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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Etablierung einer
globalen Zeitbasis in einem zeitgesteuerten Kommunikationssystem.
Das Kommunikationssystem umfasst ein Netzwerk und mehrere daran
angeschlossene Teilnehmer. Mindestens einer der Teilnehmer wird
als Zeitmaster definiert, auf den die übrigen Teilnehmer des Kommunikationssystems
synchronisiert werden.
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Die
Erfindung betrifft außerdem
ein zeitgesteuertes Kommunikationssystem, das ein Netzwerk und mehrere
daran angeschlossene Teilnehmer umfasst. Mindestens ein Teilnehmer
ist als Zeitmaster definiert, auf den die übrigen Teilnehmer des Kommunikationssystems
synchronisiert sind.
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In
zeitgesteuerten, zyklusbasierten Kommunikationssystemen werden Nachrichten
zyklisch nach einem festen zeitlichen Schema gesendet. Der zeitliche
Ablauf wird von einem freilaufenden Zeitgeber abgeleitet. Das zeitliche
Schema ergibt sich aus einem vorgegebenen Kommunikationszyklus,
der in mehrere Sendeschlitze (sogenannte Sendeslots) aufgeteilt
ist. Eine Nachricht wird einem Sendeschlitz eindeutig zugewiesen.
Eine Nachricht hat somit eine bestimmte Position in dem Kommunikationszyklus.
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Es
ist bekannt, den freilaufenden Zeitgeber, die sogenannte globale
Zeitbasis, durch einen verteilt in den Kommunikationsrechnern, den
sogenannten Teilnehmern, ablaufenden Algorithmus auf Basis speziell
gekennzeichneter Nachrichten zu ermitteln. Dabei werden von allen
Teilnehmern des Kommunikationssystems auf Basis von speziellen,
eindeutigen Nachrichten Zeitmessungen genommen, diese Zeitmessungen
gemittelt und dann mittels eines Algorithmus die globale Zeitbasis
errechnet. Der Algorithmus kann beispielsweise das arithmetische
Mittel der Zeitmessungen errechnen, das dann als globale Zeitbasis
herangezogen wird. Die lokalen Uhren der Teilnehmer werden dann
auf diese errechnete globale Zeitbasis abgestimmt.
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Alternativ
ist es bekannt, dass die Etablierung einer globalen Zeitbasis auf
dem Prinzip eines Zeitmasters beruht. Dabei wird einem der Teilnehmer die
Funktion des Zeitmasters zugeordnet, die lokale Uhr des Zeitmasters
wird als globale Zeitbasis herangezogen und die anderen Teilnehmer
in dem Kommunikationssystem werden auf die lokale Uhr des Zeitmasters
oder eine davon abgeleitete Zeitbasis synchronisiert. Der Zeitmaster
sorgt für
den Start des Kommunikationssystems und für den normalen Betrieb gemäß Spezifikation.
Die Synchronisation der Teilnehmer auf den Zeitmaster erfolgt also
sowohl nach dem Hochfahren des Kommunikationssystems als auch von
Zeit zu Zeit während
des bestimmungsgemäßen Betriebs
des Kommunikationssystems.
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Im
Rahmen der Synchronisation sendet der Zeitmaster eine sogenannte
Referenznachricht mit einer Zeitinformation (wie dies an sich beispielsweise bei
dem Funktionsprinzip eines TTCAN (Time Triggered Controller Area
Network)-Kommunikationssystems
bekannt ist), die von allen anderen Teilnehmern zur Synchronisation
herangezogen wird. Das heißt, die
lokalen Uhren werden auf die Zeitinformation dieser Referenznachricht
abgestimmt. Dieses Prinzip ist jedoch problematisch, da bei Ausfall
des Zeitmasters eine Synchronisation der Teilnehmer nicht mehr möglich und
folglich ein Betreib des Kommunikationssystems nur noch eingeschränkt oder
gar nicht mehr möglich
ist. Ein nach diesem Prinzip arbeitendes Kommunikationssystem weist
somit für
viele sicherheitsrelevante Anwendungen, insbesondere im Automobilbereich,
keine ausreichende Verfügbarkeit und
Sicherheit auf.
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Moderne
zyklusbasierte Kommunikationssysteme unterstützen die Möglichkeit, einerseits deterministische,
zeitgesteuerte Daten von genau einem Teilnehmer zu einem festgesetzten
Zeitpunkt zu senden und andererseits ereignisorientierte Daten, zum
Beispiel Diagnosedaten, spontan beim Eintritt eines bestimmten Ereignisses
zu senden. Zu diesem Zweck ist die zyklisch wiederkehrende Kommunikationsrunde,
das heißt
ein Kommunikationszyklus, in besonderer Weise organisiert. So ist
es beispielsweise aus einem FlexRay-Kommunikationssystem bekannt,
die Kommunikationsrunde in ein statisches Segment und in ein optionales
dynamisches Segment aufzuteilen. Eine sogenannte "Network Idle Time" (NIT) schließt die Kommunikationsrunde
ab. Eine solche Konfiguration wird als Dynamic Mode bezeichnet.
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Ausgehend
von dem beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung
die Aufgabe zugrunde, in einem Kommunikationssystem, bei dem die
Teilnehmer mittels eines Zeitmasters auf eine globale Zeitbasis
synchronisiert werden, die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit
zu verbessern.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird ausgehend von dem Verfahren der eingangs genannten
Art vorgeschlagen, dass ein Teilnehmer als Haupt-Zeitmaster und
mindestens ein weiterer Teilnehmer als Ersatz-Zeitmaster definiert
wird. Dabei wird die Reihenfolge der Ersatz-Zeitmaster vorgegeben,
falls mehr als ein Teilnehmer als Ersatz-Zeitmaster definiert wird.
Zunächst
wird versucht, alle Teilnehmer des Kommunikationssystems auf den
Haupt-Zeitmaster zu synchronisieren. Falls dies misslingt, wird
so lange in der vorgegebenen Reihenfolge jeweils der nächste Ersatz-Zeitmaster ausgewählt und
versucht, alle Teilnehmer des Kommunikationssystems auf den ausgewählten Ersatz-Zeitmaster zu synchronisieren,
bis entweder die Synchronisation der Teilnehmer des Kommunikationssystems
erfolgreich war oder auch eine Synchronisation der Teilnehmer auf
den letzten Ersatz-Zeitmaster misslungen ist.
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Vorteile der
Erfindung
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist aus Redundanzgründen
der Haupt-Zeitmaster durch einen oder mehrere Ersatz-Zeitmaster
abgesichert. In dem Kommunikationssystem ist also nicht nur ein Zeitmaster,
sondern sind je nach gewünschtem
Grad der Redundanz einer oder mehrere weitere potenzielle Zeitmaster
vorgesehen, wobei immer nur einer der potenziellen Zeitmaster zum
Zwecke der Synchronisierung der übrigen
Teilnehmer des Kommunikationssystems aktiv ist. In den betreffenden
Teilnehmern, die als Ersatz-Zeitmaster definiert wurden, kann in
die Applikation eingegriffen werden. Die Applikation muss dann den
Teilnehmer, der als Ersatz-Zeitmaster
definiert wird, derart umkonfigurieren, dass dieser Teilnehmer die
Zeitinformationen bei Bedarf an die übrigen Teilnehmer senden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren
hat den Vorteil, dass bei Ausfall eines Zeitmasters eine Synchronisation der
Teilnehmer immer noch durch einen der potentiellen Zeitmaster möglich ist
Folglich ist ein uneingeschränkter,
vollwertiger Betreib des Kommunikationssystems auch nach Ausfall
des Haupt-Zeitmasters
möglich.
Das erfindungsgemäße Kommunikationssystem
weist somit eine besonders hohe Sicherheit, Zuverlässigkeit
und Verfügbarkeit
auf, die für viele
Anwendungen, insbesondere sicherheitskritische Anwendungen im Automobilbereich, äußerst wichtig
ist.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass
zur Synchronisation der Teilnehmer des Kommunikationssystems der
Zeitmaster, auf den die Teilnehmer synchronisiert werden sollen,
eine Referenznachricht mit Zeitinformationen sendet, die von den übrigen Teilnehmern empfangen
und zur Abstimmung ihrer lokalen Uhren herangezogen werden. Die
Referenznachricht weist eine einzigartige Kennung auf und trägt als Nutzdaten
unter anderem die Zeitinformationen des Zeitmasters. Sie kann von
den übrigen
Teilnehmern schnell und sicher als Referenznachricht erkannt und zur
Synchronisation herangezogen werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung wird vorgeschlagen, dass ein Teilnehmer des Kommunikationssystems
in Abhängigkeit von
einem Zeitpunkt synchronisiert wird, zu dem er die Referenznachricht
empfängt.
Es ist denkbar, dass die Referenznachricht als Zeitinformation den Zeitpunkt
des Absendens der Referenznachricht von dem Zeitmaster und/oder
vorgegebene Zeitpunkte für
den Empfang der Nachricht durch die verschiedenen zu synchronisierenden
Teilnehmer umfasst. Unter Berücksichtigung
dieser Zeitinformationen kann durch einen Vergleich mit dem Zeitpunkt
für den
tatsächlichen
Empfang der Referenznachricht durch einen Teilnehmer, das heißt anhand
der Laufzeit der Referenznachricht, die lokale Uhr des Teilnehmers entsprechend
synchronisiert werden.
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Vorteilhafterweise
beobachtet zumindest der in der vorgegebenen Reihenfolge nach dem
derzeit ausgewählten
Zeitmaster liegende Ersatz-Zeitmaster den übergeordneten Zeitmaster. Bei
Ausbleiben der Referenznachricht des derzeit ausgewählten Zeitmasters
sendet der in der vorgegebenen Reihenfolge den derzeit ausgewählten Zeitmaster
liegende Ersatz-Zeitmaster seinerseits eine Referenznachricht. Vorzugsweise
beobachten die in der vorgegebenen Reihenfolge nach dem derzeit
ausgewählten
Zeitmaster liegenden Ersatz-Zeitmaster den übergeordneten Zeitmaster, und
sendet bei Ausbleiben der Referenznachricht der in der vorgegebenen
Reihenfolge nach dem derzeit ausgewählten Zeitmaster liegende Ersatz-Zeitmaster
seinerseits eine Referenznachricht. Nach Ausfall eines übergeordneten
Zeitmasters kann also der in der vorgegebenen Reihenfolge nachfolgende
potenzielle Zeitmaster die Synchronisierung der übrigen Teilnehmer des Kommunikationssystems übernehmen.
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Vorteilhafterweise
beobachtet zumindest der derzeit ausgewählte Ersatz-Zeitmaster den Haupt-Zeitmaster
und gegebenenfalls die übergeordneten
Ersatz-Zeitmaster. Falls einer der übergeordneten Zeitmaster eine
Referenznachricht sendet, verzichtet der derzeit ausgewählte Zeitmaster
seinerseits auf das Senden einer Referenznachricht. Vorzugsweise
beobachten der derzeit ausgewählte
Zeitmaster und die in der vorgegebenen Reihenfolge unterhalb des
derzeit ausgewählten
Zeitmasters liegenden Ersatz-Zeitmaster
die übergeordneten
Ersatz-Zeitmaster und den Haupt-Zeitmaster. Falls einer der übergeordneten
Zeitmaster eine Referenznachricht sendet, sendet der derzeit ausgewählte Zeitmaster
seinerseits keine Referenznachricht. Auf diese Weise wird erreicht,
dass die Ersatz-Zeitmaster nur so lange die Synchronisierung der übrigen Teilnehmer übernehmen,
wie die in der vorgegebenen Reihenfolge übergeordneten Zeitmaster keine
Referenznachricht senden. Sobald einer der übergeordneten Zeitmaster wieder
aktiv ist und eine Referenznachricht sendet, gibt der untergeordnete
Zeitmaster die Synchronisierungsfunktion wieder an den reaktivierten übergeordneten
Zeitmaster ab.
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Gemäß einer
anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen,
dass Daten in dem Kommunikationssystem zyklusbasiert übertragen
werden. Die Referenznachrichten von verschiedenen Zeitmastern werden
vorzugsweise nicht innerhalb des gleichen Kommunikationszyklus, sondern
in aufeinander folgenden Kommunikationszyklen gesendet.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird vorgeschlagen, dass Daten in dem Kommunikationssystem
zyklusbasiert übertragen
werden. Ein Kommunikationszyklus wird in mehrere Sendeschlitze unterteilt,
von denen mindestens ein Sendeschlitz Teil eines statischen Segments
des Kommunikationszyklus zum Übertragen von
deterministisch Daten zu einem fest vorgegebenen Zeitpunkt und mindestens
ein weiterer Sendeschlitz Teil eines dynamischen Segments des Kommunikationszyklus
zum Übertragen
von ereignisorientierten Daten zu einem Zeitpunkt ist, der abhängig vom
Auftreten eines Ereignisses ist. In dem statischen Segment sind
mindestens so viele Sendeschlitze vorgesehen, wie Haupt- und Ersatz-Zeitmaster
definiert wurden. Jedem Zeitmaster wird einer der Sendeschlitze
des statischen Segments des Kommunikationszyklus zum Senden seiner
Referenznachricht zugeordnet.
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Bei
bestimmten Kommunikationssystemen, zum Beispiel bei FlexRay, wird
eine Bestimmung eines Korrekturwertes für eine Korrektur-Rate und einen
Offset (sogenannte rate- und offset-correction) der lokalen Uhren
zu der globalen Zeitbasis durch Messung über zwei Kommunikationsrunden
vorgenommen. Durch die Übernahme
der Funktion des Zeitmasters durch einen potenziellen Zeitmaster
in einer beliebigen Kommunikationsrunde und durch das damit verbundene
Aussenden von dessen Referenznachricht kann die Uhrensynchronisation
aller übrigen
Teilnehmer des Kommunikationssystems beeinträchtigt werden. Dies kann akzeptiert
werden, wobei dann mit einer kurzfristigen Störung in der Synchronisationsgenauigkeit
bei allen übrigen
Teilnehmern des Kommunikationssystems gerechnet werden muss. Ein
Korrekturwert für
eine Korrektur-Rate von zusätzlich
einer Slotlänge
wäre das
Resultat. Abhängig
von der Slotlänge
wäre dies
mit der Toleranz in der Uhrensynchronisation abzugleichen.
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Es
sind aber auch verschiedene Maßnahmen
denkbar, durch die die Auswirkungen einer Übernahme der Synchronisationsfunktion
durch einen potentiellen Zeitmaster zwischen den beiden beobachteten
Kommunikationsrunden verhindert bzw. kompensiert werden können. Diesbezüglich wird
beispielsweise vorgeschlagen, dass zur Synchronisation der Teilnehmer
des Kommunikationssystems nach einem Übergang der Zeitmasterfunktion
von einem Teilnehmer auf einen anderen Teilnehmer der neue Zeitmaster
erst in einem Kommunikationszyklus mit einem ungeraden Rundenzähler die
Referenznachricht sendet. Alternativ wird vorgeschlagen, dass zur
Synchronisation der Teilnehmer des Kommunikationssystems nach einem Übergang
der Zeitmasterfunktion von einem Teilnehmer auf einen anderen Teilnehmer
der neue Zeitmaster erst in einem Kommunikationszyklus mit einem
geraden Rundenzähler
die Referenznachricht sendet. Je nach dem ob die beiden beobachteten
Kommunikationszyklen mit einem geraden oder ungeraden Rundenzähler enden,
werden stets beide Zyklen abgewartet, bevor der neue Zeitmaster
seine Referenznachricht senden darf.
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Als
eine weitere Maßnahme
wird vorgeschlagen, dass die Referenznachricht eine Kennung des Zeitmasters
enthält
und eine Änderung
der Kennung zwischen einem Kommunikationszyklus und dem nächsten bei
der Synchronisierung der Teilnehmer des Kommunikationssystems auf
die globale Zeitbasis berücksichtigt
wird. Eine solche Erweiterung der Uhrensynchronisation in allen
Teilnehmern des Kommunikationssystems hat den Vorteil, dass bei
einer Änderung
der Kennung, das heißt
wenn die Synchronisierungsfunktion von einem Zeitmaster auf einen anderen übergeht,
dieser Wechsel bei der Berechnung des Korrekturwertes für die Korrektur-Rate
berücksichtig
werden kann.
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Vorteilhafterweise
wird das Verfahren beim Hochfahren bzw. beim Starten des Kommunikationssystems
ausgeführt.
Alternativ oder zusätzlich
kann das Verfahren von Zeit zu Zeit während des laufenden, bestimmungsgemäßen Betriebs
des Kommunikationssystems ausgeführt
werden.
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Als
eine weitere Lösung
der Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ausgehend von dem Kommunikationssystem
der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass ein Teilnehmer als
Haupt-Zeitmaster und mindestens ein weiterer Teilnehmer als Ersatz-Zeitmaster
definiert ist. Die Reihenfolge der Ersatz-Zeitmaster ist vorgegeben,
falls mehr als ein Teilnehmer als Ersatz-Zeitmaster definiert ist.
Das Kommunikationssystem weist Mittel auf, die zunächst versuchen,
alle Teilnehmer des Kommunikationssystems auf den Haupt-Zeitmaster
zu synchronisieren, und dann, falls dies misslingt, so lange in
der vorgegebenen Reihenfolge jeweils den nächsten Ersatz-Zeitmaster auswählen und
versuchen, alle Teilnehmer des Kommunikationssystems auf den ausgewählten Ersatz-Zeitmaster
zu synchronisieren, bis entweder die Synchronisation der Teilnehmer
des Kommunikationssystems erfolgreich war oder auch eine Synchronisation
der Teilnehmer auf den letzten Ersatz-Zeitmaster misslungen ist.
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Zeichnungen
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Weitere
Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden
alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination
den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung
in den Patentansprüchen
oder deren Rückbeziehung
sowie unabhängig von
ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in
der Zeichnung. Es zeigen:
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1 ein
erfindungsgemäßes zeitgesteuertes
Kommunikationssystem in schematischer Darstellung;
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2 einen
Kommunikationszyklus zur Übertragung
von Daten in einem zeitgesteuerten Kommunikationssystem;
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3 einen
Kommunikationszyklus zur Übertragung
von Daten in einem zeitgesteuerten Kommunikationssystem mit Dynamic
Mode;
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4 einen
Kommunikationszyklus zur Übertragung
von Daten in dem zeitgesteuerten Kommunikationssystem aus 1;
und
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5 einen
Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens
anhand eines Kommunikationszyklus.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
ein erfindungsgemäßes zeitgesteuertes
Kommunikationssystem in seiner Gesamtheit mit den Bezugszeichen 1 bezeichnet.
Das Kommunikationssystem 1 umfasst ein Netzwerk 2 und mehrere
daran angeschlossene Teilnehmer 3. Die Teilnehmer 3 werden
auch als Knoten oder als Endgeräte
bezeichnet. Ein Kommunikationssystem 1, wie es in 1 beispielhaft
dargestellt ist, wird beispielsweise in Kraftfahrzeugen zum Informationsaustausch
zwischen verschiedenen Kraftfahrzeugkomponenten (den Teilnehmern)
eingesetzt. Die Teilnehmer 3 sind über Schnittstellen 4 an
das Netzwerk 2 angeschlossen. Die Teilnehmer 3 umfassen
ein Rechengerät 5 mit
einem Mikroprozessor 6 und einem internen Speicherelement 7.
Außerdem
kann in den Teilnehmern 3 auch ein externes, das heißt außerhalb
des Mikroprozessors 6 angeordnetes, Speicherelement 8 vorgesehen
sein. Das Netzwerk 2 kann eine Ring-, Stern- oder eine
beliebig andere Struktur aufweisen.
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Auf
den Speicherelementen 7, 8 ist ein Computerprogramm
zur Steuerung und/oder Regelung der Teilnehmer 3, insbesondere
zur Steuerung und/oder Regelung des Informationsaustausches zwischen
den Teilnehmern 3 über
das Netzwerk 2, abgelegt. Das Computerprogramm kann in
dem Mikroprozessor 6 abgearbeitet werden. Zu diesem Zweck
wird es über
eine Datenübertragungsverbindung 9 aus
dem Speicherelement 7, 8 in den Mikroprozessor 6 übertragen.
In 1 sind lediglich zwei Teilnehmer 3 des
Kommunikationssystems 1 dargestellt. Selbstverständlich kann
das erfindungsgemäße Kommunikationssystem 1 auch
mehr als zwei Teilnehmer 3 umfassen.
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Bei
dem in 1 dargestellten Kommunikationssystem 1 handelt
es sich um ein Zeitgesteuertes Kommunikationssystem, bei dem Nachrichten
zyklisch in einem festen zeitlichen Schema übertragen werden. Der zeitliche
Ablauf wird von einem freilaufenden Zeitgeber abgeleitet (sogenannte
globale Zeitbasis). Das zeitliche Schema (ein sogenannter Kommunikationszyklus)
wird dabei in mehrere Sendeschlitze (sog. Sendeslots) aufgeteilt.
Eine Nachricht wird einem der Sendeschlitze eindeutig zugewiesen.
Eine Nachricht hat somit eine vorgegebene Position innerhalb des Kommunikationszyklus.
Ein entsprechendes zeitliches Schema ist beispielhaft in 2 dargestellt.
Der dort beispielhaft dargestellte Kommunikationszyklus umfasst
vier Sendeschlitze, die von 1 bis 4 durchnummeriert sind. Die Sendeschlitze
des ersten Zyklus beginnen jeweils zum Zeitpunkt t01, t11, t21 und
t31. Danach beginnt zum Zeitpunkt t02 der erste Sendeschlitz des
nächsten
Kommunikationszyklus. Jedem Sendeschlitz ist eine bestimmte Nachricht
zugeordnet. So ist dem Sendeschlitz #1 die Nachricht A, dem Sendeschlitz
#2 die Nachricht B, dem Sendeschlitz #3 die Nachricht C und dem
Sendeschlitz #4 die Nachricht D zugeordnet. Die Nachrichten A bis
D beanspruchen nicht immer die gesamte Länge des Ihnen zugeordneten Sendeschlitzes 1 bis 4.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
endet die Nachricht A zum Zeitpunkt tA, die Nachricht B zum Zeitpunkt
tB, die Nachricht C zum Zeitpunkt tC und die Nachricht D zum Zeitpunkt tD,
wobei tA<t11, tB<t21, tC<t31 und tD<t02 ist.
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Die
den Zeitschlitzen #1 bis #4 zugeordneten Nachrichten A bis D müssen nicht
in jedem Kommunikationszyklus übertragen
werden. Es ist durchaus möglich,
dass ein Sendeschlitz #1 bis #4 in dem einen oder anderen Kommunikationszyklus
leer ist, da in diesem Zyklus keine Nachricht A bis D übertragen werden
muss.
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Die
Berechnung des freilaufenden Zeitgebers, der globalen Zeitbasis,
erfolgt nach dem Stand der Technik auf unterschiedliche Weise. Zum
einen ist es bekannt, durch einen verteilt ablaufenden Algorithmus
in den Teilnehmern 3 auf Basis speziell gekennzeichneter
Nachrichten A bis D die globale Zeitbasis zu berechnen. Dabei werden
von allen Teilnehmern 3 auf Basis von speziellen, eindeutigen
Nachrichten Zeitmessungen genommen, diese Zeitmessungen gemittelt
und somit zum Beispiel ein anzustrebendes Mittel für die globale
Zeitbasis errechnet. Die lokalen Uhren der Teilnehmer 3 werden
dann auf diesen errechneten Mittelwert abgestimmt.
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Zum
anderen kann die Etablierung einer globalen Zeitbasis auch auf dem
Prinzip eines Zeitmasters beruhen. Bei dem erfindungsgemäßen Kommunikationssystem 1 wird
dieses Verfahren zur Etablierung einer globalen Zeitbasis mittels
eines Zeitmasters eingesetzt. Dazu wird mindestens ein Teilnehmer 3 des
Kommunikationssystems 1 als Zeitmaster definiert, auf den
die übrigen
Teilnehmer 3 des Kommunikationssystems 1 synchronisiert
werden. Der Zeitmaster sendet eine sogenannte Referenznachricht,
die von allen anderen Teilnehmern 3 zur Synchronisation
herangezogen wird. Die lokalen Uhren der anderen Teilnehmer 3 werden
auf in der Referenznachricht enthaltene Zeitinformationen synchronisiert.
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In 3 ist
ein Kommunikationssystem 1 dargestellt, das der Notwendigkeit
Rechnung trägt, einerseits
deterministische, zeitgesteuerte Daten von genau einem Teilnehmer 3 zu
einem festgesetzten Zeitpunkt zu senden und andererseits ereignisorientierte
Daten spontan, beispielsweise nach Eintritt eines bestimmten Ereignisses,
von einem Teilnehmer 3 zu senden. Beispiele für ereignisorientierte
Daten sind Diagnosedaten oder Sensordaten, die nur von Zeit zu Zeit übertragen
werden müssen.
In 3 ist die Struktur eines Kommunikationszyklus
für ein Kommunikationssystem
dargestellt, das nach dem FlexRay-Standard arbeitet. Der Kommunikationszyklus
umfasst das statische Segment 10 und das dynamische Segment 11.
In den Sendeschlitzen #1 bis #4 des statischen Segments 10 werden
die Nachrichten A bis D deterministisch übertragen (vgl. 4).
In den weiteren Sendeschlitzen #5 bis #n können Nachrichten ereignisorientiert übertragen
werden, wobei die Arbitrierung der Datenrahmen (der sogenannten Frames)
gemäß dem FlexRay-Minislotting-Verfahren abläuft.
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Die
vorliegende Erfindung wird im weiteren anhand eines Kommunikationssystems 1 näher erläutert, das
nach dem FlexRay-Standard arbeitet. Die vorliegende Erfindung ist
jedoch nicht auf den FlexRay-Standard beschränkt. Beim FlexRay-Standard ist
eine Kommunikationsrunde in ein statisches Segment zur deterministischen
und in ein optionales dynamisches Segment zur ereignisorientierten
Datenübertragung
unterteilt. Eine Kommunikationsrunde wird durch eine sogenannte
Network Idle Time (NIT) beendet. Diese Konfiguration wird als sogenannter Dynamic
Mode bezeichnet.
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In 5 ist
die Struktur eines Kommunikationszyklus eines erfindungsgemäßen Kommunikationssystems 1 dargestellt.
Zur Realisierung der Erfindung ist in dem Kommunikationssystem 1 einer
der Teilnehmer 3 als Haupt-Zeitmaster konfiguriert. Der Sendeschlitz
#1 des statischen Segments 10 ist für eine Referenznachricht Aref des Haupt-Zeitmasters reserviert. Die übrigen Teilnehmer 3 des
Kommunikationssystems 1 werden auf die in der Referenznachricht
Aref enthaltenen Zeitinformationen synchronisiert.
In dem dynamischen Segment 11 werden ereignisorientiert
Daten übertragen.
Die Kommunikationsrunde wird durch die Network Idle Time (NIT) beendet.
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Bei
einem Kommunikationszyklus eines aus dem Stand der Technik bekannten
Kommunikationssystems ist lediglich ein zentraler Zeitmaster vorhanden,
so dass der Kommunikationszyklus wie folgt konfiguriert werden muss:
ein statisches Segment 10 für genau eine Referenznachricht
Aref des Zeitmasters und weitere Nachrichten
B, C, D von weiteren Teilnehmern (den sogenannten Slaves) und ein
dynamisches Segment 11 bis zum Ende des Kommunikationszyklus
für von
den Teilnehmern des bekannten Kommunikationssystems spontan gesendete Nachrichten.
Wird aus Redundanzgründen
eine Absicherung des Zeitmasters gewünscht, so kann dies bei dem
aus dem Stand der Technik bekannten Kommunikationssystem lediglich über einen
Eingriff der Applikation erzielt werden. Die Applikation muss dann
einen geeigneten Teilnehmer derart umkonfigurieren, dass dieser
Teilnehmer eine Referenznachricht im Rahmen eines in 3 dargestellten
Kommunikationszyklus senden kann, wobei allerdings das Kommunikationssystem
während
dieser Zeit nicht mehr kommuniziert. Für das Umschalten des Teilnehmers
durch die Applikation ist eine aufwendige Diagnostik notwendig und
außerdem
kann es zu erheblichen Einschränkungen
der Echtzeitfähigkeit des
Protokolls kommen.
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Im
Gegensatz dazu wird durch die vorliegende Erfindung mit Hilfe von
Protokollmechanismen für die
Redundanz der Referenznachricht gesorgt. Dazu ist außer dem
Haupt-Zeitmaster
noch mindestens ein weiterer Teilnehmer 3 als Ersatz-Zeitmaster
definiert.
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Bei
dem in 5 dargestellten Kommunikationszyklus des erfindungsgemäßen Kommunikationssystems 1 werden
für eine
gewünschte
n-fache Redundanz außer
dem Sendeschlitz #1 für
den Hauptzeitmaster noch n weitere statische Sendeschlitze #2...
#(n+1) für
die Übertragung
von potenziellen Referenznachrichten vorgesehen, so dass insgesamt
(n+1) Sendeschlitze in dem statischen Segment 10 für Referenznachrichten
reserviert sind. In dem Ausführungsbeispiel
aus 5 ist eine Redundanz von n=2 gewählt. Selbstverständlich kann
auch jede andere Redundanz n ∊ N gewählt werden, wobei N eine beliebige
natürliche
Zahl ist. In diesem Fall müssten
dann in dem statischen Segment 10 insgesamt 2 bzw. 11 statisches
Sendeschlitze für
die Referenznachricht Aref und die übrigen potentiellen
Referenznachrichten Bref... vorgehalten
werden.
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Der
Haupt-Zeitmaster sendet seine Referenznachricht Aref in
dem ersten Sendeschlitz #1. Der Haupt-Zeitmaster sorgt für den Start
des Kommunikationssystems 1 und für den normalen bestimmungsgemäßen Betrieb
gemäß Spezifikation.
Die Zeitinformation in der Referenznachricht Aref geht
direkt in die Uhrensynchronisation der Ersatz-Zeitmaster und aller übrigen Teilnehmer 3 ein.
Nachdem der Haupt-Zeitmaster seine Referenznachricht Aref übertragen
hat, verbleiben in dem Kommunikationszyklus n=2 weitere Sendeschlitze
#2, #3, die für
n potentielle Referenznachrichten Bref und
Cref vorgehalten werden.
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Zur
Realisierung der Erfindung wird die Protokollspezifikation dahingehend
erweitert, dass die potentiellen Zeitmaster (sog. Ersatz-Zeitmaster)
den Haupt-Zeitmaster
während
des Betriebs beobachten, d.h. es wird der Empfang der Referenznachricht
Aref zu einem eindeutigen, vorab festgelegten
Zeitpunkt in Sendeschlitz #1 überprüft. Falls
die Referenznachricht Aref in dem Sendeschlitz
#1 empfangen wird, wird von den Ersatzzeitmastern keine weitere
Referenznachricht Bref, Cref gesendet.
Eine Referenznachricht Bref, Cref darf
durch die potentiellen Zeitmaster nicht gesendet werden, um den
Mechanismus zur Uhrensynchronisation aller übrigen Teilnehmer 3 nicht
zu beeinträchtigen.
Die Uhrensynchronisation soll allein durch den Haupt-Zeitmaster
bewirkt werden. Es besteht allerdings die Möglichkeit eine "normale" Datennachricht durch
die potentiellen Zeitmaster senden zu lassen. Der Sendeschlitz #4
des statischen Segments 10 sowie die Sendeschlitze des
dynamischen Segments 11 werden in herkömmlicher Weise zur Informationsübertragung
durch die übrigen Teilnehmer 3 (Slaves)
genutzt.
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Stellen
die potentiellen Zeitmaster jedoch den Ausfall der Haupt-Referenznachricht
Aref fest (Referenznachricht Aref fehlt
in dem Sendeschlitz #1) so wird von den potentiellen Zeitmastern
die eigene Referenznachricht Bref, Cref vorbereitet. Wird des Sendezeitpunkt
eines Ersatzzeitmasters erreicht und wurde keine andere Referenznachricht
Aref beziehungsweise Bref eines übergeordneten
Zeitmasters empfangen, wird die lokale Referenznachricht Bref bzw. Cref gesendet.
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Die
Reihenfolge, in der die Ersatz-Zeitmaster bei Bedarf ihre Referenznachrichten
Bref, Cref aussenden,
ist vorgegeben. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel würde nun
der gemäß vorgegebener Reihenfolge
erste potentielle Zeitmaster seine Referenznachricht Bref in
dem Sendeschlitz #2 senden, da die Hauptreferenznachricht Aref im Sendeschlitz #1 ausgefallen war. Der
nächste
potentielle Zeitmaster würde
in diesem Fall keine eigene Referenznachricht Cref in
seinem Sendeschlitz #3 senden. Falls allerdings der erste Ersatz-Zeitmaster
ebenfalls ausfallen würde,
wird dies von dem nachfolgenden Ersatz-Zeitmaster erkannt und dieser sendet
dann die Referenznachricht Cref in Sendschlitz
#3.
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Sämtliche
Teilnehmer 3 des Kommunikationssystems 1 werden
auf denjenigen Zeitmaster synchronisiert, der seine Referenznachricht
Aref bis Cref übertragen
hat. Das bedeutet, dass sämtliche Teilnehmer 3 auf
die gleiche Zeitbasis synchronisiert sind. Durch die Übernahme
der Zeitmasterfunktion durch einen anderen Zeitmaster ergeben sich
keine Sprünge,
da alle Teilnehmer 3 (sowohl der Haupt-Zeitmaster, die Ersatz-Zeitmaster als
auch die übrigen
Teilnehmer (Slaves)) im laufendem Betrieb durch Uhrensynchronisation
auf den gleichen Zeitmaster synchronisiert wurden.
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Durch
die Übernahme
der Zeitmasterfunktion durch einen potentiellen Zeitmaster und durch
die damit verbundene Übertragung
der Referenznachricht Bref bzw Cref des Ersatz-Zeitmasters wird allerdings die Uhrensynchronisation
der verbleibenden Teilnehmer 3 (des Haupt-Zeitmasters,
der übrigen potentiellen
Zeitmaster und aller übrigen
Slaves) insofern beeinflusst, als die Ermittlung eines Korrekturwerts
für eine
Korrektur-Rate (sogenannte Rate-Korrektion)
und für
einen Offset durch eine Messung über
zwei Kommunkationsrunden erfolgt. Gemäß der FlexRay-Spezifikation wird
der Empfangszeitpunkt der Referenznachricht in Sendeschlitz #n (beispielsweise
bei ungeradem Rundenzähler)
mit dem Empfangszeitpunkt der Referenznachricht in Sendeschlitz
#n+1 (bei geradem Rundenzähler)
verglichen und über
die vorkonfigurierte Rundendauer für jeden Teilnehmer 3 auf
die Rate (Abweichung der lokalen Uhr über den Kommunikationszyklus)
geschlossen. Erfolgt während
einer solchen Messung die Übernahme
der Zeitmasterfunktion durch einen anderen Teilnehmer 3,
muss dies berücksichtigt
werden. Folgende Möglichkeiten
bieten sich an:
- a) Der potentielle Zeitmaster
darf seine Referenznachricht Bref oder Cref erst mit ungeradem Rundenzähler senden.
Dadurch ergibt sich im schlimmsten Fall (worst case) eine Unterbrechung
der Kommunikation von einer gesamten Kommunikationsrunde.
- b) Die Uhrensynchronisation bei allen Teilnehmern 3 wird
insofern erweitert, als die Referenznachrichten Aref bis
Cref eine Kennung des Zeitmasters enthalten,
der die Referenznachricht Aref bis Cref gesendet hat, und die Kennung bei der Synchronisation
berücksichtigt
wird. Bei einem Wechsel der Kennung für die Referenznachricht Aref bis Cref kann
dies bei der Berechnung der Rate berücksichtigt werden.
- c) Keine Berücksichtigung
des Wechsels und damit Duldung einer kurzfristigen Störung in
der Synchronisationsgenauigkeit bei allen Slaves und potentiellen
Zeitmastern. Eine Rate-Korrektur von zusätzlich einer Länge eines
Sendeschlitzes wäre das
Resultat. Abhängig
von der Länge
des Sendeschlitzes wäre
dies mit der Toleranz in der Uhrensynchronisation abzugleichen.
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Die
vorliegende Erfindung wurde anhand einer Erweiterung des Protokolls
einer bestehenden FlexRay-Spezifikation um die automatisierte Übernahme
der Funktion des Zeitmasters nach Ausfall des Haupt-Zeitmasters
erweitert.
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Selbstverständlich kann
die vorliegende Erfindung auch auf Kommunikationssystemen 1 eingesetzt
werden, die nach einem anderen als dem FlexRay-Standard arbeiten.
Durch einen geringen Bandbreiten-Vorhalt (n zusätzliche Sendeschlitze in dem Kommunikationszyklus
bzw. in dem statischen bei einer gewünschten n-fachen Redundanz
des Zeitmasters) und eine Ergänzung
in der funktionalen Spezifikation wird erfindungsgemäß eine automatisierte n-fache
Redundanz des Zeitmasters in einem zeitgesteuerten Kommunikationssystem 1 ermöglicht.
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Nachfolgend
werden noch einmal verschiedene Merkmale und Vorteile der Erfindung
näher erläutert:
- – Die
vorliegende Erfindung kann bei Kommunikationssystemen Anwendung
finden, bei denen die lokalen Uhren der Teilnehmer mittels eines
Zeitmasters synchronisiert werden, und sogar bei solchen Kommunikationssystemen
Anwendung finden, bei denen Nachrichten sowohl zeitgesteuert (deterministisch)
als auch ereignisgesteuert übertragen
werden können.
- – Mit
der vorliegenden Erfindung kann eine nahezu beliebig-fache Redundanz
des Zeitmasters erzielt werden, wobei mit zunehmender Redundanz auch
mehr Bandbreite in dem Kommunikationszyklus bzw. dem statischen
Segment für
die potentiellen Zeitmaster vorgehalten werden muss.
- – Mit
der vorliegenden Erfindung kann das Kommunikationssystem sowohl
während
des Hochfahrens als auch während
des normalen bestimmungsgemäßen Betriebs
konfiguriert werden.
- – Der
Haupt-Zeitmaster erhält
die Zuteilung für den
Sendeschlitz #1 in dem Kommunikationszyklus als statischer Sendeschlitz.
Der Haupt-Zeitmaster ist für
den Start des Netzwerks und für
die Vorgabe der Zeitwerte an alle anderen Teilnehmer 3 (potentielle
Zeitmaster und Slaves) im normalen Betrieb verantwortlich.
- – Bei
gewünschter
n-facher Redundanz werden weitere n-Sendeschlitze für die potentielle Zeitmaster
konfiguriert. Deren Referenznachrichten werden allerdings nicht
gesendet, solange der Haupt-Zeitmaster
oder ein in einer vorgegebenen Reihenfolge vorangehender Ersatz-Zeitmaster aktiv
ist. Die Uhrensynchronisation wird gemäß Spezifikation nicht durch
zusätzliche
Referenznachrichten beeinflusst, da es in einem Kommunikationszyklus
jeweils nur eine Referenznachricht geben darf. Im fehlerfreien Betrieb
des Kommunikationssystems sind alle Teilnehmer (Ersatz-Zeitmaster
und Slaves) auf den Hauptzeitmaster synchronisiert.
- – Ein
Ausfall des Haupt-Zeitmasters wird anhand der fehlenden Referenznachricht
von mindestens einem, vorzugsweise von allen potentiellen Zeitmastern
erkannt.
- – Der
im zeitlichen Verlauf eines Kommunikationszyklus gemäß der vorgegebenen
Reihenfolge nächste
potentielle Zeitmaster übernimmt
dann das Senden der Referenznachricht mit seiner lokalen Zeitinformation
und Nachrichtenkennung des Zeitmasters.
- – Es
sendet immer nur der aktive Zeitmaster (Haupt- oder Ersatz-Zeitmaster),
alle anderen Zeitmaster senden keine Referenznachricht.
- – Alle übrigen Teilnehmer
erkennen den neuen Zeitmaster anhand der veränderten Nachrichtenkennung
der Referenznachricht.
- – Die
Zeitmessung der neuen Referenznachricht wird mit der alten Zeitmessung
der alten Referenznachricht abgestimmt. Die Uhrensynchronisation
errechnet den neuen Rate- und Offset-Korrekturwert.
- – Die
Veränderung
der Nachrichtenkennung in der Referenznachricht hat Einfluss auf
die Berechnung der Rate und Offset-Korrekturwerte.
- – Der
aktive potentielle Zeitmaster gibt die Zeitmasterfunktion dann wieder
an den Haupt-Zeitmaster oder den übergeordneten Ersatz-Zeitmaster
ab; er darf seine Referenznachricht nicht mehr senden.