EP2759095A1 - Luftfahrttaugliches can bus-system - Google Patents

Luftfahrttaugliches can bus-system

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EP2759095A1
EP2759095A1 EP12753922.9A EP12753922A EP2759095A1 EP 2759095 A1 EP2759095 A1 EP 2759095A1 EP 12753922 A EP12753922 A EP 12753922A EP 2759095 A1 EP2759095 A1 EP 2759095A1
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EP
European Patent Office
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bus
data
channel
subscribers
master
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Withdrawn
Application number
EP12753922.9A
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English (en)
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Inventor
Thorsten TISCHLER
Sven HEITHECKER
Carl-Heinz HANKE
Marian KIRCHNER
Björn KÜCK
Torsten Frerichs
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Airbus DS Airborne Solutions GmbH
Original Assignee
Airbus DS Airborne Solutions GmbH
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Publication date
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    • H04L12/40—Bus networks
    • H04L2012/40267—Bus for use in transportation systems
    • H04L2012/4028—Bus for use in transportation systems the transportation system being an aircraft

Definitions

  • the invention relates to an aviation capable CAN bus system for increased safety and EMC requirements.
  • Aircraft aircraft, rotorcraft, unmanned aerial vehicles (“drone”)
  • Safety-critical data eg flight control
  • a CAN bus from one or more bus participants in the aircraft etc.
  • Very high security requirements are placed on data that lead to loss of the aircraft in the event of faulty transmission and therefore also human lives Usually such data are not (exclusively) transmitted on bus systems.
  • the problem solution consists of a CAN bus system with up to 16 participants, which are networked with each other via a dual redundant CAN bus and can exchange data via this CAN bus.
  • the bus master and all other bus participants are dual-channel, with each channel providing data independently and simultaneously Read data from the other channel (higher availability and higher security requirements).
  • the transmitted user data (within the CAN protocol) are protected by a 16-bit checksum (higher security requirements and reliability).
  • the CAN bus with a length of up to 100 m and a speed of up to 500 kbit / s can be operated.
  • high electromagnetic load eg injected interference currents of at least 40 mA (unshielded (or defective) cable, or 150 mA (shielded cable, as well as lightning, etc .
  • the advantage of this solution is the possibility of transmitting safety critical data in an aircraft even under bad EMC conditions.
  • Safety-critical data eg flight control
  • a CAN bus from one or more bus participants in the aircraft etc.
  • Very high security requirements are placed on data that lead to loss of Fiug réelles in case of faulty transmission and thus endanger human lives. Usually, such data is not (exclusively) transmitted on bus systems.
  • the problem solution consists of a CAN bus system with up to 16 subscribers, which are networked together via a dual-redundant CAN bus and can exchange data via this CAN bus.
  • the Bus Master and all other bus users are dual-channel, with each channel providing independent data and being able to read the data of the other channel at the same time (higher availability and higher security requirements).
  • the transmitted user data (within the CAN protocol) are protected by an additional 16-bit checksum in the data area (in addition to the 16-bit checksum generally contained in the CAN telegram).
  • the CAN bus with a length of up to 100 m and a speed of up to 500 kbit / s can be operated.
  • high electromagnetic load eg, coupled interference currents of at least 40 mA (unshielded (or defective) cable or 150 mA (shielded cable) Lightning, etc.
  • high security no false data
  • the mode of operation of this circuit is that the differential useful signals of the CAN bus pass the desired longitudinal signal path through the common mode choke (CMC).
  • CMC common mode choke
  • the cross signal path through the DMC and the downstream y capacitors is highly impedance-charged for the differential useful signals, since the DMC inductors are effective for the useful signals. This will add an extra capacitive Loading of the CAN bus, by means of the downstream capacitors, effectively prevented.
  • the CAN bus architecture consists of a master and up to 15 bus participants, each of which is connected to each other via 2 (or 3) CAN separate CAN buses.
  • the CAN buses for channel A and channel B are separated, whereby the bus master can also "cross" access the CAN channels (dashed lines).
  • the crossed access serves to increase the availability (reconfiguration) of the CAN bus system. If the CAN buses A and B are polled synchronously, a bus master channel can only read the data of the other bus node channels in order to compare the data of channel A. and channel B to do. This serves to increase data security. If the CAN bus architecture is implemented as 3-channel, a 2 out of 3 decision (2003 voter) can be made via the data of the 3 channels.
  • the CAN bus architecture consists of one master and up to 15 bus users.
  • the master polls the CAN bus regularly (for example every 25 ms) and retrieves data from all other bus users. Possible status data changes of the bus nodes can be displayed, for example, with one bit in the regularly polled data packets and then queried by the master at the affected bus users.
  • the user data are always transmitted with a 16-bit checksum.

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  • Small-Scale Networks (AREA)
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  • Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)
  • Hardware Redundancy (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein luftfahrttaugliches CAN Bus-System mit mehreren Teilnehmern, die durch einen zweifach redundanten CAN Bus miteinander vernetzt sind und Daten austauschen können, wobei ein Bus Master die anderen Busteilnehmern in regelmäßigen Abständen abfragt und mit Daten versorgt, und der Bus Master und alle anderen Busteilnehmer zweikanalig ausgeführt sind, wobei jeder Kanal unabhängig Daten liefert und gleichzeitig die Daten des jeweils anderen Kanals mitlesen kann.

Description

B E S C H R E I B U N G
Luftfahrttaugliches CAN Bus - System
Die Erfindung betrifft ein luftfahrttaugliches CAN Bus - System für erhöhte Sicherheits- und EMV-Anforderungen.
1. Technisches Gebiet, auf dem die Erfindung einsetzbar ist:
- Luftfahrzeuge (Flugzeuge, Drehflügler, unbemannte Fahrzeuge ("Drohne")
- überall wo sicherheitskritische Daten über CAN-Bus übertragen werden und wo mit großer EMV Belastung zu rechnen ist.
2. Problemstellung:
Sicherheitskritische Daten (z. B. Flugsteuerung) über einen CAN Bus von einem oder mehreren Busteilnehmern im Flugzeug etc. unter hoher elektromagnetischer Belastung (z. B. eingekoppelte Störströme von mindestens 40 mA (ungeschirmtes oder defektes) Kabel, bzw. 150mA (geschirmtes Kabel, Blitzschlag, etc.) mit hoher Sichtheit (= keine falschen Daten) und Zuverlässigkeit (= möglichst große Verfügbarkeit der Daten) zu übertragen. Sehr große Sicherheitsanforderungen werden hier an Daten gestellt, die bei fehlerhafter Übertragung zum Verlust des Fluggeräts führen und somit auch Menschenleben gefährden. Üblicherweise werden solche Daten nicht (ausschließlich) auf Bussystemen übertragen.
3. Problemlösung und Vorteile:
Die Problemlösung besteht aus einem CAN Bus - System mit bis zu 16 Teilnehmern, die durch einen zweifach redundaten CAN Bus miteinander vernetzt sind und über diesen CAN Bus Daten austauschen können. Es gibt einen BUS Master, der die anderen Busteilnehmer in regelmäßigen Abständen (z.B. 25 ms) abfragt (polling = echtzeitfähig) und mit Daten versorgt (Control, Steuerung). Der Bus Master und alle anderen Busteilnehmer sind zweikanalig ausgeführt, wobei jeder Kanal unabhängig Daten liefert und gleichzeitig die Daten des jeweils anderen Kanals mitlesen kann (höhere Verfügbarkeit und höhere Sicherheitsanforderungen). Die übertragenen Nutzdaten (innerhalb des CAN Protokolls) werden durch eine 16bit Checksumme abgesichert (höhere Sicherheitsanforderungen und Zuverlässigkeit). Weiterhin ist der CAN Bus mit einer Länge von bis zu 100 m und einer Geschwindigkeit von bis zu 500 kbit/s betreibbar. Die elektrische Ausführung des Anschlusses der Busteilnehmer an den CAN Bus erlaubt einen zuverlässigen Betrieb des CAN Busses unter hoher elektromagnetischer Belastung (z.B. eingekopplete Störströme von mindestens 40 mA (ungeschirmtes (oder defektes) Kabel, bzw. 150 mA (geschirmtes Kabel, sowie Blitzschlag, etc.) mit hoher Sichtheit (= keine falschen Daten) und Zuverlässigkeit (= möglichst große Verfügbarkeit der Daten) zu übertragen. Vorteil dieser Lösung ist die Möglichkeit der Übertragung von Sicherheits kritischen Daten in einem Luftfahrzeug auch unter schlechten EMV Bedingungen.
Bei der elektronischen Ausführung ist die Verwendung einer zusätzlichen Common Mode Choke im Differenzbetrieb als Kernstück der Erfindung anzusehen.
4. Darstellung der Erfindung:
Sicherheitskritische Daten (z.B. Flugsteuerung) über einen CAN Bus von einem oder mehreren Busteilnehmern im Flugzeug etc. unter hoher elektromagnetischer Belastung (z. B. eingekoppelte Störströme von mindestens 40 mA (ungeschirmtes (oder defektes) Kabel, bzw. 150mA (geschirmtes Kabel, Blitzschlag, etc.) mit hoher Sichtheit (=keine falschen Daten) und Zuverlässigkeit (=möglichst große Verfügbarkeit der Daten) zu übertragen. Sehr große Sicherheitsanforderungen werden hier an Daten gestellt, die bei fehlerhafter Übertragung zum Verlust des Fiuggeräts führen und somit auch Menschenleben gefährden. Üblicherweise werden solche Daten nicht (ausschließlich) auf Bussystemen übertragen.
Die Problemlösung besteht aus einem CAN Bus System mit bis zu 16 Teilnehmern, die durch einen zweifach redundaten CAN Bus miteinander vernetzt sind und über diesen CAN Bus Daten austauschen können. Es gibt einen BUS Master, der die anderen Busteilnehmer in regelmäßigen Abständen (z.B. 25 ms) abfragt (polling = echtzeitfähig) und mit Daten versorgt (Control, Steuerung). Der Bus Master und alle anderen Busteilnehmer sind zweikanalig ausgeführt, wobei jeder Kanal unabhängig Daten liefert und gleichzeitig die Daten des jeweils anderen Kanals mitlesen kann (höhere Verfügbarkeit und höhere Sicherheitsanforderungen). Die übertragenen Nutzdaten (innerhalb des CAN Protokolls) werden durch eine weitere 16-bit Checksumme im Datenbereich (zusätzlich zur generell im CAN Telegramm enthaltenen 16-bit Checksumme) abgesichert. Weiterhin ist der CAN Bus mit einer Länge von bis zu 100 m und einer Geschwindigkeit von bis zu 500 kbit/s betreibbar. Die elektrische Ausführung des Anschlusses der Busteilnehmer an den CAN Bus erlaubt einen zuverlässigen Betrieb des CAN Busses unter hoher elektromagnetischer Belastung (z, B. eingekoppelte Störströme von mindestens 40 mA (ungeschirmtes (oder defektes) Kabel, bzw. 150 mA (geschirmtes Kabel, sowie Blitzschlag, etc.) mit hoher Sicherheit (=keine falschen Daten) und Zuverlässigkeit (=möglichst große Verfügbarkeit der Daten) zu übertragen. Vorteil dieser Lösung ist die Möglichkeit der Übertragung von sicherheitskritischen Daten in einem Luftfahrzeug auch unter schwierigen EMV Bedingungen.
Elektronischer Aufbau eines Ausführungsbeispiels:
Bei der elektronischen Ausführung ist die Verwendung einer zusätzlichen Common Mode Choke im Differenzbetrieb (= Differential Mode Choke) als elektronisches Kernstück der Erfindung anzusehen, (siehe Bild 1 )
Die Wirkungsweise dieser Schaltung ist, dass die differentiellen Nutzsignale des CAN Busses den gewünschten Längs-Signaipfad durch den Common Mode Choke (CMC) passieren. Der Quer-Signalpfad durch den DMC und den nachgeschalteten y- Kondensatoren ist für die differentiellen Nutzsignale hochimpedant, da die DMC- Induktivitäten für die Nutzsignale wirksam sind. Dadurch wird eine zusätzliche kapazitive Belastung des CAN Busses, durch die nachgeschalieten Kondensatoren, wirkungsvoll verhindert.
Bei EMV Tests eingeprägte Gieichtaktstörströme (Bulk Current [njection, BCi Testmethode) werden im Längs-Signalpfad durch den CMC gedämpft, was der Standardfilterschaltung für CAN Busse entspricht. Zusätzlich wird diesen Gleichtaktstörströmen ein niederimpedanter Quer-Signalpfad durch den DMC und die nachgeschalteten Kondensatoren eröffnet. Der Quer-Signalpfad ist deshalb niederimpedant, weil die Störströme differentiell durch den Choke fließen und somit die Induktivitäten nicht wirksam werden. Der niederimpedanten Querpfad verhindert hierdurch effektiv die Entstehung hoher Gleichtaktsstörspannungen.
Aufbau der CAN Architektur:
Um hohe Verfügbarkeit der Daten zu gewährleisten, soll der CAN Bus doppelt (oder auch dreifach) redundant ausgeführt werden. D.h. die CAN Bus Architektur besteht aus einem Master und bis zu 15 Busteilnehmern, die jeweils über 2 (oder 3) CAN getrennte CAN Busse miteinander verbunden sind.
Die CAN Busse für Kanal A und Kanal B sind getrennt, wobei der Bus Master auch "gekreuzt" auf die CAN Kanäle zugreifen kann (gestrichelte Linien). Der gekreuzte Zugriff dient einer höheren Verfügbarkeit (Rekonfiguration) des CAN Bus Systems. Werden die CAN Busse A und B synchron gepolled, so kann ein Bus Master Kanal die Daten der anderen Bus Knoten Kanäle auch nur mitlesen um einen Vergleich der Daten von Kanal A und Kanal B machen zu können. Dieses dient der höheren Datensicherheit (Safety). Wird die CAN Bus Architektur 3-kanalig ausgeführt, so kann über die Daten der 3 Kanäle eine 2 aus 3 Entscheidung (2003- Voter) getroffen werden.
Aufbau CAN Bus Daten:
Die CAN Bus Architektur besteht aus einem Master und bis zu 15 Busteilnehmern. Der Master pollt den CAN Bus regelmäßig (z.B. alle 25 ms) und ruft von allen anderen Busteilnehmern Daten ab. Etwaige Statusdatenänderungen der Busknoten können beispielweise mit einem Bit in den regelmäßig gepollten Datenpaketen angezeigt und dann d ediziert von Master bei den betroffenen Busteilnehmern abgefragt werden.
Um eine sichere Übertragung der Nutzdaten über den CAN Bus zu übertragen, werden die Nutzerdaten immer mit einer 16 Bit Checksumme übertragen.
Herausforderung:
Für den Einsatz von Luftfahrzeugen ist eine zuverlässige Lösung zur Übertragung sicherheitskritischer Daten über CAN Bus zu realisieren, die
1. hohe Datenraten (bis min. 500 kBit/s)
2. große Buslängen (bis 100 m)
3. hohe Störfestigkeit (BCI bis 60 mA ungeschirmtes Kabel, BCI 150 mA geschirmtes Kabel)
4. hohe Störfestigkeit gegen Blitzschlag
5. sehr sichere Datenübertragung
6. bis zu 16 Busteilnehmer erlaubt und den jeweils gültigen Entwicklungsrichtlinien für Luftfahrzeuge genügt.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1.
Luftfahrttaugiiches CAN Bus-System mit mehreren Teilnehmern, die durch einen zweifach redundanten CAN Bus miteinander vernetzt sind und Daten austauschen können, wobei ein Bus Master die anderen Busteilnehmern in regelmäßigen Abständen abfragt und mit Daten versorgt, und der Bus Master und alle anderen Busteilnehmer zweikanalig ausgeführt sind, wobei jeder Kanal unabhängig Daten liefert und gleichzeitig die Daten des jeweils anderen Kanals mitlesen kann.
2.
System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die übertragenen Nutzdaten durch eine 16-bit Checksumme abgesichert werden.
3.
System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher Common Mode Choke im Differenzbetrieb (= Differenzial Mode Choke) verwendet wird.
EP12753922.9A 2011-09-21 2012-08-15 Luftfahrttaugliches can bus-system Withdrawn EP2759095A1 (de)

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DE102011113842 2011-09-21
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Inventor name: KUECK, BJOERN

Inventor name: TISCHLER, THORSTEN

Inventor name: KIRCHNER, MARIAN

Inventor name: FRERICHS, TORSTEN

Inventor name: HANKE, CARL-HEINZ

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Inventor name: HEITHECKER, SVEN

Inventor name: KUECK, BJOERN

Inventor name: KIRCHNER, MARIAN

Inventor name: FRERICHS, TORSTEN

Inventor name: HANKE, CARL-HEINZ

Inventor name: TISCHLER, THORSTEN

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