DE19825825A1 - Verfahren zur Synchronisierung von miteinander über ein Bussystem verbundenen Recheneinheiten - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zur Synchronisierung von miteinander über ein Bussystem (1, 2) verbundenen Recheneinheiten (121; 122; 123; 124) geben zwei Master-Einheiten (11; 21) jeweils zyklisch ein Zeitsignal (T1; T2) auf eine Datenleitung (1; 2) aus. Die Zeitsignale (T1; T2) werden von einer zu synchronisierenden Recheneinheit empfangen, die die Zeitsignale anhand einer eigenen Zeitbasis (T) überprüft. Dadurch ist eine besonders zuverlässige Synchronisierung der Recheneinheiten gewährleistet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Synchronisierung von miteinander über ein Bussystem verbundenen Recheneinheiten.

In der Meß-, Regel- und Steuerungstechnik werden häufig Rech­ nersysteme eingesetzt, die über eine Vielzahl von miteinander über ein Bussystem verbundenen Recheneinheiten verfügen. Ins­ besondere bei Anwendungen in der Kraftfahrzeugtechnik, bei­ spielsweise bei einem elektromechanischen Bremssystem, soll über ein Bussystem eine Regelschleife realisiert werden. Hierzu müssen bei einer seriellen Datenübertragung alle ange­ schlossenen Recheneinheiten eine gemeinsame Zeitbasis aufwei­ sen.

Es ist bekannt, eine Synchronisierung durch eine Botschaft auf den Bus zu bewerkstelligen, deren Eintreffzeit es der empfangenden Recheneinheit ermöglicht, sich auf den Sender zu synchronisieren. Die zeitliche Auflösung dieses Verfahrens hat dabei die Größenordnung der Übertragungszeit der Nach­ richt. Diese beträgt beispielsweise für einen CAN-Bus ca. 200 Mikrosekunden bei 500 kBit/s.

Erhält eine Nachricht eine unerwartete Verzögerung, kann auch eine Nachricht mit hoher Priorität erheblich verzögert wer­ den. Dies ist bei sicherheitstechnischen Anwendungen in der Kraftfahrzeugtechnik nicht tolerierbar.

Ein weiteres Problem besteht darin, daß alle die Synchroni­ sierbotschaft empfangenden Recheneinheiten sich auf den Sen­ der synchronisieren, auch wenn dieser ein fehlerhaftes Signal ausgibt.

Es ist ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Synchroni­ sierung von miteinander über ein Bussystem verbundenen Re­ cheneinheiten bereit zustellen, bei dem eine besonders zuver­ lässige Synchronisierung der Recheneinheiten erfolgt.

Dieses Ziel wird mit einem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Da zwei Master-Einheiten zyklisch Zeitsignale an die Rechen­ einheiten senden, kann eine empfangende Recheneinheit bei Ab­ weichungen von der eigenen Zeitbasis feststellen, ob der Feh­ ler bei der eigenen Zeitbasis oder bei einer der sendenden Master-Einheiten liegt. Einer Recheneinheit stehen also bei einem fehlerfreien Betrieb drei Synchronisierungssignale zur Verfügung.

Eine besonders hohe Sicherheit ergibt sich, wenn die Master- Einheiten ihre Zeitsignale auf unterschiedlichen Busleitungen senden. Falls eine Leitung gestört ist, so kann eine Synchro­ nisierung der Recheneinheiten über die zweite Leitung durch die zweite Master-Einheit erfolgen. Eine solche zweite Lei­ tung wird in der Kraftfahrzeugtechnik aus Sicherheitsgründen ohnehin häufig gefordert, um zwei redundante Datenkanäle zur Datenübertragung zur Verfügung zu haben.

Vorzugsweise empfängt jede Master-Einheit das Zeitsignal der anderen Master-Einheit, um die Phasenbeziehung der Zeitsigna­ le zueinander zu überprüfen. Wird eine Abweichung von der vorbestimmten Phasenbeziehung festgestellt, so kann ein Ab­ gleich erfolgen.

Bei Verwendung von unterschiedlichen Busleitungen zur Ausgabe der Zeitsignale ist es zweckmäßig, wenn die Master-Einheiten ihre Zeitsignale im selben Takt und ohne Phasenverschiebung zueinander ausgeben.

Für eine zeitliche Synchronisierung der Recheneinheiten und ihrer Zeitbasen mit den Zeitsignalen der Master-Einheiten bieten sich mehrere Möglichkeiten an. Besonders bevorzugt ist hierbei, daß eine Recheneinheit aus den von ihr empfangenen Zeitsignalen der Master-Einheiten und der eigenen Zeitbasis zur Synchronisierung nur diejenigen Signale verwendet, die eine definierte Abweichung von den beiden anderen Signalen nicht überschreiten. Dabei kann die Recheneinheit sich entwe­ der auf den Mittelwert der beiden am engsten zusammenliegen­ den Signale synchronisieren oder einen Mittelwert aus allen drei Synchronisierungssignalen bilden, sofern keine unzuläs­ sige Abweichung eines Signals vorliegt.

Alternativ kann die Synchronisierungszeit immer aus allen drei Synchronisierungssignalen gewonnen werden, wenn eine Ge­ wichtung jeweils eines Synchronisierungssignals in Abhängig­ keit von der Zeitdifferenz zu den beiden anderen Synchroni­ sierungssignalen oder zu einem nicht gewichteten Mittelwert gebildet wird.

Obgleich ein System mit nur zwei Zeitsignale aussendenden Ma­ ster-Einheiten besonders bevorzugt ist, kann die Erfindung auch mit zusätzlichen Master-Einheiten verwirklicht werden.

Eine der an das Bussystem angeschlossenen Recheneinheiten oder Mastereinheiten kann eine zentrale Steuereinheit sein. Aus Sicherheitsgründen können auch mehrere zentrale Steuer­ einheiten mit dem Bussystem, insbesondere mit unterschiedli­ chen Datenleitungen, verbunden sein.

Die Vorteile der Erfindung kommen bei Bussystemen mit seriel­ ler Datenübertragung am stärksten zum Tragen.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausfüh­ rungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung.

Die Figur zeigt zwei CAN-Busse, an die Master-Einheiten und Recheneinheiten angeschlossen sind.

Zwei Master-Einheiten 11 und 21 sowie Recheneinheiten 121, 122, 123 und 124, bei denen es sich um Mikrokontroller han­ delt, sind jeweils mit einer Datenleitung 1 eines ersten CAN- Busses und mit einer Datenleitung 2 eines zweiten CAN-Busses verbunden. Die Master-Einheit 11 ist zusätzlich mit den Funk­ tion einer zentralen Steuereinheit ausgestattet, die die Re­ cheneinheiten 121 bis 124 steuert. Die zentrale Steuereinheit steuert die Bremsung eines Kraftfahrzeugs.

Jede der Recheneinheiten 121 bis 124 hat zur Erzeugung eines Synchronisiersignals eine eigene Zeitbasis T, bei der es sich um einen Oszillator handelt. Die Recheneinheiten 121 bis 124 sind jeweils mit einer weiteren, nicht dargestellten Rechen­ einheit verbunden, die zur lokalen Steuerung eines Systems an einem Kraftfahrzeug, beispielsweise einer elektromechanischen Bremse, und zur Registrierung und Ausgabe von Meßwerten auf das Bussystem dient. Die Recheneinheiten 121 bis 124 arbeiten in diesem Ausführungsbeispiel lediglich als Bus-Controller, obgleich sie auch Funktionen der Systemsteuerung übernehmen könnten.

Beim Systemstart müssen die beiden Master-Einheiten 11 und 21 aufeinander synchronisiert werden, um als Zeit-Master für das Bussystem zur Verfügung zu stehen. Hierzu gibt eine der bei­ den Master-Einheiten als Master ein Zeitsignal T1 vor. Die andere Master-Einheit funktioniert während dieser Initiali­ sierungsphase als Slave und synchronisiert sich auf das vor­ gegebene Zeitsignal T1.

Erkennt die in der Startphase als Slave funktionierende Ma­ ster-Einheit mehrmals hintereinander ein fehlerhaftes Zeitsi­ gnal T1, so gibt sie eine Nachricht an die korrespondierende Master-Einheit aus. Nur wenn das Zeitsignal T1 der Master- Einheit eine definierte Phasendifferenz nicht überschreitet, sich also in einem Fangbereich befindet, synchronisiert die als Slave arbeitende Master-Einheit auf das Zeitsignal T1. Andernfalls wird der Synchronisationsvorgang wiederholt. Da­ bei kann die zuvor als Zeit-Master arbeitende Master-Einheit die Rolle des Slave übernehmen.

Kommt eine fehlerfreie Synchronisation der beiden Master- Einheiten 11 und 21 zustande, so ist die Genauigkeit der Syn­ chronisierung zwischen den beiden Einheiten auf die Schwan­ kungen begrenzt, die bei der Laufzeit von Nachrichten mit höchster Prioritätsstufe auftreten. Bei Auftreten von zeit­ lich begrenzten Fehlern, die sich nicht aufsummieren, zum Beispiel eine Verzögerung eines der beiden Zeitsignale T1 oder T2, wird dies durch einen Fangbereich toleriert. Wird dieser Fangbereich allerdings überschritten, so muß die Startphase, bei der eine der beiden Master-Einheiten als Sla­ ve betrieben wird, wiederholt werden.

Treten wesentliche Unterschiede zwischen den Zeitmessungen der beiden Master-Einheiten auf, wird auf eine erneute Syn­ chronisierung der Master-Einheiten verzichtet. Dies wird von den Recheneinheiten 121 bis 124 erkannt. Die Recheneinheiten synchronisieren in diesem Fall auf die noch korrekt arbeiten­ de Master-Einheit.

Nach erfolgreichem Abschluß der Startphase sendet die Master- Einheit 11 zyklisch das Zeitsignal T1 als Synchronisierungs­ signal an alle mit der Datenleitung 1 verbundenen Rechenein­ heiten oder Knoten. Ebenso sendet die Master-Einheit 21 zy­ klisch im selben Takt das Zeitsignal T2 an alle Recheneinhei­ ten 121 bis 124. Damit sichergestellt ist, daß diese Zeitsi­ gnale übertragen werden, besitzen diese höchste Priorität.

Bei den Recheneinheiten treten zu jeder Synchronisierung drei verschiedene Zeitpunkte auf, nämlich die Ankunftszeit des Zeitsignals T1 der Mastereinheit 11 auf Bus 1, die Ankunfts­ zeit des Zeitsignals T2 auf Datenleitung 2 und eine durch die jeweilige Zeitbasis T vorgegebene lokale Synchronzeit.

Diese drei Zeitpunkte müssen im synchronen Zustand des Netz­ werks, also nach Beendigung der nichtsynchronen Startphase, ungefähr gleich sein, da die beiden Mastereinheiten und die jeweilige Recheneinheit seit dem letzten Zyklus (letzter Syn­ chronisierzeitpunkt) dieselbe Zeitdauer innerhalb eines Tole­ ranzbereichs (Fangbereich) gemessen haben müssen.

Wenn die Zeitmessung einer Mastereinheit oder einer Rechen­ einheit fehlerhaft ist, kann dies jeweils von den Rechenein­ heiten mit einem Vergleich der Ankunftszeiten der Zeitsignale T1 und T2 mit der lokalen Synchronzeit der Zeitbasis T fest­ gestellt werden.

Die jeweilige Recheneinheit wählt aus den drei bekannten Syn­ chronisiermöglichkeiten (Zeitsignal T1, Zeitsignal T2 und Zeitbasis T) diejenigen aus, die zeitlich am engsten zusam­ menliegen und synchronisiert auf deren Mittelwert. In diesem Fall muß ein Toleranz- oder Fangbereich nicht unbedingt vor­ gesehen sein.

Alternativ kann die jeweilige Recheneinheit auf den Mittel­ wert aller drei Synchronisierzeitpunkte synchronisiert wer­ den. In diesem Fall ist ein Toleranz- oder Fangbereich nötig, um ein Synchronisiersignal aus einer der drei Quellen aus zu­ scheiden, das fehlerhaft ist.

Für die Recheneinheiten 121 bis 124 geht die Synchronisier­ möglichkeit nur dann verloren, wenn mindestens zwei Quellen für die Synchronisationssignale (Master-Einheit 11, Master- Einheit 21, jeweilige Zeitbasis T) ausfallen. Es kann daher von einer ausfallsicheren zeitlichen Synchronisierung gespro­ chen werden.

Die Synchronisierung der Recheneinheiten erfolgt besonders genau, wenn die Ankunftszeit der Zeitsignale T1 und T2 je­ weils um ihre Übertragungsdauer korrigiert werden.

Claims (11)

1. Verfahren zur Synchronisierung von miteinander über ein Bussystem (1, 2) verbundenen Recheneinheiten (121; 122; 123; 124) mit den Schritten:

• - eine erste Master-Einheit (11) sendet zyklisch ein erstes Zeitsignal (T1) auf eine Datenleitung (1; 2) des Bussystems (1, 2),
• - eine zweite Master-Einheit (21) sendet zyklisch ein zweites Zeitsignal (T2) auf eine Datenleitung (1; 2), wobei das zweite Zeitsignal (T2) in einer bestimmten Phasenbeziehung zum ersten Zeitsignal (T1) definiert ist,
• - die zu synchronisierenden Recheneinheiten (121; 122; 123; 124), die jeweils eine Zeitbasis (T) aufweisen, die in einer bestimmten Phasenbeziehung zu den Zeitsignalen (T1; T2) steht, empfangen die Zeitsignale (T1; T2) und überprüfen deren Übereinstimmung mit der eigenen Zeitbasis (T).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Master-Einheiten (11; 21) ihre Zeitsignale auf voneinander getrennte Datenleitungen (1; 2) ausgeben.

3. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Master-Einheiten (11; 21) ihre Zeitsignale (T1; T2) im wesentlichen im selben Takt und gleichzeitig ausgeben.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Master-Einheit (11; 21) auf einer der Datenleitung (1; 2) das Zeitsignal (T1; T2) der anderen Master-Einheit (21; 11) empfängt, um die Phasenbeziehung der Zeitsignale (T1; T2) zueinander zu überprüfen.

5. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Master-Einheiten (11; 21) die Phasenbeziehung ihrer Zeitsignale (T1; T2) abgleichen, wenn eine Abweichung der vorbestimmten Phasenbeziehung einen definierten Bereich nicht überschreitet.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fehlermeldung ausgegeben wird, wenn die Phasenbeziehungen zwischen den Zeitsignalen (T1; T2) oder die Phasenbeziehung zwischen einer Zeitbasis (T) einer der Recheneinheiten (121; 122; 123; 124) und wenigstens einem der Zeitsignale (T1; T2) einen definierten Abstand überschreitet.

7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreitung des definierten Abstands zwischen den Zeitsignalen (T1; T2) die Recheneinheit (121; 122; 123; 124) ein Signal an die betreffende Master- Einheit (11; 21) ausgibt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Recheneinheit (121; 122; 123; 124) seine Zeitbasis (T) mit den Zeitsignalen (T1; T2) synchronisiert, wobei für die Synchronisierung ein Zeitsignal (T1; T2) oder die Zeitbasis (T) außer Betracht bleibt, wenn eine definierte Abweichung zu den beiden anderen Signalen (T1; T2; T) überschritten wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Recheneinheit (121; 122; 123; 124) seine Zeitbasis (T) unter Berücksichtigung der Zeitsignale (T1; T2) und der eigenen Zeitbasis (T) synchronisiert, wobei das Signal (T1; T2; T) mit dem größten Abstand von den anderen Signalen (T1; T2; T) am geringsten berücksichtigt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitsignale (T1; T2) an der jeweiligen empfangenden Recheneinheit (121; 122; 123; 124) und/oder der jeweiligen empfangenden Master-Einheit (11; 21) durch Berücksichtigung ihrer Übertragungsdauer korrigiert werden.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das Bussystem ein CAN-Bus ist.