DE4106726B4

DE4106726B4 - Kommunikationsnetzwerk in Kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE4106726B4
Application number: DE4106726A
Authority: DE
Inventors: Konrad Dr. Böhm; Peter Dipl.-Ing. Marten
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1991-03-02
Filing date: 1991-03-02
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2011-03-03
Also published as: DE4106726A1

Abstract

Kommunikationsnetzwerk in Kraftfahrzeugen für Datenverbindungen zwischen einer Vielzahl von Steuergeräten und Endstellen, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk hybrid aufgebaut ist mit einem übergeordneten ersten elektrischen Leiternetz, welches die Steuergeräte untereinander verbindet, mit mehreren untergeordneten weiteren Lichtwellenleiter (LWL)-Netzen, die jeweils eine Mehrzahl von Endstellen mit einem der Steuergeräte verbinden und mit optoelektrischen Wandlern in den Endstellen und den Steuergeräten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kommunikationsnetzwerk in Kraftfahrzeugen.

In Kraftfahrzeugen werden zunehmend elektronische Sensoren und Aktoren eingesetzt. Diese bilden Endstellen in einem fahrzeuginternen Kommunikationsnetzwerk, in welchem Steuer- und Meßgrößen zwischen den Endstellen und Steuergeräten übertragen werden. Zur Verbindung der einzelnen Netzwerkanschlüsse ist der Einsatz verschiedener Bussysteme bekannt, wie beispielsweise das CAN-System oder das ABUS-System (ELRAD 1991, Heft 1, Seite 42–46). Beide Bussysteme ermöglichen den direkten Datenverkehr zwischen beliebigen Teilnehmern.

Da im Kraftfahrzeug vielfach mit Störungen durch elektromagnetische Einstreuung zu rechnen ist, sind in den Endstellen und Steuergeräten Datenverarbeitungs-Prozessoren eingesetzt, welche Störungen im übertragenen Datenstrom erkennen und deren falsche Auswertung verhindern. Beim CAN-System wird beispielsweise an vorgegebener Stelle der rahmenweise übertragenen Daten ein Prüfsummen-Abschnitt übertragen. Das ABUS-System verwendet eine 8-fach überhöhte Abtastrate zur Erkennung von Bitstörungen. Als eine weitere Möglichkeit der Fehlerüberwachung ist das Bus-Monitoring im Duplex-Betrieb vorgesehen, bei welchem ein sendender Busteilnehmer gleichzeitig mittels seines Empfangsteils die Signale auf dem Datenbus überwacht. Eine Äquivalenzprüfung erbringt Aussagen über eventuelle Störeinstreuungen in das Kommunikationsnetz.

Die einzelnen Teilnehmer sind über ihre initiierte Sendekennung in unterschiedliche Prioritäten eingeteilt, um Kollisionen beim Sendebetrieb mehrerer Teilnehmer zu vermeiden. Zu diesem Zweck sind alle Teilnehmer über opencollector-Ausgänge UND-verknüpft. Hierdurch erkennt ein Sender niedriger Priorität einen Teilnehmer höherer Priorität und blendet sich automatisch aus.

Infolge der Maßnahmen zur Prioritätskennung und zur Fehlererkennung sind alle Teilnehmerstellen aufwendig aufgebaut, und die Nutzdatenrate beträgt nur 50% (ABUS) bzw. 30% (CAN) der Übertragungsrate.

Aus dem deutschen Patent DE 34 29 941 C2 ist ein Kommunikationssystem für einen Fahrzeugkörper bekannt, bei dem an verschiedenen Stellen des Fahrzeugskörpers Arbeitseinheiten angeordnet sind, die über elektrische Verbindungsleitung verbunden sind und über diese miteinander kommunizieren. Die ganze Kommunikation erfolgt über diese elektrischen Verbindungsleitungen.

Weiterhin ist aus dem Artikel von Hart, John H.: "'Bridges' smooth troubled waters for wide-area networking", Data Communications, March 1985, Seite 209-220 bekannt, dass die Teilnehmer innerhalb von local networks – in Form von Ethernet oder 802.3 local networks -, entweder über elektrische oder optische Verbindungsleitungen miteinander verbunden sind. Derartige local networks können wie beschrieben untereinander über Satellitenverbindungen verbunden sein. Damit ist es möglich, dass Teilnehmer eines local network zuerst über eine optische Verbindungsstrecke und anschließend über eine Satellitenverbindung und danach über eine elektrische Verbindungsleitung mit einem anderen Teilnehmer in einem anderen local network verbunden sind. Die beschriebenen Anordnungen erweisen sich als störanfällig.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders für den Einsatz im störintensiven Bereich der Kraftfahrzeuge geeignetes Kommunikationsnetzwerk anzugeben, das bei hoher Störsicherheit einfach aufgebaut ist.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Die Erfindung weist u. a. folgende wesentliche Vorteile auf:

– Der überwiegende Teil des Kommunikationsnetzes ist durch die optische Signalübertragung über Lichtwellenleiter störungsunempfindlich.
– Bei der Vernetzung der Steuergeräte mittels eines elektrischen Netzes kann die zur Systemsteuerung bei den bekannten Netzwerken bewährte Technik eingesetzt werden.
– Da die Anzahl der Steuergeräte und damit der Umfang des elektrischen Netzes gering sind, können in diesem Teil des Kommunikationsnetzwerks aufwendigere Maßnahmen zur Datensicherung (z. B. verbesserte Abschirmung, höhere Komplexität der Steuergeräte) getroffen werden, ohne daß hierdurch der Gesamtaufwand für das ganze Netzwerk nennenswert zunimmt.
– In den Endstellen kann auf Maßnahmen zur Prioritätssteuerung und Fehlererkennung weitgehend verzichtet werden, da die optischen Netze störunempfindlich sind; dadurch geringe Komplexität der Endstellen und evtl. für alle Endstellen einheitliche Ausführung mit ein stellbarer Adresse.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend erläutert.
Der in der Abbildung skizzierte Ausschnitt aus einem Kfz-Kommunikationsnetz ist, wie durch die dicke unterbrochene Linie angedeutet, unterteilt in ein elektrisches Netz und eine Mehrzahl von Lichtwellenleiter(LWL)-Netzen. Das elektrische Netz enthält eine Mehrzahl von Steuergeräten P1, P2, PI, Z, die im Beispielsfall über ein CAN-Bussystem miteinander verbunden sind. Die Datenübertragung über einen CAN-Bus mit entsprechenden Schnittstellen ist hinreichend aus dem Stand der Technik bekannt und daher an dieser Stelle nicht weiter beschrieben. Im skizzierten Beispiel übernimmt das Steuergerät Z die Funktion eines zentralen Bordrechners mit einem Anschluß zur externen Dateneingabe (z. B. Bedienelemente) und Ausgabe (z. B. Anzeigen von Status, Diagnose). Das Steuergerät PI repräsentiert ein sogenanntes Inselsystem wie z. B. zur Getrieberegelung oder Motorregelung. Die Steuergeräte P1, P2 fungieren als Datenvermittler zwischen dem CAN-Bussystem und dem LWL-Netz und vorzugsweise auch als datenverarbeitende Preprozessoren. Das elektrische Netz kann selbstverständlich nach anderen Busprinzipien organisiert und aufgebaut sein. Für die weitere Netzwerkbeschreibung sind im wesentlichen nur die Steuergeräte P1, P2 von Bedeutung.
Für den Übergang zwischen dem elektrischen Netz und der optischen Signalübertragung in dem LWL-Netz sind elektrooptische Wandlerstufen W eingesetzt, die an sich aus dem Stand der Technik bekannt sind. Für jedes LWL-Netz ist eine Wandlerstufe in Betrieb. Ein Steuergerät kann mehrere LWL-Netze bedienen, im abgebildeten Fall drei LWL-Netze, von denen lediglich eines detaillierter dargestellt ist. Die mehreren LWL-Netze werden über einen elektrischen Sternvermittler im Steuergerät koordiniert.
Das LWL-Netz enthält einen Koppler K1A, vorzugsweise einen passiven NxN-Sternkoppler vom Reflexionstyp, der über Lichtwellenleiter LWL an die elektrooptischen Wandler W der N Endstellen T1, ..., TN und des Steuergerätes P1 angeschlossen ist. Die anderen durch das Steuergerät P1 bedienten LWL-Netze sind durch die entsprechenden Kopplerbezeichnungen K1B, K1C angedeutet.
Die Endstellen T1, ..., TN enthalten jeweils vorzugsweise ein einheitliches Endstellen-Modul EM, welches durch Einrichtungen F zur Adresskodierung als individuelle Endstelle definiert wird. Die Einrichtung F kann z. B. in Form einer Lötbrückengruppe oder vorzugsweise eines Kodiersteckers, der evtl. auch noch Informationen zur Befehlskodierung oder -dekodierung u. ä. enthalten kann, vorliegen. Die Endstellen unterscheiden sich noch durch die ihnen nachgeschalteten Sensoren (S) oder Aktoren, ggf. unter Zwischenschaltung von Analog-Digital (A/D)- bzw. Digital-Analog-Wandlern. Durch einheitliche Endstellenmodule EM werden Herstellung, Lagerhaltung und Austausch im Reparaturfall einfacher und preisgünstiger.
Da die LWL-Netze unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen sind, kann die Fehlerbehandlung bei der optischen Signalübertragung vereinfacht werden. Insbesondere kann z. B. das "bus-monitoring", das einen Voll-Duplex-Betrieb erfordert, entfallen und die Endstellen brauchen lediglich auf Semi-Duplex-Betrieb mit alternativem Senden oder Empfangen ausgelegt sein. Weiter kann es von Vorteil sein, das Steuergerät (P1) als hierarchisch übergeordneten Master des LWL-Netzes (bzw. der drei an P1 angeschlossenen LWL-Netze) zu betreiben und die Fehlererkennung und -behandlung zentral im Steuergerät vorzunehmen. Hiermit kann auf einfache Weise die Gefahr der Datenkollision vermieden werden. Eine Prioritätskennung durch bitweise Arbitration, wie beim Stand der Technik, erübrigt sich und die Nutzdatenrate wird erhöht. Als Fehlererkennungsmaßnahme im Steuergerät sind die Übertragungsleitungen und die Endstellen entlastende Formen bevorzugt. Hierzu zählt beispielsweise das Oversampling wie beim ABUS-System, das nur wenig Redundanz erfordert und bei welchem die Endstellenteilnehmer keine Prüfsummen erzeugen.
Den Endstellenteilnehmern fallen im wesentlichen nur die Aufgaben Synchronisation, Adresskodierung und Telegrammerzeugung bzw. -verarbeitung zu. Dadurch können die Endstellen mit geringer Komplexität, beispielsweise ohne einen eigenen Prozessor und somit einfach und kostengünstig, vorzugsweise in der bereits beschriebenen Art einheitlicher Endstellenmodule ausgeführt werden. Anspruchsvollere Aufgaben der Signalverarbeitung, die neben den beschriebenen Masterfunktionen im LWL-Netz auch noch Plausibilitätsprüfungen, Aufarbeitung und Verknüpfung der Telegramme etc. umfassen können, sind von den Teilnehmern des LWL-Netzes in das prozessorbestückte Steuergerät verlagert. Durch die Signalverarbeitung im Steuergerät und bei Zusammenfassung funktional zusammengehöriger Endstellen (z. B. Klimagruppe) in LWL-Netzen desselben Steuergerät wird ein beträchtlicher Teil der Datentelegramme innerhalb des Bereichs des Steuergerät abgewickelt und somit die Belastung des CAN-Bussystems im elektrischen Netz stark reduziert.
Der bereits erwähnte Semi-Duplex-Betrieb der Endstellen erfordert vorteilhafterweise nur jeweils eine optische Endstellenzuleitung, die als Sende- und Empfangsleitung dient. Dies kann mit einer günstigen Ausführung der elektrooptischen Wandler verknüpft werden, bei welcher eine Leuchtdiode LED nicht nur als Lichtsender sondern im Empfangsfall auch als Empfänger-Photodiode eingesetzt ist. Hierdurch tritt bei jedem Teilnehmer nur ein einziger Übergang zwischen dem Lichtwellenleiter und einem elektrooptischen Wandler auf und die Notwendigkeit optischer Leitungsverzweiger bei den Teilnehmer entfällt.

Claims

Kommunikationsnetzwerk in Kraftfahrzeugen für Datenverbindungen zwischen einer Vielzahl von Steuergeräten und Endstellen, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk hybrid aufgebaut ist mit einem übergeordneten ersten elektrischen Leiternetz, welches die Steuergeräte untereinander verbindet, mit mehreren untergeordneten weiteren Lichtwellenleiter (LWL)-Netzen, die jeweils eine Mehrzahl von Endstellen mit einem der Steuergeräte verbinden und mit optoelektrischen Wandlern in den Endstellen und den Steuergeräten.
Netzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwellenleiter-Netze als Sternnetze ausgeführt sind.
Netzwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilnehmerstellen der LWL-Netze als Sende-Empfangs-Stellen für Semi-Duplex-Betrieb ausgelegt sind.
Netzwerk nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Lichtdioden als für Sende- und Empfangsbetrieb gemeinsame optoelektronische Wandler.
Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch in unterschiedlichen Endstellen einheitliche Sende-Empfangs-Module mit Einrichtungen zur Einstellung einer Adresse.