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Die
Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Vielzahl von Kraftfahrzeug-Steuergeräten.
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Zur
Datenübertragung
zwischen Kraftfahrzeug-Steuergeräten
hat sich der so genannte MOST-Bus (MOST = Media Oriented Systems
Transport) etabliert. Es handelt sich dabei um ein serielles Bussystem
zur Übertragung
von Daten über
Lichtwellenleiter (MOST25) oder über
elektrische Leiter (MOST50). Für
den in Zukunft weiter zunehmenden Einsatz von Informationstechnologien
im Kraftfahrzeug, die beispielsweise auch den Zugriff auf Festplatten
umfassen werden, wird die über
den MOST-Bus übertragbare
Bandbreite nicht mehr ausreichen.
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Die
heute vorherrschende Technologie zur Vernetzung von lokalen Rechnern
in einer Büroumgebung
ist Ethernet, insbesondere „100-Mbit-Ethernet" (100BASE-TX/FX,
standardisiert in IEEE 802.3). Basierend auf dem Ethernet-Standard
sind bislang Punkt-zu-Punkt-Verbindungen und Stern-Topologien mit einem
zentralen Switch möglich.
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Eine
bekannte Ethernet-Sterntopologie ist in 6 gezeigt.
Mehrere Geräte
STE sind über
eine zentrale Vermittlungseinrichtung V miteinander verbunden, um
Daten auszutauschen. Jede Verbindung zwischen einem Gerät STE und
der Vermittlungseinrichtung V besteht aus zwei verdrillten Aderpaaren („Twisted
Pair", ein Paar
für jede Übertragungsrichtung,
100BASE-TX), oder zwei Lichtwellenleitern (ein Lichtwellenleiter
(LWL) für
jede Übertragungsrichtung,
100BASE-FX).
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Geräte STE mit
zugeordnetem oder eingebautem 3-Port-Switch V können auch hintereinander in
einer „Daisy-Chain" geschaltet werden,
um die zentrale Vermittlungseinrichtung V zu vermeiden (siehe 7).
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Das
Gewicht und die Kosten für
die Verkabelung von 100BASE-TX/FX sind relativ hoch, da zwischen
zwei Geräten
zwei (ggf. geschirmte) Aderpaare oder Lichtwellenleiter (incl. der
jeweiligen Stecker) nötig
sind. Während
die Kosten für
Elektronikkomponenten gleicher Funktionalität immer kleiner werden, bleiben
die Kabel- und Steckerkosten für
deren Verbindung fast konstant.
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Eine
Reduzierung des Fahrzeuggewichts ist ein zentrales Anliegen bei
der der Entwicklung moderner Kraftfahrzeuge.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Kraftfahrzeug mit
datenaustauschenden Kraftfahrzeug-Steuergeräten anzugeben, das ein niedriges
Gewicht hat.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu
entnehmen.
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Die
Erfindung basiert zunächst
auf der Erkenntnis, dass die Bandbreiten der bekannten, in Kraftfahrzeugen
eingesetzten Technologien zur Übertragung
von Daten für
zukünftige
Anforderungen nicht mehr ausreichen.
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Die
Erfindung basiert auf dem Gedanken, den aus der Büroumgebung
bekannten, ausgiebig erprobten und eine große Bandbreite ermöglichenden
Ethernet-Standard im Kraftfahrzeug einzusetzen. Allerdings erfordern
bekannte Ethernet-Topologien (Stern, Daisy-Chain) einen großen Verkabelungsaufwand.
Das damit verbundene Zusatzgewicht und die damit verbundenen Zusatzkosten
sprechen zunächst
gegen einen Einsatz des Ethernet-Standards
im Kraftfahrzeug. Die Erfindung basiert nun auf dem weiteren Gedanken,
Kraftfahrzeug-Steuergeräte
mittels eines einfachen Ethernet-Ringes miteinander zu verbinden
(einfach verbundener Ethernet-Ring). Dadurch können Verbindungsleitungen und
damit Gewicht eingespart werden. Auch die Kosten können dadurch
reduziert werden.
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Ein
bevorzugtes Kraftfahrzeug weist eine Vielzahl von Kraftfahrzeug-Steuergeräten auf,
die datentechnisch basierend auf einem Ethernet-Standard einfach ringförmig miteinander
verbunden sind. Jeweils zwischen zwei datentechnisch benachbarten Kraftfahrzeug-Steuergeräten werden
Daten oder Datenrahmen, insbesondere bezüglich des Rings und/oder physikalisch,
nur in eine Richtung übertragen.
Auch auf diese Weise ist ein Datenaustausch zwischen zwei benachbarten
Kraftfahrzeug-Steuergeräten
in beide Richtungen möglich:
einmal über
die direkte Verbindung zwischen beiden Kraftfahrzeug-Steuergeräten, und
einmal unter Ausschluss der direkten Verbindung zwischen beiden
Kraftfahrzeug-Steuergeräten "außen herum" über die Verbindungen zwischen
den weiteren Kraftfahrzeug-Steuergeräten bzw. zwischen den diesen
Kraftfahrzeug-Steuergeräten
zugeordneten Vermittlungseinheiten. Die Erfindung ist dabei nicht
auf einen bestimmten Ethernetstandard oder eine bestimmte Ethernetgeschwindigkeit
beschränkt.
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Vorzugsweise
sind zur Realisierung des einfachen Ringes jeweils zwei datentechnisch
benachbarte Kraftfahrzeug-Steuergeräte zur Datenübertragung
durch genau einen (weniger als zwei) Lichtwellenleiter (optisches
Ethernet) oder genau eine (weniger als zwei) Twisted-Pair-Verbindung
(elektrisches Ethernet) miteinander verbunden.
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Durch
die einfache Ringtopologie können Verbindungsleitungen
eingespart werden und dennoch alle angeschlossenen Kraftfahrzeug-Steuergeräte Daten
miteinander austauschen. Die einfache Ringtopologie stellt zwar
gegenüber
einer zweifachen Ringtopologie oder gegenüber einem Stern eine geringere
Bandbreite zur Verfügung;
da aber die durch den Ethernet-Standard zur Verfügung gestellte Bandbreite wesentlich
größer ist
als beispielsweise die durch einen MOST-Bus bereit gestellte Bandbreite,
ist die durch die Erfindung erzielbare Bandbreite auch für zukünftige Datenanwendungen
im Kraftfahrzeug ausreichend.
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Eine
bevorzugte Ausführungsvariante
der Erfindung sieht vor, dass den Kraftfahrzeug-Steuergeräten jeweils
eine Empfangseinheit zum Empfang (über den Ethernet-Ring) von
Datenrahmen von einem datentechnisch benachbarten Kraftfahrzeug-Steuergerät und eine
Sendeeinheit zum Senden (über
den Ethernet-Ring) von Datenrahmen zu einem datentechnisch benachbarten
Kraftfahrzeug-Steuergerät
zugeordnet ist. Außerdem
ist den Kraftfahrzeug-Steuergeräten
jeweils eine Vermittlungseinheit zugeordnet, die derart eingerichtet
ist, dass zumindest die über
den Ring empfangenen Datenrahmen, insbesondere Broadcast- oder Multicast-Datenrahmen,
die von dem zugeordneten Kraftfahrzeug-Steuergerät stammen, verworfen werden, insbesondere
nicht durch die Sendeeinheit gesendet werden.
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Besonders
bevorzugt sind die den Kraftfahrzeug-Steuergeräten jeweils zugeordnete Vermittlungseinheit,
insbesondere eine Switching-Engine, Sendeeinheit und Empfangseinheit
Elemente eines – dem
Kraftfahrzeug-Steuergerät zugeordneten – Ethernet-Switches
(Ethernet-Vermittlungseinrichtung).
Insbesondere durch die zumindest teilweise Verwendung an sich bekannter
und in großen
Stückzahlen
für andere
Einsatzgebiete hergestellter Ethernet-Switches oder Ethernet-Komponenten
können die
Kosten weiter reduziert werden. Bei – für den Einsatz in einer Stern-Topologie ausgerüsteten – Ethernet-Switches
können
ein Sendeport und ein Empfangsport deaktiviert werden, ungenützt bleiben
oder entfernt werden. Insbesondere befinden sich dabei das Kraftfahrzeug-Steuergerät und der
Ethernet-Switch auf einer gemeinsamen Platine.
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Alternativ
dazu umfasst die den Kraftfahrzeug-Steuergeräten jeweils zugeordnete Vermittlungseinheit
eine programmierbare Logikeinheit oder ist Teil einer programmierbaren
Logikeinheit, die insbesondere ein Element des Kraftfahrzeug-Steuergerätes selbst
ist oder sich vorteilhafterweise mit dem Kraftfahrzeug-Steuergerät eine Platine
teilt.
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Vorzugsweise
sind die den Kraftfahrzeug-Steuergeräten jeweils zugeordnete Sendeeinheit
und Empfangseinheit Elemente eines Phy. Das Kraftfahrzeug-Steuergerät, die genannte
programmierbare Logikeinheit und/oder das Phy teilen sich vorzugsweise
eine gemeinsame Platine. Alternativ oder ergänzend dazu kann auch das Phy
ein Teil einer oder der programmierbaren Logikeinheit sein, die insbesondere
ein Element des Kraftfahrzeug-Steuergerätes selbst
ist oder sich vorteilhafterweise mit dem Kraftfahrzeug-Steuergerät eine Platine
teilt.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen unter Bezugnahme
auf die folgenden Figuren näher
erläutert:
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1 zeigt
eine vereinfachte Darstellung einer Sterntopologie zur Verbindung
von vier Geräten;
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2 zeigt
eine vereinfachte Darstellung einer Daisy-Chain-Topologie zur Verbindung von vier Geräten;
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3 zeigt
eine vereinfachte Darstellung einer einfachen Ring-Topologie zur Verbindung
von vier Geräten;
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4 zeigt
eine vereinfachte Darstellung eines Kraftfahrzeug-Steuergerätes mit
zugeordnetem Ethernet Switch;
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5 zeigt
eine vereinfachte Darstellung eines Kraftfahrzeug-Steuergerätes mit
zugeordneter Vermittlungseinheit, die in einer programmierbaren Logikeinheit
realisiert ist;
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6 zeigt
eine vereinfachte Darstellung einer Sterntopologie (Stand der Technik);
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7 zeigt
eine vereinfachte Darstellung einer Daisy-Chain-Topologie (Stand der Technik).
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Die 1 bis 3 zeigen
jeweils vier miteinander verbundene Kraftfahrzeug-Steuergeräte STE.
Bei den Kraftfahrzeug-Steuergeräten
handelt es sich beispielsweise um Navigationsrechner, Radio, Verstärker, Telefon-Steuergerät.
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Die
gestrichelt dargestellten Linien stellen jeweils eine Verbindungsleitung,
insbesondere einen Lichtwellenleiter LWL oder eine Twisted-Pair
Verbindungsleitung, dar. Die Pfeile geben die Datenübertragungsrichtung
an. Bei der in 1 gezeigten Sterntopologie und
der in 2 gezeigten Daisy-Chain-Topologie sind datentechnisch
benachbarte Kraftfahrzeug-Steuergeräte STE jeweils
durch zwei Verbindungsleitungen miteinander verbunden; eine Verbindungsleitung
für jede
Datenübertragungsrichtung.
Bei der in 3 gezeigten einfachen Ringtopologie
sind datentechnisch benachbarte Kraftfahrzeug-Steuergeräte STE jeweils
durch eine Verbindungsleitung miteinander verbunden.
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In
jedem Szenario mit mindestens drei Kraftfahrzeug-Steuergeräten STE
benötigt
ein einfach verbundener Ring von Kraftfahrzeug-Steuergeräten weniger
Verbindungen als ein Stern oder eine Daisy Chain. Je mehr Kraftfahrzeug-Steuergeräte im Netz sind,
desto größer ist
das Einsparpotential. Eine Daisy-Chain mit n Kraftfahrzeug-Steuergeräten benötigt 2·(n – 1) Verbindungsleitungen
(beispielsweise Lichtwellenleier LWLs) zur Verbindung aller Kraftfahrzeug-Steuergeräte; ein
Stern 2·n
und ein Ring nur n. Durch die eingesparten Kabel sind das Gewicht
und die Kabel- und Steckerkosten beim E thernet-Ring gegenüber der
Stern- und Daisy-Chain-Topologie in etwa halbiert.
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4 zeigt
als Teil einer solchen einfachen Ethernet-Ringtopologie ein Kraftfahrzeug-Steuergerät STE, das über eine
Anschlusseinheit (Port P3), die eine Sendeeinheit RX und eine Empfangseinheit TX
umfassen kann, mit einem Ethernet-Switch ES verbunden ist. Der Ethernet-Switch
ES umfasst als Vermittlungseinheit VE eine Switching Engine.
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Von
einem datentechnisch benachbarten Kraftfahrzeug-Steuergerät (nicht
dargestellt) empfängt
der Ethernet-Switch ES über
eine Anschlusseinheit P1, insbesondere über die zugehörige Empfangseinheit
RX, Datenrahmen.
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Diese
Datenrahmen werden von der Vermittlungseinheit VE hinsichtlich ihrer
Herkunft und ihres Zieles untersucht. Die für das zugehörige Kraftfahrzeug-Steuergerät STE bestimmten
Datenrahmen werden über
die Anschlusseinheit (Port P3) an das Kraftfahrzeug-Steuergerät STE weitergeleitet.
Insbesondere empfangene Datenrahmen, die von dem zugeordneten Kraftfahrzeug-Steuergerät STE selbst stammen,
werden aufgrund einer entsprechenden programmtechnischen Einrichtung
der Vermittlungseinheit verworfen. Andere Datenrahmen, die insbesondere
für andere
Kraftfahrzeug-Steuergeräte bestimmt
sind, werden dagegen über
eine Anschlusseinheit P2, insbesondere über die zugehörige Sendeinheit
TX über
den einfachen Ethernet-Ring an eine datentechnisch benachbarte Kraftfahrzeug-Steuergerät (nicht
dargestellt) weitergeleitet. Die Anschlusseinheiten, das Kraftfahrzeug-Steuergerät und die
Vermittlungseinheit VE können
dabei auf einer gemeinsamen Platine P ausgeführt sein.
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Die
Sendeeinheit TX der ersten Anschlusseinheit P1 und die Empfangseinheit
RX der zweiten Anschlusseinheit P2 sind nicht beschaltet und switchseitig
abgeschaltet oder gar nicht vorhanden.
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Durch
diese Anpassungen kann mit Standard-Ethernet-Komponenten ein einfach
verbundener Ethernet-Ring realisiert werden.
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Vorzugsweise
ist jedem Kraftfahrzeug-Steuergerät des Rings ein Ethernet-Switch mit mindestens
drei Ports P1, P2, P3 zugeordnet. P1 wird nur zum Empfangen verwendet,
P2 nur zum Senden, P3 zur Kommunikation mit dem Kraftfahrzeug-Steuergerät. Allein
der Ethernet-Switch ist für
die Ring-Kommunikation
zuständig.
Für das
an P3 angeschlossene Kraftfahrzeug-Steuergerät ist die Ring-Topologie transparent.
Die Weiterleitungstabellen der Ethernet-Switches sind so eingerichtet,
dass alle Datenrahmen bis zum Ethernet-Switch des Empfängers (Empfänger-Kraftfahrzeug-Steuergerät) zirkulieren und
dann dem Empfänger-Kraftfahrzeug-Steuergerät zugestellt
werden. Dies wird dadurch erreicht, dass durch jeden Ethernet-Switch
Datenrahmen mit der Zieladresse des angeschlossenen Kraftfahrzeug-Steuergeräts zu P3
weitergeleitet werden, ebenso wie alle Broadcast- und die vom Kraftfahrzeug-Steuergerät registrierten
Multicastrahmen. Außerdem
werden alle Broad- und Multicastrahmen, sowie alle Datenrahmen mit
unbekannten Empfängern zu
P2 geleitet.
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Um
zu verhindern, dass Datenrahmen, deren Empfänger nicht existieren, sowie
Broad- und Multicastrahmen endlos auf dem Ring zirkulieren, sind
die Ethernet-Switches derart eingerichtet, dass alle an P1 ankommenden
Datenrahmen verworfen werden, die von dem am P3 angeschlossenen
Kraftfahrzeug-Steuergerät
gesendet wurden. Dies kann der Ethernet-Switch entweder an der Senderadresse oder
einem anderen, insbesondere eigens hierfür eingeführten, Merkmal des Datenrahmens
erkennen.
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Eine
zum Einsatz von Ethernet-Switches alternative Realisierungsvariante
basiert auf dem Einsatz eines Ethernet Phy und eines weiteren Bausteins (z.
B. eines FPGA), die jeweils einem ringteilnehmenden Kraftfahrzeug-Steuergerät STE zugeordnet
sind (5).
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Ein
PHY ist ein spezieller Halbleiterbaustein oder eine funktionelle
Gruppe eines Schaltkreises, die für die Codierung und Decodierung
von Daten zwischen einem rein digitalen System und einem modulierten
analogen System zuständig
ist. PHY steht dabei insbesondere für die physikalische Schnittstelle.
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Dem
Phy zugeordnet sind eine Sendeeinheit TX und eine Empfangseinheit
RX. Die Vermittlungseinheit VE kann durch eine geeignet eingerichtete Logik,
insbesondere einen FPGA, realisiert sein. Dabei kann der FPGA auch
ein Teil des Kraftfahrzeug-Steuergerätes sein. Die Sendeeinheit
TX, die Empfangseinheit RX, das Kraftfahrzeug-Steuergerät STE und
die Vermittlungseinheit VE können
dabei auf einer gemeinsamen Platine P ausgeführt sein.
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Die
Vermittlungseinheit VE ist dabei derart eingerichtet, dass:
- – vom
Kraftfahrzeug-Steuergerät
gesendete Datenrahmen an den Phy durchgeleitet werden, und dadurch
an den nächsten
Ringteilnehmer geschickt werden.
- – vom
Ethernet-Ring ankommende Datenrahmen, deren Quelladresse der des
Kraftfahrzeug-Steuergerät
entspricht, verworfen werden.
- – vom
Ethernet-Ring ankommende Datenrahmen, deren Zieladresse der des
Kraftfahrzeug-Steuergeräts
entspricht, zum Kraftfahrzeug-Steuergerät geschickt werden; dies gilt
auch für
alle Broadcast- und solche Multicastrahmen, für die das Kraftfahrzeug-Steuergerät registriert
ist.
- – vom
Ethernet-Ring ankommende Datenrahmen mit anderen Zieladressen, sowie
alle Broadcast- und Multicastrahmen, die nicht verworfen wurden, zum
nächsten
Ringteilnehmer weitergeleitet werden.