DE19825825A1 - Verfahren zur Synchronisierung von miteinander über ein Bussystem verbundenen Recheneinheiten - Google Patents
Verfahren zur Synchronisierung von miteinander über ein Bussystem verbundenen RecheneinheitenInfo
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Abstract
Bei einem Verfahren zur Synchronisierung von miteinander über ein Bussystem (1, 2) verbundenen Recheneinheiten (121; 122; 123; 124) geben zwei Master-Einheiten (11; 21) jeweils zyklisch ein Zeitsignal (T1; T2) auf eine Datenleitung (1; 2) aus. Die Zeitsignale (T1; T2) werden von einer zu synchronisierenden Recheneinheit empfangen, die die Zeitsignale anhand einer eigenen Zeitbasis (T) überprüft. Dadurch ist eine besonders zuverlässige Synchronisierung der Recheneinheiten gewährleistet.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Synchronisierung von
miteinander über ein Bussystem verbundenen Recheneinheiten.
In der Meß-, Regel- und Steuerungstechnik werden häufig Rech
nersysteme eingesetzt, die über eine Vielzahl von miteinander
über ein Bussystem verbundenen Recheneinheiten verfügen. Ins
besondere bei Anwendungen in der Kraftfahrzeugtechnik, bei
spielsweise bei einem elektromechanischen Bremssystem, soll
über ein Bussystem eine Regelschleife realisiert werden.
Hierzu müssen bei einer seriellen Datenübertragung alle ange
schlossenen Recheneinheiten eine gemeinsame Zeitbasis aufwei
sen.
Es ist bekannt, eine Synchronisierung durch eine Botschaft
auf den Bus zu bewerkstelligen, deren Eintreffzeit es der
empfangenden Recheneinheit ermöglicht, sich auf den Sender zu
synchronisieren. Die zeitliche Auflösung dieses Verfahrens
hat dabei die Größenordnung der Übertragungszeit der Nach
richt. Diese beträgt beispielsweise für einen CAN-Bus ca.
200 Mikrosekunden bei 500 kBit/s.
Erhält eine Nachricht eine unerwartete Verzögerung, kann auch
eine Nachricht mit hoher Priorität erheblich verzögert wer
den. Dies ist bei sicherheitstechnischen Anwendungen in der
Kraftfahrzeugtechnik nicht tolerierbar.
Ein weiteres Problem besteht darin, daß alle die Synchroni
sierbotschaft empfangenden Recheneinheiten sich auf den Sen
der synchronisieren, auch wenn dieser ein fehlerhaftes Signal
ausgibt.
Es ist ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Synchroni
sierung von miteinander über ein Bussystem verbundenen Re
cheneinheiten bereit zustellen, bei dem eine besonders zuver
lässige Synchronisierung der Recheneinheiten erfolgt.
Dieses Ziel wird mit einem Verfahren gemäß Patentanspruch 1
erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in
den Unteransprüchen angegeben.
Da zwei Master-Einheiten zyklisch Zeitsignale an die Rechen
einheiten senden, kann eine empfangende Recheneinheit bei Ab
weichungen von der eigenen Zeitbasis feststellen, ob der Feh
ler bei der eigenen Zeitbasis oder bei einer der sendenden
Master-Einheiten liegt. Einer Recheneinheit stehen also bei
einem fehlerfreien Betrieb drei Synchronisierungssignale zur
Verfügung.
Eine besonders hohe Sicherheit ergibt sich, wenn die Master-
Einheiten ihre Zeitsignale auf unterschiedlichen Busleitungen
senden. Falls eine Leitung gestört ist, so kann eine Synchro
nisierung der Recheneinheiten über die zweite Leitung durch
die zweite Master-Einheit erfolgen. Eine solche zweite Lei
tung wird in der Kraftfahrzeugtechnik aus Sicherheitsgründen
ohnehin häufig gefordert, um zwei redundante Datenkanäle zur
Datenübertragung zur Verfügung zu haben.
Vorzugsweise empfängt jede Master-Einheit das Zeitsignal der
anderen Master-Einheit, um die Phasenbeziehung der Zeitsigna
le zueinander zu überprüfen. Wird eine Abweichung von der
vorbestimmten Phasenbeziehung festgestellt, so kann ein Ab
gleich erfolgen.
Bei Verwendung von unterschiedlichen Busleitungen zur Ausgabe
der Zeitsignale ist es zweckmäßig, wenn die Master-Einheiten
ihre Zeitsignale im selben Takt und ohne Phasenverschiebung
zueinander ausgeben.
Für eine zeitliche Synchronisierung der Recheneinheiten und
ihrer Zeitbasen mit den Zeitsignalen der Master-Einheiten
bieten sich mehrere Möglichkeiten an. Besonders bevorzugt ist
hierbei, daß eine Recheneinheit aus den von ihr empfangenen
Zeitsignalen der Master-Einheiten und der eigenen Zeitbasis
zur Synchronisierung nur diejenigen Signale verwendet, die
eine definierte Abweichung von den beiden anderen Signalen
nicht überschreiten. Dabei kann die Recheneinheit sich entwe
der auf den Mittelwert der beiden am engsten zusammenliegen
den Signale synchronisieren oder einen Mittelwert aus allen
drei Synchronisierungssignalen bilden, sofern keine unzuläs
sige Abweichung eines Signals vorliegt.
Alternativ kann die Synchronisierungszeit immer aus allen
drei Synchronisierungssignalen gewonnen werden, wenn eine Ge
wichtung jeweils eines Synchronisierungssignals in Abhängig
keit von der Zeitdifferenz zu den beiden anderen Synchroni
sierungssignalen oder zu einem nicht gewichteten Mittelwert
gebildet wird.
Obgleich ein System mit nur zwei Zeitsignale aussendenden Ma
ster-Einheiten besonders bevorzugt ist, kann die Erfindung
auch mit zusätzlichen Master-Einheiten verwirklicht werden.
Eine der an das Bussystem angeschlossenen Recheneinheiten
oder Mastereinheiten kann eine zentrale Steuereinheit sein.
Aus Sicherheitsgründen können auch mehrere zentrale Steuer
einheiten mit dem Bussystem, insbesondere mit unterschiedli
chen Datenleitungen, verbunden sein.
Die Vorteile der Erfindung kommen bei Bussystemen mit seriel
ler Datenübertragung am stärksten zum Tragen.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der
Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausfüh
rungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung.
Die Figur zeigt zwei CAN-Busse, an die Master-Einheiten und
Recheneinheiten angeschlossen sind.
Zwei Master-Einheiten 11 und 21 sowie Recheneinheiten 121,
122, 123 und 124, bei denen es sich um Mikrokontroller han
delt, sind jeweils mit einer Datenleitung 1 eines ersten CAN-
Busses und mit einer Datenleitung 2 eines zweiten CAN-Busses
verbunden. Die Master-Einheit 11 ist zusätzlich mit den Funk
tion einer zentralen Steuereinheit ausgestattet, die die Re
cheneinheiten 121 bis 124 steuert. Die zentrale Steuereinheit
steuert die Bremsung eines Kraftfahrzeugs.
Jede der Recheneinheiten 121 bis 124 hat zur Erzeugung eines
Synchronisiersignals eine eigene Zeitbasis T, bei der es sich
um einen Oszillator handelt. Die Recheneinheiten 121 bis 124
sind jeweils mit einer weiteren, nicht dargestellten Rechen
einheit verbunden, die zur lokalen Steuerung eines Systems an
einem Kraftfahrzeug, beispielsweise einer elektromechanischen
Bremse, und zur Registrierung und Ausgabe von Meßwerten auf
das Bussystem dient. Die Recheneinheiten 121 bis 124 arbeiten
in diesem Ausführungsbeispiel lediglich als Bus-Controller,
obgleich sie auch Funktionen der Systemsteuerung übernehmen
könnten.
Beim Systemstart müssen die beiden Master-Einheiten 11 und 21
aufeinander synchronisiert werden, um als Zeit-Master für das
Bussystem zur Verfügung zu stehen. Hierzu gibt eine der bei
den Master-Einheiten als Master ein Zeitsignal T1 vor. Die
andere Master-Einheit funktioniert während dieser Initiali
sierungsphase als Slave und synchronisiert sich auf das vor
gegebene Zeitsignal T1.
Erkennt die in der Startphase als Slave funktionierende Ma
ster-Einheit mehrmals hintereinander ein fehlerhaftes Zeitsi
gnal T1, so gibt sie eine Nachricht an die korrespondierende
Master-Einheit aus. Nur wenn das Zeitsignal T1 der Master-
Einheit eine definierte Phasendifferenz nicht überschreitet,
sich also in einem Fangbereich befindet, synchronisiert die
als Slave arbeitende Master-Einheit auf das Zeitsignal T1.
Andernfalls wird der Synchronisationsvorgang wiederholt. Da
bei kann die zuvor als Zeit-Master arbeitende Master-Einheit
die Rolle des Slave übernehmen.
Kommt eine fehlerfreie Synchronisation der beiden Master-
Einheiten 11 und 21 zustande, so ist die Genauigkeit der Syn
chronisierung zwischen den beiden Einheiten auf die Schwan
kungen begrenzt, die bei der Laufzeit von Nachrichten mit
höchster Prioritätsstufe auftreten. Bei Auftreten von zeit
lich begrenzten Fehlern, die sich nicht aufsummieren, zum
Beispiel eine Verzögerung eines der beiden Zeitsignale T1
oder T2, wird dies durch einen Fangbereich toleriert. Wird
dieser Fangbereich allerdings überschritten, so muß die
Startphase, bei der eine der beiden Master-Einheiten als Sla
ve betrieben wird, wiederholt werden.
Treten wesentliche Unterschiede zwischen den Zeitmessungen
der beiden Master-Einheiten auf, wird auf eine erneute Syn
chronisierung der Master-Einheiten verzichtet. Dies wird von
den Recheneinheiten 121 bis 124 erkannt. Die Recheneinheiten
synchronisieren in diesem Fall auf die noch korrekt arbeiten
de Master-Einheit.
Nach erfolgreichem Abschluß der Startphase sendet die Master-
Einheit 11 zyklisch das Zeitsignal T1 als Synchronisierungs
signal an alle mit der Datenleitung 1 verbundenen Rechenein
heiten oder Knoten. Ebenso sendet die Master-Einheit 21 zy
klisch im selben Takt das Zeitsignal T2 an alle Recheneinhei
ten 121 bis 124. Damit sichergestellt ist, daß diese Zeitsi
gnale übertragen werden, besitzen diese höchste Priorität.
Bei den Recheneinheiten treten zu jeder Synchronisierung drei
verschiedene Zeitpunkte auf, nämlich die Ankunftszeit des
Zeitsignals T1 der Mastereinheit 11 auf Bus 1, die Ankunfts
zeit des Zeitsignals T2 auf Datenleitung 2 und eine durch die
jeweilige Zeitbasis T vorgegebene lokale Synchronzeit.
Diese drei Zeitpunkte müssen im synchronen Zustand des Netz
werks, also nach Beendigung der nichtsynchronen Startphase,
ungefähr gleich sein, da die beiden Mastereinheiten und die
jeweilige Recheneinheit seit dem letzten Zyklus (letzter Syn
chronisierzeitpunkt) dieselbe Zeitdauer innerhalb eines Tole
ranzbereichs (Fangbereich) gemessen haben müssen.
Wenn die Zeitmessung einer Mastereinheit oder einer Rechen
einheit fehlerhaft ist, kann dies jeweils von den Rechenein
heiten mit einem Vergleich der Ankunftszeiten der Zeitsignale
T1 und T2 mit der lokalen Synchronzeit der Zeitbasis T fest
gestellt werden.
Die jeweilige Recheneinheit wählt aus den drei bekannten Syn
chronisiermöglichkeiten (Zeitsignal T1, Zeitsignal T2 und
Zeitbasis T) diejenigen aus, die zeitlich am engsten zusam
menliegen und synchronisiert auf deren Mittelwert. In diesem
Fall muß ein Toleranz- oder Fangbereich nicht unbedingt vor
gesehen sein.
Alternativ kann die jeweilige Recheneinheit auf den Mittel
wert aller drei Synchronisierzeitpunkte synchronisiert wer
den. In diesem Fall ist ein Toleranz- oder Fangbereich nötig,
um ein Synchronisiersignal aus einer der drei Quellen aus zu
scheiden, das fehlerhaft ist.
Für die Recheneinheiten 121 bis 124 geht die Synchronisier
möglichkeit nur dann verloren, wenn mindestens zwei Quellen
für die Synchronisationssignale (Master-Einheit 11, Master-
Einheit 21, jeweilige Zeitbasis T) ausfallen. Es kann daher
von einer ausfallsicheren zeitlichen Synchronisierung gespro
chen werden.
Die Synchronisierung der Recheneinheiten erfolgt besonders
genau, wenn die Ankunftszeit der Zeitsignale T1 und T2 je
weils um ihre Übertragungsdauer korrigiert werden.
Claims (11)
1. Verfahren zur Synchronisierung von miteinander über ein
Bussystem (1, 2) verbundenen Recheneinheiten (121; 122; 123;
124) mit den Schritten:
- - eine erste Master-Einheit (11) sendet zyklisch ein erstes Zeitsignal (T1) auf eine Datenleitung (1; 2) des Bussystems (1, 2),
- - eine zweite Master-Einheit (21) sendet zyklisch ein zweites Zeitsignal (T2) auf eine Datenleitung (1; 2), wobei das zweite Zeitsignal (T2) in einer bestimmten Phasenbeziehung zum ersten Zeitsignal (T1) definiert ist,
- - die zu synchronisierenden Recheneinheiten (121; 122; 123; 124), die jeweils eine Zeitbasis (T) aufweisen, die in einer bestimmten Phasenbeziehung zu den Zeitsignalen (T1; T2) steht, empfangen die Zeitsignale (T1; T2) und überprüfen deren Übereinstimmung mit der eigenen Zeitbasis (T).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Master-Einheiten (11; 21) ihre Zeitsignale auf voneinander
getrennte Datenleitungen (1; 2) ausgeben.
3. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch
gekennzeichnet, daß die Master-Einheiten (11; 21) ihre
Zeitsignale (T1; T2) im wesentlichen im selben Takt und
gleichzeitig ausgeben.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß jede Master-Einheit (11; 21) auf einer
der Datenleitung (1; 2) das Zeitsignal (T1; T2) der anderen
Master-Einheit (21; 11) empfängt, um die Phasenbeziehung der
Zeitsignale (T1; T2) zueinander zu überprüfen.
5. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch
gekennzeichnet, daß die Master-Einheiten (11; 21) die
Phasenbeziehung ihrer Zeitsignale (T1; T2) abgleichen, wenn
eine Abweichung der vorbestimmten Phasenbeziehung einen
definierten Bereich nicht überschreitet.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Fehlermeldung ausgegeben
wird, wenn die Phasenbeziehungen zwischen den Zeitsignalen
(T1; T2) oder die Phasenbeziehung zwischen einer Zeitbasis
(T) einer der Recheneinheiten (121; 122; 123; 124) und
wenigstens einem der Zeitsignale (T1; T2) einen definierten
Abstand überschreitet.
7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch
gekennzeichnet, daß bei Überschreitung des definierten
Abstands zwischen den Zeitsignalen (T1; T2) die Recheneinheit
(121; 122; 123; 124) ein Signal an die betreffende Master-
Einheit (11; 21) ausgibt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Recheneinheit (121; 122;
123; 124) seine Zeitbasis (T) mit den Zeitsignalen (T1; T2)
synchronisiert, wobei für die Synchronisierung ein Zeitsignal
(T1; T2) oder die Zeitbasis (T) außer Betracht bleibt, wenn
eine definierte Abweichung zu den beiden anderen Signalen
(T1; T2; T) überschritten wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Recheneinheit (121; 122;
123; 124) seine Zeitbasis (T) unter Berücksichtigung der
Zeitsignale (T1; T2) und der eigenen Zeitbasis (T)
synchronisiert, wobei das Signal (T1; T2; T) mit dem größten
Abstand von den anderen Signalen (T1; T2; T) am geringsten
berücksichtigt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitsignale (T1; T2) an der
jeweiligen empfangenden Recheneinheit (121; 122; 123; 124)
und/oder der jeweiligen empfangenden Master-Einheit (11; 21)
durch Berücksichtigung ihrer Übertragungsdauer korrigiert
werden.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, daß das Bussystem ein CAN-Bus ist.
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