Vorrichtung und Verfahren zur Bereitstellung einer globalen Zeitinformation in ereignisgesteuerter Buskommunikation

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verwendung in

Teilnehmerstationen eines CAN-Bussystems, welche zur Bereitstellung beziehungsweise zur Verarbeitung einer globalen Zeitinformation beim ereignisgesteuerten Austausch von Daten mit anderen Teilnehmerstationen des CAN-Bussystems eingerichtet ist, sowie das mit derartigen Teilnehmerstationen gebildete Bussystem.

Offenbarung der Erfindung

Beispielsweise aus den internationalen Normen ISO 1 1898-1 , -2 und -3 ist das „Controller Area Network" (CAN) bekannt, welches ein ereignisgesteuertes Verfahren zum Austausch von Daten zwischen Teilnehmern eines Bussystems umfasst. Das verwendete Medienzugriffssteuerverfahren beruht auf der bitweisen Arbitrierung, bei der mehrere Teilnehmerstationen gleichzeitig versuchen können, Daten über den Kanal des Bussystems zu übertragen, ohne dass hierdurch die Datenübertragung gestört wird. Die Teilnehmerstationen können beim Senden eines Bits über den Kanal den logischen Zustand (0 oder 1) des

Kanals ermitteln. Entspricht ein Wert des gesendeten Bits nicht dem ermittelten logischen Zustand des Kanals, dann beendet die Teilnehmerstation den Zugriff auf den Kanal. Durch die bitweise Arbitrierung wird eine zerstörungsfreie Übertragung des Datenrahmens über den Kanal erreicht. Hierdurch ergeben sich gute

Echtzeiteigenschaften des CAN.

Beispielsweise aus der internationalen Norm ISO 1 1898-4 ist eine als„Time Triggered CAN" (TTCAN) bezeichnete Erweiterung des CAN bekannt. Gemäß der Protokollspezifikation von TTCAN wird in der so genannten System-Matrix eine Zeitfensterstruktur definiert, die mehrere aufeinander folgende Basiszyklen aufweist, welche wiederum aus Zeitfenstern (oftmals auch als„Zeitschlitze" oder „time slots" bezeichnet) bestehen, deren Abfolge sich regelmäßig wiederholt. Hierbei kann jeder Nachricht und somit der sendenden Teilnehmerstation ein bestimmtes Zeitfenster, innerhalb dessen diese Nachricht übertragen werden muss, zugewiesen werden. Es besteht auch die Möglichkeit, in Zeitfenstern den konkurrierenden, durch Arbitirierung koordinierten Zugriff für mehrere

Teilnehmerstationen freizugeben. Bei TTCAN wird der Zugriff auf den Kanal also zumindest teilweise durch ein zeitgesteuertes Verfahren koordiniert.

In TTCAN wird zwischen TTCAN Level 1 und TTCAN Level 2 unterschieden. In beiden Fällen erfolgt die Kommunikation in einer Folge von Basiszyklen, die jeweils von einer Referenznachricht eingeleitet werden. Der Unterschied zwischen den beiden Levels ist, dass in Level 2 die Referenznachricht

Informationen zur Synchronisierung einer globalen Zeitinformation oder Global Time enthält. TTCAN zeichnet sich also dadurch aus, dass den

Teilnehmerstationen eine globale Zeitinformation durch einen Zeitmaster zur Verfügung gestellt werden kann. Ein definiertes Vorgehen zur Synchronisation sorgt dafür, dass alle Teilnehmerstationen eine einheitliche globale

Zeitinformationen verwenden.

CAN Controller, die TTCAN Level 2 beherrschen, verfügen über eine Schaltung (Zähler, Rechenwerk, Steuerwerk), die die Global Time in Hardware

synchronisiert und kalibriert sowie Zeitmessung und Zeitmeldung ermöglicht.

Das TTCAN- Protokoll enthält auch Überwachungs-Funktionen, die sicherstellen sollen, dass die CAN Kommunikation das vorher definierte feste Zeitraster einhält. Falls Fehler im Zeitraster auftreten, wird die Zeitbasis als ungültig angezeigt. Bei schweren Fehlern kann die CAN Kommunikation eingestellt werden.

In bestimmten Anwendungen ist eine Zeitsteuerung der Buskommunikation entweder nicht möglich, oder zumindest nicht sinnvoll, oder der Aufwand zur

Erstellung der Systemmatrix ist ungerechtfertigt hoch. Dennoch ist aber eine Bereitstellung einer globalen Zeitinformationen, wie sie vom TTCAN Level 2 geleistet wird, erwünscht, beispielsweise um in den Algorithmen, die in den Teilnehmerstationen ablaufen, die Zeitinformation verwenden zu können.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren liefern nicht in jeder Hinsicht befriedigende Ergebnisse.

Offenbarung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer modifizierten

Kommunikationsvorrichtung zum Einsatz in Teilnehmerstationen eines CAN- Bussystems, welche die Vorteile der Bereitstellung einer globalen

Zeitinformationen aus dem TTCAN Level 2 beibehält und gleichzeitig die nach heutigem Stand der Technik bei TTCAN erforderliche Zeitsteuerung

beziehungsweise Aufstellung einer vollständigen Systemmatrix nicht zwingend erforderlich macht.

Es wird hierzu eine Weiterentwicklung eines TTCAN-Controllers beschrieben, die sich dadurch auszeichnet, das die aus dem TTCAN-Controller bekannte

Hardware zur Darstellung der Global Time für TTCAN Level 2 in der

erfindungsgemäßen Vorrichtung auch in normaler, ereignisgesteuerter CAN- Kommunikation nutzen lässt. Die Aufgabe wird durch diese Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs eins gelöst.

Vorteile der Erfindung

Die beschriebene Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der TTCAN-Controller in einen besonderen Betriebszustand gesetzt wird, in dem die CAN Kommunikation in der üblichen, ereignisgesteuerten Weise erfolgt, während die Hardware für die Darstellung der Global Time aber arbeitet wie in TTCAN Level 2.

Dies hat den Vorteil, dass allen Knoten im CAN-Netzwerk eine automatisch synchronisierte und kalibrierte Zeitbasis zur Verfügung gestellt wird. Es gibt hierbei keinen Rechenaufwand in der Software, was besonders vorteilhaft ist.

Im Unterschied zum TTCAN Protokoll Level 2 nach ISO 11898-4 ist es jedoch nicht notwendig, dass die CAN- Kommunikation zeitgesteuert erfolgt. Der damit verbundene Aufwand zur Erstellung der vollständigen Systemmatrix ist also nicht erforderlich. Das Verfahren kann auch angewendet werden, wenn aufgrund physikalischer, techischer oder anderer Randbedingunen eine zeitgesteuerte Kommunikation nicht aufgebaut werden soll.

Weiterhin vorteilhaft ist, dass in einem TTCAN-Controller, der bereits TTCAN Level 2 beherrscht, der Zusatz-Aufwand beispielsweise für die Entwicklung, das Design und die Verfügbarmachung des erfindungsgemäßen Verfahrens gering ist.

Zeichnungen

Die Erfindung wird im weiteren anhand der Zeichnungen vorgestellt und näher erläutert.

Figur 1 zeigt ein Bussystem 100 mit mehreren Busteilnehmern 101 bis 105. Jeder Teilnehmer 101 bis 105 besitzt eine eigene Zeitbasis 106 bis 110.

Figur 2 zeigt den Teil des Zustandsdiagramms der erfindungsgemäßen

Vorrichtungen, welcher das Synchronisierungsverfahren beschreibt.

Figur 3 zeigt den Teil des Zustandsdiagramms der erfindungsgemäßen

Vorrichtungen, welcher das Master-Slave-Verhalten beschreibt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele Im Weiteren werden Ausführungsbeispiele für das erfindungsgemäßes Verfahren und die Vorrichtung beschrieben. Diese konkreten Beispiele werden zur

Erläuterung der Ausführung eingesetzt, beschränken aber nicht den Umfang des Erfindungsgedankens.

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 internes Mittel, wie eine Uhr, Zähler, Taktgenerator, etc. oder extern zu dem jeweiligen Teilnehmer übertragen werden kann. Die jeweilige lokale Zeitbasis IZ1 bis IZ4 ist insbesondere ein Zähler, z.B. 16-bit

aufwärtszählend, der lediglich durch einen HW- ^eset 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 IZ (IZ1 bis IZ4) 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 IZ (IZ1 bis IZ4) und dem lokalen Offset OS1 bis OS4 und OSg wenn OSg ungleich 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.

Insoweit entspricht das Verfahren dem üblichen Verfahren zur Bereitstellung einer globalen Zeitinformation im TTCAN.

Die folgenden Abweichungen gegenüber der TTCAN-Spezifikation werden nun neu eingeführt, um die beschriebene Aufgabe zu lösen und die angestrebten Vorteile gegenüber dem Stand der Technik zu erzielen: Die CAN-Messages werden nicht automatisch, zeitgesteuert, versendet, sondern nur dann, wenn dies von der Software im Host-Controller angefordert wird. Dies gilt auch für die Referenznachricht. Es kann beispielsweise ein zeitgesteuerter Interrupt verwendet werden, um den Host-Controller zu der Anforderung zu veranlassen. Die Anforderung kann abhängig von bestimmten Ereignissen wie beispielsweise dem Vorliegen eines bestimmten Resultates einer Berechnung innerhalb der Software erfolgen. Auch der Empfang einer bestimmten vordefinierten Nachricht oder eines Remote- Frames kann die Anforderung auslösen. Die Form der versendeten Referenznachricht folgt der Definition in der Norm ISO 11898-4, Kapitel 5.3.3.

Die Empfänger einer Referenznachricht werten diese so aus, wie es gemäß der angegebenen Norm für TTCAN Level 2 vorgesehen ist. Das heißt, die in der Referenznachricht enthaltene„Master_Ref_Mark" ist die Grundlage der systemweiten globalen Zeit . Die Fehlerbehandlung erfolgt, wie weiter unten im Zusammenhang mit dem Verhalten des„error level" innerhalb des Master- State ausgeführt wird, abweichend von der TTCAN-Norm.

Der Master- State einer Teilnehmerstation wird in TTCAN gemäß Norm durch einen 6-Bit-Vektor beschrieben, der sich aus drei Unter-Vektoren„error level", „sync_mode" und„master-slave_mode" mit jeweils 2 Bit zusammensetzt. Im folgenden werden die möglichen Zustände und Zustandsübergänge in erfindungsgemäßen Teilnehmerstationen beschrieben, wobei die Größe des Master- State-Vektors auch einen anderen Wert, beispielsweise 5 Bit mit nur einem Bit für„error level" einnehmen könnte.

1) Sync_Mode:

In Figur 2 wird das erfindungsgemäße Synchronisierungs-Steuerwerk beschrieben, das die Zustände und Zustandsübergänge des Unter-Vektors „sync_mode" behandelt. Es wird gegenüber dem Stand der Technik nach ISO 11898-4 der Zustand„ln_Gap" ausgeschlossen. Ein eventuelles„Next_is_Gap"- Bit in der Referenznachricht, durch welches normalerweise der Zeitgeber signalisiert, dass er den Start des nächsten Basiszyklus im TTCAN-Zeitschema auf ein spezifisches Event synchronisieren wird und es daher zu einer

Abweichung vom strikt periodischen Ablauf der Kommunikation kommen kann, wird von den erfindungsgemäßen Teilnehmerstationen ignoriert, da es ohnehin keinen strikt periodischen Ablauf gibt. Alternativ kann auch festgelegt werden, dass das„Next_is_Gap"-Bit immer mit einem festgelegten Wert, beispielsweise 0, gesendet wird, und dies kann beim Empfang der Referenznachricht überprüft werden. In jedem Fall vereinfacht sich das in ISO 11898-4, Kapitel 9.4.2 beschriebene Steuerwerk zu der in der Figur 2 beschriebenen Variante.

Bei Systemstart, nach einem Zurücksetzen der Hardware oder im Fehlerzustand S3 nimmt„sync_mode" den Wert„Sync_Off" ein. Dieser mit TSO

gekennzeichnete Übergang hat immer Vorrang. Nach Abschluss der

Initialisierung und Rücksetzen der lokalen Zeitbasis findet der Übergang TS1 in den Modus„Synchronizing" statt. In diesem Zustand senden analog ISO 11898- 4, Kapitel 8.2 alle potenziellen Zeitgeber eine Referenznachricht und ermitteln auf diese Weise den aktuell aktiven Zeitgeber. Dieser sendet eine weitere Referenznachricht und nach Empfang der weiteren Referenznachricht - ggf. mit Überprüfung des korrekten Wertes des„Next_is_Gap"-Bit und / oder des „Disc_Bit" - wechseln die Teilnehmerstationen per Übergang TS2 in den Zustand „ln_Schedule".

2) Error Level:

Der Unter- Vektor„error level" innerhalb des Master- State kann im TTCAN gemäß der Norm vier verschiedene Fehlerzustände einnehmen, die mit SO bis S3 bezeichnet werden und in ISO 11909-4, Kapitel 9.1 beschrieben sind. Alle Fehler-Bedingungen die einen Wechsel in die Zustände Sl oder S2 bewirken, beziehen sich hierbei auf Fehler im TTCAN Zeitraster.

In erfindungsgemäßen Teilnehmerstationen fallen diese Fehler-Bedingungen weg, da kein Zeitraster für die Buskommunikation vorgesehen ist. Aus diesem Grund werden in erfindungsgemäßen Teilnehmerstationen nur noch die beiden in der ISO 11898-4 spezifizierten Fehler-Bedingungen„CAN_Bus_Off" und

„Watch_Trigger_Reached" verwendet, welche beide zu einem Übergang in den Fehlerzustand S3 führen. Liegt keine der Fehlerbedingungen an, ist die

Teilnehmerstation im Fehlerzustand SO. Da die Teilnehmerstation nur zwei Fehlerzustände einnehmen kann, genügt für die Abbildung des„error level" ein einzige Bit. Es kann aber auch wie im TTCAN gemäß Norm ein 2-Bit-Vektor verwendet werden. Als Zeitmarke für den„Watch_Trigger" kann eine Konstante, zum Beispiel OxFFOO NTU verwendet werden.

In erfindungsgemäßen Teilnehmerstationen gibt es, wie beschrieben, nur die beiden Fehlerzustände SO und S3. In S3 wird die Zeitbasis als ungültig angezeigt, das Synchronisierungs-Steuerwerk und das Master-Slave-Steuerwerk werden zurückgesetzt. Anders als im Stand der Technik für TTCAN gemäß ISO 11898-4 vorgesehen, wird im Fehlerzustand S3 die CAN- Kommunikation nicht angehalten, sondern die nächste gültige Referenznachricht bewirkt, dass von S3 in SO zurückgeschaltet wird.

3) Master-Slave_Mode:

In Figur 3 wird das erfindungsgemäße Master-Slave-Steuerwerk beschrieben, das die Zustände und Zustandsübergänge des Unter- Vektors„master- slave_mode" behandelt. Es funktioniert in erfindungsgemäßen

Teilnehmerstationen weitgehend wie in ISO 11898-4, Kapitel 9.4.3. Es fallen jedoch die Zustandswechsel weg, die durch den Fehlerzustand S2 bewirkt werden.

Bei Systemstart, nach einem Zurücksetzen der Hardware oder im Fehlerzustand S3 nimmt„master-slave_mode" den Wert„Master_Off" ein. Auch hier hat dieser mit TMO gekennzeichnete Übergang immer Vorrang. Zur besseren Lesbarkeit sind die Übergänge TM6, TM7 und TM8, die aufgrund des Fehlerzustands S3 von den anderen Zuständen in den„Master_Off"-Zustand führen, explizit eingezeichnet. Aus dem„Master_Off"-Zustand führen die drei Übergänge TM1, TM2 und TM3 in die weiteren Zustände, sobald auf dem Bus eine

Referenznachricht gelesen wird. Ist die betreffende Teilnehmerstation kein potenzieller Zeitgeber, geht sie via TM1 in den Zustand„Slave". Ist sie potenzieller Zeitgeber und liest eine Referenznachricht, die nicht die Adresse respektive Priorität der eigenen Referenznachricht aufweist, hat sich ein anderer potenzieller Zeitgeber durchgesetzt und sie geht via TM2 in den Zustand „Backup_Master". Ist sie potenzieller Zeitgeber und liest die (von ihr selbst gesendete) Referenznachricht mit der eigenen Adresse respektive Priorität, geht sie via TM3 in den Zustand„Current_Master". Wechsel zwischen

„Backup_Master" und„Current_Master" finden via TM4 und TM5 jeweils bei Lesen einer Referenznachricht höherer Priorität (TM5) bzw. gleicher Priorität (TM4) statt.

Vorteilhafterweise wird die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgeprägt, dass sie konfigurierbar beziehungsweise umschaltbar ist zwischen dem

erfindungsgemäßen Verhalten und einem TTCAN-Verhalten gemäß Norm ISO 11898-4. Die Vorrichtung weist hierfür einen Speicherbereich oder ein

Konfigurationsregister auf, in welchem der gewünschte Modus des

Medienzugriffsteuerverfahrens ausgewählt werden kann. Das heißt, die

Vorrichtung ist nach Belieben umschaltbar zwischen einem TTCAN-Betrieb nach Stand der Technik und dem erfindungsgemäßen, ereignisgesteuerten Betrieb mit globaler Zeitinformation. Bei Umschaltung in den erfindungsgemäßen Modus können die für den TTCAN-Betrieb vorgesehenen Steuerwerke und Hardware- Vorrichtungen weiter benutzt werden, jedoch werden dann nicht alle möglichen Werte angenommen.

Insgesamt liegt durch die dargestellte Erfindung mit den geschilderten

Ausführungsbeispielen eine Lösung für die technische Aufgabe vor, ein gegenüber dem Stand der Technik vorteilhaftes, modifiziertes

Kommunikationsverfahrens für CAN-Bussysteme bereitzustellen, welches die Vorteile einer globalen Zeit aus dem TTCAN beibehält und die nach Stand der Technik bei TTCAN erforderliche Zeitsteuerung nicht zwingend erfordert.