CN104365062A - 用于车辆的环形网络 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在多个布置在车辆(6)中的设备(2；3；4；5)之间进行数据交换的环形网络(也是冗余的)。环形网络包括环形连接(1)和多个分配器(8)。分配器(8)分别具有多个通信对(9；10；11)，所述通信对分别具有发送单元(12；15；6)和接收单元(13；14；17)以用于发送和接收数据。每个设备(2；3；4；5)经由第一通信对(9)与分配器(8)中的一个连接，经由第二通信对(10)与环形连接(1)连接以及经由第三通信对(11)同样与环形连接(1)连接。在第二通信对(10)和第三通信对(11)中的数据流方向是相反的。

Description

用于车辆的环形网络

技术领域

本发明涉及一种用于在多个布置在车辆中的控制设备之间进行数据交换的环形的、优选是基于以太网的网络，以及涉及一种车辆，将这种网络接入到所述车辆中。

背景技术

现代车辆总是更强烈地需要持续可用的通信结构，所述通信结构在故障的情况下也能够确保车辆安全性。至今应用的通信网络通常在速度、数据量或者网络参与者、即例如网络中的节点的限制方面是不足的。在网络中应用多个也或者冗余的总线中也由于下述原因而存在问题：即总线之间的数据仅能够经由唯一的计算机或控制设备来交换。在冗余的总线的情况下还成问题的是：将数据流同步。

基于车辆中的高数量的控制设备和高数据量，需要在控制设备之间的通信的持续上升的可用性。因为车辆中的复杂性(例如一个控制设备中的功能的数量)和动态持续地上升，所以联网的系统的反应时间也总是时间关键的。由于车辆中的多个相关的执行器，全部数据必须可靠地对于全部控制设备在极短的时间区间中、典型地在微秒的范围中是可用的，这是因为否则不再能够确保现代车辆功能的功能安全性。能够期待的是，对于联网的系统的要求由于电活动性上升而进一步上升进而功能的相关性增长。例如，“Steer-by-wire(线控转向)”或者“brake-by-wire(线控制动)”的设计确保高度可用的安全网络、进而也在故障的情况下确保可靠的功能。为了确保足够的功能安全性，数据流因此必须具有一定的决定论，因此数据在限定的时间段中也可靠地传递至进行接收的控制设备。因此，能够确保可靠的实时能力，所述实时能力用于控制设备也以当前的数据来工作。

因此从现有技术中已知下述解决方案：在这些解决方案中，各个控制设备经由分配器与网络连接，其中为了简化地控制网络在网络之内预设数据方向。这当然具有下述缺点：在网络中断时不再确保数据流，并且不再能够联系到全部控制设备或不再能够联系全部执行器。

发明内容

因此本发明基于下述目的：提出一种用于车辆的网络，所述网络避免了上述缺点，其中因此也在网络中断的情况下能够防故障安全地运行网络。

所述目的根据本发明通过根据权利要求1所述的网络和根据权利要求10所述的车辆来实现。在从属权利要求中描述了有利的改进形式和设计方案。

用于在多个布置在车辆中的控制设备之间进行数据交换的网络是环形的并且包括环形连接和多个分配器。每个分配器包括多个通信对，所述通信对分别具有发送单元和接收单元以用于发送和接收数据。每个控制设备经由第一通信对与分配器中的一个连接，并且每个分配器经由第二通信对与环形连接相连接。通过分配器中的至少一个附加地具有第三通信对并且经由第三通信对与环形连接相连接，其中在所述分配器的第二通信对和第三通信对中的数据流方向是相反的，由此在环形网络中断的情况下也能够维持数据流。通过环形结构，网络因此是容错的。环形连接在此能够以线连接的方式、例如通过一个或多个线缆、一个玻璃纤维或者多个玻璃纤维、或者以无线的方式(例如通过无线电、WLAN、红外等)实现。

典型地，至少一个分配器构建为，在环形连接中断的情况下通过分配器切换数据流方向。只要网络在特定的部位处不再正常起作用，就能够通过具有第三通信对的分配器根据需要选择数据流方向，使得数据交换总是还沿着环形连接在全部方向是可行的。

优选地，网络的全部分配器具有第三通信对，并且经由该第三通信对与环形连接相连接。由此在环形连接中断时能够由任意的分配器将网络中的数据中沿期望的方向转发出。

形成相应的通信对的发送单元和接收单元当然也能够组合在一个构件中，所述构件与此相应地进行接收和发送。由此更加简单地保持分配器的结构。

环形的网络能够基于以太网实现，使得充分利用所述网络类型的在此已经已知的且在其他的技术领域中尝试的特性。以太网在多媒体和电信领域中被进一步发展并且提供成本适宜的、极有效率的功能。特别地，特性、如数据传输速率、数据包大小以及用于改进所述特性的技术解决方案支持连续地增长，并且也由于如多媒体的其他的分支支持进一步发展。用于数据传输的替选的系统、例如Most、CAN、Flexray等是车辆特定的解决方案。以太网网络中的控制设备能够彼此间进行同步、中央地从一个位置同步或者甚至在外部被触发。此外，存在下述可行性：以不同的时基同步实时系统，其中数据通信仍提供需要用于安全技术的决定论。因此，也能够在网络中实现不同的实时要求，并且确保在几毫秒中的转向系统的可靠的功能。例如，能够在安全方面充分地实现具有环形网中的100ms的安全时间的制动系统。

能够提出：控制设备优选地包括至少一个发动机控制设备、制动控制设备、气囊控制设备、转向控制设备和/或用于连接另一网络的设备。所述设备能够分别控制一个或多个制动器和/或传感器或者由其接受信号。由此，能够通过网络控制多个通常要在车辆中驱控的设备和/或执行器。此外，能够通过用于连接另外的设备或执行器、例如用于前部传感器的照相机的执行器的可能性例如经由同级连接来扩展网络。

替选地或附加地只要，环形连接设计为是线连接的就包括多芯线缆和/或光导体。由此，提供允许在多个方向上的快速数据流的构件。因此优选的是，多芯线缆中的数据流方向在不同的芯线上是不同的。根据对于距离、时间和数据量的要求可变地选择布线，并且最简单的双绞线布线也已经实现与至今位置的总线系统相比更好的性能。

典型地，分配器中的至少一个(例如以太网集线器)集成在控制单元中或控制设备中的任一个中，使得节约空间的结构、例如在唯一的电路板上的结构是可行的。

优选地，控制单元具有多个核。作为控制单元的现代微控制器用于更高的性能，但是也处于安全理由使用多个运算核。此外，通信在该微控制器中在运算核和外围设备之间已经也经由冗余的切换技术(例如汇流条、通信桥)实现。该切换技术类似于切换器也应用在以太网中。也已经存在集成以太网收发器(分配器)的汽车控制器。因为在该计算机中已经独立冗余地实现整个外围设备、运算核和全部内部的通信，所以在此也已经在唯一的微控制器(多核)中实现冗余的以太网电路。因此，已经能够在连接技术方面消除标准以太网插头、如RJ45的缺点。

此外能够提出，环形连接包括第一通道和第二通道以及具有第三通信对的多个分配器。分配器的第二通信对分别与第一通道连接，并且分配器的第三通信对分别与第二线路连接。环形连接也能够在该情况下构成为线连接的或无线的。特别地，这两个通道中的一个能够是线连接的，而另一通道无线地实现。通过由两个通道组成环形连接，最小化由于线路中断引起的网络失效的危险，这是因为必要时通道中的一个还是完好的。然而通过通信对的连接，甚至在线路中断的情况下也确保环形连接的完整的功能进而确保环形网络的完整的功能。优选地，在第一通道上的数据流方向与第二通道上的数据流方向相反。环形网络也能够独立容易地构成、例如通过网络的两个彼此分开的环。

具有所描述的特性的环形网络典型地使用在车辆中，但是外部的控制单元也能够经由无线电技术接入。

因为以太网能够传输大的数据包并且在环形结构中的这种冗余的以太网是高度可用的并且是安全的，也能够在不同的控制单元或者控制设备中实现功能和/或应用程序。由此，应用软件不再必须存储在控制设备或控制单元中，在所述控制设备或控制单元中也运行所述应用程序。更确切地说，环形网络能够构建用于：将功能或应用程序分配给控制单元中的一个或控制设备中的一个。特定的功能甚至能够根据需要加载在不同的控制设备或控制单元中，使得在整个控制设备或控制单元失效的情况下也能够确保安全功能。也能够冗余地在不同的控制设备或控制单元中存储这种功能，以便能够实现特定的紧急方案。

切换的以太网也提供类似的数据通信，如其如今从因特网中已知，这就是说，将传感器的数据提供给网络。所述数据根据可行性经由最快速的连接发送至收件者，并且当第一正确的数据包到达时，能够拒绝稍后的数据包并且用于使数据安全可信。

此外，能够将该数据加密并且经由所谓的隧道或者隧道协议(与因特网中的VPN类似)独立地在网络中传递。因此，在通信时能够避免主要的故障模式，并且显示出需要用于安全技术的独立性。隧道协议也能够构建用于控制通信参与者的关联。也能够提出：经由网络通信的数据不提供给特定的通信参与者，而是通常提供给给网络，使得每个对此授权的通信参与者能够使用所述数据。

附图说明

本发明的实施例在附图中示出并且下面根据图1至5来描述。

其示出：

图1示出车辆中的环形网络的示意图；

图2示出网络的分配器的示意图；

图3示出具有线路中断的环形网络的相应的视图；

图4示出具有带有两个通道的环形连接的环形网络的与图1相对应的视图，和

图5示出具有带有两个通道和多个控制单元的环形连接的网络的另一实施例。

具体实施方式

图1示出环形网络的示意图，所述环形网络包括单通道的环形连接1。网络布置在车辆6中、在所示出的实施例中涉及在轿车中，并且经由环形连接1将多个控制设备、即制动控制设备2、气囊控制设备3、转向控制设备4和发动机控制设备5彼此连接。所述设备分别经由也称作切换器的分配器与环形连接1连接。

设备2、3、4、5分别控制不同的执行器，所述执行器称作为执行器，并且接收传感器的数据。制动控制设备2控制制动和另外的调节功能、如防抱死系统(ABS)和电子稳定系统(EPS)。此外，制动控制设备2提供关于轮转数、偏转比率和加速度值的信息。在气囊控制设备3中包含碰撞传感器。除了调节转向之外，转向控制设备4也确定转向角度、转向轮角度以及转向力矩。发动机控制设备5调节发动机力矩并且提供关于发动机功率和转速的信息。

通过环形连接1在整个网络中可用全部传感器信息和全部制动器数据。通过网络的环形结构能够取消分配器的任意的总线连接，而并不出现功能损失。在此，将总线连接应理解为分配器到环形连接1的每个连接。

经由作为同级连接安装在转向控制设备4上的插头7，另外的传感器能够成为网络的一部分。例如，具有照相机和雷达设备的前部传感器能够作为行驶辅助系统的一部分连接到网络上。但是，附加的传感器当然也能够经由另外的物理实现方案集成到网络中。

网络基于以太网进而形成切换以太网的环形网络。在切换的网络中，控制设备2、3、4、5能够彼此独立地控制全部制动器并且也从网络中提供全部数据(即设备2、3、4、5和制动器的状态、传感器数据以及诊断功能)。基于以太网的应用也能够通过中央地同步全部设备2、3、4、5确保：能可靠地提供全部数据。通过环形结构，网络是容错的并且在环形网络1的任何位置处都能够控制中断。全部时间上的要求在如今的切换技术中能够被保持。网络本身在所示出的实施例中集成在汽车领域中的现代的微控制器(多核)上，其中环形连接1通过线缆或印制导线实现。数据在环形连接1上逆时针流动，但是在另一实施方式中也能够顺时针地在设备之间流动。通过应用已经在其他的工业中提及的部件和结构，在汽车领域中使用所述部件和结构时的故障风险更小。故障情况下的表现能够基于其他工业中的知识被充分可靠地进行评估。

图2示出分配器8中的一个(例如收发器；物理的数据接收器或发送器(基础：xBaseTx))的示意图，经由所述分配器将设备2、3、4、5与环形连接1连接。重复的特征在该附图中还有在下面的附图中设有相同的附图标记。分配器8是以太网切换器并且具有第一端口9、第二端口10和第三端口11。端口9、10、11中的每一个具有发送单元和接收单元，所述发送单元和接收单元根据实施方式能分别实施为分开的构件或单独的构件。端口9的发送单元12将数据发送给设备2、3、4、5中的一个，而接收单元13从相应的设备2、3、4、5中接收到达的数据。端口9通过发送单元12和接收单元13、即通信对形成，经由所述通信对将分配器8与设备2、3、4、5中的一个例如经由标准以太网插头、例如RJ45插头连接。

第二端口10同样具有发送单元15和接收单元14。发送单元14将数据从分配器8发送给环形连接1，而接收单元14从环形线路1接收数据。第三端口11包括发送单元16和接收单元17，其同样从环形连接1接收数据或将其发送给环形连接。具有发送单元15和接收端单元14的端口10因此形成第二通信对，而具有发送单元16和接收单元17的端口11形成第三通信对。

第二端口10中的数据流方向与第三端口11中的数据流方向不同，在当前的实施例中，数据流方向彼此相反。接收单元14接收数据的方向相反于接收单元17从环形连接1接收数据的方向。同样地，发送单元15沿与发送单元16相反的方向发送数据。分配器8经由中继单元18用于相应地转发数据，并且在环形连接1和与相应的分配器8连接的设备之间交换数据。中继单元18例如能够通过逻辑电路实现。分配器8的全部构件组合在唯一的电路板上。

中继单元18被编程以通过分配器切换数据流方向。对此，在端口10和11的应用之间进行往复切换，但是接收单元17连同发送单元15也能够一起应用，并且将接收单元14和发送单元16去激活。当然，也能够激活接收单元14和发送单元16并且切断接收单元17和发送单元15。

在图3中示出在发动机控制设备5和制动控制设备2之间的环形连接1的线路中断19之后的环形网络的相应于图2中的视图。线路中断19能够存在于形成环形连接的线缆的分开部中，或者在以无线方式实现的环形连接1的情况下存在于通过干扰信号引起的无线连接中断中。原始逆时针的在环形连接1上循环的数据现在因此不能从制动控制设备2到达发动机控制设备5。一旦识别到线缆中断19，分配器8就经由中继单元18根据需要切换数据流方向，使得数据现在也能够在环形连接1上顺时针地从制动控制引起2到达发动机控制设备5。在此，切换能够通过所谓的“快速恢复协议”进行，所述快速恢复协议一方面实时地识别线路中断19以及其位置，并且随后在网络中激活替选的通信路径。在图3中示出的网络的单通道的结构中，因此已经提高了网络中的数据的可用性。通过在网络的任意位置处出现的线路中断19保持全部通信连接并且不出现网络的功能损失。数据流方向的切换在此以无中断的方式进行，即在几μm之内、典型地在最大5μm之内进行。数据运行时间在线路中断的情况下也保持近似是确定性的。通过“快速恢复协议”能够检测通信中的故障，并且立即激活替选的通信路径。基于该决定论，在故障的情况下也能够设计用于整个车辆的降格计划。由此能够确保控制设备2、3、4、5上的安全相关的功能尽可能无中断地切换。

图4示出环形网络的对应于图1的视图，其中环形连接1现在构成为具有作为用于沿第一方向的数据流的第一通道的第一线路20和作为用于沿第二方向的数据流的第二通道的第二线路21的多通道的环形连接。第一方向与第二方向通常相反。设备2、3、4、5分别与第一线路20和第二线路21连接。经由现在与在图1中示出的实施例不同地布置在气囊控制设备3上的插头7，又能够经由同级连接将另一网络与环形网络连接。环形连接1构成为多芯的线缆，其中第一线路20和第二线路21分别形成所述线缆的芯线，并且环形连接1是双绞线线缆。替选地或附加地，环形连接1也能够通过光导体实现或者至少包括所述光导体。在该情况下，仅应用光导体作为环形连接1，其中第一通道上的数据流通过第一光学波长并且第二通道上的数据流通过第二光学波长给出。在另外的实施例中，当然也能够分别为通道中的一个设置两个光导体。在另一实施方式中，通过无线的连接、例如无线电连接或者红外连接实现单通道的或多通道的环形连接1。在多通道的连接线路1的情况下，不同的通道也能够基于不同的传输类型，因此例如第一通道是线连接的并且第二通道包括无线电连接。

环形网络的另一实施例在图5中作为冗余网络示出。具有如多核控制器的多个处理核的控制单元能够集成以太网切换器。也存在冗余的多核设计，所述多核设计例如分别支持用于高度可用的Lockstep(2核冗余耦合)中的2个核进而支持提高的容错。

因此，在图5中示出的实施例中，将设备2、3、4、5分别布置在控制单元22、23、24、25中的一个上。除了如CAN总线、用于蓝牙连接的构件、LAN连接和另外的总线连接的另外的功能单元之外，控制单元也分别具有分配器8中的两个。控制单元22、23、24、25空间地与设备2、3、4、5分开，在另外的实施例中但是也能够与其组合为一个构件。

环形连接1又作为具有由两个彼此独立实现的光导体26和27构成的两个通道的环形连接。控制单元22、23、24、25上的分配器8中的一个与第一光导体26连接，分配器8的各另一个的光导体与第二光导体27连接。在另外的实施方式中，分配器也能够是控制设备2、3、4、5的一部分。网络又是以太网类型的，使得全部控制单元22、23、24、25以共同的时基同步，并且以太网冗余地连接到控制单元22、23、24、25上。因此，能够针对全部安全功能定义可计算的安全标志，所述安全功能经由网络运行。通过控制单元22、23、24、25，实现网络的全部设备2、3、4、5的统一的通信。

此外，数据包能够使用以太网的完整带宽并且由此针对每个控制在极其短的时间中可用。整个环形网络在固定的时间格下运行，使得全部控制单元22、23、24、25以共同的时基同步。因此，能够针对全部安全功能定义可计算的安全标志，所述安全功能经由网络运行。

通过隧道协议，控制了通信参与者的关联，并且要经由网络通信的数据不提供给作为通信参与者的控制设备2、3、4、5中的一个确定的控制设备，而是通常提供给网络。应用软件存储在控制设备2、3、4、5中的一个中或者控制单元22、23、24、25中的一个中，然而经由网络为全部所述设备提供。

不同实施方式的仅在各个实施例中公开的特征能够彼此组合并且单独地要求保护。

Claims (10)

1.一种用于在多个布置在车辆(6)中的控制设备(2；3；4；5)之间进行数据交换的环形的网络，所述网络包括环形连接(1)和多个分配器(8)，所述分配器分别具有多个通信对(9；10；11)，所述通信对分别具有发送单元(12；15；16)和接收单元(13；14；17)以用于发送和接收数据，并且其中每个所述控制设备(2；3；4；5)经由第一通信对(9)与所述分配器(8)中的一个连接，并且每个所述分配器(8)经由第二通信对(10)与所述环形连接(1)连接，其特征在于，所述分配器(8)中的至少一个附加地具有第三通信对(11)并且经由所述第三通信对(11)与所述环形连接相连接，其中在所述分配器(8)的第二通信对(10)和所述第三通信对(11)中的数据流方向是相反的。

2.根据权利要求1所述的环形的网络，其特征在于，至少一个所述分配器(8)构建为，在所述环形连接(1)中断(19)的情况下通过所述分配器(8)切换所述数据流方向。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的环形的网络，其特征在于，所述网络是以太网。

4.根据权利要求3所述的环形的网络，其特征在于，所述控制设备(2；3；4；5)中的至少两个、优选是全部的所述控制设备(2；3；4；5)彼此同步。

5.根据前述权利要求中任一项所述的环形的网络，其特征在于，所述控制设备包括至少一个发动机控制设备(5)、制动控制设备(2)、气囊控制设备(3)、转向控制设备(4)和/或用于连接另一网络的设备(7)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的环形的网络，其特征在于，所述环形连接(1)包括多芯线缆和/或光导体，其中所述多芯线缆中的所述数据流方向在不同的芯线上优选地是不同的，并且所述多芯线缆尤其优选地是双绞线线缆。

7.根据前述权利要求中任一项所述的环形的网络，其特征在于，所述分配器(8)中的至少一个集成在控制单元(22；23；24；25)中、优选集成在具有多个核的控制单元(22；23；24；25)中。

8.根据前述权利要求中任一项所述的环形的网络，其特征在于，所述环形连接(1)包括第一通道(20)和第二通道(21)以及具有第三通信对(11)的多个分配器(8)，其中所述分配器(8)的所述第二通信对(10)分别与所述第一通道(20)连接，并且所述分配器(8)的所述第三通信对(11)分别与第二线路(21)连接。

9.根据前述权利要求中任一项所述的环形的网络，其特征在于，所述网络构建为，在正进行的运行中将应用程序分配给所述控制设备(2；3；4；5)。

10.一种车辆(6)，优选是机动车，具有根据前述权利要求中任一项所述的环形的网络。