DE102011083001B4

DE102011083001B4 - Teilnehmer eines Kommunikationsnetzwerks und Verfahren zur deterministischen Übertragung über ein Kommunikationsmedium des Kommunikationsnetzwerks

Info

Publication number: DE102011083001B4
Application number: DE102011083001.4A
Authority: DE
Inventors: Bernd Stoehr
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2019-12-05
Anticipated expiration: 2031-09-21
Also published as: DE102011083001A1

Abstract

Teilnehmerstation (1) eines Kommunikationssystems (10), das zur Realisierung einer deterministischen Datenübertragung über ein Kommunikationsmedium (7) des Kommunikationssystems (10) ausgebildet ist, wobei die Teilnehmerstation (1) mehrere separate Rechengeräte (2, 2') und mehrere den Rechengeräten (2, 2') jeweils zugeordnete Kommunikationsmodule (3, 3') aufweist wobei das Kommunikationssystem (10) als Datenbus eines Fahrzeugs ausgestaltet ist und wobei die Teilnehmerstation (1) als ein Steuergerät, ein Sensor oder ein Aktor eines Fahrzeugs ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationsmodule (3, 3') über einen gemeinsamen Bustreiber (4) der Teilnehmerstation (1) an das Kommunikationsmedium (7) angeschlossen sind.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Teilnehmer eines Kommunikationssystems, das zur Realisierung einer deterministischen Datenübertragung über ein Kommunikationsmedium des Kommunikationssystems ausgebildet ist, wobei der Teilnehmer mehrere separate Rechengeräte und mehrere den Rechengeräten jeweils zugeordnete Kommunikationsmodule (Communications Controller, CC) aufweist. Die Rechengeräte können wahlweise Daten zum Senden über das Netzwerk zur Verfügung stellen und/oder über das Netzwerk empfangene Daten verarbeiten. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur deterministischen Übertragung von Daten über ein Kommunikationsmedium eines Kommunikationssystems, wobei die zu übertragenden Daten von mehreren separaten Rechengeräten eines Teilnehmers des Kommunikationssystems zur Verfügung gestellt werden.
Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Kommunikationssysteme zur Datenübertragung zwischen Teilnehmern der Kommunikationssysteme bekannt. Die Datenübertragung erfolgt über ein Kommunikationsmedium des Kommunikationssystems nach einem bestimmten Datenübertragungsprotokoll, bspw. der FlexRay-Protokollspezifikation. Das Kommunikationsmedium kann als eine oder mehrere Datenübertragungsleitungen, als eine Funkverbindung oder als eine optische, zum Beispiel eine Infrarot (IR)-Verbindung, ausgebildet sein mit jeweils einem oder mehreren Übertragungskanälen. Die bekannten Kommunikationssysteme werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen zur Datenübertragung zwischen Teilnehmern, die an das Kommunikationsmedium angeschlossen sind, eingesetzt. Selbstverständlich können die bekannten Kommunikationssysteme nicht nur in Kraftfahrzeugen, sondern auch in einem anderen technischen Umfeld, beispielsweise in Werkzeugmaschinen, zur Datenübertragung zwischen verschiedenen Komponenten eingesetzt werden. Die Teilnehmer des Kommunikationssystems sind beispielsweise Steuergeräte, Sensoren oder Aktoren oder beliebig andere Komponenten.
Kommunikationssysteme zur Datenübertragung gemäß FlexRay-Spezifikation werden vor allem zur Datenübertragung zwischen elektronischen Steuergeräten in Kraftfahrzeugen eingesetzt. FlexRay kann als eine Weiterentwicklung des bekannten und weit verbreiteten Controller Area Network (CAN)-Busses angesehen werden, wobei FlexRay vor allem eine höhere Bandbreite als CAN bietet. Ein weiterer wichtiger Unterschied zu CAN besteht darin, dass FlexRay ein deterministisches Zeitverhalten hat, das heißt, es kann eine garantierte Datenübertragung zu definierten Zeitpunkt sichergestellt werden. Dies ist insbesondere im Zusammenhang mit der Steuerung und/oder Regelung von sicherheitsrelevanten Komponenten in einem Kraftfahrzeug (zum Beispiel X-by-Wire-Komponenten) von großer Bedeutung. Das deterministische Zeitverhalten wird durch den Einsatz eines Time Division Multiple Access (TDMA)-Zugriffsverfahrens erreicht, so dass jeder Kommunikationsteilnehmer innerhalb eines definierten Zeitschlitzes eines sich wiederholenden Kommunikationszyklusses auf den Kommunikationskanal zugreifen kann, um Daten (auch als Botschaften oder Nachrichten bezeichnet) über das Kommunikationsmedium zu versenden.
FlexRay umfasst eine Protokollschicht (Protocol Layer) und eine sogenannte Bitübertragungsschicht (Physical Layer). Die Protokollschicht beschreibt das Nachrichtenformat, zum Beispiel eine Identifikation (ID) der Nachricht, die Länge der Nutzdaten, die Art von verwendeten Checksummen, etc., und das eigentliche Protokoll, das heißt, das Verhalten beim Empfangen und Senden von Nachrichten. Die Bitübertragungsschicht beschreibt, wie die zu übertragenden Nachrichten über das Kommunikationsmedium übertragen werden können und welche elektrischen oder optischen Eigenschaften das Kommunikationsmedium erfüllen muss, damit es zur Datenübertragung im Rahmen des FlexRay-Protokolls eingesetzt werden kann.
Bei FlexRay kann die Übertragung der Nachrichten auch über ein elektrisches Differenzsignal erfolgen, das mittels einer Zweitdrahtleitung übertragen wird. Eine positive Differenzspannung wird zur Übertragung einer logischen „1“ (Data_1) verwendet, während eine negative Differenzspannung zur Übertragung einer logischen „0“ (Data_0) verwendet wird.
Jeder Kommunikationsteilnehmer des Kommunikationssystems benötigt einen sogenannten Bustreiber (Bus Driver, BD), um das Differenzsignal zu erzeugen und auf den Bus zu treiben. Zudem wird in der Regel jeder Bustreiber noch mit einer Gleichtaktdrossel versehen, um die EMV-Eigenschaften des Kommunikationssystems zu verbessern. Ein optionales Terminierungsnetzwerk wird in den meisten Fällen ebenfalls verwendet, um die Stabilität des Netzwerks zu erhöhen.
Zur Realisierung eines FlexRay-Kommunikationssystems oder -netzwerks wird neben einem Bustreiber auch ein sogenanntes Kommunikationsmodul benötigt, das im Wesentlichen die in dem Kommunikationssystem verwendete Protokollspezifikation abarbeitet. Das Kommunikationsmodul kann entweder in einem dedizierten Kommunikationsbaustein, getrennt von einem Rechengerät des Teilnehmers eingebaut oder aber in das Rechengerät integriert sein. Die Integration in das Rechengerät ist der typische Anwendungsfall. Dabei bildet das Kommunikationsmodul eine weitere Kommunikationsschnittstelle des Teilnehmers neben anderen Schnittestellen, wie zum Beispiel für CAN, Serial Peripheral Interface (SPI) und Ethernet.
Als Rechengerät wird in den Kommunikationsteilnehmern üblicherweise ein Mikrocontroller oder Mikroprozessor eingesetzt. Bei einem integrierten Kommunikationsmodul ist dieses also Teil des Mikrocontrollers und stellt weitere Kommunikationsschnittstellen des Mikrocontrollers zur Verfügung.
Jedes Kommunikationsmodul, unabhängig davon, ob es sich um ein internes oder ein externes Kommunikationsmodul handelt, wird zur Anbindung an den Datenbus mit einem Bustreiber verbunden, der seinerseits an den Datenbus angeschlossen ist. Optional können zwischen dem Bustreiber und dem Datenbus eine Gleichtaktdrossel und/oder ein Terminierungsnetzwerk vorgesehen sein.
Derzeit eingesetzte Kraftfahrzeugsteuergeräte, die den FlexRay-Standard erfüllen, besitzen in der Regel einen Mikrocontroller mit einem integrierten FlexRay-Kommunikationsmodul. Auf Grund der Zunahme der Aufgaben und Funktionen, welche die einzelnen Steuergeräte erfüllen müssen, kann es erforderlich sein, in einem Steuergerät mehr als nur einen Mikrocontroller mit integriertem FlexRay-Kommunikationsmodul vorzusehen. Bei Verwendung mehrerer Mikrocontroller in einem Steuergerät ist nach dem Stand der Technik jeder Mikrocontroller über einen eigenen Bustreiber an den FlexRay-Datenbus angeschlossen. Alle Bustreiber teilen sich eine Gleichtaktdrossel und/oder ein Terminierungsnetzwerk.
Problematisch bei den aus dem Stand der Technik bekannten Steuergeräten mit mehreren Mikrocontrollern ist es, dass die Bustreiber relativ teuer sind und zudem relativ viel Platz auf einer Platine des Steuergeräts benötigen.
Aus der DE 198 15 097 A1 ist Bussystem bekannt, das das Umschalten zwischen mehreren als Busmaster funktionierenden Busteilnehmern ermöglicht. Aus der DE 10 2009 049 378 A1 ist eine Anschlusseinheit zum Anschließen und Steuern von Betriebsgeräten für ein Bussystem bekannt.
Die US 6104721 A offenbart einen Schaltungskreis für eine Kommunikation, der in einem Datensystem eine Kommunikation zwischen einer Informationsverarbeitungseinheit und Nutzerknoten bereitstellt.
Offenbarung der Erfindung
Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik ist es deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Kosten und den Platzbedarf für Steuergeräte mit mehreren Mikrocontrollern zu verringern.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ausgehend von dem Teilnehmer, d.h. der Teilnehmerstation eines Kommunikationssystems der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass die Kommunikationsmodule des Teilnehmers über einen gemeinsamen Netzwerktreiber an das Kommunikationsmedium angeschlossen sind.
Es wird also vorgeschlagen, dass sich mehrere Rechengeräte, insbesondere Mikrocontroller oder Mikroprozessoren, eines Teilnehmers bzw. die diesen zugeordneten Kommunikationsmodule einen gemeinsamen Netzwerk- oder Bustreiber teilen. Zur Realisierung dieser Idee wird die deterministische Datenübertragung über das Kommunikationsmedium des Kommunikationssystems ausgenutzt, die es erlaubt, genau vorherzusagen, wann welches Rechengerät beziehungsweise wann welches der den Rechengeräten zugeordneten Kommunikationsmodule die Möglichkeit zum Senden hat. Zu diesen genau vorhersagbaren Zeitpunkten wird dem entsprechen Rechengerät beziehungsweise dem diesem zugeordneten Kommunikationsmodul der Bustreiber für eine definierte Zeitdauer zugeordnet. Während dieser Zeitdauer arbeitet der Bustreiber exklusiv für das ihm vorübergehend zugeordnete Rechengerät beziehungsweise das dem Rechengerät zugeordnete Kommunikationsmodul. Danach kann der Bustreiber einem anderen Rechengerät des Teilnehmers beziehungsweise einem anderen dem Rechengerät zugeordneten Kommunikationsmodul für eine definierte Zeitdauer zugeordnet werden, so dass der Bustreiber dann für dieses andere Rechengerät beziehungsweise das andere Kommunikationsmodul exklusiv arbeitet. Die Erfindung ermöglicht es, unter Ausnutzung der deterministischen Eigenschaften der Datenübertragung über das Kommunikationsmedium des Kommunikationssystems mindestens einen Bustreiber pro Teilnehmer einzusparen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können sich nicht nur zwei Rechengeräte beziehungsweise zwei den Rechengeräten zugeordnete Kommunikationsmodule einen gemeinsamen Bustreiber teilen. Vielmehr wäre es auch denkbar, wenn der Teilnehmer über mehr als zwei Rechengeräte und eine entsprechende Anzahl an Kommunikationsmodulen verfügt, dass sich sämtliche Rechengeräte beziehungsweise Kommunikationsmodule des Teilnehmers einen gemeinsamen Bustreiber teilen. Für den erfindungsgemäßen Teilnehmer wird somit weniger Fläche auf einer Platine oder Leiterplatte benötigt. Zudem können die Kosten für den Teilnehmer auf Grund der eingesparten Bustreiber deutlich verringert werden. Gleichzeitig wird nach wie vor die volle Funktionalität der Teilnehmer und deren volle Kompatibilität mit der in dem Kommunikationssystem eingesetzten Protokollspezifikation sichergestellt.
Die vorliegende Erfindung kann in beliebigen Kommunikationssystemen eingesetzt werden, in denen eine deterministische Datenübertragung über das Kommunikationsmedium realisiert ist, das heißt in denen die Daten (Nachrichten oder Botschaften) zu vorgegebenen Zeitpunkten in genau definierten Zeitschlitzen von sich wiederholenden Kommunikationszyklen übertragen werden. Insbesondere ist bei der vorliegenden Erfindung an die Realisierung in einem FlexRay-Kommunikationssystem gedacht. Aber auch in Verbindung mit einem Time Triggered Controller Area Network (TTCAN)-Kommunikationssystem oder einem beliebig anderen deterministischen Kommunikationssystem kann die vorliegende Erfindung realisiert werden und hat die angegebenen Vorteile.
Die zur Realisierung der vorliegenden Erfindung erforderlichen Zusatzkosten betreffen lediglich zusätzliche Schaltelemente und eine entsprechende Verkabelung, um sicherzustellen, dass einem Bustreiber zu einem bestimmten Zeitpunkt jeweils höchstens eines der Rechengeräte beziehungsweise Kommunikationsmodule des Teilnehmers zugeordnet ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass mindestens eine Empfangsleitung des Netzwerktreibers, auf der die vor dem Teilnehmer über das Kommunikationsmedium empfangenen Daten anliegen, ohne mittelbar mit Empfangseingängen von den Rechengeräten zugeordneten Kommunikationsmodulen in Verbindung steht. Die von dem Netzwerk- oder Bustreiber über das Kommunikationsmedium empfangenen Daten können also unmittelbar an die Empfangseingänge der Rechengeräte beziehungsweise der den Rechengeräten zugeordneten Kommunikationsmodule angelegt werden. Das jeweilige Rechengerät beziehungsweise das diesem zugeordnete Kommunikationsmodul stellt dann an Hand der Adressinformationen in den empfangenen Daten (Nachricht oder Botschaft) fest, ob die Daten für das Rechengerät oder für ein anderes Rechengerät bestimmt sind. Falls die Daten nicht für das Rechengerät bestimmt sind, werden sie verworfen. Die Adressinformationen sind üblicherweise in dem sogenannten Header der empfangenen Nachrichten oder Botschaften enthalten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass mindestens eine Sendeleitung des Netzwerktreibers mittelbar über ein Schaltelement, das bspw. als ein Multiplexer ausgebildet ist, mit Sendeausgängen der Kommunikationsmodule in Verbindung steht, wobei an den Sendeausgängen, die von den Rechengeräten zur Verfügung gestellten und über das Kommunikationsmedium zu sendenden Daten anliegen. Sobald also der Netzwerk- oder Bustreiber für einen Exklusivbetrieb mit einem der Rechengeräte beziehungsweise Kommunikationsmodule freigeschaltet oder aktiviert ist, werden die an den Sendeausgängen anliegenden Daten, die das Rechengerät generiert hat und die über das Kommunikationsmedium übertragen werden sollen, an den Bustreiber übermittelt, der sie dann an das Kommunikationsmedium anlegt, so dass sie übertragen werden können.
Über das Schaltelement wird sichergestellt, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt jeweils nur eines der Rechengeräte beziehungsweise jeweils nur eines der Kommunikationsmodule eines Teilnehmers dem Bustreiber zugeordnet ist, so dass der Bustreiber zu einem beliebigen Zeitpunkt für höchstens eines der Rechengeräte beziehungsweise eines der Kommunikationsmodule exklusiv arbeitet. Es kann ein beliebiges Schaltelement verwendet werden, das einen oder mehrere Eingänge des Bustreibers zu einem bestimmten Zeitpunkt mit höchstens einem der Sendeausgänge der Rechengeräte oder Kommunikationsmodule des Teilnehmers verbindet.
Vorteilhafterweise wird das Schaltelement beziehungsweise der Multiplexer mittels mindestens eines Aktivierungssignals zwischen den einzelnen Rechengeräten beziehungsweise Kommunikationsmodulen des Teilnehmers umgeschaltet, wobei das mindestens eine Aktivierungssignal an dem Schaltelement anliegt und durch das Aktivierungssignal zu einem bestimmten Zeitpunkt die Tätigkeit des Netzwerk- oder Bustreibers jeweils höchstens einem der Rechengeräte bzw. Kommunikationsmodule zugewiesen wird. Vorzugsweise steuert das mindestens eine Aktivierungssignal das Schaltelement derart, dass die Tätigkeit des Netzwerkstreibers stets dem aktuell sendenden Rechengerät oder Kommunikationsmodul zugewiesen ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung erzeugt jedes der Rechengeräte beziehungsweise Kommunikationsmodule ein eigenes Aktivierungssignal. Vorteilhafterweise ist das Aktivierungssignal eines Rechengeräts oder Kommunikationsmoduls ein Transmit-Enable-Signal (TxEN-Signal) des Rechengeräts oder Kommunikationsmoduls. Gemäß dieser Ausführungsform wird also das von dem Rechengerät beziehungsweise dem Kommunikationsmodul sowieso erzeugte TxEN-Signal zur Zuordnung der Tätigkeit des Netzwerk- oder Bustreibers zu dem jeweils sendenden Rechengerät oder Kommunikationsmodul genutzt. Ein zusätzliches Aktivierungssignal für das Schaltelement muss somit nicht mehr generiert werden.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend an Hand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Beispiel für ein auf einem FlexRay-Bus anliegendes Differenzsignal;
2 ein aus dem Stand der Technik bekannter Teilnehmer eines FlexRay-Kommunikationssystems;
3 ein aus dem Stand der Technik bekanntes FlexRay-Kommunikationssystem mit mehreren Teilnehmern;
4 einen FlexRay-Teilnehmer mit einem externen FlexRay-Kommunikationsmodul;
5 einen FlexRay-Teilnehmer mit einem integrierten FlexRay-Kommunikationsmodul;
6 einen aus dem Stand der Technik bekannten Teilnehmer eines Kommunikationssystems mit zwei Rechengeräten;
7 eine Verteilung von Sendezeitpunkten eines Kommunikationssystems mit drei Rechengeräten;
8 eine Schnittstelle zwischen einem FlexRay-Kommunikationsmodul und einem FlexRay-Netzwerktreiber;
9 einen beispielhaften Signalverlauf bei einer Datenübertragung durch eines der Rechengeräte beziehungsweise durch eines der dem Rechengerät zugeordneten Kommunikationsmodule eines Teilnehmers;
10 einen erfindungsgemäßen Teilnehmer gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
11 ein Schaltelement eines erfindungsgemäßen Teilnehmers zum Umschalten einer Zuordnung des Netzwerktreibers zu einem der Rechengeräte beziehungsweise zu einem der den Rechengeräten zugeordneten Kommunikationsmodule; und
12 einen erfindungsgemäßen Teilnehmer gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Datenübertragung zwischen Teilnehmern eines Kommunikationssystems oder Kommunikationsnetzwerks. Ein solches Kommunikationssystem kann beispielsweise in Kraftfahrzeugen zur Datenübertragung zwischen verschiedenen Komponenten des Kraftfahrzeugs, beispielsweise Steuergeräten, Sensoren, Aktoren, etc., aber auch in anderen Bereichen, beispielsweise in Werkzeugmaschinen, zur Datenübertragung eingesetzt werden. Nachfolgend wird das Kommunikationssystem beispielhaft für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug beschrieben. In diesem Fall sind die Teilnehmer als Komponenten des Kraftfahrzeugs, insbesondere als Steuergeräte, Sensoren oder Aktoren, ausgebildet. Die Daten können nach einer bestimmten Kommunikationsprotokollspezifikation über ein Kommunikationsmedium des Kommunikationssystems übertragen werden. Das Kommunikationsmedium umfasst beispielsweise eine oder mehrere Datenübertragungsleitungen, eine Funkverbindung oder eine optische Verbindung, beispielsweise in Form einer Infrarot (IR)-Verbindung. Als Kommunikationsprotokoll kann beispielsweise eine FlexRay-Protokollspezifikation zur Datenübertragung eingesetzt werden. Es ist jedoch auch denkbar, die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit einer beliebig anderen Kommunikationsprotokollspezifikation einzusetzen. Die Erfindung ist insbesondere für solche Kommunikationsprotokolle geeignet, bei denen die Daten zu vorgegebenen, definierten Zeitpunkten in Zeitschlitzen eines sich wiederholenden Kommunikationszyklusses übertragen werden. Ein solches Kommunikationsprotokoll ist neben FlexRay beispielsweise auch das sogenannte Time Triggered Controller Area Network (TTCAN)-Protokoll.
In 2 ist beispielhaft ein aus dem Stand der Technik bekannter Teilnehmer in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Der Teilnehmer 1 umfasst ein Rechengerät 2, das beispielsweise als ein Mikrocontroller ausgebildet ist. Integraler Bestandteil des Rechengeräts 2 ist ein Kommunikationsmodul 3, das auch als Communication Controller (CC) bezeichnet wird. Das Kommunikationsmodul 3 ist über einen Kommunikations- oder Netzwerktreiber 4, der auch als Bus Driver (BD) oder als Transceiver bezeichnet wird, eine Gleichtaktdrossel 5 und ein Terminierungsnetzwerk 6 an ein Kommunikationsmedium 7 in Form eines zweiadrigen Datenbusses angeschlossen.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung an Hand der FlexRay-Protokollspezifikation näher erläutert, ohne dass dadurch jedoch eine Beschränkung der vorliegenden Erfindung auf diese Protokollspezifikation beabsichtigt ist. Somit ist das Kommunikationsmodul 3 als ein FlexRay-Communication Controller und das Kommunikationsmedium 7 als ein FlexRay-Bussystem ausgebildet. Das Kommunikationsmedium 7 kann selbstverständlich auch nicht leitungsgebunden, beispielsweise in Form einer Funkverbindung oder einer optischen Verbindung, insbesondere einer IR-Verbindung, ausgebildet sein. Ferner muss bei einer leitungsgebundenen Ausgestaltung des Kommunikationsmediums 7 dieses nicht notwendigerweise eine Zweidrahtleitung umfassen.
Die Übertragung von Nachrichten über den FlexRay-Datenbus 7 erfolgt beispielsweise über ein elektrisches Differenzsignal mittels der dargestellten Zweidrahtleitung. Eine positive Differenzspannung (UBP-UBM in 1) wird zur Übertragung einer logischen „1“ (Data_1 in 1) verwendet, während eine negative Differenzspannung (UBP-UBM) zur Übertragung einer logischen „0“ (Data_0 in 1) verwendet wird. Das in 1 dargestellte Differenzsignal hat die Spannung UBus. Das Differenzsignal wird aus den beiden Signalen UBP und UBM durch Differenzbildung ermittelt. Während der Zeit t zwischen dem Zeitpunkt t₁ und dem Zeitpunkt t₂ in 1 sind die Einzelspannungen UBP und UBM identisch, und es liegt weder eine logische „1“ noch eine logische „0“ am Datenbus 7 an. Der Datenbus 7 befindet sich im Zustand „idle“. Während der Zeitdauer vor dem Zeitpunkt t₁ haben sowohl das Signal UBP als auch das Signal UBM eine Spannung U von etwa 0 Volt. Der Datenbus 7 befindet sich dann in dem Zustand „idle_LP“ (idle Low Power).
Der Kommunikations- oder Bustreiber 4 des Kommunikationsteilnehmers 1 erzeugt das in 1 gezeigte Differenzsignal und treibt dieses auf den Datenbus 7. Der Bustreiber 4 ist mit einer Gleichtaktdrossel 5 versehen, um die EMV-Eigenschaften des Kommunikationssystems, von dem der Teilnehmer 1 und der Datenbus 7 ein Teil sind, zu verbessern. Das Terminierungsnetzwerk 6 dient dazu, die Stabilität des Kommunikationssystems zu erhöhen. Bei der Gleichtaktdrossel 5 und dem Terminierungsnetzwerk 6 handelt es sich um optionale Komponenten des Kommunikationsteilnehmers 1, die auch weggelassen werden können.
Ein Kommunikationssystem mit mehreren Teilnehmern 1 der in 2 gezeigten Art ist aus dem Stand der Technik bekannt und in 3 gezeigt. Das Kommunikationssystem ist in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Es umfasst den Datenbus 7, an den mehrere Kommunikationsteilnehmer 1 angeschlossen sind. In 3 ist ein erster Teilnehmer (ECU1) mit dem Bezugszeichen 1a und ein zweiter Teilnehmer (ECU2) mit dem Bezugszeichen 1b bezeichnet. Ein dritter Kommunikationsteilnehmer (ECUn) ist beispielhaft für einen oder mehrere weitere Teilnehmer, die an den Datenbus 7 angeschlossen sind, eingezeichnet und mit dem Bezugszeichen 1n bezeichnet. Sämtliche gezeigte Teilnehmer 1a, 1b, 1n verfügen über ein Rechengerät 2a, 2b, 2n und ein darin integriertes Kommunikationsmodul 3a, 3b, 3n und über einen Bustreiber 4a, 4b, 4n, der über eine Gleichtaktdrossel 5a, 5b, 5n an den Datenbus 7 angeschlossen ist. Die Kommunikationsteilnehmer 1a und 1b verfügen zusätzlich noch über ein Terminierungsnetzwerk 6a, 6b, umfassend beispielsweise mehrere Ohmsche Widerstände R und eine Kapazität C, das zwischen der Gleichtaktdrossel 5a, 5b und dem Datenbus 7 angeordnet ist.
Um ein funktionsfähiges Kommunikationssystem aufbauen zu können, benötigt man neben dem Bustreiber 4 auch das Kommunikationsmodul 3, das im Wesentlichen das in dem Kommunikationssystem verwendete Datenübertragungsprotokoll abarbeitet. Dieses Kommunikationsmodul 3 kann entweder in einem dedizierten Kommunikationsbaustein separat von dem Rechengerät 2 eingebaut (vergleiche 4) oder aber in das Rechengerät 2 integriert sein (vergleiche 5). Auch in den Ausführungsbeispielen der 2 und 3 ist das Kommunikationsmodul 3 in das Rechengerät 2 integriert.
Selbstverständlich kann das Kommunikationsmodul 3 auch in der Ausführungsform der 2 und 3 wie in 4 gezeigt als externes Kommunikationsmodul 3 ausgebildet sein. Die Integration des Kommunikationsmoduls 3 in das Rechengerät 2 ist der typische Fall, wobei das in das Rechengerät 2 integrierte Kommunikationsmodul 3 eine zusätzliche Kommunikationsschnittstelle mit einem Empfangseingang (Rx), einem Sendeausgang (Tx) und einem Sendesteuerausgang (TxEN) des Rechengeräts 2 zur Verfügung stellt. Die zusätzliche Kommunikationsschnittstelle Rx, Tx, TxEN wird neben anderen Schnittstellen des Rechengeräts, zum Beispiel für CAN, SPI oder Ethernet, zur Verfügung gestellt. Jedes Kommunikationsmodul 3, egal ob als internes oder externes Modul 3 ausgebildet, wird zur Anbindung an den Datenbus 7 mit dem Bustreiber 4 verbunden und dieser wiederum optional über die Gleichtaktdrossel 5 und/oder das Terminierungsnetzwerk 6 mit dem Datenbus 7 verbunden.
Auf Grund der Zunahme der notwendigen Aufgaben und Funktionen, welche die einzelnen Steuergeräte 1 erledigen müssen, kann es erforderlich sein, dass in einem Steuergerät 1 mehrere Rechengeräte 2 vorhanden sein müssen. Ein entsprechendes Beispiel eines aus dem Stand der Technik bekannten Steuergeräts 1 mit zwei Rechengeräten 2, 2' ist in 6 dargestellt. Dabei verfügt der Steuergerät 1 über zwei Rechengeräte 2, 2' mit jeweils einem integrierten Kommunikationsmodul 3, 3'. In diesem Fall ist jedes Rechengerät 2, 2' über einen eigenen Bustreiber 4, 4' an den Datenbus 7 angeschlossen. Beide Bustreiber 4, 4' teilen sich eine Gleichtaktdrossel 5 und ein Terminierungsnetzwerk 6, sofern vorhanden.
Die Schnittstellen zwischen einem FlexRay-Kommunikationsmodul 3 und einem Bustreiber-Baustein 4 sind in 8 dargestellt. Sie bestehen aus Signalleitungen und Steuerleitungen. Die Steuerleitungen dienen dazu, den Bustreiber 4 zu aktivieren (Steuerung veranschaulicht durch Pfeil „Ctrl“) und von dem Bustreiber 4 Statusinformationen und Fehlermeldungen anzuholen (Status veranschaulicht durch Pfeil „Stat“). Zudem besitzt bei FlexRay jeder Datenübertragungskanal zwei Signale, um Daten zu versenden (Tx und TxEN) und ein Signal, um Daten zu empfangen (Rx). Das Sendesignal Tx stellt die eigentliche zu sendende Nachricht dar. Das Sendesteuersignal TxEN ist für die Aktivierung eines Ausgangstreibers im Bustreiber 4 zuständig.
Um eine Nachricht über den Datenbus 7 zu versenden, muss das Kommunikationsmodul 3 das Signal TxEN als logische „0“ für die Dauer der Nachricht ausgeben. Dies gilt, wenn - wie im vorliegenden Fall - das Signal TxEN „active low“ ist. Wenn das Signal TxEN „active high“ ist, muss das Kommunikationsmodul 3 das Signal TxEN als logische „1“ für die Dauer der Nachricht ausgeben. Für den Fall, dass das Signal TxEN „active low“ ist, zeigt 9 oben das Nachrichtensignal Tx und unten das Sendesteuersignal TxEN. Wenn das Signal TxEN wieder eine logische „1“ ist, wird der Ausgangstreiber im Bustreiber 4 wieder deaktiviert und andere Busteilnehmer 1 können Nachrichten über den Datenbus 7 senden.
10 zeigt beispielhaft einen erfindungsgemäßen Teilnehmer 1 eines Kommunikationssystems 10 in einer bevorzugten Ausführungsform. Das Kommunikationssystem 10, von dem der dargestellte Teilnehmer 1 ein Teil ist, ist zur Realisierung einer deterministischen Datenübertragung über das Kommunikationsmedium 7 ausgebildet. Das bedeutet, dass die über das Kommunikationsmedium 7 zu übertragenden Daten in festen Zeitschlitzen von sich vorzugsweise in regelmäßigen Abständen wiederholenden Kommunikationszyklen zu vorgegebenen Zeitpunkten übertragen werden. Der erfindungsgemäße Teilnehmer 1 umfasst in der in Figur gezeigten Ausführungsform 2 zwei separate Rechengeräte 2, 2', die wahlweise Daten zum Senden über das Kommunikationsmedium 7 zur Verfügung stellen und/oder über das Kommunikationsmedium 7 empfangene Daten verarbeiten. Die Kommunikationsmodule 3, 3', die in 10 als integraler Bestandteil der Rechengeräte 2, 2' dargestellt sind, können selbstverständlich auch als externe Kommunikationsmodule 3, 3' ausgebildet sein, wie dies beispielsweise in 4 gezeigt ist.
Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Kommunikationsmodule 3, 3' lediglich einen gemeinsamen Bustreiber 4 für die Datenübertragung über das Kommunikationsmedium 7 nutzen. Der Bustreiber 4 ist in dem in 10 gezeigten Ausführungsbeispiel über eine Gleichtaktdrossel 5 sowie ein Terminierungsnetzwerk 6 an das Kommunikationsmedium 7 angeschlossen. Es ist denkbar, dass auf den Einsatz der Gleichtaktdrossel 5 und/oder das Terminierungsnetzwerk 6 verzichtet wird.
Die FlexRay-Protokollspezifikation ist ein Kommunikationsprotokoll, das zur Realisierung einer deterministischen Datenübertragung geeignet ist. FlexRay besitzt ein deterministisches Zeitverhalten, das heißt jeder Kommunikationsteilnehmer 1 des Kommunikationssystems 10 weiß genau, wann er Daten über den Datenbus 7 senden kann. Diese Sendezeitpunkte werden für jedes Steuergerät 1 während der Projekt-Planungsphase festgelegt und fest in die Software des Steuergeräts 1 programmiert (sogenannte Cluster Konfiguration). 7 zeigt beispielhaft eine Cluster Konfiguration für ein Kommunikationssystem 10 mit drei Steuergeräten ECU1, ECU2, ECU3. In 7 ist genau dargestellt, wann die einzelnen Steuergeräte ECU1, ECU2, ECU3 jeweils auf den Datenbus 7 zum Zwecke einer Datenübermittlung zugreifen dürfen. Ein Steuergerät ECU1, ECU2, ECU3 darf zum Zwecke der Datenübertragung auf den Datenbus 7 zugreifen, wenn das entsprechende Sendesteuersignal TxEN1, TxEN2, TxEN3 eine logische „0“ hat. Es ist deutlich zu erkennen, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt immer nur eines der TxEN-Steuersignale auf logisch „0“ liegt und damit dem entsprechenden Steuergerät 1 das Senden von Daten ermöglicht.
Bei einem FlexRay-Bussystem 10 muss verhindert werden, dass zwei Kommunikationsteilnehmer 1 gleichzeitig versuchen, Daten über den Datenbus 7 zu versenden, da FlexRay während des Normalbetriebs, das heißt außerhalb einer Wake-up- und/oder Start-up-Phase, ein kollisionsfreies Kommunikationssystem ist. Die FlexRay-Protokollspezifikation stellt dies sicher. Eine Verletzung dieser Vorgabe würde dazu führen, dass über den FlexRay-Datenbus 7 keine oder nur teilweise Daten übertragen werden können.
Da durch die Cluster Konfiguration sichergestellt ist, dass zu keinem Zeitpunkt zwei oder mehr Steuergeräte 1 gleichzeitig senden, kann das Steuersignal TxEN eines primären FlexRay-Kommunikationsmoduls, wie beispielsweise des Kommunikationsmoduls 3 in 10, benutzt werden, um den Zugriff eines zweiten (sekundären) Kommunikationsmoduls, wie beispielsweise des Kommunikationsmoduls 3' in 10, auf den einzigen vorhandenen Bustreiber 4 zu steuern. In 10 ist ein Beispiel einer entsprechenden Schaltung zur Realisierung der Erfindung dargestellt. Zwischen den Kommunikationsmodulen 3, 3' und dem Bustreiber 4 ist ein Schaltelement 8 angeordnet, das in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als ein Multiplexer MUX ausgebildet ist. Das Schaltelement 8 wird zwischen dem Bustreiber 4 und den beiden Kommunikationsmodulen 3, 3' geschaltet und sorgt dafür, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt jeweils nur ein einziges der Kommunikationsmodule 3, 3' auf den Bustreiber 4 zugreifen und Daten über den Datenbus 7 senden kann. Das Schaltelement 8 wird durch ein Ansteuersignal, das beispielsweise als das TxEN-Steuersignal des primären Kommunikationsmoduls 3 ausgebildet ist, gesteuert. Dadurch wird sichergestellt, dass das sekundäre Kommunikationsmodul 3' zu denjenigen Zeitpunkten, zu denen das primäre Modul 3 nicht sendet, den Bustreiber 4 zum Versenden von Nachrichten nutzen kann.
In einer weiteren Ausführungsform, die in 12 dargestellt ist, ist das Schaltelement 8 integraler Bestandteil des Bustreibers (Transceivers) 4. Über einen derart ausgestalteten Bustreiber 4 können also mehrere Kommunikationsmodule 3, 3' des Teilnehmers 1 an den Datenbus 7 angeschlossen werden. Dadurch kann die Anzahl der in dem Teilnehmer 1 erforderlichen Bustreiber 4 reduziert werden, was Platz spart und Kosten senkt. Auch bei dieser Ausführungsform kann das Schaltelement 8 als ein Multiplexer (MUX) ausgebildet sein und funktioniert wie oben beschrieben. Der Bustreiber 4 mit integriertem Schaltelement 8 kann als integrale Einheit von Halbleiterherstellern hergestellt und vertrieben werden. Die Integration des Schaltelements 8 auf dem Bustreiber 4 bedarf keines großen zusätzlichen Platzbedarfs und kann mit geringem Aufwand und geringen Kosten realisiert werden. Für die integrierte Variante benötigt der Transceiver 4 nur zwei Pins mehr, um zwei Mikrocontroller 2, 2' unterstützen zu können. Der Bustreiber 4 mit integriertem Schaltelement 8 ist als integrale Einheit handhabbar, sodass auch bei der Fertigung des Teilnehmers 1 kein zusätzlicher Handhabungsaufwand für zusätzliche Komponenten, wie das bei einem separat von dem Bustreiber 4 ausgebildeten Schaltelement 8 der Fall wäre, entsteht.
11 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Schaltelements 8 in Form eines Multiplexer-Bausteins, der die Umschaltung zwischen den beiden Kommunikationsmodulen 3, 3' vornehmen kann. Ein Select-Eingang des Multiplexers 8 wird dabei durch das Steuersignal TxEN1 des primären Kommunikationsmoduls 3 gesteuert.
Während einer Wake-up- und/oder Start-up-Phase kann es in dem Kommunikationssystem 10 ausnahmsweise zu Kollisionen der über den Datenbus 7 übermittelten Nachrichten kommen. Aus diesem Grund ist das sekundäre Kommunikationsmodul 3' vorzugsweise kein sogenannter Cold Starter. Ferner sendet das sekundäre Kommunikationsmodul 3' vorzugsweise auch keine Wake-up-Botschaften. Diese Einschränkungen haben jedoch keine Auswirkung auf die Funktionsfähigkeit des erfindungsgemäßen Teilnehmers 1, da in einem Steuergerät mit zwei FlexRay-Kommunikationsmodulen 3, 3' in der Regel nicht beide Module Cold Starter sein werden, und das Aufwecken des Clusters kann ebenfalls von dem primären Kommunikationsmodul 3 übernommen werden.

Claims

Teilnehmerstation (1) eines Kommunikationssystems (10), das zur Realisierung einer deterministischen Datenübertragung über ein Kommunikationsmedium (7) des Kommunikationssystems (10) ausgebildet ist, wobei die Teilnehmerstation (1) mehrere separate Rechengeräte (2, 2') und mehrere den Rechengeräten (2, 2') jeweils zugeordnete Kommunikationsmodule (3, 3') aufweist wobei das Kommunikationssystem (10) als Datenbus eines Fahrzeugs ausgestaltet ist und wobei die Teilnehmerstation (1) als ein Steuergerät, ein Sensor oder ein Aktor eines Fahrzeugs ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationsmodule (3, 3') über einen gemeinsamen Bustreiber (4) der Teilnehmerstation (1) an das Kommunikationsmedium (7) angeschlossen sind.
Teilnehmerstation (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Kommunikationsmodule (3; 3') jeweils integraler Bestandteil derjenigen Rechengeräte (2, 2') sind, denen sie jeweils zugeordnet sind.
Teilnehmerstation (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Kommunikationsmodule (3; 3') jeweils separat von denjenigen Rechengeräten (2, 2') ausgebildet sind, denen sie jeweils zugeordnet sind.
Teilnehmerstation (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Sendeleitung des Bustreibers (4) mittelbar über ein Schaltelement (8) mit Sendeausgängen (Tx) der Kommunikationsmodule (3, 3') in Verbindung steht, wobei an den Sendeausgängen (Tx) die über das Kommunikationsmedium (7) zu sendenden Daten der Rechengeräte (2, 2') anliegen.
Teilnehmerstation (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (8) als ein Multiplexer ausgebildet ist.
Teilnehmerstation (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Schaltelement (8) mindestens ein Aktivierungssignal anliegt, welches zu einem bestimmten Zeitpunkt die Tätigkeit des Bustreibers (4) jeweils einem der Kommunikationsmodule (3; 3') zuweist.
Teilnehmerstation (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Aktivierungssignal das Schaltelement (8) derart steuert, dass die Tätigkeit des Bustreibers (4) dem jeweils sendenden Kommunikationsmodul (3; 3') der Teilnehmerstation (1) zugewiesen ist.
Teilnehmerstation (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Kommunikationsmodule (3) das Aktivierungssignal erzeugt.
Teilnehmerstation (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivierungssignal eines Kommunikationsmoduls (3) ein Transmit-Enable (TxEN)-Signal des Kommunikationsmoduls (3) ist.
Teilnehmerstation (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kommunikationsmedium (7) als ein FlexRay-Bus ausgebildet ist, wobei die Daten über das Kommunikationsmedium (7) nach einer FlexRay-Protokollspezifikation übertragen werden.
Verfahren zur deterministischen Übertragung von Daten über ein Kommunikationsmedium (7) eines Kommunikationssystems (10), wobei die zu übertragenden Daten von mehreren separaten Rechengeräten (2, 2') einer Teilnehmerstation (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Verfügung gestellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Rechengeräten (2, 2') zur Verfügung gestellten Daten über den Rechengeräten (2, 2') jeweils zugeordnete Kommunikationsmodule (3, 3') zur Datenübertragung über einen gemeinsamen Bustreiber (4) für alle Kommunikationsmodule (3, 3') der Teilnehmerstation (1) an das Kommunikationsmedium (7) angelegt werden.
Netzwerktreiber (4) zum Anschluss von mindestens zwei Kommunikationsmodulen (3, 3') einer Teilnehmerstation (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 an das Kommunikationsmedium (7), wobei das Kommunikationssystem (10) zur Realisierung einer deterministischen Datenübertragung über das Kommunikationsmedium (7) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Bustreiber (4) ein Schaltelement (8) aufweist, an das Sendeausgänge (Tx, TxEN) von mehreren Kommunikationsmodulen (3, 3') der Teilnehmerstation (1) angeschlossen sind, um die Tätigkeit des Bustreibers (4) dem jeweils sendenden Kommunikationsmodul (3, 3') zuzuweisen.