发送/接收装置被设计为：如果发送/接收装置在第一时间段内或在第二时间段开始时已经从总线接收到总线系统的至少一个其它的成员站的错误消息，则将具有值0的识别码以更慢的数据传输率发送到总线上，并且继续发送消息。

可能地，第一时间段在总线系统的成员站同步时成员站之一预期有填充位的位置处结束，如果其它成员站之一传输具有值0的识别码的消息的话。附加地或替选地，发送/接收装置设计为：以比消息的随后的位更慢的数据传输率来发送和接收识别码的前四位。在这种情况下，消息创建装置可以设计为：紧接着识别码的位首先设置保留位并且接着设置用于所要传输的有效数据的数据阶段。在这种情况下，保留位是第二时间段的第一位。

可设想的是：消息创建装置被设计为以确认字段结束位来结束该消息。

按照一个实施例，发送/接收装置可以设计为：在第一时间段内或在第二时间段开始时接收到总线系统的至少一个其它的成员站的错误消息之后选择是否应该继续发送消息或者替代于此是否应该创建满足CAN协议的消息。

可能的是：成员站还具有错误计数器，该错误计数器被设计用于对发送尝试中断的频率进行计数，并且其中该成员站设计为：如果错误计数器的计数状态超过预先确定的值，则切换到发送运行，其中发送满足CAN协议的消息。

按照一个实施例，发送/接收装置可以设计为：不在总线系统的成员站同步时预期有填充位的位置处将填充位嵌入到该消息的第一时间段和/或第二时间段中。

还可设想的是：至少为了发送消息的有效数据，该成员站在第二时间段内独占地、没有冲突地访问总线。

可能的是：第一时间段是以下时间段，在该时间段中确定哪个成员站在第一时间段之后至少暂时获得对总线的独占的、没有冲突的访问。

之前描述的成员站可以是总线系统的部分，该总线系统还包括总线，至少两个成员站通过该总线彼此连接，使得所述至少两个成员站可以彼此进行通信。在这种情况下，所述至少两个成员站可以被设计为：在依次通过总线来传输的消息之间不遵守等待时间。

在之前描述的总线系统中，之前提到的任务还通过根据权利要求14所述的用于数据传输的方法来解决。该方法由总线系统的成员站实施并且具有如下步骤：利用消息创建装置，创建针对总线系统的至少一个其它的成员站的要通过总线系统的总线串行传输的消息，使得该消息具有第一时间段和第二时间段；并且利用发送/接收装置，将该消息串行地发送到总线上，使得数据在第一时间段内以比在第二时间段内慢的数据传输率来发送，其中该发送/接收装置在第二时间段内至少部分地独占地、没有冲突地访问总线，其中该消息创建装置被设计为：将识别码嵌入到第一时间段中并且最迟在识别码的最后一位和另一位之后开始该第二时间段。

该方法实现了与其之前关于成员站提到的相同的优点。

本发明的其它可能的实现方案也包括之前或者在下文关于实施例所描述的特征或者实施方式的没有明确提到的组合。在此，本领域技术人员也将单个方面作为改善方案或补充方案添加到本发明的相应的基本形式。

附图说明

随后，本发明参考附图并且依据实施例进一步予以描述。其中：

图1示出了按照第一实施例的总线系统的简化框图；

图2示出了用于阐明由按照第一实施例的总线系统的成员站发送的消息的结构的图表；

图3示出了用于阐明由按照第一实施例的总线系统的其它成员站发送的消息的结构的图表；

图4示出了用于阐明由按照第二实施例的总线系统的成员站发送的消息的结构的图表；以及

图5示出了按照第三实施例的总线系统的简化框图。

在这些附图中，只要不另作说明，相同或者功能相同的元素就配备有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出了用于数据的串行传输的总线系统1。总线系统1例如是CAN总线系统、CAN FD总线系统等等。总线系统1可以在车辆、尤其是机动车、飞机等等中或者在医院等等中得以应用。然而，总线系统1并不限于CAN总线系统。

在图1中，总线系统1具有多个成员站10、20、30，所述成员站分别连接到具有第一总线芯线41和第二总线芯线42的总线40上。总线芯线41、42也可以被称作CAN_H和CAN_L，并且用于在发送状态下耦合输入显性电平。通过总线40，消息45、46、47能以信号的形式在各个成员站10、20、30之间传输。由此，要由成员站10、20、30之一传输给成员站10、20、30中的至少一个其它的成员站的数据能被转换成总线上的信号。如果成员站10、20、30之一在总线40上的通信中识别出错误，则该成员站10、20、30将错误消息48发送到总线40上，该错误消息由其它成员站10、20、30接收。

成员站10、20、30例如是机动车或者工业设施或者类似物的控制器或显示设备或传感器。

如在图1中示出的那样，成员站10具有：通信控制装置11，该通信控制装置具有消息创建装置111；和发送/接收装置12，该发送/接收装置具有错误计数器15。成员站20具有通信控制装置21和带错误计数器25的发送/接收装置22。成员站30具有通信控制装置31和带错误计数器35的发送/接收装置32。

成员站10、20、30的发送/接收装置12、22、32分别直接连接到总线40上，即使这在图1中未示出。

通信控制装置11、21、31分别用于控制相应的成员站10、20、30经由总线40与连接到总线40上的成员站10、20、30中的其它成员站的通信。通信控制装置11、21能像常规的CAN控制器或CAN FD控制器那样来实施。通信控制装置11、21创建消息46的发送信号TxD，该消息随后参考图2还更详细地描述。在通信控制装置11中，消息创建装置111根据消息46的发送信号TxD创建消息45的发送信号TxD。通信控制装置31直接创建消息47的发送信号TxD，该消息47如按照经修改的CAN协议的消息45那样来构造，如随后关于图3还更详细地描述的那样。

发送/接收装置12、32用于发送相应的消息45、47。发送/接收装置22用于发送消息46。除了发送/接收装置12、32的随后不同地描述的功能之外，发送/接收装置12、22、32可以在其它情况下如常规的CAN收发器或CAN FD收发器那样来实施。

图2示出了消息46，该消息46是由成员站20、更准确地说该成员站20的通信控制装置21按照如在目前的作为CAN协议规范的ISO11898-1:2015中用CAN FD来描述的协议创建的。

如在图2中依据消息46对于在图2上方的CAN帧和在图2下方的CAN-FD帧来说分别作为关于时间t的电压U示出的那样，在总线40上的CAN通信基本上可以被分成两个不同的时间段，即只示意性示出的仲裁阶段461、463和数据区462，该数据区在CAN-FD中也被称作数据阶段并且在该数据区中发送消息46的有效数据。相比于传统的CAN，在CAN-FD中，在仲裁阶段461、463的末端，将随后的数据阶段的数据传输率提高到大约2、4、8Mbps。因此适用：在CAN-FD中，在仲裁阶段461、462中的数据传输率小于或快于数据区462中的数据传输率。在CAN-FD的情况下，数据区462相对于CAN帧的数据区462明显缩短。

在仲裁阶段461、463，借助于识别码461x、463x来确定：总线系统1的目前进行发送的一个或多个成员站10、20、30中的哪个成员站在紧接着的数据区462中至少暂时获得对总线系统1的总线40的独占的、没有冲突的访问。赢得了仲裁的成员站在数据区462中传输消息46的有效数据。

在预先确定的时间间隔之后，通信控制装置21将填充位4621嵌入到标准CAN消息46中，以便能够实现总线系统1的成员站10、20、30的同步。按照目前的ISO11898-1:2015，在分别五个连续的显性位之后嵌入隐性位，即填充位4621。因而，将六个依次的显性位的序列明确地识别为错误识别或错误标记（Error-Flag）。

而图3示出了消息45，该消息45与消息47相同地来构造。因此，在当前的实施例中，成员站10、20、30中的至少两个成员站被设计用于以经修改的CAN协议来发送或接收以消息或信号形式的数据。在这种情况下，消息创建装置111和作为另一消息创建装置的通信控制装置31创建消息45、47的发送信号TxD。

消息45在开头具有起始位451（Start-of-Frame），该起始位报告消息45的开始。起始位451（Start-of-Frame）通常作为显性位并且因此显性总线状态来发送。紧接于此，是识别码452的4个位，接着是控制位453，该控制位也被称作保留位。控制位453作为显性位并且因此显性总线状态来发送，然而由发送/接收装置12、13在来自总线40的接收信号中也作为隐性总线状态来接受，而不发送错误消息48。紧接于此的是数据阶段454，在该数据阶段中发送消息45的有效数据。数据阶段454或有效数据的长度例如可以像在CAN FD中那样为64字节。然而，替选地，也能选择其它长度的数据阶段454或其它数目个字节的数据阶段454。尤其是，数据阶段454可以比64字节更长，使得消息45、46、47全部都一样长。紧接着数据阶段454的是校验和字段455，该校验和字段能够实现对数据阶段454中的数据的数据错误的识别。校验和字段455的校验和可以被设置为CRC校验和（CRC = Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验）。紧接着校验和字段455，发送校验和结束位456，该校验和结束位作为隐性位来发送。紧接于此设置长度为一位的确认字段457（Acknowledge），如果消息45的接收方已经正确地接收到消息45，则在该确认字段中，该接收方发送以显性总线状态形式的确认。紧接着确认字段458，发送确认字段结束位456，该确认字段结束位作为隐性位来发送。

然后消息45的帧结束。下一个消息45或者消息47可以紧接于此地被发送，即在两个消息45之间或者在消息45、47之间不遵循等待时间或强制间歇。

在消息45中，在识别码452的最后一位之后的所有位或数据都以比起始位451（Start-of-Frame）和识别码452更快的数据传输率或数据传输速度来传输。因此，起始位451（Start-of-Frame）和识别码452表示消息45的第一时间段。然而，控制位453或保留位以及至少数据阶段454以更快的数据传输率或数据传输速度来传输。附加地可能的是：也以更快的数据传输率或数据传输速度来传输校验和455、校验和结束位456、确认字段457（Acknowledge）和确认字段结束位458。因此，至少控制位453或保留位和数据阶段454构成消息45的第二时间段。

在消息45的第一时间段，在成员站10、20、30之间协商：这些成员站10、20、30中的哪个成员站在第二时间段中至少部分地独占地、没有冲突地访问总线40。因此，消息45的第一时间段对应于图2的消息46的仲裁阶段461、463。

因为成员站10、30只能使用总共4位长的识别码452，所以成员站10、30只能区分优先级不同的15个不同的成员站或消息。不同于此，利用具有总共11位长度的识别码461x、463x的成员站20，多得多的成员站10、30可以被区分并且由此能连接到总线40上。

因此，如果成员站10、30之一传输具有值0的识别码4521的消息，则在消息45、47中，第一时间段在总线系统1的成员站10、20、30同步时成员站20预期有填充位4621的位置处结束。

在总线系统1中，如果成员站10、30发送消息45、47之一，则第二成员站20出于两个原因将快速地从（活跃的）通信退回。要么成员站10、30发送具有ID 0并且没有填充位4621的消息46，这由成员站20识别为违反协议。要么成员站20在消息45的数据阶段454开始之后将立即识别出错误并且因而将错误消息48发送到总线40上。成员站10、30由于所发送的ID 0没有填充位而不使它们的针对错误消息48的错误计数器15、35增加。因此，对于所提到的情况来说，错误计数器15、35的计数状态保持不变。附加地或替选地，可能存在针对所提到的错误的单独的错误计数器，使得也对这些错误进行计数。

如果成员站10、30中的进行发送的成员站在发送数据阶段454的数据的过程中接收到另一错误消息48，则进行发送的成员站使它的错误计数器15、35增加。所属的发送/接收装置12、32还可以选择：是应该继续或重复发送消息45、47，还是应该替代于此退回到CAN协议。对此的判断可以基于错误计数器15、35的计数状态是否超过预先确定的值来做出。

如果应该退回到CAN协议，则通信控制装置11或消息创建装置替代于此创建用于下一个通信周期的消息46。

在总线系统1起动时，所有成员站10、20、30依次醒来并且部分地也开始发送消息45、46、47。因为在消息46之间存在的每个消息45、47之后不再存在长的强制间歇，所以可能出现：依次发送多个消息45、47，使得新添加的成员站10、20、30不再能找到消息45、46、47的开始和结束，因为这只有当在两个消息45、46、47之间有较长的间歇时才是特别简单地可能的。为此，成员站10、20、30在这种情况下等待一段时间。如果在这段时间不应该形成间歇，则这些成员站10、20、30发送错误消息48，该错误消息能够使在那之前醒来的所有成员站10、20、30进入通信。

与到目前为止对消息46的发送相比，以这种方式也可以加快总线系统1中的通信。与消息46相比，消息45、47具有明显更少的控制数据开销，所述控制数据除了有效数据之外还必须存在于消息45中，以便确保在总线40上正确的数据传输。也就是说，消息45、47不包括1位远程传输请求（Remote-Transmission-Request）、1位标识符扩展（Identifier-Extension）、4位数据长度码（Data-Length-Code）、7位帧结束（End-Of-Frame）和3位间歇（Intermission），这些位都存在于消息46中。

除此之外或替选于此，成员站10、30中的至少一个成员站可以发送没有嵌入填充位4621的识别码0。因此，在消息45开始时连续地传输六个显性位。如之前已经提及的那样，成员站20将把消息45评价为有错误并且因而将错误消息48发送到总线40上。结果是，成员站20将从消息46的时长的活跃的通信中退回。

为此，在总线系统1初始化时采取行动，使得识别码0没有被分配给总线系统1的特殊的成员站10、20、30。因而，如果成员站10、20、30首次在总线40上变得活跃，则所有成员站10、20、30都可以使用识别码0。由于成员站10、30去掉填充位4621，违反了通常的CAN协议，由此成员站20作为传统的CAN成员以错误消息48来做出反应。成员站10、30或者还可以发送识别码0，直至成员站20从活跃的通信中退出或者有利于成员站20地换到按照图2的传统的协议，如之前提及的那样。

图4示出了按照第二实施例的消息450，该消息450可以在图1的总线系统1中替代消息45或消息47被创建和发送。

因此，消息创建装置111和/或通信控制装置31被设计为：将具有值0的识别码4521嵌入到用于识别码452的第一时间段的开头。紧接于此地才布置消息450的真正的识别码4522，该识别码说明消息450的优先级。在其它情况下，消息450以与按照第一实施例的消息45或消息47相同的方式来构造。

由于在消息450开始时具有值0的识别码4521以及填充位4621的去掉，在消息45开始时连续传输六个显性位。如之前已经提及的那样，成员站20因此将把消息450评价为有错误并且因而将错误消息48发送到总线40上。结果是，成员站20将从消息46的时长的活跃的通信中退回。

按照对消息450的修改，成员站10、30中的至少一个成员站在开始发送消息45、47之前一直发送没有嵌入填充位4621的具有值0的识别码，直至成员站20从通信中退回，如之前描述的那样。然后才发送消息45、47。

与消息46相比，以这种方式也可以加快总线系统1中的通信。

图5示出了按照第三实施例的总线系统2。不同于先前的实施例的总线系统1，设置成员站100，该成员站100除了通信控制装置11、具有错误计数器15的发送/接收装置12之外还具有单独的消息创建装置14。消息创建装置14具有与按照先前的实施例的消息创建装置111相同的功能。

除此之外可能的是：成员站100、30在总线系统2的成员站100、20、30同步时预期有填充位4621的位置处不仅不将填充位4621嵌入到消息45、47的第一时间段中而且不将填充位4621嵌入到消息45、47的第二时间段中。

因此，以这种方式也可以加快总线系统2中的通信。

按照第四实施例，成员站10、30、100之一在第二时间段中紧接着仲裁以明显提高的数据传输率或波特率发送识别码452的其余7位、标识符扩展位453以及必要时按照CAN协议的扩展标识符的另外18位连同按照CAN协议的4位数据长度码。在8倍高的波特率的情况下，在第一时间段中在仲裁时可以将30位缩减到小于这些位的4位时长的总长度。在那之后，在数据阶段454中的真正的数据以及检验和字段455等等才同样以被提高的波特率来发出。

总线系统1、2、成员站10、20、30、100和该方法的所有之前描述的设计方案都可以单个地或者以所有可能的组合来应用。尤其是，之前描述的实施例的所有特征和/或它们的修改都可以任意地组合或者删去。附加地，尤其是可设想如下修改方案。

之前描述的按照这些实施例的总线系统1、2依据基于CAN或CAN FD协议的总线系统来描述。然而，按照不同的实施例的总线系统1、2也可以是其它类型的通信网络。有利的、然而不是强制性的前提的是，在总线系统1、2中至少在确定的时间区间内确保成员站10、20、30、100对总线40的独占的、无冲突的访问。

按照这些实施例的总线系统1、2尤其是CAN网络或CAN FD网络或FlexRay网络或SPI网络。

可设想的是：两根总线芯线41、42中的一根总线芯线接地并且因此是接地芯线而这两根总线芯线41、42中的另一根总线芯线是信号芯线，在该信号芯线上传输消息45、46、47的总线信号。

在按照这些实施例的总线系统1、2中的成员站10、20、30、100的数目和布局是任意的。尤其是，在这些实施例的总线系统1、2中可以只存在成员站10或成员站30或成员站100。

之前描述的实施例的功能不仅仅可以作为通信控制装置31来实现。附加地或替选地，该功能可以集成到现有的产品中，如集成到通信控制装置11中或者集成到发送/接收装置12中。尤其可能的是：所考虑的功能被实现为单独的电子模块（芯片）或者嵌入在集成的总体解决方案中，其中只存在一个电子模块（芯片），用于通信控制装置11、发送/接收装置12以及消息创建装置111的功能。