用于分布式控制系統(tǒng)的高速嵌入協(xié)議的制作方法
【專利說明】用于分布式控制系統(tǒng)的高速嵌入協(xié)議
[0001]相關申請
[0002]本申請是2013年3月15日提交的申請?zhí)枮?3/833238的美國申請的部分繼續(xù)申請，其內容在此通過引用包含，盡管完全重寫。
技術領域
[0003]本發(fā)明涉及電子通信，更具體地涉及一種用于控制網絡的高速協(xié)議。
【背景技術】
[0004]電子設備通過各種各樣的方式相互通信，通?；诮o定的上下文的要求。一種這樣的上下文是控制系統(tǒng)上下文。不像簡單的通信系統(tǒng)，其中系統(tǒng)只允許通過該系統(tǒng)通信的設備之間進行通信，控制系統(tǒng)以明確控制在控制系統(tǒng)上連接以通信的模塊為目的而通信。這樣的系統(tǒng)允許其他應用運行在各種模塊上。然而，分布式嵌入控制系統(tǒng)中的那些應用，應協(xié)調工作。
[0005]提供分組控制，大多數(shù)分布式嵌入式控制系統(tǒng)是建立在一個通信協(xié)議標準上，例如包括CAN(IS0 11898)、SERCOS, FlexRay, EtherCAT，有時甚至與其他系統(tǒng)之間使用Ethernet。高層協(xié)議被嵌入在通信標準之上，以提供參與控制系統(tǒng)的的電子控制單元的應用之間數(shù)據交換的規(guī)則、時序規(guī)則、順序規(guī)則以及類似的輔助交換信息的分布式應用之間的通信的規(guī)則。CANopen、DeviceNet、SDS、J1939以及NMEA 2000只是幾個協(xié)議的例子，這些協(xié)議分層在CAN標準之上。甚至使用元協(xié)議(meta protocols)，像CanKingdom，通過它可以為特定的分布式嵌入式控制系統(tǒng)，構建和優(yōu)化更高層的協(xié)議。
[0006]每個協(xié)議標準都有自己的長處和短處。理想的通信有無限的帶寬、沒有延遲以及完整的數(shù)據完整性?？捎玫耐ㄐ趴蛇x方案是費用不同于理想方案且必須找到的折中方案。例如，以太網具有大的帶寬，但由于它的消息沖突處理具有不好的時效性。CAN具有高效的沖突解決方案，但具有低的帶寬，無同步支持。SERCOS快速，但所有節(jié)點必須支持系統(tǒng)中要求最高的節(jié)點的通信要求。因此，當設計分布式嵌入控制系統(tǒng)時一大困難，是選擇基本的通信系統(tǒng)，以滿足給定系統(tǒng)的需要。另一個復雜化的因素是系統(tǒng)的不同部分通常有不同的需要。一些部分可能涉及高級反饋回路，高級反饋回路要求精確的時間同步和短的延時，而其他部分可能根本不是時間關鍵的，而是取決于事件的正確順序。在另一個實例中，一個系統(tǒng)可能在運行時條件下使用低的帶寬工作良好，但在維護模式下重新刷新(re-flashing)模塊需要高的帶寬。此外，行業(yè)需要大量的開發(fā)與分析工具以及精通所選擇的通信協(xié)議找到正確折中方案的工程師。應用給定的技術以利用協(xié)議的好的特性并極小化它的缺點的方式，典型地需要基于所選擇的協(xié)議以及相關工具、在設計和維護分布式嵌入式控制系統(tǒng)方面的長時間的實際工作經驗。
[0007]在CAN系統(tǒng)的實例中，開發(fā)了 CANFD協(xié)議，嘗試解決CAN議的數(shù)據帶寬的限制。然而，該系統(tǒng)不是與以前的基于CAN的模塊向下兼容的。因此，使用CANFD協(xié)議的模塊不能被安裝到具有基于CAN的模塊的控制網絡，實現(xiàn)與那些模塊的通信。另一個缺點是，CANFD協(xié)議是基于模塊的尋找一個給定的時間點，這就要求模塊具有高度精確的時鐘和處理器。具體來說，CAN-FD要求相對于一個邊沿結合采樣點的位置，從第一比特率切換到第二比特率。該解決方案要求從邊沿到采樣點以及第一比特率定義的采樣點的共同的位置的時間段上的穩(wěn)定的時鐘。獲得采樣點的精確定義，限制了用于運行CAN-FD控制器的可能的時鐘頻率。此外，盡管通過以前的基于CAN的系統(tǒng)，速度被提高，最大消息長度仍然限制到64字節(jié)，這樣的系統(tǒng)對于系統(tǒng)設計者來說缺乏靈活性。
[0008]此外，對于基于CAN的控制系統(tǒng)的當前用戶，CANFD可能呈現(xiàn)一些實現(xiàn)挑戰(zhàn)。在另一個實例中，汽車工業(yè)使用基于CAN的模塊，用于車輛中各種部件之間通信?？紤]到汽車業(yè)務的性質，簡單改變車輛系統(tǒng)中的一個模塊是非常昂貴的。鑒于面臨CANFD模塊與CAN模塊集成的挑戰(zhàn)，引入一個CANFD模塊，迫使汽車制造商要么將給定的車輛中的每一個模塊改變?yōu)镃ANFD(吸收許多倍的設計、制造以及測試每一個新模塊的成本)，要么分割車輛的通信總線為兩根:一根運行CAN，另一根運行CANFD。因此，需要一項技術，允許隨著時間推移將CANFD模塊逐漸引入到，例如汽車行業(yè)中，預先建立的基于CAN的系統(tǒng)，以降低CANFD模塊可能面臨的進入壁皇。

【發(fā)明內容】

[0009]一般而言，根據這些不同的實施例，第二協(xié)議以一種方式嵌入到第一協(xié)議中，這種方式下支持第二協(xié)議的模塊可能會意識到并使用的第一協(xié)議，而只支持第一協(xié)議的模塊可能沒有意識到第二協(xié)議。使用第二協(xié)議的模塊的操作，不打擾未配置使用或理解第二協(xié)議的模塊的操作。通過一種方法，使用第二協(xié)議發(fā)送的消息將被視為使用第一協(xié)議發(fā)送但沒有必要理解的消息或視為需要特定響應。在另一種方法中，使用第二協(xié)議的模塊可以被配置以在第一協(xié)議消息的傳輸期間由另一個模塊發(fā)送消息，第二協(xié)議消息被觸發(fā)在第一協(xié)議下發(fā)送的消息的預期方面。
[0010]在一個具體的實例中，第一協(xié)議可能是CAN協(xié)議，第二協(xié)議是將位嵌入到CAN協(xié)議的部分的協(xié)議。例如，CAN協(xié)議的位通常包括幾個位份額，CAN協(xié)議操作是通過在特定的部分或單個位份額尋找特定的信號電平。通過一種方法，因此，第二協(xié)議可以在CAN信息包中包括發(fā)送附加信息，通過使用在定義的位份額以外的CAN信息包的傳播段位的位份額。
[0011]第二協(xié)議信息被嵌入，這樣第二次協(xié)議中的位的下降沿不會干擾只理解第一或CAN協(xié)議的模塊的正常操作。這一點可以做到，例如，通過實現(xiàn)使用第一與第二協(xié)議的模塊同步于消息包的一部分。使用這種方法，可以允許使用第二協(xié)議模塊使用第一協(xié)議消息的消息控制，其攜帶第二協(xié)議消息以控制第二協(xié)議消息，從而增加了用單個第二協(xié)議消息發(fā)送的數(shù)據量。
[0012]這些教導是可擴展的，使得單個常見控制網絡上的多個模塊，可以在第一協(xié)議內使用多個不同類型的嵌入的協(xié)議。此外，使用第二協(xié)議的模塊可以被安裝到使用更老的模塊的控制網絡中，所述更老的模塊被配置為只使用第一協(xié)議，因而在升級現(xiàn)有控制網絡允許顯著靈活性。
[0013]在汽車業(yè)的實施例中可以設想這樣的好處。這里，新模塊可以配置以使用CAN標準，如本文所述的第二協(xié)議，以及CANFD協(xié)議來操作。這樣的模塊可以被引入其他穩(wěn)定的基于CAN通信總線，并通過使用第二協(xié)議的提高通信速度。隨著時間的推移，所有的老的CAN模塊被替換之后，這些模塊可以使用CANFD協(xié)議進行通信，以提供一致、高速的通信環(huán)境。以這種方式，采納使用CANFD協(xié)議的模塊可以立即進行，而沒有隨之而來關于將CANFD模塊合并入具有舊的CAN模塊的通信總線的擔憂。
[0014]這些和其他益處在對以下詳細描述進行徹底的審閱和研究，可能變得更清晰。
【附圖說明】
[0015]圖1包括根據本發(fā)明的各種實施例配置的控制網絡實例的框圖；
[0016]圖2包括CAN消息的示意圖；
[0017]圖3包括實例CAN時間份額的示意圖；
[0018]圖4包括實例CAN位的示意圖；
[0019]圖5包括根據本發(fā)明的各種實施例配置的，第二協(xié)議消息嵌入第一協(xié)議消息的部分，這里是CAN消息的傳播段部分，的實施例的示意圖，；
[0020]圖6包括根據本發(fā)明的各種實施例配置的，第二協(xié)議消息嵌入第一協(xié)議基于CAN的消息的部分的另一個實施例的示意圖；
[0021]圖7包括根據本發(fā)明的各種實施例配置的，第二協(xié)議消息嵌入第一協(xié)議基于CAN的消息的部分的實施例的示意圖，其傳播段部分設置為顯性；
[0022]圖8包括根據本發(fā)明的各種實施例配置的，模塊如何操作的實施例的示意圖，其在第一協(xié)議基于CAN消息的一部分中使用第二協(xié)議消息，解釋接收的具有信號失真的消息;
[0023]圖9包括根據本發(fā)明的各種實施例配置的，第二模塊如何操作實施例的示意圖，其在第一協(xié)議基于CAN消息的一部分中使用第二協(xié)議消息的，解釋圖8的接收的具有不同的信號失真的消息；
[0024]圖10包括根據本發(fā)明的各種實施例配置的，控制網絡實例的框圖；
[0025]圖11包括根據本發(fā)明的各種實施例配置的，從一個模塊發(fā)送的實例消息與被第二模塊感知的消息的比較圖；
[0026]圖12包括根據本發(fā)明的各種實施例配置的，從一個模塊發(fā)送的實例消息與第二模塊以第二協(xié)議發(fā)送消息的比較圖，第二模塊發(fā)送消息以響應實例消息的接收，；
[0027]圖13包括根據本發(fā)明的各種實施例配置的，從一個模塊發(fā)送的實例消息與第二模塊以第二協(xié)議發(fā)送消息的比較圖，第二模塊發(fā)送消息以響應實例消息的接收，；
[0028]圖14包括根據本發(fā)明的各種實施例配置的，具有星形拓撲的控制網絡實例的框圖；
[0029]圖15包括根據本發(fā)明的各種實施例配置的，通信設備實例的框圖；
[0030]圖16包括根據本發(fā)明的各種實施例配置的，幾個發(fā)送的消息實例的原理圖。
[0031]本領域技術人員將理解，圖中的部件為簡化和清楚被繪制，并且不一定按比例繪制。例如，一些圖中的部件的尺寸和/或相關位置，相對于其他部件可能被夸大，有助于改善對本發(fā)明各種實施例的理解。另外，常見但公知的部件，該部件是有用的或在商業(yè)上可行的實施例中必要的，常常不被描述，以便不妨礙對各種實施例的觀察。將進一步理解的是，某些動作和/或步驟可以被描述或描繪為以特定的順序發(fā)生，而本領域的技術人員將理解，這樣的關于順序的特異性與實際上并不需要。還應當理解的是，這里所使用的術語與表達具有通常的技術含義，與如上所述的本領域技術人員理解的術語與表達相符，除非文中給出了不同的特定含義。
【具體實施方式】
[0032]現(xiàn)在參見附圖，尤其是參見圖1，將呈現(xiàn)一個與許多這些教導是兼容的說明性的系統(tǒng)。在圖1中，控制網絡1000示出了在總線1005上通信的各種設備，但這些教導可以適用于具有各種拓撲結構的任何一種的控制網絡。通信設備裝置1010可以被認為是控制網絡1000的一個模塊或節(jié)點，包括一個配置為按照控制網絡的拓撲結構連接到控制網絡1000的通信端口 1012。通信設備裝置1010還包括一個處理設備1014，可操作地連接到控制網絡1000，以通過通信端口 1012在控制網絡1000上控制接收和發(fā)送通信。本領域技術人員會認識到并理解，這樣的處理器可以包括一個固定的目的、硬連線的平臺，或者可以包括部分或全部可編程的平臺。所有這些架構選擇都是本領域眾所周知的，在這里不需要進一步描述。
[0033]通過一種方法，處理設備1014被配置為:在控制網絡1000上根據第一協(xié)議傳輸消息包的過程中，傳遞第二消息，該第二消息使用第二協(xié)議被嵌入在消息包中。例如，處理設備1014被進一步配置為:為第一與第二協(xié)議，基于至少消息包的一部分，實現(xiàn)在控制網絡1000上與第二通信設備1020、1030、1040、1050、1050和/或1060同步。在另一種方法中，處理設備1014支持第一與第二協(xié)議，使用這兩種協(xié)議與通信設備1020和1050通信，通信設備1020和1050也支持第一和第二協(xié)議，而通信設備1030，1040與1060僅支持第一協(xié)議。本實施例中，按照第二協(xié)議的消息中的任何信息，將被僅運行第一協(xié)議且被其定義的通信設備1030、1040和1060解釋為噪聲，并被被忽略。
[0034]一個將第二協(xié)議消息嵌入第一協(xié)議消息的實施例，參照圖2-10，在基于CAN的系統(tǒng)的上下文中進行說明?？刂破骶钟蚓W絡(CAN)標準(國際標準組織(ISO) 11898)是一種常用的協(xié)議，用于分布式嵌入式控制系統(tǒng)，盡管這些一般性教導也可以被應用于其它協(xié)議。
[0035]在該實現(xiàn)中，支持CAN協(xié)議ISO 11898的模塊，可以與在同一總線上支持第二協(xié)議的模塊共存，通過放棄利用CAN的一個或多個特征。圖2示出了 CAN的一些主要特征。CAN設計為總線拓撲結構，使用兩個電壓等級工作，無電壓101，表示值“一”，電壓102表示值“零”。這種布置意味著零比一顯性；換句話說，如果第一發(fā)射機發(fā)送一個一，同時第二發(fā)射機發(fā)送一個零，那么只能檢測到零?？臻e的總線可以看作一個一的連續(xù)的流。消息103以一個零比特位開始，幀起始(SOF) 104，隨后是十一位(標準)或29位(擴展)的標識符105，加上2個協(xié)議位(共31位)以及遠程傳輸請求(RTR)位106。SOF與標識符消息部分構成仲裁域107，通過逐位仲裁解決總線沖突。從消息的其余部分108直到應答位(ACK) 109，總線上只有一個傳送裝置，由于其他傳送裝置被控制為不活躍以響應這些初始消息部分。特別是，在消息的仲裁部分之后，以RTR結束，只有一個傳送裝置將發(fā)送，而其他所有的通信單元將只按該協(xié)議接收位。消息的剩余部分108，以具有兩個顯性位的控制域110開始，一個四位數(shù)據長度代碼(DLC) 111表示隨后的數(shù)據域112的長度，它可以不包含任何數(shù)據(DLC=O)或多達八字節(jié)(DLC = 8)。換句話說，標準的CAN消息的數(shù)據域112可以從O到64位長。到目前為止，消息通過一個放在第十六位的CRC域113的15位CRC碼檢查，其中最后一位是CRC定界符114。ACK域115包括ACK位109，隱性位、ACK定界符116緊隨其后。消息103的其余部分是包含七個連續(xù)隱性位的幀結束(EOF)域117。三個隱性位，間歇118，必須在總線空閑用于新消息之前傳送。
[0036]根據CAN規(guī)范(ISO 11898-1)，一位構成時間份額。參考圖3，標準的CAN消息的單個位份額被描述為:時間份額130，它是源于發(fā)送器/接收器的時鐘的振蕩器周期131的固定時間單位。時間周期131可能可選擇地來自于一個單獨的振蕩器或時鐘?？删幊痰摹⒕哂姓麛?shù)值的預分頻器，范圍至少從一至三十二，以定義時間份額為給定數(shù)量的最小時間份額。因此，從最小的時間份額開始，時間份額將具有長度:
[0037]時間份額=m*最小時間份額，
[0038]其中m為預分頻器的值。
[0039]在操作中，因此，另一實例CAN位132，如圖4所示，構成單個時間份額。第一時間份額是同步段133，隨后是傳播段134，其包括一個或多達至少八個時間份額。傳播段被定義為一段時間，以確保一個信號波可以從發(fā)送器傳播到總線的遠端并返回，這也對應于控制網絡上的最遠的模塊接收該信息并響應所需的時間量。因此，傳播段長度被設置為允許CAN協(xié)議的位仲裁方面工作。CAN位132的最后部分包括相位段，相位段I 135和相位段2136。相位段是對稱的，每個具有一個或多達至少八個時間份額長。相位段占用系統(tǒng)中的不同節(jié)點之間的時間偏移。CAN位應是從4個到至少25個時間份額可編程。
[0040]CAN系統(tǒng)的所有時鐘假定為不同步。當S0F104被發(fā)送時，每個模塊的時鐘被同步到下降沿140，并且每一個模塊統(tǒng)為傳播段與相位段I指定的時間份額的數(shù)目。例如，接收的下降沿的模塊的內部時鐘，可在該內部時鐘的精度范圍內確定預期采樣點的時序，即通過了解位在內部時鐘中的定義，模塊可以計算采樣點相對于內部時鐘的位置。在CAN中，典型地通過時間份額單位做到這一點，每個時間份額是若干本地時鐘元素(local clockelement)。信號的電壓在采樣點141被測量。如果該電壓仍然存在，模塊決定一 SOF檢測被檢測，隨后的電壓變換(voltage shift)根據CAN規(guī)范被解碼。如果在采樣點141沒有電壓，下降沿被視為毛刺，并被忽略。該特征可以被看作是一個低通濾波器，濾除總線上的擾動，例如，由于波反射。這樣的特征使得CAN在不良的布線安裝中可靠與寬容。
[0041]在某些通信系統(tǒng)中，電壓邊沿可以輻射高頻，從而引起電磁兼容性(EMC)問題。為了減少這種問題，CAN規(guī)定位的不歸零(NRZ)解碼，換句話說，值相同的連續(xù)位不產生任何邊沿，相反，這些位由推算(dead reckoning)解碼。各個模塊的時鐘僅被重新同步到下降沿，定義為從隱性(I)位到顯性(0)位的過渡。CAN具有位填充規(guī)則:相同值的五個連續(xù)位序列之后，應插入相反值的填充位，以確保重新同步會發(fā)生。因此，在正常情況下至少十位后，一個重新同步會發(fā)生。CAN規(guī)范要求采樣點在至少13位的相位段內。
[0042]關于CAN更詳細的信息，可以查閱ISO標準1898，以及文章“CAN位時序的配置”(The Configurat1n of the CAN Bit Timing)，作者弗洛里安?哈特維希(FlorianHartwig)、阿明.巴斯默(Armin Bassemir)(羅伯特.博世有限公司，Abt.K8/EIS)，在第六屆國際CAN會議上提出，11月2至4日，都靈(意大利)，由自動化中的CAN(CiA)出版，Numberg,德國，該材料通過引用其全部包含在本文中。
[0043]轉到圖5帶寬問題的一個解決方案的實例，是修改第一協(xié)議，這里為CAN協(xié)議，在標準CAN信息的部分中嵌入第二高速協(xié)議。在這種方法中，一個控制網絡模塊的處理設備可以被配置以控制第二協(xié)議使用比第一協(xié)議的比特率更高的比特率，例如，控制第二協(xié)議使用比所述第一協(xié)議的比特率高整數(shù)倍的比特率?；蛘?，第二協(xié)議的比特率也可以是比第一協(xié)議的比特率高非整數(shù)倍的比特率。例如，第一協(xié)議可以具有100位/秒的比特率，并且第二協(xié)議可以具有從400位/秒至6兆位/秒的任何比特率。比特率將是(在每一個第一協(xié)議位中的第二協(xié)議位的數(shù)量)/((傳播段時間長度)X利用率)位/秒。第二協(xié)議的比特率僅受在第二協(xié)議控制邏輯中的時鐘分辨率限制。在每個時間份額中位的數(shù)量可以是，例如每3個時間份額20個。在任何情況下，結果是，處理設備被配置以實現(xiàn)第二協(xié)議，通過在第一協(xié)議的單個位份額內增加位。換言之，一個CAN消息包可以由具有多個位份額的位定義，CAN消息包的數(shù)據由在一個位的定義的位份額處的信號電平定義，其中定義的位份額小于一個位的所有位份額。例如，一個標準CAN位使用定義的位份額，定義的位份額包括各個位的第一位份額與各個位的采樣點位份額，其中第一位份額是一個同步段位。該樣本點典型地是位的相位段I與相位段2之間的部分，如圖4所示。剩余的未定義位份額可用于第二協(xié)議。因此，在一個實施例中，為嵌入第二協(xié)議，處理設備被配置以在CAN消息包內發(fā)送的附加信息，使用定義的位份額以外的CAN消息包的傳播位的位份額，由使用標準CAN消息協(xié)議的節(jié)點檢查。
[0044]在圖5的實施例中，第二個協(xié)議消息被嵌入到CAN位的傳播段中，CAN位在CAN消息中在在CAN消息的仲裁域后被發(fā)送。傳播段僅在CAN消息的仲裁部分在節(jié)點之間交換期間使用。多于一個模塊可以同時在仲裁期間傳輸，這可能會導致位時序波動或者位時序識別問題，這些問題由不同的模塊在大約相同的時間通信引起，從而產生沖突，由仲裁來解決；和/或由一個或多個模塊中的不良的時鐘引起。仲裁周期之后，只有一個模塊發(fā)送，總線上的位時序反映發(fā)送方的振蕩器。如此配置，第二消息可以被嵌入這樣的CAN位的傳播段的時間份額中，而不考慮給控制網絡上沖突噪聲的損耗。另外，沒有配置為以第二協(xié)議接收消息的模塊，將不在這樣的位的傳播段期間尋找信號變化，這樣，消息的該部分中的信號變化將不會不利地影響這樣的模塊。因此，處理設備被配置為以實現(xiàn)第二協(xié)議，通過在第一協(xié)議的單個位份額內增加位，根據第一協(xié)議測量為非特定電平。
[0045]更具體地，圖5示出了一個實例CAN位，具有八個時間份額的傳播段205，與兩個各有一個時間份額的相位段203和204。該位以同步段202開始，其中任何電壓變換201在這段時間內完成。位時間上的電壓電平是由實線206表示。支持第二協(xié)議的模塊，使用用于嵌入的高速位流的傳播段，通過采樣每個時間份額的電壓值，并按照CAN規(guī)則解碼該值，其中檢測到的電壓被解碼為零，而無電壓為一。只支持原有的CAN協(xié)議的模塊將下降沿201解碼為不同步或重新同步邊沿，并忽略隨后的電壓變化。在采樣點207電壓電平是顯性的，CAN模塊將位正確地解碼為零。支持第二協(xié)議的模塊，解