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Die
Erfindung betrifft ein elektronisches Netzwerk, insbesondere zum
Einsatz in Kraftfahrzeugen, gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Zahlreiche
Funktionen in komplexen technischen Produkten und Anlagen, insbesondere
im modernen Kraftfahrzeug, basieren heute auf elektronischen Komponenten,
Schaltkreisen bzw. Baugruppen. Beim Kraftfahrzeug gehören hierzu
beispielsweise, jedoch keineswegs ausschließlich, Systeme wie die Klimasteuerung,
Radio-, Unterhaltungselektronik- und
Navigationssysteme, Motor- und Getriebesteuerung, Armaturensysteme,
Bedienelemente und Sitzsysteme, aber auch Fahrerassistenzsysteme, X-by-wire-Technologien
sowie Sicherheits- und Fahrdynamiksysteme, wie beispielsweise Airbag,
ABS, ASR, ESP u.a.
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Die
einzelnen Komponenten, Baugruppen, Bedienelemente sowie insbesondere
Sensoren und Aktuatoren dieser elektronischen Systeme sind dabei jedoch
räumlich über das
gesamte Fahrzeug verteilt. Sensoren und Aktuatoren befinden sich
häufig
näher an
der Peripherie des Fahrzeugs, während
die elektronischen Steuergeräte
beispielsweise im Bereich des Motorraums, im Fahrzeugheck bzw. an
anderen Stellen in der Fahrzeugkarosserie oder des Fahrzeugbodens
angeordnet sind. Die Bedienelemente wiederum sind zum größten Teil
in Griffreichweite des Fahrers angeordnet. Dieser räumliche
Bereich umfasst jedoch nicht nur Lenkrad und Armaturenbrett, sondern
auch Teile des Dachbereichs, Teile der Türverkleidung sowie die Fahrzeugsitze.
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Zur
Verbindung und Datenübermittlung
zwischen den zahlreichen, über
das gesamte Fahrzeug verteilten elektrischen und elektronischen
Baugruppen ist es im Stand der Technik bereits bekannt, an Stelle
von stern- bzw.
baumförmigen
Einzelverkabelungen Datenbusse zu verwenden, die sämtliche oder
einen Großteil
der elektronischen Baugruppen mit nur wenigen bzw. mit lediglich
einer einzigen, offen oder geschlossen ringförmigen Datenleitung miteinander
verbinden. Hierdurch werden bereits erhebliche Mengen an Kabelmaterial
und die zugehörige Kabelkonfektionierung
komplett eingespart, was nicht zu unterschätzende Gewichts- und Kostenvorteile
sowie Verbesserungen bei der Sicherheit wegen des Wegfalls zahlreicher
anfälliger
Steckverbindungen mit sich bringt.
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Dennoch
sind die einzelnen Fahrzeugfunktionen zum größten Teil nach wie vor voneinander
getrennt in unterschiedlichen Baugruppen bzw. Steuergeräten des
Kraftfahrzeugs repräsentiert
bzw. werden von verteilt angeordneten Steuergeräten aus gesteuert. Zwar kann
die Datenkommunikation zwischen den verschiedenen elektronischen
Baugruppen bzw. Steuergeräten
eines Kraftfahrzeugs über den
bereits bekannten Datenbus erfolgen. Es lassen sich jedoch nicht
alle elektronischen Baugruppen eines Kraftfahrzeugs mittelbar oder
unmittelbar an einen Datenbus anschließen.
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Beispielsweise,
jedoch keineswegs ausschließlich,
gilt dies für
passive Bauelemente, wie zum Beispiel Sensoren, oder auch für Bauelemente mit
höherer
Leistungsanforderung, wie zum Beispiel Elektromotoren, Hyd raulikventile
oder andere Aktuatorelemente. Teilweise sprechen auch Sicherheits- oder
hohe Echtzeitanforderungen gegen eine Anbindung von elektronischen
Bauelementen oder Baugruppen an zugehörige Steuergeräte über einen
Datenbus.
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Dies
führt im
Stand der Technik jedoch dazu, dass insbesondere die über das
Fahrzeug verteilten Aktuatoren und Sensoren quer durch das gesamte Fahrzeug
mit ihren jeweils zugeordneten Steuergeräten verdrahtet werden müssen. Die
hierzu notwendigen Leitungsverbindungen sind lang und bringen daher
ein hohes Gewicht mit sich. Zudem müssen solche Leitungen aus montagetechnischen
Gründen häufig über eine
oder mehrere Trennstellen geführt werden,
was die Kosten für
die Kabelkonfektionierung sowie die Anfälligkeit gegenüber Leitungsunterbrechungen
zusätzlich
erhöht.
Solche Kabelsätze müssen zudem
aufgrund ihres komplizierten Aufbaus und aufgrund ihrer großen Länge häufig unter
hohen Kosten manuell gefertigt werden.
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Die
Repräsentation
verschiedener Fahrzeugfunktionen in einzelnen, voneinander separaten Steuergeräten führt zudem
dazu, dass insbesondere für
sicherheitsrelevante Fahrzeugfunktionen häufig noch eine mechanische
Rückfallebene
vorgehalten werden muss, falls das für die Funktion verantwortliche
Steuergerät
ausfällt
oder beschädigt
wird. Dies lässt
sich auch nicht dadurch umgehen, dass die Signalverarbeitung gemäß dem Stand
der Technik in einem solchen Steuergerät zur Erhöhung der Sicherheit mehrfach
redundant erfolgt, da sowohl bei Fehlern in der Signalverarbeitung
als auch bei Beschädigungen
des Steuergeräts
das gesamte Steuergerät stillgelegt
werden muss bzw. ausfällt.
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Mit
diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein Netzwerk für
komplexe technische Produkte und Anlagen, insbesondere für Kraftfahrzeuge,
zu schaffen, das die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik überwindet. Insbesondere
soll das elektronische Netzwerk eine wesentliche Verringerung des
Aufwands für
die Verkabelung beispielsweise von verteilt angeordneten Sensoren
und Aktuatoren ermöglichen.
Zudem soll mit dem Netzwerk die Flexibilität bei Konzeption und Ausführung insbesondere
von Fahrzeugnetzwerken sowie bei der Realisierung neuer Fahrzeugfunktionen
erhöht
werden, und es soll die Integrierbarkeit sowohl komfortorientierter
als auch sicherheitsrelevanter Fahrzeugfunktionen in das Netzwerk
verbessert werden.
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Diese
Aufgabe wird durch ein elektronisches Netzwerk nach der Lehre des
Patentanspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das
erfindungsgemäße Netzwerk
umfasst in an sich zunächst
bekannter Weise mehrere Sensoren und/oder Aktuatoren, mehrere digitale
Steuergeräte
sowie zumindest einen Datenbus. In einem solchen multifunktionalen
Netzwerk lassen sich unterschiedliche Fahrzeugfunktionen abbilden
bzw. ausführen,
wobei die Funktionen von den Steuergeräten des Netzwerks gesteuert
werden. Dabei entstammen Eingabewerte für die jeweiligen Fahrzeugfunktionen den
mit dem Netzwerk bzw. mit den Steuergeräten verbundenen Sensoren, und
die Aktuatoren sind für die
Umsetzung der von den Steuergeräten
abgegebenen Befehle verantwortlich.
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Erfindungsgemäß zeichnet
sich das Netzwerk jedoch dadurch aus, dass jeder Sensor bzw. Aktuator
mit demjenigen Steuergerät
verbunden ist, das dem Sensor bzw. Aktuator räumlich am nächsten liegt, wobei die Steuergeräte über den
Datenbus untereinander verbunden sind.
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Dies
bedeutet mit anderen Worten, dass die Sensoren bzw. Aktuatoren mittels
kürzestmöglicher Leitungen
an das Netzwerk angeschlossen werden können, was Gewicht sowie erhebliche
Kosten einspart. Zudem können
die dann wesentlich kürzeren bzw.
kompakteren Kabelsätze
aus der bisher oft notwendigen manuellen Fertigung herausgenommen und
automatisch hergestellt werden, was zusätzliche Kosten einspart.
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Aufgrund
der Verbindung der Sensoren bzw. Aktuatoren mit dem jeweils nächstliegenden
Steuergerät
erfolgt die unmittelbare Auswertung der Sensorsignale bzw. die unmittelbare
Leistungsansteuerung der Aktuatoren nicht mehr über ein einziges, dem jeweiligen
Sensor bzw. Aktuator funktionsbezogen zugeordnetes Steuergerät, in dem
auch die Signalverarbeitung in Bezug auf die jeweilige Fahrzeugfunktion
erfolgt. Vielmehr wird die Abbildung bzw. Zuordnung einzelner Fahrzeugfunktionen
von den einzelnen Steuergeräten
gelöst
und über
das gesamte Netzwerk verteilt.
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So
erfolgt beispielsweise durch eines der Steuergeräte des Netzwerks die erste
Auswertung bzw. Umwandlung der Signale eines oder mehrerer Sensoren,
wobei diese mehreren Sensoren durchaus unterschiedlichen Fahrzeugfunktionen
zugeordnet sein können. Über den
Datenbus werden die ausgewerteten bzw. umgewandelten Sensorsignale
sodann zu einem oder mehreren anderen Steuergeräten im Netzwerk weitergeleitet,
wo funktionsbezogen die Verarbeitung der Signale stattfindet. Wiederum über den
Datenbus werden die Ergebnisse der Signalverarbeitung anschließend an
eines oder mehrere andere Steuergeräte weitergeleitet. Von diesen
weiteren Steuergeräten
aus, mit denen funktionsunabhängig
wiederum alle räumlich
jeweils naheliegenden Aktuatoren verbunden sind, werden sodann die zur
jeweiligen Fahrzeugfunktion gehörenden
Aktuatoren ausgelöst
bzw. angesteuert.
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Somit
erlaubt es die Erfindung, auch die bisher separat quer durch das
Fahrzeug verkabelten Bauelemente, wie insbesondere Sensoren oder
Aktuatoren, mittels kürzestmöglicher
Leitungsverbindungen an die Steuergeräte bzw. an das Datenbussystem
des Netzwerks anzuschließen,
was den Verkabelungsaufwand sowie die damit verbundenen hohen Kosten
ganz erheblich zu verringern vermag. Ferner lässt sich auf Grund des damit
wesentlich vereinfachten Netzwerklayouts die Ausfallsicherheit und Zuverlässigkeit
des gesamten Kraftfahrzeug-Netzwerks und der darin realisierten
Kraftfahrzeugfunktionen erheblich steigern.
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Für die Erfindung
ist es zunächst
nicht von Bedeutung, von welcher Art und Ausführung der die Steuergeräte verbindende
Datenbus ist. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung jedoch sind die Steuergeräte mit mehreren Datenbussen
bzw. mit einem Parallel-Datenbus
untereinander verbunden. Die so geschaffene Redundanz der Kommunikation
innerhalb des Netzwerks ist insbesondere vorteilhaft in Bezug auf
die Ausfallsicherheit des Netzwerks. Denn auf diese Weise steht
mehr als nur ein einziger Datenweg zur Übermittlung der Daten zwischen
den Steuergeräten
zur Verfügung,
falls einer der Datenbusse bzw. einer der Wege des Datenbusses ausfallen
oder beschädigt
werden sollte.
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Insbesondere
für Funktionen
mit hohen Anforderungen an die Reaktionsgeschwindigkeit bzw. für sicherheitskritische
Fahrzeugfunktionen mit Echtzeitanforderung ist es vorteilhaft, wie
dies eine weitere Ausführungsform
der Erfindung vorsieht, wenn die Steuergeräte des Netzwerks mit einem
Echtzeit-Datenbus, beispielsweise einem sogenannten TTC (Time Triggered
Communication)-Datenbus miteinander verbunden sind. In einem TTC-Datenbus
wird bestimmten, beispielsweise sicherheitsrelevanten Funktionen
zugeordneten, Datenpaketen besonders hohe Priorität bei der Übermittlung
eingeräumt,
bzw. es wird diesen Daten ein zu vorhersagbaren Zeiten regelmäßig wiederkehrendes Übertragungszeitfenster
zugeordnet.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ist jedem der Steuergeräte im Netzwerk eine bestimmte
Fahrzeugfunktion zugeordnet. Aufgrund der Anbindung der Sensoren
bzw. Aktuatoren, die erfindungsgemäß nicht mehr zwangsweise an
einem bestimmten Steuergerät
erfolgen muss, sondern vielmehr an einem beliebigen Steuergerät erfolgen
kann, besteht dabei die konstruktive Freiheit, eine Fahrzeugfunktion
jeweils einem beliebigen Steuergerät zuordnen zu können, ohne
dass die zugehörigen Sensoren
bzw. Aktuatoren direkt mit diesem Steuergerät verbunden werden müssten.
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Gemäß einer
weiteren, bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind einem Steuergerät des Kraftfahrzeug-Netzwerks
mehrere oder sogar alle Fahrzeugfunktionen des Netzwerks zugeordnet.
Dies bedeutet mit anderen Worten, dass nicht mehr für jede Fahrzeugfunktion
ein eigenes Steuergerät
benötigt
wird, da in einem Steuergerät
mehrere Funktionen implementiert sein können.
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Dies
gilt insbesondere, jedoch keineswegs ausschließlich, auch für sicherheitsrelevante
Fahrzeugfunktionen wie beispielsweise Airbag oder ABS, die bisher
stets in separaten, eigenständigen
Steuergeräten
untergebracht waren. Eine Unterbringung auch mehrerer solcher sicherheitsrelevanter
Funktionen in einem einzigen Steuergerät wird insbesondere durch die
erfindungsgemäße Möglichkeit
erleichtert, Sensoren bzw. Aktuatoren nicht mehr zwangsläufig mit
dem funktionsbezogen zugeordneten Steuergerät verbinden zu müssen, sondern
vielmehr mit einem beliebigen, insbesondere mit dem jeweils räumlich nächstliegenden,
Steuergerät
verbinden zu können.
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Gemäß einer
weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung findet
ein Datenaustausch zwischen den die verschiedenen Fahrzeugfunktionen
abbildenden Steuergeräten
dergestalt statt, dass eine direkte Beeinflussung der verschiedenen
Fahrzeugfunktionen untereinander erfolgen kann. Dies ist insofern
vorteilhaft, als auf diese Weise eine besonders wirksame Abstimmung
der verschiedenen Fahrzeugfunktionen untereinander vorgenommen werden
kann, was bei zunehmender Komplexität der in Kraftfahrzeugen verwirklichten elektronischen
Funktionen immer häufiger
notwendig ist.
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Insbesondere
gilt dies für
die sogenannten Fahrerassistenzsysteme, zu denen man bereits Fahrsicherheitssysteme
wie ABS, ASR und ESP zählen
kann, wozu jedoch insbesondere hochentwickelte intelligente Systeme
wie elektrohydraulische Bremse, adaptiver Tempomat, Kollisionsvermeidung, Objektverfolgung
und Fahrzeugführungsaufgaben einschließlich X-by-Wire
gehören.
Bei solchen Systemen ist es häufig erforderlich,
dass die Messwerte unterschiedlichster Sensoren am Fahrzeug miteinander
kombiniert werden, um der auswertenden Elektronik eine möglichst
breite Datenbasis für
anstehende Entscheidungen zur Verfügung zu stellen.
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Dies
bedeutet, dass hochentwickelte Fahrzeugfunktionen wie insbesondere
Fahrerassistenzsysteme darauf angewiesen sind, dass ein intensiver Datenaustausch
zwischen den für
einzelne Fahrzeugfunktionen bzw. für einfachere Fahrzeugfunktionen
zuständigen
Schaltkreisen bzw. Baugruppen erfolgt. Besonders einfach und vorteilhaft
lässt sich
die gegenseitige Beeinflussung verschiedener Fahrzeugfunktionen
dann realisieren, wenn die verschiedenen Fahrzeugfunktionen bereits
in ein und demselben Steuergerät
abgebildet sind, wie dies gemäß einer
weiter oben bereits ausgeführten
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung der Fall ist.
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Gemäß einer
weiteren, ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
zumindest eine der Fahrzeugfunktionen in mehr als einem Steuergerät abgebildet.
Dabei handelt es sich vorzugsweise um eine sicherheitskritische
Fahrzeugfunktion. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass mittels räumlich verteilter
Redundanz bei der Informationsverarbeitung eine besonders hohe Sicherheit,
Zuverlässigkeit
und Ausfallsicherheit der betreffenden Fahrzeugfunktion erreicht
werden kann.
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Auch
gegenüber
der bereits bekannten redundanten Verarbeitung innerhalb eines einzigen Steuergeräts, die
im Stand der Technik insbesondere bei sicherheitsrelevanten Fahrzeugfunktionen
wie ABS oder Airbag bereits angewandt wird, ist diese räumlich verteilte
Redundanz der Verarbeitung äußerst vorteilhaft.
Denn neben der gleichzeitigen parallelen Verarbeitung derselben
Signale durch zwei unterschiedliche Baugruppen bzw. Schaltkreise,
die beispielsweise Plausibilitätskontrolle
der Eingangssignale, Signalverarbeitung und Identitätsvergleich
der Ausgangssignale umfassen kann, kommt bei dieser Ausführungsform
der Erfindung noch hinzu, dass diese parallele Verarbeitung in zwei
räum lich
voneinander getrennten Steuergeräten
erfolgt, was einer vollständigen
Systemredundanz gleichkommt.
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Denn
bei Ausfall oder Beschädigung
eines Steuergeräts
kann die entsprechende Fahrzeugfunktion von dem zweiten Steuergerät, in dem
dieselbe Fahrzeugfunktion nochmals abgebildet ist, übernommen
bzw. weitergeführt
werden. Da dieses zweite Steuergerät dank der Erfindung an beliebiger
anderer Stelle im Kraftfahrzeug als das erste Steuergerät untergebracht
werden kann, wird eine besonders hohe Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit
erreicht, da dann eine gleichzeitige Beschädigung beider Steuergeräte statistisch
so gut wie ausgeschlossen ist.
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Dies
führt im
Unterschied zum Stand der Technik dazu, dass u.U. die heute noch
notwendige mechanische Rückfallebene
für sicherheitsrelevante Funktionen
entfallen kann, was mit entscheidend für die Verwirklichung hochentwickelter
X-by-Wire-Systeme, wie beispielsweise Drive- bzw. Steer-by-Wire oder Brake-by-Wire,
ist. Der so ermöglichte
Wegfall umfangreicher mechanischer Systeme führt zu weiteren erheblichen
Kosten- und Gewichtseinsparungen am Kraftfahrzeug.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist zumindest ein Sensor bzw. Aktuator mit mehr als
einem Steuergerät
verbunden. Diese sogenannte verteilte Redundanz der Signale führt ebenfalls
zu einer besonders hohen Fehler- und Ausfallsicherheit des jeweiligen
Systems, da die Aufnahme und Auswertung bzw. Plausibilitätskontrolle
der Signale durch zwei vollkommen eigenständige, insbesondere auch räumlich voneinander
getrennte, Steuergeräte
erfolgen kann. Die Verwirklichung dieser Ausführungsform ist unabhängig davon,
ob auch die weitere Signalverarbeitung in unterschiedlichen Steuergeräten erfolgt.
Unabhängig davon
wird eine solche verteilte Redundanz der Signale erst durch die
erfindungsgemäße Anbindung
der Sensoren bzw. Aktuatoren an beliebigen Steuergeräten ermöglicht.
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Nach
einer weiteren, ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt
die zumindest einem Sensor bzw. Aktuator zugeordnete Signalauswertung
und -Verarbeitung im zugehörigen
Steuergerät
mehrfach parallel. Diese gebündelte
Redundanz kann unabhängig
von der obenstehenden verteilten Redundanz der Signale oder aber
zusätzlich
dazu verwirklicht sein. Letzteres führt dann zu einer besonders
hohen Fehlersicherheit bei der betreffenden Fahrzeugfunktion.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist zumindest ein Sensor bzw. Aktuator mehrfach vorhanden.
Ist dieser mehrfach, beispielsweise doppelt, vorhandene Sensor oder
Aktuator mit unterschiedlichen Steuergeräten verbunden, so wird dabei
eine doppelte räumlich
verteilte Redundanz der Signalauswertung bzw. Signalverarbeitung
erzielt. Wird der doppelt vorhandene Sensor mit ein und demselben
Steuergerät
verbunden, so entsteht eine doppelte räumlich gebündelte Redundanz der Signalauswertung
bzw. Signalverarbeitung.
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Der
interne Aufbau der verschiedenen Steuergeräte des elektronischen Netzwerks
ist zunächst unerheblich
für die
Verwirklichung der Erfindung. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung erfolgt jedoch die Signalverarbeitung in den Steuergeräten mittels
eines Schichtenmodells. Das Schichtenmodell umfasst dabei eine Hardware-Schicht,
eine Hardware Abstraction Layer-Schicht (HAL), eine Middleware-Schicht bzw. Treiberschicht
und eine Anwendungsschicht. Dieser Schichtenaufbau bei der Signalverarbeitung
in den Steuergeräten
ist insofern vorteilhaft, als es auf diese Weise möglich wird,
dass funktionsspezifische Applikationssoftware auf jedem der Steuergeräte laufen kann,
auch wenn unterschiedliche Steuergeräte abgesehen von dem Schichtenmodell
unterschiedliche Eigenschaften aufweisen bzw. unterschiedlich aufgebaut
sind.
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Gemäß einer
weiteren, bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung erfolgt dabei die Kommunikation zwischen Middleware-Schicht
bzw. Treiberschicht und Anwendungsschicht über eine Standard-Anwendungs schnittstelle
(Standard-API). Dies führt
dazu, dass eine noch größere Standardisierung und
Hardwareunabhängigkeit
der Fahrzeugfunktionen bzw. der die Fahrzeugfunktionen abbildenden Applikationssoftware
erreicht wird.
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Ebenfalls
für die
Verwirklichung der Erfindung zunächst
unerheblich ist die Art und Weise der Leistungsabsicherung der Steuergeräte. So kann
die Leistungsabsicherung beispielsweise durch separate und zentral
angeordnete Sicherungen für
alle Steuergeräte
erfolgen. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung erfolgt jedoch die Leistungsabsicherung durch elektronische
Schaltkreise, die im unmittelbaren Bereich des jeweiligen Steuergeräts bzw.
im jeweiligen Steuergerät
selbst angeordnet sind. Besonders bevorzugt sind dabei die Schaltkreise
zur Leistungsabsicherung ferngesteuert über den Datenbus rückstellbar.
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Dies
bedeutet mit anderen Worten, dass bei konsequenter Umsetzung der
Zuordnung der Leistungsabsicherung zu den jeweils abzusichernden Geräten sogar
der bisher stets notwendige separate Sicherungskasten entfallen
kann, wodurch wiederum Bauraum, Gewicht und Kosten eingespart werden. Außerdem entfällt damit
auch das aufwändige
Austauschen durchgeschmolzener Leistungssicherungen, da die im jeweiligen
Gerät angeordneten
elektronischen Schaltkreise zur Leistungsabsicherung durch entsprechenden
Datenbefehl rückgesetzt
werden können,
ohne dass Bauteile ausgetauscht werden müssten.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand lediglich Ausführungsbeispiele
darstellender Zeichnungen näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 in
schematischer Darstellung ein multifunktionales Kraftfahrzeug-Netzwerk
gemäß dem Stand
der Technik mit mehreren Steuergeräten, in Draufsicht auf das
Kraftfahrzeug;
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2 in
einer 1 entsprechenden Darstellung eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Netzwerks mit räumlich verteilten
Funktionen;
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3 in
schematischer Darstellung die Steuergeräte des bekannten Kraftfahrzeug-Netzwerks
gemäß 1;
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4 in
einer 3 entsprechenden Darstellung die Steuergeräte des Kraftfahrzeug-Netzwerks
gemäß 2;
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5 ein
Funktionsschema einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Netzwerks
ohne Redundanzen; und
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6 ein
Funktionsschema einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Netzwerks
mit verschiedenen Redundanzen.
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1 zeigt
in einer höchst
schematischen Darstellung ein Kraftfahrzeug 1 gemäß dem Stand der
Technik in der Draufsicht, mit einem im Kraftfahrzeug installierten
elektronischen Netzwerk. Die vier Räder 2 des Kraftfahrzeugs
sind schematisch angedeutet. Das elektronische Netzwerk umfasst
eine Anzahl von Steuergeräten 3,
die mittels einzelner Leitungsverbindungen 4 mit Sensoren 5 bzw.
Aktuatoren 5 verbunden sind. Die Sensoren bzw. Aktuatoren 5 sind
zum Teil im Bereich der Räder 2 bzw.
Radaufhängungen
angeordnet, befinden sich zum Teil aber auch in peripheren Bereichen
der Karosserie 6. Einige der Steuergeräte 3 sind mittels
eines fett strichliert angedeuteten Datenbusses 7 untereinander
verbunden.
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Man
erkennt, dass die dem jeweiligen Steuergerät 3 funktionsbezogen
zugeordneten Sensoren 5 bzw. Aktuatoren 5 jeweils
mittels eigener Leitungen 4 mit dem zugehörigen Steuergerät 3 verbunden
werden müssen,
wobei ein Teil der Leitungen 4 notwendigerweise quer durch
das gesamte Fahrzeug 1 verläuft. Bei den Steuergeräten 3 kann
es sich, um ein Beispiel zu nennen, um Steuergeräte 3 für ABS, Airbag
und Luftfederung handeln, die jeweils mit den für diese Funktionen notwendigen
Sensoren 5 und/oder Aktuatoren 5 verbunden sind.
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Wie
eingangs beschrieben, bringt die nach diesem Stand der Technik notwendige
Verkabelung 4 zwischen Sensoren bzw. Aktuatoren 5 und
den zugeordneten Steuergeräten 3,
die teilweise quer durch das gesamte Fahrzeug 1 verläuft, erhebliche
Probleme und hohen konstruktiven sowie Fertigungsaufwand mit dementsprechend
hohen Kosten mit sich. Außerdem
ist eine intensive Kommunikationsmöglichkeit zwischen den separaten
Steuergeräten 3,
in denen jeweils nur eine einzige Fahrzeugfunktion abgebildet ist,
nur in beschränktem
Maße gegeben,
soweit die Steuergeräte 3 überhaupt
miteinander vernetzt sind. Eine dergestalt eingeschränkte Kommunikation
zwischen den Steuergeräten 3 ist
jedoch für die
Verwirklichung hochentwickelter Fahrzeugfunktionen, wie beispielsweise
Fahrerassistenzsysteme, nicht mehr ausreichend.
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2 zeigt
in einer 1 entsprechenden Darstellungsweise
wiederum ein höchst
schematisiertes Kraftfahrzeug 8 mit vier Rädern 2 in
der Draufsicht. Das Kraftfahrzeug 8 gemäß 2 soll dabei dieselben
Funktionen, sowie dieselben Sensoren 5 bzw. Aktuatoren 5 wie
das Fahrzeug 1 gemäß 1 aufweisen.
Im Unterschied zu dem Fahrzeug 1 gemäß 1 sind bei
dem Fahrzeug 8 gemäß 2 die
Steuergeräte 9 jedoch
jeweils so nahe wie möglich
an einer Gruppe aus Sensoren 5 bzw. Aktuatoren 5 angeordnet.
Dabei verlaufen die Verbindungen 4 zwischen den einzelnen
Sensoren bzw. Aktuatoren 5 und den Steuergeräten 9 nicht
mehr wie in 1 zum jeweils funktionsbezogen
zugeordneten Steuergerät 3,
sondern orientieren sich vielmehr in Richtung des räumlich am
nächsten
gelegenen Steuergeräts 9.
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Dies
bedeutet mit anderen Worten, dass jedes der Steuergeräte 9 gemäß 2 jeweils
die unmittelbaren Eingabe- bzw. Ausgabeoperationen für sämtliche
in seiner Nähe
angeordneten Sensoren 5 bzw. Aktuatoren 5 übernimmt.
Dies erfolgt unabhängig
davon, ob das jeweilige Steuerge rät 9 überhaupt für diejenigen
Funktionen verantwortlich ist, zu der der mit diesem Steuergerät 9 verbundene
Sensor 5 bzw. Aktuator 5 gehört.
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In
den 3 und 4 sind die Situationen gemäß 1 und 2 in
weiter schematisierter Weise nochmals dargestellt, wobei in der
Darstellung gemäß 3 und 4 der
Schwerpunkt auf der Darstellung der Verteilung der Fahrzeugfunktionen auf
die einzelnen Steuergeräte 3 bzw. 9 liegt.
Dabei zeigt 3 wiederum die Situation gemäß dem Stand
der Technik, während 4 sich
auf eine Ausführungsform
eines Kraftfahrzeug-Netzwerks
gemäß der vorliegenden
Erfindung bezieht.
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In 3 erkennt
man, dass beim Stand der Technik eine rein funktionsbezogene Aufgabenteilung
und Verkabelung zwischen Sensoren 5 bzw. Aktuatoren 5 und
den zugehörigen
Steuergeräten 3 vorherrscht.
Dies bedeutet, dass jedes Steuergerät 3 einzig und allein
für lediglich
eine der verschiedenen Fahrzeugfunktionen x, y, z zuständig ist,
weshalb sämtliche
zu dieser Fahrzeugfunktion gehörenden Sensoren 5 bzw.
Aktuatoren 5 mit diesem Steuergerät 3 verkabelt werden
müssen,
unabhängig
davon, wie weit Sensor 5 bzw. Aktuator 5 und zugehöriges Steuergerät 3 voneinander
entfernt sind. Selbstverständlich
gehen jedoch im Unterschied zu 1 aus der
schematisierten Darstellung der 3 die Entfernungen
zwischen Sensoren 5 bzw. Aktuatoren 5 und dem
jeweils zugehörigen
Steuergerät 3 nicht
hervor.
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4 zeigt
in einer der 3 entsprechenden Darstellungsweise
die Netzwerksituation gemäß 2,
wobei auch hier wieder der Schwerpunkt nicht auf der räumlichen
Verteilung, sondern auf der Darstellung der funktionsbezogenen Aufgabenzuordnung
von Sensoren 5 bzw. Aktuatoren 5 und Steuergeräten 9 liegt.
Man erkennt in 4, dass jedes der Steuergeräte 9 mit
Sensoren 5 bzw. Aktuatoren 5 verbunden ist, die
unterschiedlichsten Fahrzeugfunktionen zugeordnet sind, sich dabei
jedoch gemäß 2 in
räumlicher
Nähe des
jeweiligen Steuergeräts 9 befinden.
Dies bedeutet, dass die Verbindung zwischen Steuergerät 9 und
Sensor 5 bzw. Aktuator 5 vollkommen unabhängig davon
erfolgt, ob die zum jeweiligen Sensor 5 bzw. Aktuator 5 gehörende Fahrzeugfunktion
auch im jeweiligen Steuergerät 9 abgebildet
ist bzw. abgearbeitet wird.
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Dies
wird dadurch erreicht, dass das mit einem Sensor 5 bzw.
Aktuator 5 verbundene Steuergerät 9 zunächst lediglich
die elementaren Eingabe- bzw.
Ausgabeoperationen ausführt,
die für
den jeweils mit dem Steuergerät 9 verbundenen
Sensor 5 bzw. Aktuator 5 erforderlich sind. Die
dabei anfallenden bzw. die hierzu erforderlichen Daten erhält das diese
elementaren Operationen durchführende
Steuergerät 9 von
bzw. sendet sie zu demjenigen Steuergerät 9, in dem die fragliche
Fahrzeugfunktion tatsächlich
abgebildet ist bzw. abgearbeitet wird.
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Es
ist dabei zunächst
unerheblich, wie viele Steuergeräte 9 vorhanden
sind, und ob in jedem Steuergerät 9, ähnlich wie
im Stand der Technik, genau eine Fahrzeugfunktion abgebildet ist.
In der Ausführungsform
gemäß 4 ist
jedoch in einigen der Steuergeräte 9 jeweils
mehr als nur eine Fahrzeugfunktion abgebildet. So erkennt man beispielsweise, dass
in den Steuergeräten 9' und 9'' jeweils drei Fahrzeugfunktionen
x, y, z abgebildet sind, während in
den weiteren Steuergeräten
beispielsweise jeweils eine weitere Fahrzeugfunktion u, v abgebildet
sein kann. Dabei weist die Ausführungsform
gemäß 4 die
zusätzliche
Eigenschaft auf, dass die im Steuergerät 9' abgebildeten Fahrzeugfunktionen
x, y, z identisch auch im Steuergerät 9'' abgebildet
sind.
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Diese äußerst vorteilhafte
Situation, die als räumlich
verteilte Redundanz der Verarbeitung bezeichnet werden kann, wird
erst aufgrund der erfindungsgemäßen Trennung
zwischen räumlicher
und funktionsbezogener Zuordnung von Fahrzeugfunktionen u, v, x,
y, z, Steuergeräten 9 und
Sensoren 5 bzw. Aktuatoren 5 ermöglicht.
Denn da gemäß 4 aufgrund
der Mittlerfunktion der einzelnen Steuergeräte 9 sämtliche
Sensorsignale mittelbar auf dem Datenbus 7 bzw. 7' verfügbar sind
bzw. sämtliche
Aktuatoren 5 mittelbar über
den Datenbus 7 bzw. 7' angesteuert werden können, kann
einerseits die Abarbeitung jeder Fahrzeugfunktion in einem beliebigen Steuergerät 9 erfolgen,
und es kann diese Abarbei tung andererseits auch mehrfach parallel
erfolgen, und zwar im Unterschied zum Stand der Technik insbesondere
auch parallel in verschiedenen Steuergeräten 9.
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Dies
ermöglicht
eine echte Redundanz anstelle der bisher üblichen lediglich doppelten
Verarbeitung in ein und demselben Steuergerät 3, die im Wesentlichen
Kontrollzwecke erfüllte
bzw. dazu diente, das fehlerfreie Arbeiten des jeweiligen Steuergeräts 3 permanent überprüfen zu können. Denn
selbst bei Ausfall oder Zerstörung
eines kompletten Steuergeräts 9' kann dank der
Erfindung die betroffene Fahrzeugfunktion aufgrund ihrer zusätzlichen
Repräsentation
in einem weiteren Steuergerät 9'' weiterhin sichergestellt werden.
Auf diese Weise wird es möglich,
auf die bisher erforderliche mechanische Rückfallebene insbesondere für sicherheitskritische
Funktionen verzichten zu können,
wodurch ganze mechanische Baugruppen, erhebliche Kosten sowie erhebliches
Gewicht am Kraftfahrzeug eingespart werden können.
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Aus
der Darstellung der 4 geht außerdem ein Schichtenmodell
hervor, gemäß dem die
einzelnen Steuergeräte 9 des
Kraftfahrzeug-Netzwerks aufgebaut
sind bzw. arbeiten. Das Schichtenmodell umfasst zeichnungsbezogen
von unten nach oben betrachtet vier Schichten a bis d. Deren Anordnung im
Schichtenmodell beginnt mit der hardwarenahen Schicht a, die die
Eingangs- und Ausgangsschaltungen enthält, welche mit den Sensoren 5 bzw.
Aktuatoren 5 verbunden sind. Es schließt sich der sogenannte Hardware
Abstraction Layer (HAL) b an, mit dem sich eine Unabhängigkeit
von der jeweils verwendeten Hardware bzw. vom jeweils verwendeten Prozessor
erreichen lässt.
Anschließend
folgt eine die sogenannte Middleware enthaltende Schicht c (auch
Treiberschicht genannt), in welcher die logische Verarbeitung der
Eingangssignale der Sensoren 5 und die logische Ansteuerung
der Aktuatoren 5 sowie die logische Verarbeitung der Datenbusinformationen
erfolgt. Zeichnungsbezogen oberhalb von der Treiberschicht c folgt
die Anwen dungsschicht d, in welcher schließlich die jeweilige Fahrzeugfunktion abgebildet
ist bzw. abgearbeitet wird.
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Dieser
Schichtenaufbau ermöglicht
einerseits eine einfache Portabilität der die Fahrzeugfunktionen
realisierenden Anwendungssoftware zwischen den verschiedenen Steuergeräten 9 eines Kraftfahrzeugs 8 sowie
zwischen unterschiedlichen Hardwareplattformen im Bereich der Kraftfahrzeug-Steuergeräte 9.
Andererseits wird es auf diese Weise vereinfacht, mit einem einzigen
Steuergerät 9 mehrere
Fahrzeugfunktionen zu verwirklichen.
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Die 5 und 6 dienen
der Darstellung verschiedener Stufen bzw. Arten von Redundanz, wie
sie sich dank der Erfindung verwirklichen lassen. Dabei stellt 5 zunächst dar,
wie sich insbesondere nicht sicherheitskritische Funktionen ohne
Redundanzanforderung in das System aus vernetzten Steuergeräten 9 integrieren
lassen. Man erkennt zunächst
auf der linken Seite der Zeichnung eine Anzahl von Sensoren 5,
deren Signale jeweils von demjenigen Steuergerät 9 ausgewertet werden,
das sich dem Sensor 9 räumlich
am nächsten
befindet. Die Signale werden sodann über den wieder fett strichliert dargestellten
Datenbus 7 an dasjenige Steuergerät 9' übermittelt, das für die fragliche
Fahrzeugfunktion verantwortlich ist. Die Verteilung der Ausgabebefehle des
verarbeitenden Steuergeräts 9' erfolgt wiederum mittels
Datenbus 7 an diejenigen Steuergeräte 9, die den zuständigen Aktuatoren 5' räumlich am
nächsten und
mit diesen verbunden sind.
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Die äußerst schematisierte
Darstellung der 5 bedeutet jedoch nicht, dass
für die
Verwirklichung der Fahrzeugfunktion die dargestellte Anzahl an Steuergeräten 9 erforderlich
ist. Vielmehr kann es sich bei den die Abfrage der Sensoren 5 vornehmenden
Steuergeräten 9 auf
der linken Zeichnungsseite durchaus um dieselben Steuergeräte 9 handeln,
die auf der rechten Zeichnungsseite die Aktuatoren 5' ansteuern.
Ferner kann zudem die funktionsbezogene Verarbeitung 9' der Signale
ebenfalls in einem derjenigen Steuergeräte 9 erfolgen, die
für Sensorabfrage
bzw. Aktuatoransteuerung zuständig
sind. Außerdem
ist das in 5 dargestellte Netzwerk selbstverständlich nicht
auf eine Fahrzeugfunktion beschränkt,
sondern kann ähnlich
wie das in 4 dargestellte Kraftfahrzeug-Netzwerk
prinzipiell mit einer geringen Anzahl an Steuergeräten 9 eine
beliebige Anzahl von Fahrzeugfunktionen steuern.
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In 6 sind
diverse Möglichkeiten
der Redundanz zusammenfassend dargestellt, die jedoch nicht notwendigerweise
zusammen bzw. gleichzeitig verwirklicht sein müssen. So erkennt man in 6 beispielsweise,
dass jeder der Sensoren 5 bzw. jeder der Aktuatoren 5' jeweils mit
zwei Steuergeräten 9 verbunden
ist, was als räumlich
verteilte Redundanz der Eingangssignale bezeichnet werden kann.
Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die Signale jedes Sensors 5 von
zwei unabhängigen
sowie räumlich getrennten
Eingabeschaltungen ausgewertet werden bzw. dass jeder Aktuator 5' von zwei unabhängigen sowie
räumlich
getrennten Ansteuerschaltungen in Bewegung gesetzt werden kann,
was jeweils eine höhere
Fehlersicherheit bzw. Ausfallsicherheit mit sich bringt.
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Zusätzlich können die
beiden vom Sensor 5 stammenden Eingangssignale auch noch
von zwei unterschiedlichen Sensoren 5 stammen, die jedoch für die Ermittlung
derselben Zustandgröße zuständig sind.
Auf diese Weise ist auch bei Störungen
im Bereich eines Sensors 5 oder einer Sensorleitung der Weiterbetrieb
der betreffenden Fahrzeugfunktion sichergestellt.
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Zur
weiteren Verbesserung der Zuverlässigkeit
bzw. als Rückfallebene
bei Ausfällen
oder Beschädigungen
kann auch der Datenbus 7, 7' doppelt vorhanden sein bzw. kann
mehrere unterschiedlich im Fahrzeug verlegte Wege 7, 7' aufweisen,
was die fett durchgezogen bzw. fett strichlierten Linien zwischen
den verschiedenen Steuergeräten
andeuten sollen.
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Aus
dem mittleren Bereich der 6 geht hervor,
dass auch die funktionsbezogene Datenverarbeitung doppelt, und zwar
in zwei räumlich
voneinander getrennten Steuergeräten 9', 9'', erfolgen kann. Diese Situation,
die auch bei dem Kraftfahrzeug-Netzwerk gemäß 4 gegeben
ist und bei der beispielsweise eine Plausibilitätskontrolle der Eingangssignale,
eine redundante Verarbeitung sowie ein Identitätsvergleich der Ausgangsignale
erfolgt, lässt
sich als verteilte Redundanz der Verarbeitung bezeichnen. Sie führt dazu,
dass auf eine bisher notwendige mechanische Rückfallebene gegebenenfalls
verzichtet werden kann.
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Ein
besonders hoher Sicherheitsstandard lässt sich dann erreichen, wenn
die beiden Steuergeräte 9', 9'', in denen dieselbe Fahrzeugfunktion
abgebildet ist, an vollkommen unterschiedlichen Orten in Kraftfahrzeug
angeordnet sind, beispielsweise vorne rechts und hinten links, was
dank der Erfindung nun problemlos möglich ist.
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Sämtliche
Redundanzen lassen sich dabei sowohl einzeln als auch untereinander
kombiniert verwirklichen, um unterschiedlich hohen Anforderungen
an die Ausfallsicherheit gerecht zu werden. Außerdem lassen sich auf diese
Weise unterschiedlichste Funktionen, beispielsweise sowohl Komfortfunktionen
als auch sicherheitskritische Funktionen, in ein und dasselbe Kraftfahrzeug-Netzwerk
integrieren. Dies ist insbesondere dann besonders vorteilhaft, wenn
für einzelne
Funktionen zuvor separate Steuergeräte 3 notwendig waren,
die nun dank der Integration der Funktionen in bereits im Netzwerk vorhandene
Steuergeräte 9 entfallen
können.
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Im
Ergebnis wird somit deutlich, dass es dank des erfindungsgemäßen elektronischen
Netzwerks möglich
wird, die Komplexität
des Aufbaus von Netzwerken, wie beispielsweise Kraftfahrzeug-Netzwerken,
ganz bedeutend zu verringern, wobei insbesondere ein großer Teil
der bisher notwendigen aufwändigen
Kabelsätze
entfallen kann.
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Dabei
stellt die Erfindung neben dem erheblichen Rationalisierungspotenzial
gleichzeitig Möglichkeiten
zur Verwirklichung umfangreicher Redundanzen im Netzwerk zur Verfügung. Auf
diese Weise lassen sich sowohl Komfortfunktionen als auch hoch sicherheitsrelevante
Funktio nen in ein und dasselbe Netzwerk integrieren, wobei zudem
mechanische Rückfallebenen
für sicherheitskritische
Funktionen wie beispielsweise Fahrerassistenzsysteme und X-by-Wire-Systeme
entfallen können
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Die
Erfindung leistet damit einen ganz wesentlichen Beitrag zur Verbesserung
und Weiterentwicklung in den Bereichen Sicherheit, Wirtschaftlichkeit
und Komfort am modernen Kraftfahrzeug.