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Bussystem und Verfahren zum Austausch von Daten - Dokument DE10134584B4
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10134584B4 08.12.2005
Titel Bussystem und Verfahren zum Austausch von Daten
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Eckmueller, Robert, 94160 Ringelai, DE
DE-Anmeldedatum 17.07.2001
DE-Aktenzeichen 10134584
Offenlegungstag 13.02.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 08.12.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.12.2005
IPC-Hauptklasse G06F 13/40
IPC-Nebenklasse H04L 12/40   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Bussystem für asynchrone Kommunikation mit wenigstens zwei Busleitungen, auf denen ein differentieller Pegel anliegt, und ein Verfahren zum Austausch von Daten auf einem solchen Bussystem.

Insbesondere in Kraftfahrzeugen werden zunehmen CAN-Busse zur Vernetzung von Steuergeräten und Sensoren eingesetzt. Für Diagnosezwecke (Endprüfung) oder zum Programmieren der am Bus angeschlossenen Steuergeräte am Bandende (Applikation) oder bei Programm-Updates in einer Werkstätte, muss ein externes Gerät mit den Steuergeräten verbunden werden. Hierzu können die Programme der bisher bereits eingesetzten externen Diagnose-/Applikationsgeräte und der entsprechenden Steuergeräte an die Kommunikation im CAN-Protokoll angepasst werden. Neben dem hierfür erforderlichen Aufwand ist aber die langsame Datenübertragung nachteilig, die durch die Datenstruktur des CAN-Protokolls bedingt ist. Es ist daher üblich, über eine zusätzliche, verhältnismäßig aufwendig Schnittstelle, die als Differenzverstärker arbeitet, wie z. B. RS422 oder RS232, und zusätzlichen Busleitungen auf das gewünschte Steuergerät zuzugreifen.

Aus der DE 42 29 175 A1 ist eine Netzwerkschnittstelle bekannt, die für den Zweidrahtempfang über einen seriellen Bus ausgelegt ist. Die Netzwerkschnittstelle weist einen Differenzempfänger auf, der an zwei Eingangsleitungen angeschlossen ist. Die Netzwerkschnittstelle weist ebenfalls Mittel zur Erkennung von Fehlzuständen auf den Busleitungen auf. Sie ist so ausgelegt, dass sie nach der Erkennung eines Fehlzustandes in einen Eindrahtbetrieb übergeht, um den Datenverkehr aufrechtzuerhalten.

Aus der DE 195 03 460 C1 ist eine fehlertolerante Endstufe mit einem Sendemodul und einer Empfangsstufe bekannt, die ein Bussignalzwischenverarbeitungsmodul und ein nachgeschaltetes Empfangsmodul beinhaltet und ankommende Bussignale für eine nachgeschaltete Datenverarbeitungseinheit aufbereitet. Die fehlertolerante Endstufe ist insbesondere in einem CAN-System verwendbar und ermöglicht bei Auftreten eines Einfachfehlers im Zweileiterdatenbus eine selbsttätige Umschaltung in Echtzeit.

Aus der DE 693 17 006 T2 ist ein Testsystem zum Testen einer elektronischen Steuervorrichtung durch Senden und Empfangen von Daten zwischen der Testvorrichtung und der elektronischen Steuervorrichtung unter Verwendung serieller, asynchroner Kommunikation bekannt. Die Testvorrichtung umfasst einen Identifikationsanschluss zum Ausgeben eines Identifikationssignals, das entweder auf einen Vollduplexkommunikationsmodus oder einen Halbduplexkommunikationsmodus hindeutet. Die elektronische Steuervorrichtung umfasst eine Kommunikationsschaltung zum Empfangen des Identifikationssignals und zum Erstellen entweder des Vollduplexkommunikationsmodus oder des Halbduplexkommunikationsmodus, wobei die Testvorrichtung zum Initiieren der seriellen, asynchronen Kommunikation durch Ausgeben des Identifikationssignals betreibbar ist.

Es ist Ziel der Erfindung, ein Bussystem, das mehrere Steuergeräte miteinander verbindet, auf besonders einfache und effiziente Weise für ein externes Diagnose- oder Applikationsgerät zugänglich zu machen.

Dieses Ziel wird mit einem Bussystem und einem Verfahren zum Austausch von Daten erreicht, wie sie in den unabhängigen Patentansprüchen definiert sind. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Durch die Verwendung einer Hardware-Schnittstelle für asynchrone, bidirektionale Kommunikation in Verbindung mit Transceivern, die den differentiellen Pegel auf den Busleitungen in einen digitalen Pegel umwandeln, können einfache Schnittstellen, die regelmäßig in Standardkontrollern implementiert sind, zum Zugriff auf das Bussystem genutzt werden. Diese müssen selbst keine Differenzverstärkung erzeugen. Dabei ist die elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) der trotzdem erzielten differentiellen Strom- oder Spannungspegel auf den Busleitungen vorteilhaft für die Datenübertragung. Zusammen mit dem Transceiver übernimmt die Hardware-Schnittstelle die Aufgabe einer asynchronen Schnittstelle.

Obwohl in einer besonders bevorzugten Ausführungsform kostengünstige CAN-Transceiver eingesetzt werden, kann die Geschwindigkeit der Datenübertragung gegenüber dem CAN-Protokoll auf etwa das 1,5 bis 2-fache gesteigert werden. Beim Einsatz von UART erhöht sich die Geschwindigkeit gegenüber einem Betrieb unter dem CAN-Protokoll etwa um das 1,8-fache.

Da in einem für das CAN-Protokoll ausgebildeten Mikrokontroller üblicherweise sowohl ein CAN-Kontroller (CAN-Hardware-Schnittstelle) als auch ein UART-Hardware-Schnittstelle implementiert sind („embedded Controller"), sind für einen Zugang oder Gateway zu einem vorhandenen CAN-Bussystem keine zusätzliche Bausteine erforderlich. Der zugehörige CAN-Transceiver kann sowohl für die Kommunikation mittels CAN als auch mittels UART genutzt werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen:

1 einen CAN-Bus mit mehreren daran angeschlossenen Mikrokontrollern,

2 einen CAN-Bus mit zwei Busteilnehmern und

3 die Leiterplatte der Anzeigeeinrichtung von 2.

In 1 ist ein Teil eines Bussystems eines Kraftfahrzeugs mit zwei Busleitungen 11 und 12 dargestellt. Es handelt sich hierbei um einen CAN-Bus, der gemäß den CAN-Spezifikationen mit differentiellen Spannungspegeln betrieben wird und einen dominanten und einen rezessiven Zustand aufweist. Der rezessive Zustand stellt sich ohne Zutun eines Busteilnehmers ein. Der dominante Zustand muss von einem aktiven Teilnehmer eingestellt werden. Busleitung 11 überträgt das Signal CANL und Busleitung 12 das Signal CANH. Das Signal CANL kann die Spannungswerte 1,5V und 2,5V annehmen, CANH die Spannungswerte 2,5V und 3,5V. Beim dominanten Zustand, der dem digitalen Wert 0 oder Low entspricht, liegen an CANL 1,5V und an CANH 3,5V an. Beim rezessiven Zustand, der dem digitalen Wert 1 oder High entspricht, liegen sowohl an CANL als auch an CANH 2,5V an.

Bei den Busteilnehmern kann es sich um ein Display handeln, das die anzuzeigenden Daten von weiteren Busteilnehmern erhält, beispielsweise einer Temperaturmesseinrichtung, einem Radio, einem Navigationsgerät und dergleichen.

Jeweils ein CAN-Transceiver 22 eines Busteilnehmers verbindet eine Steuereinheit bzw. einen Mikrokontroller 23 mit den Busleitungen 11, 12 und somit mit anderen Teilnehmern. Die Transceiver 22 setzen in einer Richtung digitale Signale der Mikrokontrollers 23 mit TTL-Pegel in differentielle Signale um und setzen in der Gegenrichtung die differentiellen Signale der Busleitungen 11, 12 in digitale Signale mit 0 V und 5 V um.

Die CAN-Transceiver geben vom zugehörigen Mikrokontroller erzeugte Signale auf die Busleitungen 11, 12 aus und lesen gleichzeitig die ausgegebenen Signale an denselben Mikrokontroller zurück. Dies erfolgt auf einer Zweidrahtleitung mit den Signalleitungen RxD und TxD.

Die zu den Mikrokontroller 23 gehörigen Teilnehmer, bei denen es sich um Steuergeräte und Sensoren handelt, sind nicht dargestellt.

In dem Mikrokontrollern 23 sind sowohl eine UART-Hardware-Schnittstelle 231 als auch eine CAN-Hardware-Schnittstelle bzw. ein CAN-Kontroller 232 als Buskontroller implementiert („embedded"). Jede der beiden Schnittstellen ist jeweils mit dem Transceiver elektrisch verbunden. Die beiden Buskontroller sind also parallel geschaltet.

Eine UART-Schnittstelle ist grundsätzlich für bidirektionale Kommunikation im Vollduplexbetrieb (gleichzeitiges Lesen und Schreiben) ausgelegt. Aufgrund der Beschaltung mit einem CAN-Transceiver können die UART-Schnittstellen 231 allerdings nur im Halbduplexbetrieb (entweder Lesen oder Schreiben) kommunizieren.

Beim Systemstart wird zunächst jeweils die UART-Schnittstelle 231 aktiviert und der CAN-Kontroller 232 gesperrt, um eine gleichzeitige Kommunikation mit unterschiedlichen Busprotokollen zu vermeiden. Es kann daher sofort mit einem Applizieren von Daten, also dem Programmieren von Busteilnehmern, und dem Prüfen/Diagnostizieren der Teilnehmer begonnen werden. In diesem Modus kann die Datenübertragung mit einer höheren Übertragungsgeschwindigkeit erfolgen als beim Betrieb nach dem CAN-Protokoll.

Werden innerhalb einer vordefinierten Zeitspanne, beispielsweise 5 ms, keine Signale einer UART-Schnittstelle erkannt, wird die UART-Schnittstelle 231 gesperrt und der CAN-Controller 232 aktiviert. Signale einer UART-Schnittstelle können anhand der Datenübertragungsgeschwindigkeit (Baudrate), anhand des Erkennens des CAN-Protokolls oder anhand von Parity-Fehlern von Signalen eines CAN-Kontrollers unterschieden werden. Um die Gewissheit der Erkennung zu erhöhen, können mehrere Erkennungsmethoden kombiniert werden.

2 veranschaulicht das Bussystem von 1 mit zwei beispielhaften Busteilnehmern. Dabei handelt es sich um eine Anzeigeeinrichtung 2 eines Fahrerinformationssystems und um ein Steuergerät 3, und genauer um ein Motorsteuergerät.

Eine mit der Anzeigeeinrichtung 2 verbundene Steuereinheit (Mikroprozessor) erhält von dem Steuergerät Daten, um den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs zu ermitteln und an den Fahrzeugführer auszugeben.

3 zeigt einen der in 1 dargestellten Mikrokontroller 23 auf einer Leiterplatte 21 eines Busteilnehmers. Bei dem Busteilnehmer handelt es sich um die in 2 dargestellte Anzeigeeinrichtung 2.

Die UART-Hardware-Schnittstelle 231 und der CAN-Kontroller 232 des Mikrokontrollers 23 sind mit denselben elektrischen Kontakten 241 eines Steckverbinders 24 über den Transceiver 22 verbunden. Der Steckverbinder 24 ist in das Gehäuse des Busteilnehmers integriert und stellt eine Verbindung zu einer Energieversorgung und den Busleitungen 11, 12 des CAN-Bus her. Ferner kann über den Steckverbinder auch eine direkte Verbindung – ohne Vermittlung des CAN-Busses zu einem externen Gerät, beispielsweise einem Telefon oder einem Audiogerät, hergestellt werden.

Über den Steckverbinder 24 kann zusätzlich ein externes Programmier- (Applikations-) oder Prüfgerät angeschlossen werden, um Daten in einem an das Bussystem angeschlossenen Teilnehmer zu speichern oder einen Funktionstest eines Teilnehmers vorzunehmen.

Im dargestellten Beispiel ist das externe Programmiergerät 4 über einen separaten (nicht dargestellten) Steckverbinder an einem geeigneten Ort im Kraftfahrzeug mit den Busleitungen 11, 12 und somit mit dem zu programmierenden Busteilnehmer verbunden.

Der Anschluss externer Geräte kann auch über eine drahtlose Schnittstelle erfolgen, beispielsweise mittels einer Infrarotschnittstelle nach dem IRDA-Standard oder einer Bluetooth-Schnittstelle. Die drahtlose Schnittstelle kann eine Verbindung zu dem CAN-Bus oder direkt zu einem externen Gerät herstellen.

11, 12Busleitung 2Anzeigeeinrichtung 21Leiterplatte 22Transceiver 23Mikrokontroller 231UART-Hardware-Schnittstelle 232CAN-Kontroller 24Steckverbinder 241Kontakt 3Steuergerät 4Applikationsgerät

Anspruch[de]
  1. Bussystem, das aufweist:

    – wenigstens zwei Busleitungen (11; 12), auf denen ein differentieller Pegel anliegt, der einen dominanten und einen rezessiven Zustand annehmen kann,

    – wenigstens zwei Transceiver (22) für bidirektionale Kommunikation im Halb-Duplexbetrieb, die mit den Busleitungen (11; 12) verbunden sind und die den differentiellen Pegel der Busleitungen in einen digitalen Pegel umwandeln,

    – wenigstens eine Hardware-Schnittstelle (231), die mit einem der beiden Transceiver (22) verbunden ist, für asynchrone, bidirektionale Kommunikation im Vollduplexbetrieb.
  2. Bussystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Hardware-Schnittstelle (231) über den Transceiver (22) mit einem Steckverbinder (24) oder einer drahtlosen Schnittstelle verbunden ist.
  3. Bussystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Bussystem eine Anzeigeeinrichtung (2) mit wenigstens einem Steuergerät (3) in einem Kraftfahrzeug verbindet, und dass der Steckverbinder (24) an der Anzeigeeinrichtung (2) angeordnet ist.
  4. Bussystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transceiver (22) CAN-Transceiver sind.
  5. Bussystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hardware-Schnittstelle eine UART-Schnittstelle ist.
  6. Bussystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mikrokontroller (23) wenigstens zwei Hardware-Schnittstellen (231; 232) aufweist, wobei diese Hardware-Schnittstellen (231; 232) mit demselben Transceiver (22) verbunden sind.
  7. Bussystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Hardware-Schnittstellen ein CAN-Kontroller (232) ist.
  8. Bussystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der CAN-Kontroller (232) und die Hardware-Schnittstelle (231) in einem einzigen Mikrokontroller (23) integriert sind.
  9. Verfahren zum Austausch von Daten auf einem Bussystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8 mit den Schritten:

    – es wird zunächst eine der beiden Hardware-Schnittstellen (231; 232) für eine Kommunikation aktiviert und die andere der beiden Hardware-Schnittstellen gesperrt,

    – werden innerhalb einer definierten Zeitspanne keine Signale der aktivierten Hardware-Schnittstelle erkannt, wird die ursprünglich aktivierte Hardware-Schnittstelle gesperrt und die ursprünglich gesperrte Hardware-Schnittstelle aktiviert.
  10. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Hardware-Schnittstellen (231; 232) mit unterschiedlichen Datenübertragungsgeschwindigkeiten kommunizieren.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Signale der unterschiedlichen Hardware-Schnittstellen (231; 232) voneinander unterschieden werden anhand unterschiedlicher Datenübertragungsgeschwindigkeiten und/oder anhand von Parity-Fehlern und/oder anhand von Datenmustern, die von unterschiedlichen Protokollen herrühren, mit denen die Hardware-Schnittstellen kommunizieren.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hardware-Schnittstellen eine UART-Schnittstelle (231) und ein CAN-Kontroller (232) sind, und dass zunächst die UART-Schnittstelle (231) aktiviert und der CAN-Kontroller (232) gesperrt wird.
  13. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale der UART-Schnittstelle (231) anhand von Datenmustern erkannt werden, die vom CAN-Protokoll abweichen.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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