用于通信系统的用户站和用于高数据率的基于CAN的通信的方法与流程

本发明涉及一种用于通信系统的用户站和一种用于高数据率的基于can的通信的方法，其中具有高频范围内的多个可能的传输频率的高速率的传输系统与can系统组合。

背景技术：

can总线系统例如在汽车中在传感器和控制设备之间的通信中应用。在can总线系统中，消息借助于can协议传输，如其在iso11898中的can规范中所描述的那样。

尤其是，汽车的总线系统持续发展成更高的带宽、更低的等待时间和更严格的实时能力。对此，已知诸如canfd等的技术，在所述canfd中消息根据规范“canwithflexibledata-rate（具有灵活数据率的can），规范版本1.0（来源http://www.semiconductors.bosch.de）”传输。在这样的技术中，最大可能的数据率通过在数据域的范围内使用超过值1mbit/s的更高时钟来提高。

然而，进一步存在以下需求，还将已经存在的can总线系统进一步发展至超过canfd的更高的速度。

技术实现要素：

因此，本发明的任务是提供一种用于通信系统的用户站和一种方法，所述用户站和所述方法解决前述问题。特别是应该提供一种用于通信系统的用户站和一种方法，所述用户站和所述方法能够实现can信号结构和所需的通信装置在更高数据率上的进一步发展和与传统can用户站的混合运行。

该任务通过具有权利要求1的特征的用于通信系统的用户站来解决。用户站包括控制单元，该控制单元用于控制用户站借助第一总线系统对通信系统的第二总线系统的总线进行访问，其中第一总线系统被设计用于以下通信，在所述通信中至少暂时地确保通信系统的至少两个用户站之一对第一总线系统的总线的排他的、无冲突的访问，并且其中第二总线系统的总线具有至少两个通道，借助所述至少两个通道，通信系统的至少两个用户站的消息能够在不同的分开的频率范围内时间上彼此无关地传输。

用户站提供can总线至更高数据率的进一步发展，其中利用相应的通信装置实现现有的can通信的补充。这简化了扩展的用户站或节点在具有传统的can用户站的混合总线系统或网络中的使用。对此，必要时需要发送/接收装置（收发机）的更换。然而，具有集成的can控制器的现有的微控制器可以继续使用。

在用户站中实现针对物理层（physicallayer）的新的方案，利用该方案能够实现can信号结构和所需的通信装置至比canfd更高的数据率的进一步发展。

用户站的其他有利的设计方案在从属权利要求中说明。

根据一个实施例，控制单元可以在释放用户站对第二总线系统的总线的至少两个通道之一的访问之后在任意的持续时间内具有对该通道的访问权，以便通过第二总线系统的通道发送具有任意长度的消息。然而也可以的是，通过第二总线系统的至少两个通道的消息的长度大致等于针对第一总线系统规定的消息的长度的两倍。替代地或附加地，也可以的是，规定第二总线系统的至少两个通道的最大占用时间。替代地或附加地，也可以的是，定义具有在最大的占用时间之后的自动释放的帧。

也可设想的是，第一总线系统被设计用于根据can协议传输消息并且第二总线系统被设计用于借助至少两个高频通道传输消息并且比在第一总线系统上更高的速率进行通信。

可能的是，第一总线系统的总线和第二总线系统的至少两个通道在相同的介质或分开的并行的介质上实施。

有利的是，控制单元被设计用于在通过第二总线系统的预先确定的通道发送消息之前通过第一总线系统的总线发送消息，使得预先确定的通道被占用。因此可以识别预先确定的通道的占用。可选地，控制单元也可以被设计用于在通过第二总线系统的预先确定的通道发送消息结束之后通过第一总线系统发送关于结束的消息。

用户站还可以具有存储装置，该存储装置用于存储关于第二总线系统的至少两个通道的占用状态的信息，其中控制单元被设计用于监控第二总线系统的至少两个通道的当前的占用状态并且基于所述监控来更新在存储装置中存储的关于占用状态的信息。

在一种设计方案中，至少两个通道的捆绑可以是灵活的，和/或在用户站中至少两个通道的用于接收消息的可用频率的数量可以与另外的用户站中的用于接收的可用频率的数量不同。

在一种有利的设计方案中，控制单元被设计用于针对用户站对第二总线系统的至少两个通道之一的排他的、无冲突的访问而按照优先权排列消息。

前述的用户站可以是通信系统的部分，该通信系统还包括第一总线、第二总线和至少两个用户站，所述至少两个用户站通过至少第一总线相互连接，使得它们能够彼此通信。在此，至少两个用户站中的至少一个是前述的用户站。

前述任务还通过一种根据权利要求10的用于高数据率的基于can的通信的方法来解决。该方法包括以下步骤：利用控制单元来控制用户站借助第一总线系统对通信系统的第二总线系统的总线的访问，其中第一总线系统被设计用于以下通信，在所述通信中至少暂时地确保通信系统的至少两个用户站之一对第一总线系统的总线（40）的排他的、无冲突的访问，并且其中第二总线系统的总线具有至少两个通道，借助所述至少两个通道，通信系统的至少两个用户站的消息在不同的分开的频率范围内时间上彼此无关地传输。

本发明的其他可能的实现方案也包括之前的和在下文中关于实施例描述的特征或实施方式的未明确提及的组合。在此，本领域技术人员也将单独方面作为改进或补充添加至本发明的相应的基本形式。

附图说明

下面，参考所附的附图，并且根据实施例详细描述本发明。其中：

图1示出根据第一实施例的通信系统的简化的框图；

图2示出在根据第一实施例的通信系统中发送消息的示意图；

图3示出根据第二实施例的通信系统的输入端和输出端的结构的框图；

图4示出在根据第二实施例的通信系统中发送消息的示意图；和

图5示出在根据第三实施例的通信系统中发送消息的示意图。

在附图中，只要没有另作说明，相同的或功能相同的元件配备有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出通信系统1，所述通信系统能够在交通工具中、尤其在机动车、飞行器等或在医院等中使用。

在图1中，通信系统1具有多个用户站10、20、30，所述用户站分别连接到第一总线40上并且必要时连接到第二总线50上。经由第一总线40，能够在各个用户站10、20、30之间传输信号形式的消息41、42、43。经由第二总线50，能够在各个用户站10、30之间传输信号形式的消息51、53。用户站10、20、30例如能够是机动车的控制设备或显示设备。

第一总线40与多个用户站10、20、30共同构成第一总线系统。第一总线系统例如可以是can总线系统、can-fd总线系统等。一般而言，第一总线系统在当前实施例中被设计用于以下通信，在所述通信中至少暂时地确保用户站10、20、30之一对第一总线40的排他的、无冲突的访问。

第二总线50与多个用户站10、30共同构成第二总线系统。利用第二总线系统可以以比利用第一总线系统更高速率的数据格式传输消息51、53。

如图1中所示，用户站10具有通信控制装置11、具有存储装置13的控制单元12、和发送/接收装置14。而用户站20具有通信控制装置11和发送/接收装置24。用户站30具有通信控制装置11、存储装置13和发送/接收装置34。用户站10、30的控制单元12和发送/接收装置14、34分别直接连接到第一总线40和第二总线50上，即使这在图1中未示出。用户站20的发送/接收装置24直接连接到第一总线40上，即使这在图1中未示出。

通信控制装置11分别用于控制相应的用户站10、20、30经由第一总线40与连接到第一总线40上的用户站10、20、30中的其他用户站进行通信。为此，通信控制装置11可以为通信系统1的至少一个另外的用户站建立至少一个消息41、51或43或从通信系统1的至少一个另外的用户站读取至少一个消息41、51或43。在此，通信控制装置11可以如常规的can控制器那样实施。

控制单元12可以控制用户站10经由第二总线50与连接到第二总线50上的用户站10、30中的另外的用户站30、10的通信。在存储装置13中可以存储关于第二总线50的占用的数据。控制单元12的功能也集成在发送/接收装置34中，使得发送/接收装置34也是控制单元。

发送/接收装置14、24、34可以经由第一总线40将用户站10、20、30之一建立的消息41、42、43发送到用户站10、20、30中的另外的用户站或者接收由另外的用户站10、20、30之一所发送的消息。发送/接收装置14、24关于其发送和接收功能可以如常规的can收发机那样实施。发送/接收装置34可以以与控制单元12相同的方式还经由第二总线50将用户站30建立的消息53发送到另外的一个或多个用户站10或者接收由另外的用户站10、20之一所发送的消息41、42、43、51。如前述那样设计存储装置13。

利用两个用户站10、30，可以实现消息51、53的鲁棒的构成并且然后还以比can-fd更高的数据率传输。而用户站20不仅在其发送功能方面而且在其接收功能方面对应于常规的can用户站并且根据can协议传输消息42。

控制单元12和发送/接收装置34用于确定关于对第二总线50的预先确定的通道进行访问的占用信息，以便经由第一总线40实施针对第二总线50的仲裁。

为此使用的传输方法将第二总线50上的具有高频范围（hf）内的多个可能的传输频率的高速率传输系统与第一总线40上的can系统组合。can系统被用于调节第二总线50的通道访问。作为拓扑，采用两个总线40、50的并行总线结构，其中对总线50的访问基于can通过利用附加的访问机制的常见的can仲裁进行，这在下文中示出。

因此，第一总线40上的can系统和第二总线50上的具有多个载波或通道k1、k2等的hf系统并行运行，在此两个总线40、50可以或者在相同介质上或者在分开的并行的介质上实施。

图2示出频率f关于时间t的图形，使得hf范围被分成nhf载波并且通过通道号码k1、k2、…knhf来关联。为了分配hf介质、即第二总线50，从以下出发，所有用户站10、30观察can介质、即第一总线40上的消息41、42、43并且在存储装置13中维持每个通道k1、k2、…knhf的状态。因此，对于每个通道k1、k2、…knhf，状态占用（b）或空闲（f）保持在列表或表格中。

如果用户站10、30想要发送消息51、53，其中每个消息51、53具有对应于can矩阵的固定的can-idn1、n2、…，则用户站10、30从通道状态表中选择空闲通道、例如通道k5或k2并且开始在由第一总线40实现的can通道上的仲裁。

在图2中，作为示例示出具有标识符n1的消息51针对通道k5的仲裁，该消息51赢得仲裁。在作为总线40上的消息n1（k5，b）的所属的消息41的数据部分中通知通道k5的通道占用。在此存在两种消息类型、即占用和释放，分别具有通道/载波号码，如图2中所示。因为仅仅具有标识符n1的已经赢得仲裁的消息51也可以由所属的用户站10、30发出，所以由此通道k5在所有用户站10、30的占用表中被更新为“占用”。因此能够实现具有标识符n1的消息51在通道k5上的传输，如图2中所示。

为了能够实现消息51的动态长度，利用总线40实现的can通道立即又变得空闲并且在通道k5上的发出可以任意长时间地继续。一旦具有标识符n1的消息51完全发出，具有标识符n1的消息51就结束。此外，通过作为利用总线40实现的can通道上的消息n1（k5，f）形式的另外的消息41的空闲通知的发出来执行通道k5。消息n1（k5，f）形式的空闲通知经历过仲裁，其中在消息n1（k5，f）的数据部分中现在通知k5的通道占用为空闲。如果仲裁不起作用，则必须等待消息n1（k5，f）。

以相同的方式进行具有标识符n3的消息53在通道k2上的发出。

每个用户站10、30可以针对具有标识符n1、n2、n3…的消息51、53分配仅仅一个通道k1、k2…并且也必须此后又释放该通道。所有用户站10、30观察第一总线40上的仲裁和消息41、42、43，以便在仲裁之后更新占用信息。作为can控制通道的第一总线40的过载被排除，因为在所有通道k1、k2、…knhf被占用时仅允许空消息。在所有其他情况下，仲裁总是利用具有最高优先权的消息解决通道k1、k2、…knhf之一的新的占用。为此，优先权处理可以通过调整can消息标识符n1、n2、…来改变并且必要时关于状态占用（b）或空闲（f）进行补充。

因此在通信系统1中可以实施一种用于高数据率的基于can的通信的方法，其中利用用户站10的通信控制装置11例如为用户站30建立消息51，或者同时地或者随后利用经由第一总线系统40实施仲裁来确定对第二总线系统50的预先确定的通道k1、k2、…knhf的访问的占用信息b、f，并且如果仲裁正面地结束，则将通信控制装置11建立的消息经由第二总线50的预先确定的通道发送到用户站30。

根据第一实施例的一种改型，第二总线50上的消息51、53可以具有第一总线40上的消息41、42、43的大约两倍长度，以便在第二总线50的所有nhf通道的占用和释放期间可以在第一总线40上平均发送所有所需的2nhf消息41、42、43。由此可以实现高的带宽利用效率。

根据第一实施例的另一种改型，一般可以约定最大的占用时间tbmax，使得新的用户站10、30仅必须等待该时间，以便可靠地识别hf通道的所有占用状态。在图2中，最大的占用时间tbmax可以对应于消息n1或n3的长度。可选地，然后在占用期间可以“表示”占用的延长，以便比tbmax更长的占用也是可以的。然而，在该情况下必须在时间tbmax之内进行具有占用通知的重新仲裁。

在第一实施例的该改型中也可以的是，使用具有在tbmax之后自动释放的固定的帧，而不必发送释放消息。在此，长的消息可以通过分区来处理。

根据第一实施例的又一种另外的改型，想要在通道k1、k2、…knhf之一上进行发送并且已经处于仲裁中的用户站10、30可以在其仲裁阶段期间观察该通道，以便保证真没有另外的用户站30、10使用该通道。由此可以免受存储装置13中的可能有错的通道占用登记。如果确定由另外的用户站30、10的通道占用进而使用，则还可以在仲裁之后借助错误帧发出（error-burst，错误突发）将该消息解释为无效的。

根据第一实施例的又一种另外的改型，在发送/接收装置14、34和/或控制单元12中使用具有不同数量可用频率的接收器。因此用户站10、30在运行中必须仅仅监控较少数量的通道k1、k2、…knhf。因此，存储装置13的存储需求变得更少并且消息经由用户站10、30的发送和接收变得更快。

根据第一实施例的又一种另外的改型，使用动态的带宽、即通道k1、k2、…knhf的灵活的捆绑。由此，通信系统1可以灵活地匹配于相应的应用情况。

图3示出根据第二实施例的总线40、50的输入端和输出端的布线。根据当前实施例的通信系统以与在前面的实施例中参考图1和图2描述的相同的方式来构造。

根据图3，总线40、50连接到外部的分束器60上。因此总线40、50的两个线路输出端通过分束器60综合到共同的总线线路上，如图3中在分束器60的右侧上所示那样。分束器60可以设计成组合的低通滤波器和高通滤波器，该低通滤波器用于使第一总线40的频率通过，该高通滤波器用于使第二总线50的频率通过。

由此得出产品的多个应用可能性，该产品然后可以分开实现总线40、50的两个方法。然而，在该产品中可以根据应用情况共同地或分开地作为独立的通信网来运行两个系统。在共同的运行中，得出以下可能性：或者利用总线40、50的分开的线路来工作并且仅仅通过can总线控制访问，或者通过外部的分束器60将两个线路输出端综合到总线40、50的共同的总线线路上。

图4示出在根据第三实施例的通信系统中消息的传输。根据本实施例的通信系统也以与在第一实施例中参考图1所描述的相同的方式来构造。因此，即使在根据本实施例的通信系统中，消息41、42、43也在第一总线40上传输并且根据另一种方法，消息51、53在第二总线50上传输。第二总线50与第一总线40并行并且作为单独的线路来实施。此外，在第二总线50上使用宽带范围内的第二通信和调制方法。

即使在根据本实施例的通信系统中，在两个独立的总线40、50上以协调的方式设计传输，使得第一总线40、例如can总线用于介质访问，包括仲裁，并且第二总线50上的通信通过第一总线40来协调。这在本实施例中以以下方式进行，即在此适用相同的时间窗，然而所述时间窗此外时间上错开地布置，如图4中所示。

由此，第二总线50上的借助信息51、53的通信可以有利地在第一总线上的仲裁结束之后开始。

图5示出在根据第四实施例的通信系统中消息的传输。根据本实施例的通信系统也以与在第一实施例中参考图1所描述的相同的方式来构造。因此，即使在根据本实施例的通信系统中，消息41、42、43也在第一总线40上传输并且根据另一种方法，消息51、53在第二总线50上传输。第二总线50与第一总线40并行地在与第一总线40共同的线路中实施。此外，在第二总线50上使用宽带范围内的第二通信和调制方法。

如在前一个实施例中那样，其中在总线线路上以不同的调制方法在低的（can）和高的（具有高数据率的鲁棒传输）频率范围内进行通信，可以以与在使用分开的总线线路的情况下相应的方式进行两个方法利用can仲裁的协调设计。

如图5中所示，在此也进行总线40、50的两个方法在频率范围内的基本分开。第二总线50上的传输以比第一总线40上更高的频率进行。同时，通过第一总线40上的仲裁的介质访问和消息41、42、43的长度被协调，如图4中所示。在此也可以使用时间错开，但不是强制必需的。

对于在唯一的线路上实现总线40、50，各个通信方法根据图5自然被设计成，使得所述通信方法原则上在频率范围内不重叠。

通信系统1、用户站10、20、30、总线40、50和方法的所有前述的设计方案可以单独地或以所有可能的组合来应用。特别是前述实施例的所有特征可以任意组合。附加地，特别是可以设想以下改型。

根据实施例的具有总线40的之前的第一总线系统借助基于can协议的总线系统来描述。然而，根据实施例的第一总线系统也可以是其他类型的通信网。有利的、但并非必然前提的是，在通信系统1中在第一总线系统中至少在确定的时间段内确保用户站10、20、30对共同通道的排他的、无冲突的访问。

也可以多于一个的总线50与第一总线40并行运行。应该与此相应地设计通信控制装置11、存储装置12和发送/接收装置13。在多个系统的情况下，仅仅各个子系统通过图3的分束器电路的组合和观察分开的总线40、50是可以的。

用户站10、20、30的数量可以任意选择。也可以在通信系统1中仅存在用户站10、30。

在此描述的超过常规can收发机的功能的功能也可以由通信控制装置11实施或由单独的收发机实施。由此支持can经过can-fd至新产品的迁移，所述新产品具有附加的高速率的运行模式。

为了在第二总线50的通道上进行传输提供多个传输格式。例如可以使用基于载波的传输，其中正交幅度调制的调制符号被调制到载波频率上。载波的调制在使用相应的采样率的情况下直接在数字范围内也是可以的。

除了脉冲幅度调制之外，可以将正交频分复用（ofdm）用作作为第二总线50的一个（或多个）附加系统的可能的设计。为此，要传输的数据映射到多个载波的符号上并且分配给ofdm符号的各个频率。

第二总线50上的高速率的传输模式可以作为附加的运行变型方案以以下方式来实施，即相应的通信控制装置11或控制单元12或发送/接收装置34掌握所有迄今的can模式、此外can-fd、局部网络化等。

第二总线50上的高速率的传输模式被实施成，使得该传输模式可以与迄今的can模式、此外can-fd、局部网络化等共存地运行。

通信控制装置11或控制单元12或发送/接收装置34中功能的分区也可以分布到多个部件上来实现。由此，根据迄今的can控制器和can收发机力求可能的相似的实施方案。对于多个部件的连接可以使用模拟与数字接口。

第一总线40的can通信支路除了根据通信控制装置11的can控制器之外通常还包括根据发送/接收装置14、24、34的can收发机和共模扼流圈（cmc）。这些组件可以一方面在系统侧存在，如图3中在左侧示出，或者在外部侧被集成到观察的分束器60中。