СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ АДАПТАЦИИ НАДЕЖНОСТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ ШИННОЙ СИСТЕМЕ
METHOD AND DEVICE FOR ADAPTATION OF RELIABILITY OF DATA TRANSMISSION IN SERIAL BUS SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для адаптации надежности передачи данных между по меньшей мере двумя абонентами в последовательной шинной системе.
Уровень техники
Известен, например, из семейства стандартов ISO 11898-1…-5, протокол сети контроллеров (CAN - сокр. от англ. "Controller Area Network"), а также расширение протокола CAN, называемое синхронизированным по времени, или синхро-временным, протоколом CAN (TTCAN, сокр. англ. "Time-Triggered CAN"), ниже также называемым стандартом на протокол CAN. Используемый протоколом CAN метод управления доступом к среде передачи основан на побитовом арбитраже. При побитовом арбитраже несколько абонентских станций могут одновременно передавать данные по каналу шинной системы, не создавая помех для передачи данных. Кроме того, абонентские станции при передаче бита по каналу могут определять логическое состояние канала (0 или 1). Если значение посланного бита не соответствует определенному логическому состоянию канала, то доступ абонентской станции к каналу прекращается. В случае протокола CAN побитовый арбитраж обычно выполняется на основе идентификатора, содержащегося в передаваемом по каналу сообщении. После того как абонентская станция полностью отправила идентификатор в канал, она знает, что у нее есть право монопольного (исключительного) доступа к каналу. Таким образом, окончание передачи идентификатора соответствует началу временного интервала разрешения доступа, в течение которого абонентская станция может пользоваться каналом монопольно. Согласно протоколу CAN другие абонентские станции не могут обращаться к каналу, т.е. посылать в этот канал данные, до тех пор, пока ведущая передачу абонентская станция не передаст поле контрольной суммы или циклического избыточного кода (CRC), входящее в структуру сообщения. Таким образом, момент окончания передачи поля CRC соответствует концу временного интервала разрешения доступа.
Соответственно, благодаря побитовому арбитражу (арбитражу на битовом уровне) по каналу передается то сообщение, которое выиграло процедуру арбитража, причем передача сообщений не сопряжена с опасностью потери их целостности (неразрушающая передача). Протоколы CAN особенно хорошо подходят для передачи коротких сообщений в условиях реального времени, причем за счет присвоения сообщениям соответствующих идентификаторов можно гарантировать то, что особо важные сообщения почти всегда будут выигрывать арбитраж и успешно передаваться.
С неуклонно возрастающей степенью объединения оборудования современных транспортных средств сетями передачи данных и с внедрением дополнительных систем, улучшающих эксплуатационные качества транспортных средств, например в плане обеспечения безопасности движения или комфорта водителя и пассажиров, растут требования к передаваемым объемам данных и к допустимым временам задержки при передаче данных. Примерами таких систем являются системы управления динамикой движения, например электронная система поддержания курсовой устойчивости (ESP), системы помощи водителю, например система автоматического регулирования дистанции (САРД), или системы информирования водителя, например система распознавания дорожных знаков (см., например, описания соответствующих систем в Автотехническом справочнике фирмы "Бош" (Bosch Kraftfahrtechnisches Handbuch), 27-ое издание, 2011, изд-во Vieweg+Teubner).
В публикации DE 10311395 А1 описана система, в которой асинхронная последовательная связь в качестве альтернативы может осуществляться посредством асимметричного физического или симметричного физического протокола CAN, за счет чего для асинхронной связи достигается более высокая скорость или безопасность передачи данных.
В публикации DE 102007051657 А1 предлагается осуществлять в выделяемых на исключительной основе временных окнах протокола TTCAN асинхронную быструю передачу данных, не соответствующую протоколу CAN, что позволяет повысить объем передаваемых данных.
В статье G. Cena и A. Valenzano под названием "Overclocking of Controller Area Networks" ("Как повысить тактовую частоту в сетях контроллеров"), Electronics Letters, том 35, №22 (1999), стр.1924 рассматриваются факторы влияния повышения опорной частоты шины в отдельных частях сообщений на достигаемую эффективную скорость передачи данных. Адаптация надежности передачи данных не рассматривается.
Из цитируемых выше публикаций видно, что уровень техники не дает удовлетворительных во всех отношениях результатов.
Раскрытие изобретения
Ниже рассматриваются сущность изобретения и его преимущества, а возможности осуществления изобретения представлены ниже в описании, поясняемом чертежами. Предмет изобретения не ограничивается представленными и рассматриваемыми вариантами его осуществления.
Преимущества изобретения
Настоящее изобретение относится к передаче сообщений, логическая структура которых соответствует стандарту ISO 11898-1 на протокол CAN, в шинной системе, включающей в себя по меньшей мере два устройства обработки данных, являющихся абонентами шины, т.е. участвующих в обмене данными по шине, причем указанная логическая структура включает в себя бит начала кадра, поле арбитража, поле управления, поле данных, поле циклического избыточного кода (CRC), поле подтверждения и последовательность конца кадра, а поле управления включает в себя код длины данных, содержащий информацию о длине поля данных.
Изобретение позволяет, для определенных передаваемых сообщений, использовать для вычисления контрольной суммы измененный полином и передавать поле CRC, которое размером отличается от соответствующего поля, предусмотренного стандартом на протокол CAN, за счет того, что поле CRC в передаваемых сообщениях может иметь по меньшей мере два различных числа битов (двоичных разрядов), и по меньшей мере для одного из действительных значений кода длины данных это поле имеет отличное от предусмотренного стандартом ISO 11898-1 на протокол CAN число битов, причем для задания содержимого такого поля CRC, которое имеет отличающееся от стандарта число битов, используется по меньшей мере один порождающий полином, отличающийся от стандарта ISO 11898-1 на протокол CAN. Это имеет то преимущество, что надежность обнаружения ошибок сохраняется и для больших объемов передаваемых данных.
В особенно целесообразном варианте осуществления изобретения в начале сообщения параллельно запускают несколько вычислений контрольных сумм и в зависимости от содержимого кода длины данных решают, результат которого из этих вычислений будет использоваться или будет передан в поле CRC. Благодаря этому с сообщениями можно рассылать информацию о том, передается ли сообщение способом, соответствующим стандарту, или способом, модифицированным в соответствии с изобретением, заранее не информируя приемников, т.е. получателей сообщений, об используемом способе. В этом случае контрольные суммы для проверки правильности передачи данных имеются в наличии для обоих способов передачи, что позволяет анализировать любую из этих контрольных сумм по необходимости.
В особенно целесообразном варианте осуществления изобретения за счет обеспечения возможности увеличения поля данных в передаваемом сообщении достигается тот эффект, что, по сравнению с соответствующим стандарту CAN сообщением, одним сообщением можно передать по шине большее количество, или объем, данных. Это выгодно увеличивает отношение объема содержащейся в сообщении информации (полезной информации) к объему служебной информации и тем самым также увеличивает среднюю скорость передачи данных по шинной системе.
Благодаря установлению однозначного соотношения между содержимым кода длины данных и длиной поля данных выгодно достигается высокая степень гибкости в отношении отображаемого размера поля данных.
Преимуществом обладает также вариант осуществления изобретения, в котором с обычно используемыми в стандарте на протокол CAN значениями кода длины данных от 0b0001 до 0b1000 соотносят соответствующие стандарту CAN размеры поля данных, т.е. размеры от 1 до 8 байт, а остальные значения кода длины данных используют для других допустимых размеров поля данных вплоть до максимально возможного размера. Это уменьшает затраты на адаптацию прикладного программного обеспечения при переходе на предлагаемый в изобретении способ и позволяет сэкономить на соответствующих издержках.
Еще одно преимущество изобретения заключается в том, что при вычислении контрольной суммы в расчет принимаются возможно имеющиеся дополняющие биты (стаф-биты), которые находятся в сообщениях до поля CRC. Это дополнительно улучшает надежность передачи данных, т.е. повышает вероятность обнаружения ошибок при передаче данных.
Если предлагаемый способ скомбинировать с переключением длительности бита, например, по меньшей мере, для битов поля данных и поля CRC, то достигаемое при этом преимущество будет заключаться в ускоренной передаче большего объема данных по сравнению со скоростью передачи данных в случае ограничения поля данных восемью байтами. Благодаря этому еще более повышается средняя скорость передачи данных в шинной системе. В этом случае сообщения с сокращенной длительностью бита целесообразно обозначать, или отмечать, маркировочным битом в поле управления. Благодаря этому переключение длительности бита может осуществляться независимо от переключения вычисления контрольных сумм с помощью кода CRC и размера поля данных, что позволяет гибко реагировать на характеристики и условия работы шинной системы.
Достоинством предлагаемого в изобретении способа является возможность его применения при нормальной эксплуатации транспортного средства для передачи данных между по меньшей мере двумя блоками управления транспортного средства, соединенными подходящей шиной данных. Вместе с тем, предлагаемый в изобретении способ может в равной мере эффективно применяться в процессе производства или технического обслуживания транспортного средства для передачи данных между программатором, соединенным с подходящей шиной данных с целью программирования, и по меньшей мере одним соединенным с этой шиной данных блоком управления транспортного средства. Также предлагаемый в изобретении способ выгоден при его применении в промышленности, когда требуется передавать большие объемы данных, например в целях управления оборудованием. В частности, если в силу протяженности линий передачи данных во время арбитража необходимо применять уменьшенную скорость передачи данных, чтобы все абоненты имели возможность получения доступа к шине, предлагаемый в изобретении способ, в частности в комбинации с переключением длины поля данных и уменьшением длительности бита, позволяет достичь более высокой скорости передачи данных.
Еще одно преимущество предлагаемого способа заключается в том, что контроллер, поддерживающий обычный режим CAN, требует внесения лишь минимальных изменений для того, чтобы он мог работать в соответствии с изобретением. Предлагаемый в изобретении коммуникационный контроллер, способный работать также в обычном режиме CAN, лишь незначительно больше обычного контроллера, поддерживающего обычный режим CAN. Соответствующую прикладную программу изменять не требуется, и даже тогда достигаются преимущества в скорости передачи данных.
Преимуществом является также возможность использования значительных частей теста соответствия CAN (стандарт ISO 16845). В предпочтительном варианте своего осуществления предлагаемый в изобретении способ передачи данных может комбинироваться с дополнениями, предусмотренными протоколом TTCAN (стандарт ISO 11898-4).
Краткое описание чертежей
Ниже подробнее рассматривается осуществление изобретения, поясняемое следующими чертежами.
На фиг.1а показаны две альтернативы соответствующей уровню техники структуры сообщений в формате CAN согласно стандарту ISO 11898-1 на протокол CAN.
На фиг.1б показаны две аналогичные альтернативы для формата сообщений, модифицированных в соответствии с изобретением.
На фиг.2 представлены различные возможности того, как содержимое кода длины данных может интерпретироваться в соответствии с изобретением иначе по сравнению со стандартом ISO 11898-1 на протокол CAN.
На фиг.3 схематически представлен пример реализации предусмотренного изобретением процесса приема в абонентской станции шинной системы.
На фиг.4 схематически представлен еще один пример реализации предусмотренного изобретением процесса приема в абонентской станции шинной системы.
На фиг.5 показаны два примера формата модифицированных в соответствии с изобретением сообщений, в которых в дополнительно заданных областях в пределах сообщения используются различные значения длительности бита.
Осуществление изобретения
На фиг.1а представлена структура сообщений в том виде, как она используется для передачи данных по шине CAN. Показаны оба различающихся формата сообщений, а именно основной (стандартный) и расширенный форматы. Предлагаемый в изобретении способ применим в равной мере к обоим форматам.
Сообщение начинается битом начала кадра (SOF - сокр. от "Start of Frame"), сигнализирующим о начале сообщения. К этому биту примыкает участок, который служит, в первую очередь, для идентификации сообщения и на основании которого абоненты шинной системы решают, принимать или не принимать это сообщение. Этот участок сообщения называется полем арбитража и содержит идентификатор. Далее следует поле управления (контрольное поле), которое содержит, в том числе, код длины данных. Код длины данных содержит информацию о размере поля данных сообщения. К полю управления примыкает поле данных, содержащее собственно данные, которыми между собой обмениваются абоненты шинной системы. Далее следует поле циклического избыточного кода (CRC) с содержащей 15 битов контрольной суммой и разделителем, а затем - два бита подтверждения (АСК), которые служат для того, чтобы сигнализировать отправителю об успешном приеме сообщения. Завершается сообщение последовательностью конца кадра (EOF - сокр. от "End of Frame").
При осуществлении способа передачи данных по протоколу CAN поле данных может содержать максимум 8 байт, т.е. 64 бита, информации. Код длины данных содержит согласно стандарту четыре бита, т.е. может принимать шестнадцать различных значений. Из этой области значений в современных шинных системах используется лишь восемь различных значений для различных размеров поля данных от 1 до 8 байт. Поле данных размером 0 байт в стандарте на протокол CAN не рекомендуется, а размеры поля данных свыше 8 байт не допускаются. Соотношение значений кода длины данных с размерами поля данных для обычных сообщений по стандарту CAN представлено в таблице на фиг.2, в столбце "обычн. CAN".
На фиг.1б в аналогичном фиг.1а представлении показаны модифицированные сообщения, передаваемые в соответствии с изобретением и построенные, соответственно, на основе двух предусмотренных стандартом форматов.
При осуществлении способа передачи данных, модифицированного в соответствии с изобретением, поле данных уже может содержать более 8 байт, а именно, в рассматриваемом случае, до К байт. В отличие от стандарта CAN другие значения, принимаемые кодом длины данных, могут использоваться для обозначения больших полей данных. Например, вышеупомянутые четыре бита кода длины данных могут использоваться для представления значений от нуля до 15 байт. Вместе с тем, можно использовать и другие соотношения, например значение кода длины данных DLC=0b0000, которое в настоящее время в сообщениях CAN обычно не используется, можно использовать для еще одного возможного размера поля данных, например для размера 16 байт. Эти две возможности представлены в приведенной на фиг.2 таблице столбцами DLC 1 и DLC 2. Максимальный размер поля данных К имеет в этих случаях значение 15 и 16 байт, соответственно.
Еще одна возможность заключается в том, чтобы для значений кода длины данных, превышающих 0b1000 и составляющих до 0b1111, соответствующие размеры поля данных прирастали, например, каждый раз на два байта. Этот случай представлен в таблице столбцом DLC 3. Максимальный размер поля данных К достигает в этом варианте значения 24 байт. За счет выбора большего приращения, составляющего, например, четыре байта, можно получить соответственно большие поля данных.
Кроме того, в примере DLC 3 представлена еще одна модификация: значение DLC=0b0000 используется в этом варианте осуществления изобретения кадрами удаленного запроса. В стандарте на протокол CAN, в отличие от этой модификации, предусмотрено, что кадр удаленного запроса должен отправляться с тем же значением кода DLC, что и соответствующий код в сообщении, посылаемом в ответ на кадр удаленного запроса. Эта модификация гарантирует невозможность посылки кадров удаленного запроса с различными кодами DLC и одинаковым идентификатором, что могло бы приводить к неразрешимым конфликтам (см. стандарт ISO 11898-1, гл. 10.8.8).
В вариантах осуществления предлагаемого в изобретении способа, представленных в таблице на фиг.2 в столбцах DLC 1, DLC 2 и DLC 3, соотношение значений кода длины данных от 0b0001 до 0b1000 и размеров поля данных от 1 до 8 байт соответствует аналогичному соотношению, предусмотренному в стандарте на протокол CAN. Это позволяет простым образом обеспечить совместимость со стандартом на протокол CAN, т.е. рассчитать коммуникационный контроллер таким образом, чтобы в стандартной шинной системе CAN он работал в соответствии со стандартом, а при работе в шинной системе, модифицированной в соответствии с изобретением, допускал в сообщениях большие поля данных. Вместе с тем, может быть составлено и полностью новое соотношение возможных значений кода длины данных с допустимыми размерами поля данных. Пример такого соотношения приведен в столбце DLC 4 таблицы на фиг.2. В этом случае достигнутый максимальный размер К поля данных составляет 30 байт.
Для обеспечения возможности определения таким коммуникационным контроллером того, каким образом он должен интерпретировать содержимое кода длины данных, целесообразно, чтобы он самостоятельно узнавал, осуществляется ли связь в шинной системе по стандарту CAN или согласно предлагаемому в изобретении способу. Одна из возможностей для этого заключается в использовании зарезервированного бита, находящегося внутри поля арбитража или поля управления, для обозначения сообщения меткой, чтобы из этой первой метки К1 коммуникационный контроллер мог вывести первое условие переключения UB1 (т.е. сделать вывод о наличии такого условия переключения), в зависимости от которого он выбирает способ передачи данных. Например, в качестве метки можно использовать второй бит поля управления, обозначенный на фиг.1б как r0. Другая возможность заключается в использовании бита-заменителя удаленного запроса (SRR), который согласно стандарту на протокол CAN всегда должен посылаться рецессивным, но признается принимающими сообщение абонентами шины и доминантным. Для установления наличия или отсутствия первого условия переключения UB1 могут анализироваться также битовые комбинации.
Еще одна возможность заключается в том, чтобы предписать для модифицированного в соответствии с изобретением способа передачи данных использование расширенного формата сообщений. Сообщения в расширенном формате распознаются абонентами шины по значению бита расширения идентификатора (IDE, см. фиг.1а), и этот бит одновременно может представлять первое условие переключения UB1, так чтобы для сообщений расширенного формата всегда применялся модифицированный способ передачи данных. В качестве альтернативы этому решению в сообщениях расширенного формата в качестве первой метки К.1 или для вывода первого условия переключения UB1 может использоваться зарезервированный бит r1. Вместе с тем, этот зарезервированный бит также можно использовать, как это поясняется ниже, для вывода второго условия переключения UB2, инициирующего переключение между более чем двумя различными размерами поля данных или соотношениями значений кода длины данных с размерами поля данных.
В качестве альтернативы, предлагаемый в изобретении способ может использоваться в подходящих для этого коммуникационных контроллерах, которые даже не рассчитаны на осуществление связи в соответствии со стандартом на протокол CAN. В этом случае можно обходиться и без установления наличия или отсутствия вышеназванного первого условия переключения UB1, например в зависимости от соответствующей метки К1, обозначающей сообщения. Напротив, коммуникационные контроллеры работают в этом случае исключительно согласно одному из описанных способов и соответственно этому могут применяться только в шинных системах, в которых используются исключительно такие выполненные согласно изобретению коммуникационные контроллеры. Содержащиеся внутри сообщения бит или биты, которые в иных ситуациях привлекались для обозначения предлагаемых в изобретении сообщений с целью их выделения из соответствующих стандарту сообщений, в данном случае также могут не использоваться или могут игнорироваться абонентами шины, т.е. участниками связи, применительно к предлагаемому способу передачи данных.
В случае увеличения поля данных сообщений, как это предусмотрено в изобретении, также может быть целесообразным адаптировать используемый метод контроля целостности данных с помощью циклического избыточного кода (CRC), чтобы достичь достаточной устойчивости к ошибкам. В частности, в этом отношении может быть выгодным использовать иной полином CRC, например полином более высокого порядка, и соответственно предусмотреть в модифицированных в соответствии с изобретением сообщениях поле CRC, отличающееся по размеру от предусмотренного стандартом. Это отражено на фиг.1б, где показано, что в представленном примере поле CRC в соответствующих изобретению сообщениях имеет длину L бит, причем число L, в отличие от стандарта на протокол CAN, может быть неравным 15, в частности может быть больше 15.
Об использовании модифицированного метода вычисления контрольной суммы CRC абонентам шины можно сигнализировать посредством третьей метки К3, представляющей третье условие переключения UB3. Эта метка К3 и третье условие переключения UB3 также могут совпадать с первой меткой К1 и/или первым условием переключения UB1. В этом случае меткой также может служить, например, зарезервированный бит r0, показанный на фиг.1б, или может использоваться бит SRR, как это описано выше. В сочетании с применением способа в сообщениях расширенного формата также возможно использование бита IDE или же бита r1.
В соответствующих стандарту CAN контроллерах код CRC посылаемых сообщений CAN генерируется посредством сдвигового регистра с обратной связью, на вход которого поочередно подаются последовательно посылаемые биты сообщения. Ширина, или разрядность, сдвигового регистра соответствует порядку полинома CRC. Кодирование кодом CRC осуществляется путем логического объединения содержимого регистра с полиномом CRC во время операций сдвига. Соответственно, при приеме сообщений CAN последовательно принимаемые биты сообщения подаются в сдвиговый регистр CRC. Контроль с помощью кода CRC считается успешным, если в конце поля CRC все биты сдвигового регистра имеют значение "ноль". Как генерация кода CRC в случае передачи, так и контроль с помощью кода CRC в случае приема выполняются на аппаратном уровне, не требуя вмешательства в программные средства. Таким образом, модификация кодирования кодом CRC не затрагивает прикладного программного обеспечения.
Согласно установленному стандартом протоколу CAN дополняющие биты (стаф-биты), находящиеся внутри сообщения CAN (см. стандарт ISO 11898-1, гл. 10.5), не включаются в вычисление контрольной суммы CRC (циклической контрольной суммы) или проверку целостности данных с ее помощью (см. стандарт ISO 11898-1, гл. 10.4.2.6: "…битовый поток с учетом битовой последовательности после дестаффинга…"). Следствием этого является то, что в редких случаях в сообщении невозможно обнаружить две битовых ошибки, хотя вообще проверка с помощью кода CRC должна выявлять в сообщении до пяти случайно распределенных битовых ошибок. Это может иметь место в случае обусловленного битовыми ошибками превращения дополняющих битов в биты данных и наоборот (см. Unruh, Mathony и Kaiser: "Error Detection Analysis of Automotive Communication Protocols" (Анализ коммуникационных протоколов, используемых в автомобилестроении, в отношении обнаружения ошибок), SAE International Congress, №900699, Детройт, США, 1990).
При осуществлении модифицированного в соответствии с изобретением способа передачи данных кодирование кодом CRC может быть изменено по сравнению с уровнем техники таким образом, чтобы при вычислении или проверке контрольной суммы CRC учитывались также дополняющие биты, находящиеся внутри сообщения. Это значит, что в данном варианте осуществления изобретения дополняющие биты, относящиеся к полю арбитража, полю управления и полю данных, рассматриваются как часть данных, защищаемых от ошибок путем проверки с помощью циклического избыточного кода. Дополняющие биты в поле CRC при этом отфильтровываются, как и в стандарте на протокол CAN.
В возможном варианте осуществления изобретения коммуникационный контроллер рассчитывают таким образом, чтобы он обладал совместимостью со стандартом на протокол CAN, т.е. чтобы в шинной системе CAN он работал согласно стандарту на соответствующий протокол, а в шинной системе, модифицированной в соответствии с изобретением, он, с одной стороны, допускал в сообщениях большие поля данных, а с другой стороны, обеспечивал адаптированные, или скорректированные, вычисление и проверку контрольной суммы CRC.
Поскольку в начале приема сообщения еще не известно, является ли принимаемое сообщение соответствующим стандарту на протокол CAN или модифицированным в соответствии с изобретением, в предлагаемом в изобретении коммуникационном контроллере реализованы два параллельно работающих сдвиговых регистра CRC. После приема разделителя CRC, когда в приемнике (получателе сообщения) выполняется анализ кода CRC, на основании предусмотренной изобретением третьей метки К3, или третьего условия переключения UB3, например, выведенного из этой метки или из содержимого кода длины данных, можно констатировать, какой способ передачи данных использовался, и тогда анализироваться будет сдвиговый регистр, соответствующий этому способу передачи данных. Третье условие переключения UB3, как это было уже отмечено выше, может совпадать с первым условием переключения UB1, относящимся к размеру поля данных и к интерпретации кода длины данных.
В начале посылки сообщения передатчику (отправителю сообщения) в принципе уже известно, какой способ должен использоваться для передачи данных. Однако поскольку может случиться так, что арбитраж за доступ к шине будет проигран и начавшееся сообщение не отправится, а вместо этого будет приниматься другое сообщение, два сдвиговых регистра CRC параллельно включаются и в этом случае.
Описанная реализация двух параллельно работающих сдвиговых регистров CRC делает возможным еще одно усовершенствование: Полином CRC, предусмотренный стандартным протоколом CAN (х15+х14+х10+х8+х7+х4+х3+1), рассчитан на длину сообщений менее 127 битов. Если в сообщениях, передаваемых в соответствии с изобретением, используются более длинные поля данных, то для поддержания надежности передачи целесообразно использовать другой, в частности более длинный, полином CRC. Соответственно этому, сообщения, передаваемые в соответствии с изобретением, получают измененное, в частности более длинное, поле CRC. В процессе работы коммуникационные контроллеры динамически переключаются с одного сдвигового регистра CRC на другой, т.е. между сдвиговым регистром, работающим соответственно стандарту на протокол CAN, и сдвиговым регистром, работающим в соответствии с изобретением, чтобы использовать подходящий в соответствующем случае полином.
Естественно, в зависимости от длины поля данных или требуемой надежности передачи можно использовать, в определенной градации, и более двух сдвиговых регистров, а соответственно, и более двух полиномов CRC. В этом случае необходимо, если требуется сохранить совместимость со стандартом на протокол CAN, адаптировать соответствующую метку и связанное с ней условие переключения. Например, зарезервированным битом r0 или битом SRR, показанным на фиг.1б, может инициироваться наступление первого условия переключения UB1, означающего переключение на более длинные поля данных, например, указанные в столбце DLC 1 таблицы на фиг.2, и на соответствующий второй полином CRC. Для сообщений в расширенном формате дополнительно может быть инициировано наступление второго условия переключения UB2, обозначаемого, например, показанными на фиг.1б зарезервированным битом r1 или битом IDE (вторая метка К2) и означающего переключение на другой набор размеров поля данных, например указанный в столбце DLC 3 таблицы на фиг.2, и третий полином CRC.
Впрочем, возможен также вариант, в котором первое условие переключения UB1, обозначаемое, например, зарезервированным битом r0 или битом SRR, обеспечивает переключение на возможность использования более длинных полей данных и на соответствующую интерпретацию содержимого кода длины данных, и тогда установление наличия третьего условия переключения UB3 и сопутствующий этому выбор полинома CRC, анализируемого для проверки контрольной суммы CRC, производится в зависимости от содержимого кода длины данных. Третье условие переключения UB3, соответственно, также может принимать более двух значений. Например, размеры поля данных могут выбираться в соответствии со столбцом DLC 3 таблицы на фиг.2, т.е. могут принимать значения 0 (для кадров удаленного запроса передачи), 1, …, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20 и 24 байт, и тогда контрольные суммы могут вычисляться параллельно на основании трех полиномов CRC посредством соответствующих сдвиговых регистров, например, на основании соответствующего стандарту полинома CRC - для полей данных размером до 8 байт, второго полинома CRC - для полей данных размером до 16 байт и третьего полинома CRC - для полей данных размером до 24 байт.
На фиг.3 в упрощенном представлении показан фрагмент предлагаемого в изобретении процесса приема сообщения, выполняющегося в абонентской станции шинной системы. Здесь представлен случай обеспечения совместимости со стандартом на протокол CAN, достигаемой за счет того, что поведение коммуникационного контроллера адаптируется, или корректируется, в зависимости от первого условия переключения UB1. Хотя на фиг.3 выбрано представление, обычное для описания процессов выполнения программ, предлагаемый в изобретении способ в равной мере полностью пригоден для его реализации аппаратными средствами. Представленная схема применима также к вариантам осуществления изобретения, в которых условия переключения, например описанное выше условие переключения UB1, не используются. Однако процесс приема упрощен постольку, поскольку в действительности проходится лишь один из путей его алгоритма, вообще проходимых в зависимости от соответствующего условия переключения. Отдельное представление такой упрощенной блок-схемы здесь не приводится.
Абонентская станция сначала находится в состоянии прослушивания шины, пока на шине отсутствует обмен информацией. Таким образом, в состоянии опроса 302 станция ждет прохождения по шине доминантного бита. Этот бит характеризует начало нового сообщения.
Как только обнаружено начало нового сообщения, в блоке 304 начинается вычисление по меньшей мере двух параллельно вычисляемых контрольных сумм. Первая контрольная сумма вычисляется с помощью кода CRC согласно стандарту на протокол CAN, а вторая контрольная сумма вычисляется согласно новому методу. При вычислении второй контрольной суммы в представленном варианте осуществления изобретения в расчет принимаются дополняющие биты, чего не делается при вычислении контрольной суммы по стандарту на протокол CAN. Вместе с тем, аналогично стандарту на протокол CAN, дополняющие биты могут не учитываться и при вычислении второй контрольной суммы.
Затем, начиная с шага 306, принимаются биты сообщения, следующие за битом начала кадра (SOF) и начинающиеся полем арбитража. Если передать сообщение хотят несколько абонентов шины, они при этом соревнуются между собой по методу, известному из стандарта на протокол CAN, за получение доступа к шине. Представленный блок 306 характеризует прием всех битов до приема первой метки К1 или установления наличия первого условия переключения UB1. В приведенных примерах наличие первого условия переключения UB1 устанавливается на основании поля арбитража, например бита SRR или бита IDE, или на основании поля управления, например находящегося в нем зарезервированного бита (см. фиг.1). Затем в блоке 308 могут приниматься и другие биты сообщения, пока с определенного бита сообщения в зависимости от установленного первого условия переключения UB1 процесс приема не пойдет иным образом. Это разветвление процесса на различные методы обеспечивается соответствующим запросом или разветвлением 310, как это для примера показано ниже.
Если при разветвлении 310, например после приема первых двух битов поля управления, имеется информация о том, что согласно первому условию переключения UB1 связь осуществляется по стандарту на протокол CAN (ветвь "1" на фиг.3), на шаге 312 считываются дальнейшие биты поля управления. На основании этих битов согласно стандарту на протокол CAN анализируется код длины данных и затем на шаге 316 принимается соответствующий объем данных, максимум 8 байт, соответственно полю данных. Затем на шаге 320 принимается поле CRC, содержащее 15 битов. Если при разветвлении 324 имеется информация о том, что контрольная сумма CRC, которая была отправлена передатчиком, совпадает с контрольной суммой CRC, определенной самим приемником, в блоке 328 посылается доминантный бит подтверждения. Следует иметь в виду, что в этом случае сравниваются контрольные суммы CRC, вычисляемые по стандарту, поскольку связь осуществляется по стандарту на протокол CAN. Если совпадения контрольных сумм не установлено, бит подтверждения посылается рецессивным (блок 330). Затем следуют разделитель подтверждения (разделитель АСК) и биты конца кадра (EOF), см. фиг.1б, на фиг.3 не показано.
Если же при разветвлении 310, например после приема первых двух битов поля управления, имеется информация о том, что согласно первому условию переключения UB1 использованию подлежит модифицированный соответствии с изобретением способ связи (ветвь "2" на фиг.3), в блоке 314 считываются дальнейшие биты поля управления. По результату считывания определяется код длины данных, анализируемый в соответствии с новой интерпретацией, приведенной для некоторых примеров в виде таблицы на фиг.2. В блоке 318 принимается соответствующий объем данных, т.е. до 15 байт данных для приведенного в таблице на фиг.2 примера DLC 1, до 16 байт данных для примера DLC 2, до 24 байт данных для примера DLC 3 и до 30 байт данных для примера DLC 4. В блоке 322 принимается поле CRC, которое в соответствии с изобретением отличается от предусмотренного стандартом, в частности является более длинным. Если при разветвлении 324 имеется информация о том, что контрольная сумма CRC, отправленная передатчиком, и контрольная сумма CRC, определенная самим приемником, совпадают, причем в этом случае сравнение контрольных сумм CRC основано на методе их вычисления, который в соответствии с изобретением отличается от предусмотренного стандартом, в блоке 328 посылается доминантный бит подтверждения. В противном случае (блок 330) бит подтверждения посылается рецессивным. Затем на шаге 332 (для одной ветви алгоритма) и 334 (для другой ветви алгоритма) следуют разделитель АСК и биты конца кадра (EOF). На этом процесс приема сообщения завершается.
На фиг.3 отражен случай, в котором третье условие переключения UB3, определяющее подлежащий использованию код CRC, совпадает с первым условием переключения UB1, относящимся к размеру поля данных и интерпретации кода длины данных. Это значит, что перед приемом 320 (для одной ветви алгоритма) и 322 (для другой ветви алгоритма) контрольных сумм CRC отдельный запрос того, какая контрольная сумма CRC подлежит приему согласно третьему условию переключения UB3 и анализу для принятия решения при разветвлении 324, не выполняется. Путем простой модификации алгоритма, блок-схема которого приведена на фиг.3, этот дополнительный запрос можно включить в процесс приема, как это показано на фиг.4.
При осуществлении модифицированного таким образом процесса приема, показанного на фиг.4, после приема поля данных с числом байтов, ожидаемым согласно информации, содержащейся в коде длины данных, в блоке 316 (для одной ветви алгоритма) и 318 (для другой ветви алгоритма) при запросе или в разветвлении 410 определяется, какое значение имеет третье условие переключения UB3. Как описано выше, эта информация может быть определена, например, по соответствующей третьей метке К3 или из содержимого кода длины данных. В представленном примере имеется три различных значения третьего условия переключения UB3, а именно значения А, В и С. Затем в зависимости от значения условия переключения UB3 в блоках 420, 422 и 424 считывается различное число битов поля CRC, например 15 битов для значения А, 17 битов для значения В и 19 битов для значения С. Затем при разветвлении 324 проверяется, аналогично представленному на фиг.3 алгоритму, совпадают ли контрольная сумма CRC, отправленная передатчиком, и контрольная сумма CRC, определенная самим приемником, и дальнейшие действия выполняются в зависимости от результата проверки.
На фиг.5 для других вариантов осуществления предлагаемого в изобретении способа передачи данных еще раз показана структура сообщений в двух возможных вариантах, соответствующих основному и расширенному форматам сообщений. Для обоих вариантов на фиг.5 обозначены области, в которых выполняется переключение между двумя состояниями, называемыми здесь состоянием арбитража в быстром режиме CAN и состоянием передачи данных в быстром режиме CAN. Это переключение между двумя состояниями ведет в данном примере к тому, что после завершения арбитража для части сообщения, в частности для поля данных и поля CRC, значения длительности бита уменьшаются, чем достигается более быстрая передача отдельных битов по шине. Благодаря этому можно сократить время передачи сообщения по сравнению со способом, соответствующим стандарту. Соответствующее чередование значений длительности бита может быть реализовано в процессе работы ("на лету"), например, путем использования по меньшей мере двух различных коэффициентов масштабирования для установки шинной единицы времени по отношению к наименьшей единице времени или к такту опорного генератора. Переключение длительности бита, а также соответствующее изменение коэффициента масштабирования также представлены для примера на фиг.5.
Переход между состояниями арбитража в быстром режиме CAN и передачи данных в быстром режиме CAN может происходить в зависимости от четвертого условия переключения UB4, корреспондирующего с четвертой меткой К4 сообщений, сигнализирующей участвующим в передаче данных абонентам о применении сокращенной длительности бита. В представленном здесь варианте осуществления изобретения выбранным положением этой метки К4 является зарезервированный бит r0, передаваемый перед кодом длины данных. Таким образом, это положение соответствует возможному положению первой метки К1, корреспондирующей первому условию переключения UB1 и обозначающей возможное использование более длинных полей данных и измененной интерпретации кода длины данных, а также положению третьей метки К3, корреспондирующей измененному вычислению контрольной суммы CRC.
Одна возможность обозначения соответствующих изобретению сообщений с сокращенной длительностью бита представлена на фиг.6. Здесь сообщения с потенциально более длинными полями данных (обозначены первой меткой К1) и измененным вычислением контрольной суммы CRC (обозначено третьей меткой К3) отмечены рецессивным битом-маркером увеличенной длины данных (EDL - сокр. от "Extended Data Length"), который находится на месте бита, передаваемого доминантным в сообщениях, соответствующих стандарту на протокол CAN, и замещает этот бит или сдвигает его назад на одно положение, или на один разряд. В случае основной адресации, т.е. адресации по основному формату сообщения, бит EDL помещается во второе положение в поле управления и сдвигает находящийся там бит r0, всегда доминантный, на одно положение. В случае расширенной адресации т.е. адресации по расширенному формату сообщения, бит EDL в показанном примере помещается в первое положение поля управления и замещает находящийся там зарезервированный бит r1, который по стандарту на протокол CAN всегда передается доминантным. От метки, реализуемой битом EDL, в описанных выше обстоятельствах также можно отказаться.
Другая (также факультативная), или четвертая, метка К4, указывающая на применение сокращенной длительности бита, реализована вставкой дополнительного рецессивного бита переключения битовой скорости (BRS - сокр. от "Bit Rate Switch") в поле управления соответствующих изобретению сообщений, помеченных битом EDL. В представленном здесь варианте осуществления изобретения бит BRS занимает четвертое (при основной адресации) или третье (при расширенной адресации) положение в поле управления.
Сообщения обозначены как кадры данных CAN, модифицированные под быстрый режим ("CAN FD Fast"). Для двух возможных вариантов адресации сообщений: основного формата и расширенного формата, на фиг.6 указаны области, в которых выполняется переключение между двумя состояниями, называемыми состоянием арбитража в быстром режиме CAN и состоянием передачи данных в быстром режиме CAN. Как было отмечено выше, это переключение между двумя состояниями обеспечивает то, что для соответствующей части сообщения значения длительности бита уменьшаются, чем достигается более быстрая передача отдельных битов по шине. Благодаря этому можно сократить время передачи сообщения по сравнению со способом, соответствующим стандарту. Переход между состояниями арбитража в быстром режиме CAN и передачи данных в быстром режиме CAN происходит в сообщениях, имеющих первую или третью метку EDL, в зависимости от четвертой метки BRS, сигнализирующей участвующим в передаче данных абонентам о применении сокращенной длительности бита.
В представленном случае, т.е. когда за первой меткой EDL следует вторая метка BRS, в соответствии с предлагаемым в изобретении способом передачи данных передаются сообщения, длительность бита в которых заметно сокращена, размер поля данных которых может быть растянут до значений, превышающих 8 байт, и у которых код CRC адаптирован к большему полю данных, т.е. согласован с ним. Таким образом достигается значительное увеличение пропускной способности шинной системы при одновременно повышенной надежности передачи данных.
Ускоренная передача начинается в представленном примере сразу после отправки соответствующей метки и завершается сразу после достижения бита, заданного в качестве указателя обратного переключения, или в случае, когда обнаружена причина для отправки кадра ошибки.
На фиг.7 показан процесс приема, модифицированный по сравнению с показанным на фиг.3, в котором дополнительно, в зависимости от второй метки BRS, осуществляется переключение между состояниями арбитража в быстром режиме CAN и передачи данных в быстром режиме CAN. Если при разветвлении 310, например после приема второго бита поля управления в виде рецессивного бита EDL, имеется информация о том, что использованию подлежит модифицированный в соответствии с изобретением способ связи, в блоке 408 считываются следующие биты поля управления. Если служащий в качестве второй метки бит, например четвертый бит BRS расширенного в соответствии с изобретением поля управления, принимается с предусмотренным значением, например рецессивным, то выполняется, например в точке выборки этого бита, переход в состояние передачи данных в быстром режиме CAN, т.е. переключение на сокращенную длительность бита (ветвь "С"). Если соответствующий бит имеет противоположное значение, т.е. в данном примере является доминантным, то сокращения длительности бита не происходит (ветвь "В"). В блоках 412 (для одной ветви алгоритма) и 414 (для другой ветви алгоритма) осуществляется прием оставшихся битов поля управления, в том числе кода длины данных, и прием поля данных согласно информации о размере последнего, полученной из кода длины данных. В блоке 412 прием ведется с нормальной длительностью бита, а в блоке 414 - с сокращенной длительностью бита. В блоках 416 (для одной ветви алгоритма) и 418 (для другой ветви алгоритма) считывается поле CRC, которое в соответствии с изобретением отличается от предусмотренного стандартом, в частности является более длинным. На последнем бите поля CRC, представляющем собой разделитель CRC, в блоке 418 снова осуществляется переключение в состояние арбитража в быстром режиме CAN с обычной скоростью передачи данных. Затем при разветвлении 324 проверяется, аналогично представленному на фиг.3 алгоритму, совпадают ли контрольная сумма CRC, отправленная передатчиком, и контрольная сумма CRC, определенная самим приемником, и дальнейшие действия выполняются в зависимости от результата проверки, как уже было показано на фиг.3.
Полезный эффект представленного на фиг.5 варианта осуществления изобретения в сочетании с вариантом осуществления способа, обозначенным как DLC 3 и предусматривающим изменение размера поля данных, в отношении достигаемой скорости передачи данных наглядно показан следующим расчетом.
Имеем длину поля данных 24 байт, кадр данных в основном формате с 11 - разрядной адресацией, а также скорость передачи данных 500 кбит/с. Положим далее, что коэффициент масштабирования после зарезервированного бита r0 увеличивается в четыре раза. В этом случае длительность бита после зарезервированного бита r0 уменьшается с 2 микросекунд до 0,5 микросекунд. Если пренебречь возможными дополняющими битами (стаф-битами), то в данном примере в одном кадре данных 27 бит (SOF - бит начала кадра, идентификатор, RTR - бит удаленного запроса, IDE - бит расширения идентификатора, также называемый флагом расширенного формата, зарезервированный бит r0, АСК - поле подтверждения, EOF -последовательность конца кадра, Intermission - поле паузы) передаются при нормальной длительности бита, а 212 бит (код длины данных DLC, данные, код CRC, разделитель CRC) передаются при сокращенной длительности бита, причем здесь еще предполагалось использование 15-битового кода CRC, который, однако, в соответствии с изобретением, может быть заменен более длинным кодом CRC.
При данных краевых условиях получается, что эффективная пропускная способность при передаче составляет 293 бита за 160 микросекунд, что при допущении равной загрузки шины соответствует скорости передачи данных, увеличенной по сравнению с немодифицированной передачей по стандарту на протокол CAN в 3,7 раза. Дополнительно к этому в выгодную сторону смещается отношение полезных данных (поле данных) к служебным (управляющим) данным протокола.
Предлагаемый в изобретении способ пригоден при нормальной эксплуатации транспортного средства для передачи данных между по меньшей мере двумя блоками управления транспортного средства, соединенными подходящей шиной данных. Вместе с тем, предлагаемый в изобретении способ может в равной мере эффективно применяться в процессе производства или технического обслуживания транспортного средства для передачи данных между программатором, соединенным с подходящей шиной данных с целью программирования, и по меньшей мере одним соединенным с этой шиной данных блоком управления транспортного средства.
Кроме того, предлагаемый в изобретении способ может применяться в промышленной автоматике, например для передачи управляющей информации между распределенными, соединенными друг с другом шиной блоками управления, которые управляют выполнением промышленного технологического процесса. В этой среде также могут использоваться линии шины очень большой протяженности и потому может быть особенно целесообразным эксплуатировать шинную систему так, чтобы в фазе арбитража она работала при относительно большой длительности бита, например 16, 32 или 64 микросекунды, что позволяло бы сигналам на шине распространяться в процессе арбитража требуемым образом по всей шинной системе. Тогда впоследствии для части сообщения можно переключаться, как было описано, на меньшие значения длительности бита, чтобы не давать средней скорости передачи стать слишком малой.
В целом предлагаемый в изобретении способ представляет собой способ передачи данных, который отличается тем, что контроллер, поддерживающий обычный режим CAN, требует внесения лишь минимальных изменений для того, чтобы он мог работать в соответствии с изобретением. Предлагаемый в изобретении коммуникационный контроллер, способный работать также в обычном режиме CAN, лишь незначительно больше обычного контроллера, поддерживающего обычный режим CAN. Соответствующую прикладную программу изменять не требуется, и даже тогда достигаются преимущества в скорости передачи данных. Благодаря использованию увеличенного размера поля данных и относящихся к нему кода длины данных (DLC) и циклического избыточного кода (CRC) можно еще более увеличить скорость передачи данных, а изменения, предпринимаемые в прикладном программном обеспечении для его адаптации, минимальны. Могут использоваться обширные части теста соответствия CAN (ISO 16845). Кроме того, предлагаемый в изобретении способ передачи данных может комбинироваться с дополнениями, предусмотренными протоколом TTCAN (ISO 11898-4).
Везде, где выше по тексту описания изобретения упоминаются стандарты ISO, в качестве уровня техники следует принимать редакцию соответствующего стандарта ISO, действующую на дату подачи заявки.