用于总线系统的用户站以及用于改进总线系统的用户站的错误鲁棒性的方法

摘要

示出了用于总线系统（1；2）的用户站（10；30；50；60）以及用于改进总线系统（1；2）的用户站（10；30；50；60）的错误鲁棒性的方法。用户站（10；30；50；60）包括用于将信号通过总线系统（1；2）发送给另一用户站以及用于通过总线系统（1；2）接收信号的发送/接收装置（13），在所述总线系统中至少暂时地保证用户站（10、20、30、50、60）对总线系统（1；2）的总线线路（40）的排他的、无冲突的访问，以及包括用于修改所述发送/接收装置（13）的发送路径（131）的发送特性和/或所述发送/接收装置（13）的接收路径（132）的接收特性的修改装置（12；14）。

说明书

技术领域

本发明涉及用于总线系统的用户站以及用于改进总线系统的用户站的错误鲁棒性（Fehlerrobustheit）的方法，在所述用户站以及所述方法的情况下在总线系统上的信息传输中在如例如由于总线系统中的分支、错误终止、失配、被挤压的电缆导管而存在的不利的条件下也改进错误鲁棒性。

背景技术

针对传感器和控制设备之间的通信，CAN总线系统已获得广泛的流行。在CAN总线系统的情况下，消息借助于CAN协议来传输，如在ISO11898中的CAN规范中所描述的那样。最近为此此外提出了技术、诸如CAN-FD等，在所述CAN-FD中消息根据规范“CANwithFlexibleData-Rate,SpecificationVersion1.0”（来源：http://www.semiconductors.bosch.de）来传输。在这样的技术中通过在数据字段的范围中使用更高的定时将最大可能的数据速率提升超过1MBit/s的值。只要基于实际存在的总线拓扑，这一般可以例如以更高的误比特率形式由传输质量负担。

实际存在的总线拓扑通常如下偏离理论：在总线线路上在如下位置处产生反射，在所述位置处总线线路具有偏离理论的波阻。这样的位置例如是在实际实施中经常在例如联络线、无源星型点等的情况下可以遇见的分支、错误终止、失配、被挤压的电缆导管。由此产生的反射导致总线线路上的状态的时间上的串扰，使得所发送的符号或者比特串扰到时间上跟随的符号并且可能使所述符号的检测掺假。

根据ISO11898中的CAN规范，总线线路应当在两侧以线路阻抗来终止，使得起振过程针对所规定的最大电缆长度在所发送的符号之内衰减并且在符号间隔结束时得出明确的状态。然而在现实中经常不能避免两个或者多个CAN符号之间的串扰。

CAN总线系统的用户站由大多被集成在微控制器中的通信处理器以及也被称为收发器并且大多被实施为具有到总线线路的直接连接的单独的芯片的发送器/接收器构成。在这种收发器中，接收路径大多仅包括具有用于总线电平的也被称为偏置匹配的偏压匹配的所前接的分压器的比较器。该比较器直接分析显性和隐性的比特状态的总线电平并且在输出端处形成判定。

发送路径由用于CAN总线系统的两个总线芯线的各一个上拉和下拉晶体管构成，所述上拉和下拉晶体管也被称为CAN高（C_H）和CAN低（C_L）并且被用于在发送状态中显性电平的耦合输入。在两个晶体管没有被接通时出现隐性电平，使得接收路径的输入电阻将总线线路的两个总线芯线的电平拉到平均水平上。基于在显性以及隐性状态中的不同内阻，能够执行对总线系统的多个用户站的仲裁。

发送电平通过先前所描述的切换过程来调整。在这种情况下通过总线系统的总线线路的优先容性的特性而发生重新加载过程，由此在一定时间之后才出现所期望的总线电平。在这种情况下以不同的速度或者时间常数发生从显性电平到隐性电平以及从隐性电平到显性电平的过渡。

由这些不同的时间得出由于从显性到隐性总线电平的更慢的过渡而造成的接收装置中的更高的错误概率，所述接收装置也可以被称为接收器。因为在CAN-FD的情况下数据速率的提高尤其通过缩短在所进行的仲裁之后所发送的数据部分中的符号持续时间来实现，该特性可能限制总线系统的使用场景。

在这种情况下非常强烈地减小接收信号到判定器阈值的间隔，使得所叠加的噪声干扰可能以高很多的概率导致CAN发送/接收装置中的错误探测。

发明内容

因此，本发明的任务是提供用于总线系统的用户站以及方法，所述用户站以及所述方法解决先前所提到的问题。尤其应当提供用于总线系统的用户站以及方法，在所述用户站以及所述方法中在真实的总线线路的所提到的不利的条件下也改进尤其是CAN总线系统的总线系统上的信息传输的发送质量。

所述任务通过具有权利要求1的特征的用于总线系统的总线站来解决。该用户站包括用于将信号通过总线系统发送给另一用户站以及用于通过总线系统接收信号的发送/接收装置，在所述系统中至少暂时地保证用户站对总线系统的总线线路的排他的、无冲突的访问，以及包括用于修改发送/接收装置的发送路径的发送特性和/或发送/接收装置的接收路径的接收特性的修改装置。

在用户站中通过发送/接收装置中的附加措施来实现对总线线路上的信号的改进。

用户站提供针对从显性到隐性状态的过渡的大的优点，这也在CAN的情况下以及必要时也在FlexRay的情况下适用。用户站特别适合于在CAN-FD的数据部分中在较高的切换速度的情况下的问题。

因此，用户站也适合于在更高地被定时的系统、诸如CAN-FD等中应用。用户站关于要发送的信号和/或所接收的信号的功能也可以在一种实施方式中特别是作为发送/接收装置或者收发器或者CAN收发器或者收发器芯片组或者CAN收发器芯片组中的预处理来实现。特别是可以将所观察的功能要么嵌入在作为单独的电子模块（芯片）的收发器中要么嵌入在集成的总体解决方案中，在所述收发器中仅存在一个电子模块（芯片）。

用户站适合于在实际的或者真实的总线拓扑的所提到的不利的条件下也改进在CAN总线系统上的信息传输的情况下的发送质量。用户站也适合于在比标准CAN总线系统更高地被定时的系统中使用并且能够在收发器、特别是CAN收发器芯片组的发送路径和/或接收路径中的实现方案中实现。用户站与当前可用的解决方案相比为此具有附加的处理级。

修改装置可以包括发送器输出级，用于使要由发送/接收装置发送的信号预失真，以便在要发送的信号的时钟之内实现发送信道上的总线电平的起振，和/或修改装置可以是用于在眼图中向右改变探测时间点以及在眼图中向上改变判定器阈值的接收器修改装置。

发送器输出级可以被设计用于使要由发送/接收装置发送的信号预失真，使得发送器输出级根据总线系统的帧的区段来匹配用户站的发送器特性。在这种情况下，发送器输出级可以被设计用于使要由发送/接收装置发送的信号的数据区段预失真。

发送器输出级可能被设计用于使要由发送/接收装置发送的信号预失真，使得发送器输出级修改要发送的信号的电压电平或者发送/接收装置的输出电阻。在这种情况下，发送器输出级可以被设计，使得发送器输出级依赖于时间在发送信号的状态转变之后不仅匹配电压电平而且匹配输出电阻。此外，在这种情况下，发送信号的状态转变特别可以是发送信号的从显性到隐性状态的转变。

优选地，发送器输出级包括能够由第一操控信号操控的第一晶体管、能够由第二操控信号操控的第二晶体管、能够由第三操控信号操控的第三晶体管、以及能够由第四操控信号操控的第四晶体，其中第一和第二晶体管与用于第一总线芯线的连接端子连接，并且其中第三和第四晶体管与用于第二总线芯线的连接端子连接。在这种情况下发送器输出级可以被设计，使得发送器输出级分别线性地操控第一至第四晶体管，以便针对第一和第二总线芯线利用所定义的内阻来调整电平。替代地或附加地，发送器输出级可以被设计，使得该发送器输出级在每个比特状态之内将第一至第四操控信号的预先确定的时间变化用于使发送/接收装置的发送路径的阻抗和要发送的信号预失真。

先前所描述的用户站可以是总线系统的一部分，该总线系统具有总线线路、和至少两个用户站，所述用户站通过总线线路（4）相互连接，使得所述用户站能够相互通信。在这种情况下，至少两个用户站中的至少一个是先前所描述的用户站。

先前所提到的任务此外通过用于改进总线系统的用户站的错误鲁棒性的方法来解决。所述方法包括以下步骤：利用用户站的发送/接收装置将信号通过总线系统发送给另一用户站或者利用用户站的发送/接收装置通过总线系统接收信号，在所述总线系统中至少暂时地保证用户站对总线系统的总线线路的排他的、无冲突的访问，以及利用用户站的发送器输出级来使要由发送/接收装置发送的信号预失真，以便在要发送的信号的定时之内实现发送信道上的总线电平的起振。

所述方法提供与先前关于用户站所提到的优点相同的优点。

本发明的另外的可能的实现方案也包括先前或者下面关于实施例所描述的特征或者实施方式的未明确地提到的组合。在此，本领域技术人员也将把单个方面作为改进或者补充添加到本发明的相应基本形式。

附图说明

随后参照附图以及借助实施例进一步描述本发明。

图1示出根据第一实施例的总线系统的简化的框图；

图2示出根据第一实施例的总线系统的发送/接收装置的电路图；

图3示出通过根据第一实施例的总线系统传输的所发送的信号的信号变化（Signalverlauf）以及所属的控制信号TX的信号变化；

图4示出图2的发送/接收装置的输出级以及总线系统的总线线路的具有指数地下降的特性曲线的理想化的（标准化的）信号变化；

图5示出针对根据图4的信号变化的眼图的一个示例；

图6示出根据第一实施例的方法的流程图；

图7示出根据第二实施例的总线系统的简化的框图；

图8示出根据第二实施例的总线系统的发送/接收装置的电路图；

图9示出根据第二实施例的总线系统的发送/接收装置的发送器输出级的电路图；

图10示出根据第二实施例的方法的流程图；

图11示出针对用于根据第二实施例的发送器输出级的操控信号的一个示例；

图12示出针对用于根据第二实施例的发送器输出级的被预失真的操控信号的一个示例；

图13示出根据第二实施例的发送器输出级的输出信号针对图11和图12的信号的变化；以及

图14示出针对通过总线系统所发送的消息的构造的一个示例。

在图中相同的或者功能相同的元件只要未另作说明就配备相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出总线系统1，所述总线系统例如可以是CAN总线系统、CAN-FD总线系统等。总线系统1可以使用在车辆、特别是机动车、飞机等中，或者使用在医院等中。

在图1中总线系统1具有多个用户站10、20、30，所述用户站分别被连接到具有第一总线芯线41和第二总线芯线42的总线线路40上。总线芯线41、42也可以被称为CAN高（C_H）和CAN低（C_L）并且用于在发送状态中显性电平的耦合输入。消息45、46、47可以通过总线线路40以信号的形式在各个用户站10、20、30之间传输。用户站10、20、30例如可以是机动车的控制设备或者显示设备。

如在图1中所示出的那样，用户站10、30分别具有通信控制装置11、接收器修改装置12和发送/接收装置13。而用户站20具有通信控制装置11和发送/接收装置14。用户站10、20、30的发送/接收装置14分别被直接连接到总线芯线40上，即使这在图1中未示出。

通信控制装置11用于控制相应用户站10、20、30通过总线线路40与连接到总线线路40上的用户站10、20、30中的另一用户站的通信。接收器修改装置12用于改进由发送/接收装置13所接收的消息45、46、47的接收质量，如稍后更详细地所描述的那样。通信控制装置11可以如常规的CAN控制器那样被实施。发送/接收装置13可以关于其发送功能如常规的CAN收发器那样被实施。

图2作为示例更详尽地示出用户站20的发送/接收装置13的构造。发送/接收装置13具有发送路径131以及接收路径132。发送路径131用于发送基于消息45、46、47之一的要发送的信号。接收路径132用于接收相应的所发送的信号。发送路径131和接收路径132分别如在常规的CAN用户站的情况下那样被构造。

在图2中，发送/接收装置13在接收路径132中具有用于连接总线芯线41、42的第一和第二输入连接端子C_H、C_L。此外，在接收路径132中布置有两个电阻133、134、比较器135、处理元件136以及输出连接端子137。电阻133被布置在比较器135的位于正电位上的第一输入端和第一输入连接端子C_H之间。电阻134被布置在比较器135的位于负电位上的第二输入端和第二输入连接端子C_L之间。在发送路径131中布置有用于两个总线芯线41、42的上拉晶体管（Pullup-Transistor）138和下拉晶体管（Pulldown-Transistor）139。

图3示出在用户站20中得出的关于时间的两种信号变化。在图3的上面的部分中示出了针对总线线路40的总线芯线41、42之间的所测量的差信号C_L-C_H的一个示例。在图3的下面的部分中示出了用于发送路径131的与此有关的控制信号TX。除了换向延迟，在所测量的差信号C_L-C_H中尤其能够看出不同的时间常数，所期望的总线电平以所述时间常数出现。因此，从显性电平到隐性电平以及从隐性电平到显性电平的过渡以不同的速度或者时间常数发生。其原因在于CAN发送/接收装置13的输出电阻依赖于要发送或者所发送的信号的发送状态。

在图4中关于标准化到要发送的信号或者发送信号的时钟T_S的时间示出了发送/接收装置13和总线线路40的具有指数地下降的特性曲线的理想化的信号变化。

在图5的眼图中能够看出，接收信号到在图5中在垂直轴的中心位于0.5处的判定器阈值E的间隔被非常强烈地减小。被叠加在通过总线线路40所发送的信号上的噪声干扰由此可能以高很多的概率导致错误的探测。在图5中能够用于探测的区域在图表中用阴影线绘出。

为了实现尽可能好的错误鲁棒性，接收器修改装置12修改发送/接收装置13的接收特性。这在图5中被示出，这与在图6中所示出的用于改进用户站10、30的错误鲁棒性的方法相关联地被阐述。

在图6中在该方法开始之后在步骤S1中创建针对所发送的信号的眼图。

在紧接着的步骤S2中确定发送/接收装置13的接收质量是否足够。如果在步骤S2中回答为是，则结束所述方法。而如果在步骤S2中回答为否，则流程继续行进到步骤S3。

在步骤S3中图5中的探测时间点T_D被接收器修改装置12修改，使得该探测时间点在图5的眼图的阴影区域中位于尽可能右边。在图5中所示出的情况下如此修改的探测时间点T_D1将位于水平轴上的0.6之下一点点。此后，流程继续行进到步骤S4。

在步骤S4中，接收器修改装置12修改图5中的判定器阈值E，其方式是，接收器修改装置12将判定器阈值E稍微向上提高到图5中的所修改的判定器阈值E1上。在图5中所示出的情况下所修改的判定器阈值E1位于垂直轴上的大约0.7处。此后，所述方法返回到步骤S2。

换言之，接收器修改装置12将探测时间点T_D向右迁移到所修改的探测时间点T_D1并且将判定器阈值E稍微地向上提高到所修改的判定器阈值E1。替代地，步骤S3在这种情况下也可以在步骤S4之后或者与步骤S4共同被执行。替代地，也可以仅执行步骤S3或者步骤S4。

利用接收器修改装置12因此可以避免由这些不同的时间得出接收路径132中的更高的错误概率，所述更高的错误概率由从显性到隐性总线电平的更慢的过渡引起。因此，可以利用两个用户站10、30来改进由它们的发送/接收装置13所接收的基于消息45、46、47之一的信号的质量并且因此改进用户站10、30的错误鲁棒性。

图7示出根据第二实施例的总线系统2。总线系统2除了如在第一实施例中所构造的至少一个用户站10之外包括至少一个用户站50以及至少一个用户站60。用户站10、50、60如在第一实施例中那样被分别连接到总线线路40上。消息45、46、47可以通过总线线路40以信号的形式在各个用户站10、50、60之间如在第一实施例中那样被传输。用户站50、60例如也可以是机动车的控制设备或者显示设备等。

用户站50、60除了通信装置11和发送/接收装置13之外分别具有发送器修改装置14。用户站10、60此外分别具有接收器修改装置12，而用户站50不具有接收器修改装置12。接收器修改装置12以与在第一实施例中所描述的方式相同的方式被构造。

图8作为示例更详尽地示出用户站50的发送/接收装置13的构造。发送/接收装置13又具有发送路径131和接收路径132，其中接收路径132如在第一实施例中那样被构造。而发送路径131在该实施例中具有由操控信号S_H+所操控的第一晶体管141、由操控信号S_H-所操控的第二晶体管142、由操控信号S_L+所操控的第三晶体管143、由操控信号S_L-所操控的第四晶体管144。第一晶体管141通过电阻145与连接端子A连接。第二晶体管142通过电阻146与连接端子B连接。第三晶体管143通过电阻147与连接端子A连接。第四晶体管144通过电阻148与连接端子B连接。此外，第一和第二晶体管141、142与用于总线线路40的第一总线芯线41的连接端子C_H连接。第三和第四晶体管143、144与用于总线线路40的第二总线芯线42的连接端子C_L连接。逻辑模块149将发送路径131与发送/接收装置13的另外的在此未更详尽地描述的组件连接。

在发送/接收装置13中晶体管141至144以及电阻145至148形成在图9中还被单独地示出的发送器输出级150。在图9中连接端子A用电压VDD表示以及连接端子B用接地GND表示。发送器输出级150用于如例如在图4中关于第一实施例所示出的那样修改要发送的信号。

为此，设置发送器输出级150，使得该发送器输出级使也可以被称为发送信号的要发送的信号预失真，以便实现总线线路40上的所期望的总线电平的更快的起振。预失真可以通过相应操控信号S_H+、S_H-、S_L+、S_L-的电压电平的修改来实现。电压电平依赖于时间在相应操控信号S_H+、S_H-、S_L+、S_L-的状态转变之后被匹配。

在这种情况下，图8和图9的晶体管141至144不硬性地（hart）以饱和的方式运行，而是被线性地操控，以便可以针对两个连接端子C_L和C_H以及因此总线线路40的总线芯线41、42利用所定义的内阻来调整电平。操控信号S_H+和S_H-在这种情况下针对连接端子C_H以及因此总线芯线41来调整。与此不对称地，操控信号S_L+和S_L-针对连接端子C_L以及因此总线芯线42来调整。为了平衡诸如重新加载过程的动态效应，在每个比特状态之内，换言之在符号持续时间的范围中，将操控信号S_H+、S_H-、S_L+、S_L-的确定的操控功能、换言之时间变化用于发送输出级150的阻抗和要发送的信号的预失真。

由此可以作为应用示例尽可能快地达到所期望的电平，这对于CAN-FD的数据部分中的从显性到隐性状态的过渡尤其带来好处。

图10示出用于改进用户站50、60的错误鲁棒性的与此有关的方法。在这种情况下在所述方法开始之后在步骤S10中确定要由发送路径131发送的信号。

在随后的步骤S11中借助于发送器输出级150使要发送的信号预失真，其方式是，修改相应操控信号S_H+、S_H-、S_L+、S_L-的电压电平。此后结束所述方法。

图11示出针对操控信号X₁的一个示例，所述操控信号针对在图12中所示出的操控信号X₂被预失真。在图12中的操控信号X₂的情况下分别在该信号的电压电平的状态转变时电压电平的上冲的所示出的形状仅是一个特殊的示例。上冲的幅度特别也可以分别具有相同的数值。替代地或者附加地，至少一个或者所有上冲的时间变化也可以具有正弦形的曲线、特别是在所有上冲的情况下同样的曲线的形状。发送器输出级150的由此分别得出的输出信号Y₁、Y₂在图13中被示出。在这种情况下，在图13中利用虚线绘制的信号代表基于图11的操控信号得出的输出信号Y₁。在图13中利用实线绘制的信号代表基于图12的操控信号得出的输出信号Y-₂。从中得出：在由利用发送器输出级150的预失真产生的输出信号Y₂的情况下电平比利用未预失真的信号更早地出现。

替代地或者附加地，预失真可以在步骤S11中通过发送/接收装置13的输出电阻的修改来实现。输出电阻也依赖于时间在状态转变之后被匹配。

根据具有其两个替代方案的本实施例的方法尤其适合于从显性到隐性状态的过渡。这既适用于CAN总线系统也适用于FlexRay。所述方法此外特别适合于在CAN-FD的数据部分中的较高的切换速度的情况下的问题。

本实施例对于实现尽可能好的错误鲁棒性来说比第一实施例更简单，因为发送路径131更决定性地影响要解决的问题。

根据第三实施例，根据第二实施例的预失真被实施。因此，根据第三实施例的总线系统很大部分（inweitenTeilen）以与根据第二实施例的总线系统相同的方式被构造。

然而，在本实施例中依赖于消息45、46、47的也被称为CAN帧的区段来匹配发送/接收装置13的发送器特性，以便改进切换边沿。

图14示出消息45作为针对CAN帧的示例。消息45具有消息头部451、数据区段452以及消息末端453。消息头部451以及消息末端453在CAN总线系统中用于仲裁。数据区段452包括数据，所述数据被确定用于相应用户站10、20、50、60的运行。

在本实施例中，在步骤S11中仅关于数据区段452来匹配发送/接收装置13的发送器特性。然而，关于消息头部451以及消息末端453，发送/接收装置13的发送器特性保持不变。

由此得到用于在消息头部451的情况下以及在消息末端453的情况下仲裁的可能性以及改进总线线路上的信号的、尤其在更高的定时的情况下在数据区段中的质量。同时用于通过相应的设计方案来传输错误突发（Fehlerburst）的可能性可以得到保持。

根据第四实施例，根据第二实施例的预失真同样被实施。因此，根据第四实施例的总线系统很大部分以与根据第二实施例的总线系统相同的方式被构造。

然而，在本实施例中，操控信号S_H+、S_H-、S_L+、S_L-的预失真除了发送信号的预失真之外也被用于发送器输出级150的阻抗的动态匹配。

根据第一至第四实施例的用户站10、20、30、50、60的总线系统1、2以及方法的所有的先前所描述的设计方案可以单个地以及以所有可能的组合来使用。附加地，特别是能够设想下列修改。

根据第一至第四实施例的先前所描述的总线系统1、2借助基于CAN协议的总线系统来描述。然而，根据第一至第四实施例的总线系统1、2也可以是其它类型的通信网络。然而非强制的以下前提是有利的：在总线系统1、2的情况下至少在确定的时间间隔内保证用户站10、20、30、50、60对总线线路40或者总线线路40的共同的信道的排他的、无冲突的访问。

根据第一至第四实施例的总线系统1、2特别是CAN网络或者CANFD网络或者LIN网络或者FlexRay网络。

根据第一至第四实施例的总线系统1、2中的用户站10、20、30、50、60的数量和布置是任意的。特别是也可以在第一至第四实施例的总线系统1、2中仅存在用户站10或者用户站50或者用户站60。

所述方法可以针对每个特殊的应用、例如CAN-FD、FlexRay等来单独地优化。对于多个使用领域来说也可以自动地识别以及相应地适配应用。例如，根据第一实施例的方法在CAN-FD中可以比在CAN中更快地被实施，使得不产生比由相应协议所容忍的延迟更长的延迟。

用户站10、30、50、60尤其对于CAN-FD来说表示以下可能性：在利用明显更高的数据速率的情况下在普通CAN传输的范围中提高CAN-FD的接收品质。

先前所描述的实施例的功能能够关于第一至第四实施例在收发器或者发送/接收装置13中以及关于第一实施例也在通信控制器装置61等中实现。附加地或者替代地，其可以被集成到现有的产品中。