EP4460949A1 - Steuerungsanordnung für ein fahrzeug-bordnetz - Google Patents

Steuerungsanordnung für ein fahrzeug-bordnetz

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Publication number
EP4460949A1
EP4460949A1 EP22835427.0A EP22835427A EP4460949A1 EP 4460949 A1 EP4460949 A1 EP 4460949A1 EP 22835427 A EP22835427 A EP 22835427A EP 4460949 A1 EP4460949 A1 EP 4460949A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
input
output
memory
peripheral
actuator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP22835427.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Wortberg
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Lisa Draexlmaier GmbH
Original Assignee
Lisa Draexlmaier GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Lisa Draexlmaier GmbH filed Critical Lisa Draexlmaier GmbH
Publication of EP4460949A1 publication Critical patent/EP4460949A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L12/00—Data switching networks
    • H04L12/28—Data switching networks characterised by path configuration, e.g. LAN [Local Area Networks] or WAN [Wide Area Networks]
    • H04L12/40—Bus networks
    • H04L12/40006—Architecture of a communication node
    • H04L12/40013—Details regarding a bus controller
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F13/00—Interconnection of, or transfer of information or other signals between, memories, input/output devices or central processing units
    • G06F13/14—Handling requests for interconnection or transfer
    • G06F13/20—Handling requests for interconnection or transfer for access to input/output bus
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F13/00—Interconnection of, or transfer of information or other signals between, memories, input/output devices or central processing units
    • G06F13/38—Information transfer, e.g. on bus
    • G06F13/42—Bus transfer protocol, e.g. handshake; Synchronisation
    • G06F13/4282—Bus transfer protocol, e.g. handshake; Synchronisation on a serial bus, e.g. I2C bus, SPI bus

Definitions

  • the present invention relates to a control arrangement for a vehicle electrical system and a method for controlling sensors and actuators in a vehicle electrical system.
  • the invention relates to remote GPIO (“General Purpose Input Output”) modules for new vehicle electrical system architectures with virtualized control.
  • the networking complexity is taking on such proportions that new vehicle electrical system architectures have to be introduced.
  • the zonal vehicle electrical system 100 is under discussion here.
  • the basic idea here is that functions should be integrated zonally, resulting in a reduction in complexity.
  • the only problem is that the vast majority of functions in the vehicle are not of a zonal nature. Examples of this are the car access system, airbag and the functions of autonomous driving, which are each centrally networked with central control units for this function.
  • a zonal control unit it is not possible for a zonal control unit to record a sensor signal at the front left, communicate this via a bus system to a zonal control unit at the rear and initiate an actuator signal there, at least for (real-time) controls with low latency requirements.
  • the inventive solution is based on the idea of creating a new control arrangement for a vehicle electrical system.
  • the GPIO is offloaded to remote GPIO modules that act as peripheral input-output entities, which are connected to a central computing platform via a peripheral component interconnect bus.
  • the remote GPIOs can be distributed over the entire vehicle.
  • Virtual control units can thus be distributed over the entire vehicle. Due to the latency in the nanosecond range of the peripheral component interface bus, sensors that are arranged, for example, at the front left (via remote GPIO at the front left) with actuators that are arranged at the rear (via remote GPIO at the back) in one function interact as if they were processed via a central domain controller (with many long line connections).
  • p-processors do not have GPIO in the form of configurable input or output pins (Binary, ADC, PWM, TX, RX, UART, SPI).
  • This can be an SOC (System on Chip) multi-processor platform, which has hitherto typically been used for ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) applications.
  • ADAS Advanced Driver Assistance Systems
  • Two different operating systems can run on the multi-processor platform via a hypervisor.
  • an RTOS Real Time Operating System
  • the peripheral component interconnect bus data packets are mapped to the general purpose I/O pins of the remote GPIO module.
  • the GPIO ASIC sets the outputs and reads in the inputs.
  • the I/O information is reproduced in a memory table of the GPIO-ASIC (peripheral I/O state table or peripheral I/O state table).
  • This memory table is cyclically updated by the central computing platform via direct memory access mechanisms or memory mapped I/O via the bus.
  • the ASIC of the GPIO module allows no software to be implemented on the input-output entity.
  • the SW including driver is implemented on the SOC processor of the central computing platform.
  • the new control arrangement includes a central computing platform and multiple decentralized input-output entities corresponding to the remote GPIO modules.
  • the remote GPIO according to the invention can replace previous (intelligent) power distributors and combine them with the I/O circuitry from control devices.
  • the classic power distributors can thus be omitted.
  • a control arrangement for a vehicle electrical system comprising a central computing platform and a plurality of decentralized input-output entities which communicate with the central computing platform via a serial communication bus are connected, each input-output entity comprising: a plurality of configurable input-output pins associated with at least one sensor and/or at least one actuator; an input-output interface; and a configuration memory for storing a configuration and physical states of the plurality of configurable input-output pins, wherein the input-output interface is configured, a sensor entry in the peripheral I/O memory based on a physical state of one of the at least one sensor associated input to generate output pins, wherein the input-output interface is also designed to control a physical state of an input-output pin assigned to the at least one actuator in accordance with an actuator entry for the at least one actuator (102) in the peripheral I/O memory ,
  • the central computing platform being designed to read out the sensor entry in the peripheral I/
  • Such a control arrangement offers the technical advantage that the central computing platform and the individual decentralized input/output entities or remote I/O modules can be attached flexibly at different points in the vehicle and reduce or even completely eliminate meshing in the vehicle electrical system can.
  • the vehicle electrical system can thus be constructed with less or no meshing at all, which enables automated wiring harness production.
  • the input-output entities can simultaneously act as power distributors and greatly simplify the complexity of the vehicle electrical system.
  • a very low latency time i.e. in the nanosecond range, can be guaranteed in the communication between the various on-board network components, so that the on-board network is suitable for real-time control requirements such as those made in autonomous driving and other applications.
  • the decentralized input-output entities can function as virtual control units distributed throughout the vehicle.
  • the central computing platform has a DMA (“Direct Memory Access”) interface for direct memory access to the respective input/output entity.
  • DMA Direct Memory Access
  • the first I/O access concept is Port Mapped I/O.
  • Drivers or other SW on the central computing platform can read or write the I/O contents of the peripheral I/O state tables via access commands. There is therefore direct access to the memory of the input/output entities by the SW of the central computing platform.
  • the second I/O access concept is Memory Mapped I/O.
  • I/O In the memory of the central computing platform there is an area for I/O and its control (central I/O State Table). Drivers or other SW on the computing platform can read or write the I/O content via simple memory access.
  • the central I/O state table is a mirror of the peripheral state tables of the distributed I/O entities with GPIO functionality. The comparison of the central state table with the peripheral state tables takes place cyclically (in the nanosecond range).
  • the central computing platform can access the states of the I/O state tables of the decentralized input/output entities directly, so that a virtual control concept can be implemented.
  • the central computing platform has a central I/O memory that is designed to store sensor entries and actuator entries in the peripheral I/O state table of the plurality of decentralized input/output entities ; wherein the central computing platform is designed to align the central I/O state table with the peripheral I/O state tables of the plurality of decentralized input/output entities via a serial point-to-point interface and direct memory access mechanisms.
  • peripheral I/O state table of the decentralized input/output entities can be mirrored in the central I/O memory, so that the same data in the decentralized input/output entities and of the central computing platform.
  • the serial point-to-point communication is established via a peripheral component interconnect bus.
  • This peripheral component interconnect bus can be PCI Express or, for example, a modified USB bus or another suitable bus.
  • this Peripheral Component Interconnect Bus is not a bus for the addressed, high-level exchange of message packets between CPUs, but rather a serial interface for the point-to-point connection between a central Computing unit and peripheral GPIO devices to establish direct memory access.
  • PCI Express Peripheral Component Interconnect Express
  • PCIe PCI Express
  • the plurality of decentralized input/output entities are connected to the central control device via an unshielded twisted pair cable or via two shielded twisted pair cables.
  • the twisted-pair cables can be used to easily and flexibly connect the decentralized input-output entities, which can be located anywhere in the vehicle, to the central control unit.
  • the input-output interface is designed to cyclically transfer memory states of the actuator entries present in the peripheral I/O state tables to the physical states of the input-output pins corresponding to the actuator entries.
  • the plurality of configurable input-output pins are binary inputs/outputs, ADC (“Analog-Digital Converter”) inputs, DAC (“Digital-Analog Converter”) outputs, SPI (“ Serial Peripheral Interface”) inputs/outputs and/or RX/TX (“receive/transmit”) inputs/outputs configurable.
  • the configuration of each individual pin is defined by an entry in the peripheral configuration memory of the decentralized input/output entity.
  • the input-output interface is designed to convert the sensor data recorded by the input-output pin assigned to the at least one sensor into a digital value and to store the digital value as a sensor entry in the peripheral I/O memory .
  • the analog values recorded by the sensors can be applied directly to the input/output pins and the conversion into digital values takes place via A/D converters, which are located in the decentralized input -Output entity, specifically the input-output interface.
  • the sensors can thus have a simple design and do not need to include an A/D converter that converts the sensor signals into digital sensor data.
  • the decentralized input-output entities or GPIO modules can contain an ASIC, which contains the peripheral I/O state table, the configuration memory and the GPIO for conversion into physical signals as well as the serial interface and can be located close to the sensor or even integrated into the sensor, so that the structure of the vehicle electrical system is greatly simplified.
  • Input/output circuit parts such as smartfets, half-bridges, high-side drivers, CAN transceivers, Lin transceivers and sensors can be connected to the GPIO of the Asics.
  • the wiring of the decentralized input-output entity is similar to that of classic body controllers, but without a processor and its own software.
  • the computing power for (a large number of) peripheral I/O entities is held on the central computing platform.
  • the input-output interface is designed to provide a dedicated pin as a binary output pin according to the entry in the configuration memory.
  • the state present in the peripheral I/O memory (1 on/ 0 off) is converted into a physical state (3.2V on, 0V off) in the GPIO of the Asic.
  • a smart-fet component is switched through as part of the wiring of the input/output entity, and the actuator is thus activated.
  • the decentralized input/output entities can be located near the actuator or the GPIO ASIC can even be integrated into the actuator, so that the structure of the vehicle electrical system is greatly simplified.
  • the configuration memory or the peripheral I/O memory also includes a memory area in which predetermined actuator entries for controlling a safe state of the at least one actuator are stored.
  • the input-output interface is designed to provide a physical state of the input assigned to the at least one actuator based on the specified actuator entries in the configuration memory or peripheral I/O memory when the connection to the central computing platform is broken -Configure output pins that transfers the at least one actuator to a safe state.
  • the actuators can be switched to a safe state.
  • safety requirements for functional safety FlISI
  • the control arrangement can thus meet the safety requirements that are placed on the vehicle electrical system architecture, for example, in autonomous driving applications.
  • the input-output interface is designed to connect at least one of the input-output pins assigned to the at least one actuator and/or at least one of the input-output pins assigned to the at least one sensor to a battery terminal in order to connect the at least one Actuator and / or to supply at least one sensor with energy.
  • the decentralized input-output entities are simultaneously set up to supply the actuators and sensors in the vehicle with electricity, so that the current distributors or intelligent current distributors previously provided in the vehicle can be omitted. This reduces the complexity of the vehicle electrical system and costs can be saved.
  • the central computing platform is designed to transmit the actuator entry for a given actuator multiple times to the corresponding input/output entity and to store it in multiple memory locations of the configuration memory of the corresponding input/output entity; and the input-output interface is designed to configure the input-output pin associated with the specified actuator based on a majority decision on the actuator entries stored in the multiple memory locations.
  • the signal transmission is designed in such a way that errors in the data transmission can be corrected. This is particularly suitable for the transmission of highly critical signals that must not occur in normal ferry operations, such as signals to deploy the airbag.
  • the input-output interface is designed to control the input-output pin assigned to the specified actuator based on the actuator entry, which is present identically in most of the multiple memory locations.
  • a first input-output entity and a sensor associated with the first input-output entity are arranged in a front part of the vehicle; and a second input-output entity and an actuator associated with the second input-output entity are arranged in a rear part of the vehicle.
  • the sensors and actuators in the vehicle can be controlled by the input-output entities without the functionality of a dedicated control unit being required at the location of the respective component.
  • the central computing platform together with a number of input/output entities, acts like a virtual control unit, which extends over the entire geometry of the vehicle and can provide local input/output interfaces everywhere with minimal cable lengths for connecting sensors/actuators.
  • the software-side operation of a large number of functions takes place on the central computing platform.
  • the central computing platform is designed to transmit the sensor entry and/or the actuator entry using a communication protocol that has error correction in a second communication layer.
  • the object described above is achieved by a method for controlling sensors and actuators in a vehicle electrical system with a control arrangement, wherein the control arrangement comprises a central computing platform and a plurality of decentralized input-output entities that connected to the central computing platform via a serial communication bus, each input-output entity comprising: a plurality of configurable input-output pins associated with at least one sensor and/or at least one actuator; an input-output interface; and a peripheral I/O memory for storing a configuration and physical states of the plurality of configurable input-output pins, the method comprising: creating a sensor entry in the peripheral I/O memory based on a physical state of an input-output pin associated with the at least one sensor; Driving a physical state of an input/output pin assigned to the at least one actuator in accordance with an actuator entry present in the peripheral I/O memory for the at least one actuator (102); the central computing platform reading out the sensor entry of the peripheral I/O memory of the respective input-output
  • the input-output entities can simultaneously act as power distributors and greatly simplify the complexity of the vehicle electrical system.
  • a very low latency time i.e. in the nanosecond range, can be guaranteed in the communication between the various vehicle electrical system components, so that the vehicle electrical system is suitable for real-time control requirements such as those made in autonomous driving and other applications.
  • 1 shows a schematic representation of the structure of a conventional vehicle electrical system 100 with zonal control units 11, 12; 2 shows a schematic representation of a control arrangement 200 according to the invention for a vehicle on-board network according to a first specific embodiment;
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a control arrangement 300 according to the invention for a vehicle on-board network according to a second specific embodiment
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a decentralized input/output entity 110 according to the invention of a control arrangement 200, 300 for a vehicle on-board network according to an embodiment
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a method 500 according to the invention for controlling sensors and actuators in a vehicle electrical system.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the structure of a conventional vehicle electrical system 100 with zonal control units 11, 12 or zone integration modules 11, 12.
  • the function to be controlled e.g. the central locking
  • the connection of the sensors 101 and actuators 102 is to be as short as possible, then, for example, a sensor 101 is connected to the zone control device at the front 11 and an actuator 102 is connected to the zone control device at the rear 12 .
  • FIG. 1 shows the path 10a of the signals through the layers of the communication stacks and operating system layers. The multiple pass through these layers comes at the expense of the realizable latency.
  • Functions with real-time requirements will therefore continue to be centrally networked, as shown by way of example in signal path 10b.
  • Functions such as central locking are therefore still implemented centrally in a control unit (here, for example, the front zone control unit 11) in so-called zonal on-board networks.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a control arrangement 200 according to the invention for a vehicle on-board network according to a first specific embodiment.
  • FIG. 2 shows the inventive solution, in which the software implementation of the function takes place on a central pP 130, also referred to as central computing platform 130 below.
  • pprocessors have no GPIO.
  • SOC here is a system-on-chip with multiple p-processors.
  • GPIO General Purpose I/O
  • the remote I/O modules 110, 120 are connected via a peripheral component interface bus (PCI Express) 150.
  • PCI Express peripheral component interface bus
  • the software drivers for the I/O hardware drivers are also located on the SOC control unit 130.
  • the digital states as the output of the software driver are transferred to the state table output in the memory 121 of the remote I/O module 120 in a write cycle via PCI Express 150 . From there they are transmitted cyclically to the GPIO 122 and converted to physical states (on, off, analog value, Tx, Rx).
  • sensor data is subjected to e.g. an ADC conversion via the GPIO 112 of the remote I/O module 110 and the result is stored in the StateTable Input 111 and read from there cyclically via PCIe 150 by the SOC 130.
  • PCIe generation 3 with a data rate of up to 8Gbit/s, latency times in the nanosecond range can be implemented. These latency times are absolutely sufficient for functions with real-time requirements.
  • the remote I/O module 110 is connected to a sensor 101 at the front and the remote I/O module 120 is connected to an actuator 120 at the rear.
  • the remote I/O module at the front 110 can also be connected to one or more actuators and/or more sensors.
  • the rear remote I/O module 120 which can also be connected to one or more sensors and/or more actuators.
  • the remote I/O modules 110, 120 can now be optimally located in the vehicle; the controller 200, also referred to below as the control arrangement 200, can thus be viewed as a virtually distributed controller in the vehicle.
  • the remote I/O modules 110, 120 can also assume the function of local power distributors, ie they also supply the sensors 101 and actuators 102 with secured terminal voltage. These two factors allow a significant reduction in complexity in the physical on-board network.
  • serial PCI-Express connection 150 takes place, for example, via an unshielded twisted-pair cable for PCI-Express on HD-BaseT PHYs or via two shielded twisted-pair cables (one pair each for Rx, Tx) when transmitting the original PCIe via Retimer or Redriver Transceiver.
  • Ethernet IP is therefore more suitable for the data backbone connection between computing platforms, while PCIe is suitable for the (real-time) connection of peripherals.
  • Ethernet or USB bus systems can be used as an alternative to PCIe.
  • PCIe Peripheral Component Interconnect Express
  • the control arrangement 200 comprises a central computing platform 130 and a plurality of decentralized input/output entities 110, 120 which are connected to the central computing platform 130 via a serial communication bus 150.
  • Each input-output entity 110, 120 includes: a plurality of configurable input-output pins 117, which are assigned to at least one sensor 101 and/or at least one actuator 102; an input-output interface 112; and a peripheral I/O memory 111 for storing a configuration and a physical state of the plurality of configurable input-output pins 117.
  • the input/output interface 112 is designed to generate a sensor entry in the peripheral I/O memory 111 based on a physical state of an input/output pin 117a assigned to the at least one sensor 101 .
  • the input/output interface 112 is also designed to control a physical state of an input/output pin assigned to the at least one actuator in accordance with an actuator entry present in the peripheral I/O memory for the at least one actuator.
  • Rear I/O module 120 connected to an actuator 120.
  • the decentralized input/output entity 110 can also be connected to one or more actuators and/or more sensors.
  • the decentralized input/output entity 120 which can also be connected to one or more sensors and/or more actuators.
  • the central computing platform 130 can read out the sensor entry in the peripheral I/O memory 111 of the respective input/output entity 110, 120 via the serial communication bus 150 and/or the actuator entry in the peripheral I/O memory 111 of the respective input-output entity 110, 120 write.
  • the central computing platform 130 can have a DMA interface 133 for direct memory access to the peripheral I/O memory 111 of the respective input/output entity 110, 120, as shown in FIG.
  • the serial communication bus 150 may include a PCI Express bus, as described above.
  • the serial communication bus 150 can be provided for Ethernet or Ethernet over IP communication, or it can be in the form of a USB bus.
  • the majority of the decentralized input/output entities 110, 120 can be connected to the central computing platform 130, for example, via an unshielded twisted pair cable or via two shielded twisted pair cables.
  • the input/output interface 112 can be designed to cyclically transfer memory states of the actuator entries present in the peripheral I/O memory 111 to the physical states of the input/output pins 127a corresponding to the actuator entries.
  • the majority of the configurable input/output pins 117 can be configured, for example, as binary inputs/outputs, ADC inputs, DAC outputs, SPI inputs/outputs and/or RX/TX inputs/outputs.
  • the input/output interface 112 can convert the sensor data recorded by the input/output pin 117a assigned to the at least one sensor 101 into a digital value and store the digital value as a sensor entry in the peripheral I/O memory 111.
  • the input-output interface 112 can be configured to configure a dedicated input-output pin 127a as a binary output pin according to the configuration present in the peripheral I/O memory 111 and to set a physical state of the dedicated input-output pin 127a according to the in to drive the actuator entry present in the peripheral I/O memory 111 .
  • the peripheral I/O memory 111 can also include a memory area in which predetermined actuator entries for controlling a safe state of the at least one actuator 102 are stored. If the connection to the central computing platform 130 is interrupted, the input/output interface 112 can configure a physical state of the input/output pin 127a assigned to the at least one actuator 102 based on the specified actuator entries in the peripheral I/O memory 111 , which transfers the at least one actuator 102 to a safe state.
  • the input/output interface 112 can connect at least one of the input/output pins 127a assigned to the at least one actuator 102 and/or at least one of the input/output pins 117a assigned to the at least one sensor 101 to a battery terminal 140 in order to connect the at least to supply an actuator 102 and/or the at least one sensor 101 with energy.
  • the central computing platform 130 can be configured to transmit the actuator entry for a given actuator multiple times to the corresponding input-output entity 110, 120 and to multiple memory locations of the memory for I/O state tables 111 of the corresponding input -Put output entity 110, 120.
  • the input/output interface 112 can be designed to control the input/output pin 127a assigned to the specified actuator 102 based on a majority decision on the actuator entries stored in the multiple memory locations.
  • the input-output interface 112 can be configured to drive the input-output output 127a associated with the predetermined actuator 102 based on the actuator entry, which is present identically in most of the multiple memory locations.
  • a first input/output entity 110 and a sensor 101 connected or associated with the first input/output entity 110 can be arranged, for example, in a front part of the vehicle.
  • a second input-output entity 120 and an actuator 102 associated with the second input-output entity 120 may be located in a rear portion of the vehicle, for example.
  • the central computing platform 130 can be configured to transmit the sensor entry and/or the actuator entry using a communication protocol that has error correction in a second communication layer.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a control arrangement 300 according to the invention for a vehicle on-board network according to a second specific embodiment.
  • the control arrangement 300 corresponds to the control arrangement 200 described above for FIG. 2, with the difference that memory for memory mapped I/O is provided in the central computing platform.
  • the central computing platform 130 thus has a central memory with an I/O state table 111b, which is designed to store sensor entries and actuator entries in the I/O state tables 111 of the plurality of decentralized input/output entities 110, 120 to store.
  • the central computing platform 130 is designed to cyclically adjust the central I/O state table 111b with the peripheral I/O state tables 111 of the plurality of decentralized input/output entities 110, 120 via the DMA interface 133.
  • the I/O states of the decentralized input/output entities 110, 120 can thus be mirrored to the central computing platform 130, which has the advantage of additional failsafety.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the ASIC of a decentralized input-output entity 110 according to the invention of a control arrangement 200, 300 for a vehicle on-board network according to one specific embodiment.
  • FIG. 4 shows a detailed representation of the core component for the remote I/O modules 110, 120 according to FIGS. 2 and 3. It is an ASIC (“Application Specific Integrated Circuit”), which has a PCIe PHY 115 and a memory 111 for state tables (state tables).
  • the central control SOC 130 as shown in Figures 2 and 3, is given direct read-write access to this memory 111 via the PCIe 118, which is connected to the PCIe bus 150. Starting from this memory 111, the states are cyclically transmitted to the GPIO 112 by the ASIC.
  • the GPIO 112 is a GPIO known from classic automotive controllers.
  • These include binary inputs/outputs, ADC inputs, DAC outputs, SPI, RX/TX, eg for local buses such as CAN or LIN or Ethernet 10BaseT.
  • the configuration of the individual pins 117 is stored in a configuration table.
  • Additional statuses can be stored in tables, such as safe statuses in the event of a communication abort.
  • error correction takes place on data link 114 and PCI TLP level 113 (e.g. "Cyclic Redundancy Check” - CRC for short).
  • Highly critical signals can also be received three times and stored in three tables for comparison.
  • the GPIO 112 then implements the states that have been stored identically at least twice. Furthermore, functions for security can be implemented in this ASIC.
  • the input/output entity 110, 120 comprises a plurality of configurable input/output connections 119, an input/output circuit 116 with hardware drivers or sensor interfaces which can be connected to at least one sensor 101 and/or at least one actuator 102, a configurable input-output GPIO 112; and a peripheral I/O memory 111 for storing a configuration and physical states of the plurality of configurable input-output pins 117.
  • the input/output GPIO 112 is designed to configure an input/output pin 119 that can be connected to the input/output circuit 116, to acquire sensor data from the at least one sensor 101 and, based on the sensor data, to create a sensor entry in the peripheral I/O memory 111 to create.
  • the input/output GPIO is also designed to configure the GPIO pin 119 based on an entry present in the peripheral I/O memory 111 (e.g. as a binary output) and for the at least one actuator 102 to set a physical state corresponding to the peripheral I/O state table 111.
  • the central computing platform 130 is designed to read out the sensor entry in the peripheral I/O memory 111 of the respective input/output entity 110, 120 via the serial communication bus 150 and/or the actuator entry in the I/O state -Table 111 of the respective input-output entity 110, 120 to write.
  • the central computing platform 130 can send the sensor entry in the peripheral I/O memory 111 of the respective Read input-output entity 110, 120 and/or write the actuator entry into the peripheral I/O memory 111 of the respective input-output entity 110, 120.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a method 500 according to the invention for controlling sensors and actuators in a vehicle electrical system.
  • Such a vehicle electrical system includes a control arrangement 200, 300, as described above for FIGS. That is, the control arrangement 200, 300 comprises a central computing platform 130 and a plurality of decentralized input/output entities 110, 120 which are connected to the central computing platform 130 via a serial communication bus 150.
  • Each input-output entity 110, 120 comprises: a plurality of configurable input-output pins 119, which are assigned to at least one sensor 101 and/or at least one actuator 102 via an input-output circuit 116; a configurable GPIO input-output interface 112; and a peripheral I/O memory 111 for storing a configuration and physical states of the plurality of configurable input-output pins 119.
  • the method 500 includes the following steps: Generating 501 a sensor entry in the peripheral I/O memory 111 based on a physical state of an input/output pin 117a assigned to the at least one sensor 101;
  • Controlling 502 a physical state of an input/output pin 127a assigned to the at least one actuator 102 according to an actuator entry present in the peripheral I/O memory 111 for the at least one actuator 102;
  • the configurable input-output interface 112 or GPIO 112 described above includes the following functionality:
  • Pins of the GPIO can be configured (typically once during initialization). In the configuration it is selected whether the pin is a binary input (voltage there or not there), a binary output, an analog input (measure signal 0 to 3.2V e.g.) also ADC or an analog output DAC. Furthermore, the can also be configured as RX (receive) or Tx (send) of a serial bus such as CAN.
  • the pin configured as an output will take on the physical states according to the I/O State Table.
  • a pin configured as an input will convert the physical states that are present into digital information and write them to the I/O State Table.
  • the GPIO does not directly control the sensors/actuators. In between there is a circuit with HW drivers or smart fets, sensor amplifiers, etc. Furthermore, a computer program with a program code for executing the method 500 on a control, for example the control arrangement described above, can be provided.
  • 128 pins of the physical layer of the communication protocol e.g. PCI Express

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Abstract

Die Offenbarung betrifft eine Steuerungsanordnung für ein Fahrzeug-Bordnetz mit einem zentralen Steuergerät und einer Mehrzahl von dezentralen Eingabe-Ausgabe-Entitäten, die mit dem zentralen Steuergerät über einen seriellen Kommunikationsbus verbunden sind. Jede Eingabe-Ausgabe-Entität umfasst: eine Mehrzahl von konfigurierbaren Eingabe-Ausgabe Pins, die zumindest einem Sensor und/oder Aktuator zugeordnet sind; eine Eingabe-Ausgabe-Schnittstelle; und einen peripheren I/O Speicher zum Speichern einer Konfiguration und von physikalischen Zuständen der Eingabe-Ausgabe Pins. Die Eingabe-Ausgabe Schnittstelle ist ausgebildet, einen Sensor-Eintrag in dem peripheren I/O Speicher basierend auf einem physikalischen Zustand eines dem Sensor zugeordneten Eingabe-Ausgabe Pins zu erzeugen. Die Eingabe-Ausgabe Schnittstelle ist ferner ausgebildet, einen physikalischen Zustand eines dem Aktuator zugeordneten Eingabe-Ausgabe Pins entsprechend eines in dem peripheren I/O Speicher vorliegenden Aktuator-Eintrags anzusteuern. Die zentrale Computing-Plattform ist ausgebildet, über den seriellen Kommunikationsbus den Sensor-Eintrag auszulesen und/oder den Aktuator-Eintrag zu schreiben.

Description

STEUERUNGSANORDNUNG FÜR EIN FAHRZEUG-BORDNETZ
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuerungsanordnung für ein Fahrzeug-Bordnetz und ein Verfahren zum Steuern von Sensoren und Aktuatoren in einem Fahrzeug-Bordnetz. Insbesondere betrifft die Erfindung Remote GPIO („General Purpose Input Output“) Module für neue Bordnetzarchitekturen mit virtualisierter Steuerung.
Stand der Technik
Aufgrund der weiter zunehmenden Anzahl von elektronischen Funktionen im Bordnetz nimmt die Vernetzungs-Komplexität solche Ausmaße an, dass neue Bordnetzarchitekturen eingeführt werden müssen. In der Diskussion ist hier insbesondere das zonale Bordnetz 100, wie in Figur 1 dargestellt. Grundidee ist hierbei, dass Funktionen zonal integriert werden sollen und sich damit eine Komplexitätsreduktion ergeben soll. Problem ist nur, dass die allermeisten Funktionen im Fahrzeug nicht zonaler Natur sind. Beispiele hierfür sind das Car Access System, Airbag und die Funktionen des autonomen Fahrens, die jeweils mit zentralen Steuergeräten für diese Funktion zentralvernetzt sind. Dass ein zonales Steuergerät zum Beispiel ein Sensorsignal vorne links aufnimmt, dieses über ein Bussystem zu einem zonalen Steuergerät hinten kommuniziert und dieses dort ein Aktuator-Signal initiiert, ist zumindest für (Echtzeit-) Steuerungen mit Anforderungen an niedrige Latenzzeiten nicht möglich. Beschreibung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein vorteilhaftes Konzept für ein neuartiges Fahrzeug- Bordnetz zu schaffen, mit dem die oben genannten Nachteile überwunden werden können.
Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Bordnetz-Architektur mit geringer Komplexität zu schaffen, bei der die Steuerung der im Fahrzeug vorgesehenen Komponenten, wie Aktuatoren und Sensoren, mit möglichst geringer Latenzzeit erfolgen kann.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben.
Die erfinderische Lösung basiert auf der Idee, eine neue Steuerungsanordnung für ein Fahrzeug-Bordnetz zu schaffen. In der neuen Steuerungsanordnung wird das GPIO ausgelagert in Remote-GPIO Module, die als periphere Eingabe-Ausgabe-Entitäten fungieren, Diese sind über einen Peripheral Component Interconnect Bus an eine zentrale Computing Plattform angebunden. Die Remote-GPIOs können über das gesamte Fahrzeug verteilt werden. Somit können sich quasi virtuelle Steuergeräte über das gesamte Fahrzeug verteilen. Wegen der Latenz im Nanosekunden-Bereich des Peripheral Component Interface Busses können somit Sensoren, die beispielsweise vorne links angeordnet sind, (über Remote-GPIO vorne links) mit Aktuatoren, die beispielsweise hinten angeordnet sind, (über Remote-GPIO hinten) in einer Funktion interagieren, so als würden sie über ein zentrales Domänensteuergerät (mit vielen langen Leitungsverbindungen) verarbeitet.
Das Processing der Funktionen erfolgt auf einer performanten p-Prozessor Plattform (nicht p- Controller). p-Prozessoren weisen kein GPIO in Form von konfigurierbaren Eingangs- oder Ausgangs-Pins (Binär, ADC, PWM, TX, RX, UART, SPI) auf. Hierbei kann es sich um eine SOC (System on Chip) Multi-Prozessor Plattform handeln, die bisher typischerweise für ADAS (Advanced Driver Assistance Systeme) Anwendungen verwendet wird. Auf der Multi- Prozessor Plattform können dafür zwei unterschiedliche Betriebssystem übereinen Hypervisor lauffähig sein. Dafür wird neben einem Posix Betriebssystem für die ADAS Anwendung ein RTOS (Real Time Operating System) Betriebssystem für die Steuerungsaufgaben (über Remote GPIO) implementiert. In einem neuen GPIO ASIC erfolgt ein Mapping der Peripheral Component Interconnect Bus Datenpakete zu den General Purpose I/O Pins des Remote-GPIO Modules. Das GPIO ASIC setzt die Ausgänge und liest die Eingänge ein. Die I/O Information wird in einer Speichertafel des GPIO-Asics (periphere I/O-State-Table bzw. periphere I/O Zustandstabelle) wiedergegeben. Diese Speichertafel wird von der zentralen Computing Plattform über Direct Memory Access Mechanismen oder Memory Mapped I/O über den Bus zyklisch aktualisiert. Das ASIC des GPIO Moduls ermöglicht es, dass auf der Eingabe-Ausgabe Entität keine Software implementiert werden muss. Die SW inclusive Treiber wird auf dem SOC-Prozessor der zentralen Computing Platform implementiert.
Die neue Steuerungsanordnung umfasst eine zentrale Computing Plattform und mehrere dezentrale Eingabe-Ausgabe-Entitäten entsprechend den Remote-GPIO Modulen.
Die erfindungsgemäßen Remote-GPIO können bisherige (intelligente) Stromverteiler ersetzen und diese mit der I/O Beschaltung aus Steuergeräten kombinieren. Die klassischen Stromverteiler können damit entfallen.
Ein Vorteil der neuen Steuerungsanordnung ist insbesondere wie folgt: Zentralvernetzte Funktionen sind die Ursache für Vermaschung im Bordnetz. Diese verhindert bisher eine Automatisierbarkeit in der Leitungssatzfertigung. Verteilte GPIO, wie hier vorgestellt, die gleichzeitig als Stromverteiler fungieren können, heben hingegen die Vermaschung auf.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die oben beschriebene Aufgabe gelöst durch eine Steuerungsanordnung für ein Fahrzeug-Bordnetz, wobei die Steuerungsanordnung eine zentrale Computing Plattform und eine Mehrzahl von dezentralen Eingabe-Ausgabe-Entitäten umfasst, die mit der zentralen Computing Plattform über einen seriellen Kommunikationsbus verbunden sind, wobei jede Eingabe-Ausgabe-Entität folgendes umfasst: eine Mehrzahl von konfigurierbaren Eingabe-Ausgabe Pins, die zumindest einem Sensor und/oder zumindest einem Aktuator zugeordnet sind; eine Eingabe-Ausgabe-Schnittstelle; und einen Konfigurationsspeicher zum Speichern einer Konfiguration und von physikalischen Zuständen der Mehrzahl von konfigurierbaren Eingabe-Ausgabe Pins, wobei die Eingabe-Ausgabe Schnittstelle ausgebildet ist, einen Sensor-Eintrag in dem peripheren I/O Speicher basierend auf einem physikalischen Zustand eines dem zumindest einen Sensor zugeordneten Eingabe- Ausgabe Pins zu erzeugen, wobei die Eingabe-Ausgabe Schnittstelle ferner ausgebildet ist, einen physikalischen Zustand eines dem zumindest einen Aktuator zugeordneten Eingabe- Ausgabe Pins entsprechend eines in dem peripheren I/O Speicher vorliegenden Aktuator- Eintrags für den zumindest einen Aktuator (102) anzusteuern, wobei die zentrale Computing- Plattform ausgebildet ist, über den seriellen Kommunikationsbus den Sensor-Eintrag in dem peripheren I/O Speicher der jeweiligen Eingabe-Ausgabe-Entität auszulesen und/oder den Aktuator-Eintrag in den peripheren I/O Speicher der jeweiligen Eingabe-Ausgabe-Entität zu schreiben.
Eine solche Steuerungsanordnung bietet den technischen Vorteil, dass die zentrale Computing-Plattform und die einzelnen dezentralen Eingabe-Ausgabe-Entitäten bzw. Remote I/O-Module flexibel an verschiedenen Stellen im Fahrzeug angebracht werden können und eine Vermaschung im Bordnetz reduzieren oder sogar gänzlich aufheben können.
Damit kann das Bordnetz mit einer geringeren oder gar keiner Vermaschung aufgebaut werden, was eine automatisierte Leitungssatzfertigung ermöglicht.
Die Eingabe-Ausgabe-Entitäten können dabei gleichzeitig als Stromverteiler fungieren und die Komplexität des Bordnetzes stark vereinfachen.
Gleichzeitig kann eine sehr geringe Latenzzeit, d.h. im Nanosekunden-Bereich, in der Kommunikation zwischen den verschiedenen Bordnetzkomponenten gewährleistet werden, so dass das Bordnetz für Echtzeit-Steuerungsanforderungen geeignet ist, wie sie beim autonomen Fahren und anderen Anwendungen gestellt werden.
Die dezentralen Eingabe-Ausgabe-Entitäten können als virtuelle Steuergeräte fungieren, die über das gesamte Fahrzeug verteilt sind.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Steuerungsanordnung weist die zentrale Computing-Plattform eine DMA („Direct Memory Access“)-Schnittstelle zum direkten Speicherzugriff auf die jeweilige Eingabe-Ausgabe-Entität auf.
Für das I/O Zugriffs Konzept existieren zwei Möglichkeiten: Das erste I/O Zugriffs Konzept ist Port Mapped I/O. T reiber oder sonstige SW auf der zentralen Computing Plattform können über Zugriffs-Befehle die I/O Inhalte der peripheren I/O -State Tables einlesen oder schreiben. Es erfolgt also ein direkter Zugriff auf den Speicher der Ein- Ausgabe Entitäten durch die SW der zentralen Computing Plattform.
Das zweite I/O Zugriffs Konzept ist Memory Mapped I/O. Im Speicher der zentralen Computing Plattform ist ein Bereich für I/O und dessen Ansteuerung ausgewiesen (zentrale I/O State Table). Treiber oder sonstige SW auf der Computing Plattform können also über einfache Speicherzugriffe die I/O Inhalte einlesen oder schreiben. Die zentrale I/O-State Table ist ein Spiegel der peripheren State Tables der verteilten Ein-Ausgabe-Entitäten mit GPIO Funktionalität. Der Abgleich der zentralen State-Table mit den peripheren State Tables erfolgt zyklisch (im Nanosekunden-Bereich).
Damit wird der technische Vorteil erzielt, dass die zentrale Computing-Plattform direkt auf die Zustände der I/O State Tables der dezentralen Eingabe-Ausgabe-Entitäten zugreifen kann, so dass ein virtuelles Steuerungskonzept realisierbar ist.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Steuerungsanordnung weist die zentrale Computing-Plattform einen zentralen I/O-Speicher auf, der ausgebildet ist, Sensor-Einträge und Aktuator-Einträge der peripheren I/O State Table der Mehrzahl von dezentralen Eingabe- Ausgabe- Entitäten zu speichern; wobei die zentrale Computing-Plattform ausgebildet ist, den zentralen I/O State Table mit den peripheren I/O State Tables der Mehrzahl von dezentralen Eingabe-Ausgabe-Entitäten über eine serielle Punkt zu Punkt Schnittstelle und direkte Speicher-Zugriffs-Mechanismen abzugleichen.
Damit wird der technische Vorteil erzielt, dass in dem zentralen I/O-Speicher die peripheren I/O-State-Table der dezentralen Eingabe-Ausgabe-Entitäten gespiegelt werden können, so dass die gleichen Daten in den dezentralen Eingabe-Ausgabe-Entitäten und der zentralen Computing Plattform vorliegen.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Steuerungsanordnung wird die serielle Punkt zu Punkt Kommunikation über einen Peripheral Component Interconnect Bus hergestellt. Dieser Peripheral Component Interconnect Bus kann PCI-Express oder z.B. ein modifizierter USB Bus oder ein geeigneter anderer Bus sein. Im Gegensatz zu bestehenden High-Performance Bussen wie Ethernet TCP/IP ist dieser Peripheral Component Interconnect Bus kein Bus für den adressierten, high-level Austausch von Nachrichten-Paketen zwischen CPUs, sondern eine serielle Schnittstelle für die Punkt-zu Punkt Verbindung zwischen einer zentralen Computing Einheit und peripheren GPIO Devices zur Herstellung eines direkten Speicherzugriffs.
Bei der Verwendung des PCI-Express Busses wird der technische Vorteil erzielt, dass dieser standardisiert ist und damit leicht und kostengünstig im Bordnetz eingesetzt werden kann.
PCI Express („Peripheral Component Interconnect Express“, abgekürzt PCIe) ist ein Standard zur Verbindung von Peripheriegeräten mit dem Chipsatz eines Hauptprozessors, der hier effizient genutzt werden kann, um die dezentralen Eingabe-Ausgabe-Entitäten mit der zentralen Computing Plattform zu verbinden.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Steuerungsanordnung sind die Mehrzahl von dezentralen Eingabe-Ausgabe-Entitäten über ein nicht geschirmtes Twisted-Pair Kabel oder über zwei geschirmte Twisted-Pair Kabel mit dem zentralen Steuergerät verbunden.
Damit wird der technische Vorteil erzielt, dass die Verbindungen zwischen zentraler Computing Plattform und dezentralen Eingabe-Ausgabe-Entitäten einfach realisiert werden können. Mittels der Twisted-Pair Kabel können die dezentralen Eingabe-Ausgabe-Entitäten, die sich an beliebigen Stellen im Fahrzeug befinden können, leicht und flexibel mit dem zentralen Steuergerät verbunden werden.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Steuerungsanordnung ist die Eingabe- Ausgabe Schnittstelle ausgebildet, Speicherzustände der in dem peripheren I/O State Tables vorliegenden Aktuator-Einträge zyklisch auf die physikalischen Zustände der den Aktuator- Einträgen entsprechenden Eingabe-Ausgabe Pins zu übertragen.
Damit wird der technische Vorteil erzielt, dass die Zustände gemäß des peripheren I/O State Tables zyklisch mit den Eingabe-Ausgabe Pins abgeglichen werden, welche die Aktuatoren ansteuern. Die Latenzzeit zur Ansteuerung der Aktuatoren ist damit besonders gering. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Steuerungsanordnung sind die Mehrzahl von konfigurierbaren Eingabe-Ausgabe Pins (GPIO Pins) als binäre Ein/Ausgänge, ADC („Analog-Digital Converter“) Eingänge, DAC („Digital-Analog Converter“) Ausgänge, SPI („Serial Peripheral Interface“)-Ein/Ausgänge und/oder RX/TX („Empfangs/Sende“)- Ein/Ausgänge konfigurierbar. Die Konfiguration jedes einzelnen Pins ist dabei durch einen Eintrag im peripheren Konfigurationsspeicher der dezentralen Ein-Ausgabe-Entität festgelegt.
Damit wird der technische Vorteil erzielt, dass über die Eingabe-Ausgabe Pins verschiedenste Zustände der Aktuatoren und/oder Sensoren konfiguriert und damit angesteuert oder eingelesen werden können.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Steuerungsanordnung ist die Eingabe- Ausgabe Schnittstelle ausgebildet, die von dem, dem zumindest einen Sensor zugeordneten, Eingabe-Ausgabe Pin erfassten Sensordaten in einen Digitalwert umzuwandeln und den Digitalwert als Sensor-Eintrag im peripheren I/O-Speicher zu speichern.
Damit wird der technische Vorteil erzielt, dass die von den Sensoren erfassten Analogwerte, z.B. Strom oder Spannung, direkt an die Eingabe-Ausgabe Pins angelegt werden können und die Umwandlung in digitale Werte über A/D-Wandler erfolgt, die sich in der dezentralen Eingabe-Ausgabe-Entität, insbesondere der Eingabe-Ausgabe-Schnittstelle befinden. Die Sensoren können damit einfach aufgebaut sein und brauchen keinen A/D- Wandler umfassen, der die Sensorsignale in digitale Sensordaten umwandelt.
Die dezentralen Eingabe-Ausgabe-Entitäten bzw. GPIO-Module können ein ASIC beinhalten, welches den peripheren I/O State Table, den Konfigurationsspeicher und den GPIO zum Umsetzen in physische Signale sowie die serielle Schnittstelle enthält und können sich in der Nähe des Sensors befinden oder sogar in den Sensor integriert sein, so dass sich der Aufbau des Bordnetzes stark vereinfacht. An die GPIO des Asics können Eingangs/Ausgangs Schaltungsteile wie Smartfets, Habbrücken, High-Side Treiber, Can Transceiver, Lin Transceiver und Sensoren angeschlossen sein. Die Beschaltung der dezentralen Eingabe- Ausgabe Entität ähnelt insofern der von klassischen Body-Controllern, allerdings ohne Prozessor und eigene SW. Die Rechenleistung für (eine Vielzahl von) peripheren Ein-Ausgabe Entitäten wird auf der zentralen Computing Plattform vorgehalten. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Steuerungsanordnung ist die Eingabe- Ausgabe Schnittstelle ausgebildet, gemäß des Eintrags im Konfigurationsspeicher einen dedizierten Pin als binären Ausgangs-Pin vorzuhalten. Der im peripheren I/O-Speicher vorliegende Zustand (1 an/ 0 aus) wird in der GPIO des Asics in einen physikalischen Zustand (3,2V an, 0V aus) umgesetzt. Mit dem physikalischen Signal wird z.B. ein Smart-Fet Baustein als Teil der Beschaltung der Ein-Ausgabe- Entität, durchgeschaltet und somit der Aktuator aktiviert.
Die dezentralen Eingabe-Ausgabe-Entitäten können sich in der Nähe des Aktuators befinden bzw. das GPIO- ASIC kann sogar in den Aktuator integriert sein, so dass sich der Aufbau des Bordnetzes stark vereinfacht.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Steuerungsanordnung umfasst der Konfigurationsspeicher bzw. der periphere I/O Speicher ferner einen Speicherbereich, in dem vorgegebene Aktuator-Einträge zum Ansteuern eines sicheren Zustands des zumindest einen Aktuators gespeichert sind.
Damit wird der technische Vorteil erzielt, dass für den Fall des Abbruchs der Kommunikation mit der zentralen Computing Plattform die Aktuatoren in einen sicheren Zustand überführt werden können.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Steuerungsanordnung ist die Eingabe- Ausgabe Schnittstelle ausgebildet, bei einem Abbruch der Verbindung zur zentralen Computing Plattform basierend auf den vorgegebenen Aktuator-Einträgen in dem Konfigurationsspeicher bzw. peripheren I/O Speicher einen physikalischen Zustand des dem zumindest einen Aktuator zugeordneten Eingabe-Ausgabe Pins zu konfigurieren, der den zumindest einen Aktuator in einen sicheren Zustand überführt.
Damit wird der technische Vorteil erzielt, dass für den Fall des Abbruchs der Kommunikation mit der zentralen Computing Plattform, wie oben beschrieben, die Aktuatoren in einen sicheren Zustand überführt werden können. Damit können Sicherheitsanforderungen der funktionalen Sicherheit (FlISI) im Fahrzeug eingehalten werden. Die Steuerungsanordnung kann damit die Sicherheitsanforderungen erfüllen, die beispielsweise bei Anwendungen des autonomen Fahrens an die Bordnetzarchitektur gestellt werden. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Steuerungsanordnung ist die Eingabe- Ausgabe Schnittstelle ausgebildet, zumindest einen der dem zumindest einen Aktuator zugeordneten Eingabe-Ausgabe Pins und/oder zumindest einen der dem zumindest einen Sensor zugeordneten Eingabe-Ausgabe Pins an eine Batterieklemme anzuschließen, um den zumindest einen Aktuator und/oder den zumindest einen Sensor mit Energie zu versorgen.
Damit wird der technische Vorteil erzielt, dass die dezentralen Eingabe-Ausgabe-Entitäten gleichzeitig dafür eingerichtet sind, die Aktuatoren und Sensoren im Fahrzeug mit Strom zu versorgen, so dass die bisherigen im Fahrzeug vorgesehenen Stromverteiler bzw. intelligenten Stromverteiler entfallen können. Damit reduziert sich die Komplexität des Bordnetzes und Kosten können eingespart werden.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Steuerungsanordnung ist die zentrale Computing Plattform ausgebildet, den Aktuator-Eintrag für einen vorgegebenen Aktuator mehrmals an die entsprechende Eingabe-Ausgabe-Entität zu übertragen und an mehreren Speicherstellen des Konfigurationsspeichers der entsprechenden Eingabe-Ausgabe-Entität abzulegen; und die Eingabe-Ausgabe Schnittstelle ist ausgebildet, den dem vorgegebenen Aktuator zugeordneten Eingabe-Ausgabe Pin basierend auf einer Mehrheitsentscheidung über die an den mehreren Speicherstellen abgelegten Aktuator-Einträge zu konfigurieren.
Damit wird der technische Vorteil erzielt, dass die Signalübertragung so angelegt ist, dass Fehler bei der Datenübertragung korrigiert werden können. Dies eignet sich insbesondere zur Übertragung von hochkritischen Signalen, welche nicht im normalen Fährbetrieb auftreten dürfen, beispielweise Signalen zur Auslösung des Airbags.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Steuerungsanordnung ist die Eingabe- Ausgabe Schnittstelle ausgebildet, den dem vorgegebenen Aktuator zugeordneten Eingabe- Ausgabe Pin basierend auf dem Aktuator-Eintrag anzusteuern, der in den meisten der mehreren Speicherstellen identisch vorliegt.
Damit wird der technische Vorteil erzielt, dass eine abgesicherte Signalübertragung gewährleistet wird, welche für Anforderungen der funktionalen Sicherheit im Fahrzeug gefordert wird. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Steuerungsanordnung sind eine erste Eingabe-Ausgabe-Entität und ein der ersten Eingabe-Ausgabe-Entität zugeordneter Sensor in einem vorderen Teil des Fahrzeugs angeordnet; und eine zweite Eingabe-Ausgabe-Entität und ein der zweiten Eingabe-Ausgabe-Entität zugeordneter Aktuator sind in einem hinteren Teil des Fahrzeugs angeordnet.
Damit wird der technische Vorteil erzielt, dass eine virtuelle Steuerungsarchitektur implementiert werden kann. Die Sensoren und Aktuatoren im Fahrzeug können dabei von den Eingabe-Ausgabe-Entitäten angesteuert werden, ohne dass die Funktionalität eines dedizierten Steuergeräts am Ort der jeweiligen Komponente dafür erforderlich ist. Die zentrale Computing Plattform zusammen mit einer Mehrzahl von Eingabe-Ausgabe-Entitäten wirkt wie ein virtuelles Steuergerät, welches über die gesamte Geometrie des Fahrzeuges ausgedehnt ist und überall lokal Ein-Ausgabe Schnittstellen mit minimalen Leitungslängen zur Anbindung von Sensoren/Aktoren vorhalten kann. Die Software -seitige Bedienung einer Vielzahl von Funktionen erfolgt dabei auf der zentralen Computing Plattform.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Steuerungsanordnung ist die zentrale Computing-Plattform ausgebildet, den Sensor- Eintrag und/oder den Aktuator-Eintrag unter Nutzung eines Kommunikationsprotokolls zu übertragen, das eine Fehlerkorrektur in einer zweiten Kommunikationsschicht aufweist.
Damit wird der technische Vorteil erzielt, dass bei Fehlerkorrektur in der zweiten Kommunikationsschicht sich die Latenzzeit der Übertragung reduziert, gleichzeitig aber die Anforderungen der funktionalen Sicherheit eingehalten werden können.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die oben beschriebene Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Steuern von Sensoren und Aktuatoren in einem Fahrzeug-Bordnetz mit einer Steuerungsanordnung, wobei die Steuerungsanordnung eine zentrale Computing Plattform und eine Mehrzahl von dezentralen Eingabe-Ausgabe-Entitäten umfasst, die mit der zentralen Computing Plattform über einen seriellen Kommunikationsbus verbunden sind, wobei jede Eingabe-Ausgabe-Entität folgendes umfasst: eine Mehrzahl von konfigurierbaren Eingabe-Ausgabe Pins, die mit zumindest einem Sensor und/oder zumindest einem Aktuator zugeordnet sind; eine Eingabe-Ausgabe-Schnittstelle; und einen peripheren I/O Speicher zur Speicherung einer Konfiguration und von physikalischen Zuständen der Mehrzahl von konfigurierbaren Eingabe-Ausgabe Pins, wobei das Verfahren folgendes umfasst: Erzeugen eines Sensor-Eintrags in dem peripheren I/O Speicher basierend auf einem physikalischen Zustand eines dem zumindest einen Sensor zugeordneten Eingabe-Ausgabe Pins; Ansteuern eines physikalischen Zustands eines dem zumindest einen Aktuator zugeordneten Eingabe- Ausgabe Pins entsprechend eines in dem peripheren I/O Speicher vorliegenden Aktuator- Eintrags für den zumindest einen Aktuator (102); Auslesen des Sensor-Eintrags des peripheren I/O-Speichers der jeweiligen Eingabe-Ausgabe-Entität durch die zentrale Computing-Plattform über den seriellen Kommunikationsbus; Berechnung einer Aktuator- Antwort basierend auf der Sensor Information durch die Applikations-SW auf der zentralen Computing Plattform und Schreiben des Aktuator- Eintrags in den peripheren I/O State Table der jeweiligen Eingabe-Ausgabe-Entität durch die zentrale Computing-Plattform über den seriellen Kommunikationsbus.
Mit einem solchen Verfahren können die gleichen Vorteile erzielt werden wie mit der oben beschriebenen Steuerungsanordnung.
Insbesondere kann eine Vermaschung im Bordnetz reduziert werden oder sogar gänzlich entfallen, so dass eine automatisierte Leitungssatzfertigung ermöglicht wird. Die Eingabe- Ausgabe- Entitäten können dabei gleichzeitig als Stromverteiler fungieren und die Komplexität des Bordnetzes stark vereinfachen. Mit dem Verfahren kann eine sehr geringe Latenzzeit, d.h. im Nanosekunden-Bereich, in der Kommunikation zwischen den verschiedenen Bordnetzkomponenten gewährleistet werden, so dass das Bordnetz für Echtzeit- Steuerungsanforderungen geeignet ist, wie sie beim autonomen Fahren und anderen Anwendungen gestellt werden.
Kurze Figurenbeschreibung
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines konventionellen Fahrzeug- Bordnetzes 100 mit zonalen Steuerungsgeräten 11 , 12; Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Steuerungsanordnung 200 für ein Fahrzeug-Bordnetz gemäß einer ersten Ausführungsform;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Steuerungsanordnung 300 für ein Fahrzeug-Bordnetz gemäß einer zweiten Ausführungsform;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen dezentralen Eingabe- Ausgabe-Entität 110 einer Steuerungsanordnung 200, 300 für ein Fahrzeug- Bordnetz gemäß einer Ausführungsform; und
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens 500 zum Steuern von Sensoren und Aktuatoren in einem Fahrzeug-Bordnetz.
Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in denen als Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann. Es versteht sich, dass auch andere Ausführungsformen genutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einem beschränkenden Sinne zu verstehen. Ferner versteht es sich, dass die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch etwas anderes angegeben ist.
Die Aspekte und Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen sich im Allgemeinen auf gleiche Elemente beziehen. In der folgenden Beschreibung werden zu Erläuterungszwecken zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein eingehendes Verständnis von einem oder mehreren Aspekten der Erfindung zu vermitteln. Für einen Fachmann kann es jedoch offensichtlich sein, dass ein oder mehrere Aspekte oder Ausführungsformen mit einem geringeren Grad der spezifischen Details ausgeführt werden können. In anderen Fällen werden bekannte Strukturen und Elemente in schematischer Form dargestellt, um das Beschreiben von einem oder mehreren Aspekten oder Ausführungsformen zu erleichtern. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen genutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus eines konventionellen Fahrzeug- Bordnetzes 100 mit zonalen Steuerungsgeräten 11 , 12 bzw. Zonen-Integrationsmodulen 11 , 12.
Bei den zonalen Steuergeräten 11 , 12 ist die zu steuernde Funktion, z.B. die Zentralverriegelung, im ganzen Fahrzeug verteilt. Soll eine möglichst kurze Anbindung der Sensoren 101 und Aktuatoren 102 erfolgen, so wird zum Beispiel ein Sensor 101 am Zonen- Steuergerät vorne 11 und ein Aktuator 102 am Zonen-Steuergerät hinten 12 angebunden.
In Figur 1 ist der Weg 10a der Signale durch die Schichten der Kommunikations-Stacks und Betriebssystem-Schichten dargestellt. Der multiple Durchgang durch diese Schichten geht auf Kosten der realisierbaren Latenzzeit.
Funktionen mit Echtzeit-Anforderungen werden deshalb weiterhin zentralvernetzt, wie in dem Signalweg 10b beispielhaft dargestellt. Funktionen wie die Zentralverriegelung werden deshalb in sogenannten zonalen Bordnetzen weiterhin zentral in einem Steuergerät (hier beispielsweise dem Zonen Steuergerät vorne 11) umgesetzt.
Problematisch ist, dass die allermeisten Funktionen im Fahrzeug nicht zonaler Natur sind. So sind beispielsweise die Funktionen des Car Access Systems, des Airbags und des autonomen Fahrens jeweils mit zentralen Steuergeräten für diese Funktion zentralvernetzt. Dass ein zonales Steuergerät 11 zum Beispiel ein Sensorsignal vorne links aufnimmt, dieses über ein Bussystem zu einem zonalen Steuergerät hinten 12 kommuniziert und dieses dort ein Aktuator-Signal initiiert, ist zumindest für (Echtzeit-) Steuerungen mit Anforderungen an niedrige Latenzzeiten nicht möglich. Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Steuerungsanordnung 200 für ein Fahrzeug-Bordnetz gemäß einer ersten Ausführungsform.
Figur 2 zeigt die erfinderische Lösung, bei der die software-technische Umsetzung der Funktion auf einem zentralen pP 130 erfolgt, im Folgenden auch zentrale Computing Plattform 130 bezeichnet. pProzessoren haben im Gegensatz zu pControllern kein GPIO. SOC ist hier ein System-on-Chip mit mehreren p-Prozessoren. Die physische Anbindung der Sensoren/Aktuatoren 101 , 102 über Hardware Treiber, die wiederum über GPIO (General Purpose I/O) angebunden sind, erfolgt in dezentralen Remote I/O Modulen 110, 120, im Folgenden auch als dezentrale Eingabe-Ausgabe-Entitäten 110, 120 bezeichnet.
Die Remote-I/O Module 110, 120 sind über einen Peripheral Component Interface Bus (PCI- Express) 150 angebunden. Die Software-Treiber für die I/O Hardware-Treiber befinden sich auch auf der SOC Steuereinheit 130.
Die digitalen Zustände als Ausgang der Software-Treiber werden in einem Write Zyklus über PCI-Express 150 in die State Table Output im Speicher 121 des Remote-I/O Moduls 120 übertragen. Von dort aus werden sie zyklisch auf die GPIO 122 übertragen und in diesem auf physische Zustände umgesetzt (an, aus, Analogwert, Tx, Rx..).
In der anderen Richtung werden Sensordaten über die GPIO 112 des Remote-I/O Moduls 110, z.B. einer ADC Wandlung unterzogen und das Ergebnis in der StateTable Input 111 abgelegt und von dort zyklisch über PCIe 150 vom SOC 130 eingelesen. Mit PCIe der Generation 3 mit bis zu 8Gbit/s Datenrate können so Latenzzeiten im Nanosekunden-Bereich umgesetzt werden. Diese Latenzzeiten sind absolut hinreichend für Funktionen mit Echtzeit- Anforderungen.
In der Darstellung der Figur 2 ist das Remote-I/O Modul vorne 110 an einen Sensor 101 angebunden und das Remote-I/O Modul hinten 120 an einen Aktuator 120 angebunden. Dies ist nur ein Beispiel zur leichteren Verständlichkeit. Natürlich kann das Remote-I/O Modul vorne 110 auch an einen oder mehrere Aktuatoren und/oder mehrere Sensoren angebunden sein. Das gleiche gilt für das Remote-I/O Modul hinten 120, das auch an einen oder mehrere Sensoren und/oder mehrere Aktuatoren angebunden sein kann. Die Remote-I/O Module 110, 120 können im Fahrzeug nun optimal verortet werden, die Steuerung 200, im Folgenden auch als Steuerungsanordnung 200 bezeichnet, kann somit als virtuell verteilte Steuerung im Fahrzeug angesehen werden.
Die Remote-I/O Module 110, 120 können zudem die Funktion von lokalen Stromverteilern mit übernehmen, sie versorgen also die Sensoren 101 und Aktuatoren 102 auch mit abgesicherter Klemmenspannung. Diese beiden Faktoren erlauben eine erhebliche Komplexitätsreduktion im physischen Bordnetz.
Die physische Kommunikation der seriellen PCI-Express Anbindung 150 erfolgt beispielsweise über ein nicht geschirmtes Twisted Pair Kabel bei PCI-Express auf HD-BaseT PHYs oder über zwei geschirmte Twisted Pair Kabel (jeweils ein Paar für Rx, Tx) bei Übertragung des originären PCIe über Retimer oder Redriver Transceiver.
Der Vorteil der PCIe Übertragung im Gegensatz zur Ethernet-Übertragung ist die Fehlerkorrektur bereits in Schicht 2, dem Data-Link Layer und nicht in höheren Schichten, wie bei Ethernet IP. Ethernet IP eignet sich demnach eher für die Data-Backbone-Verbindung zwischen Computing Plattformen, PCIe eignet sich hingegen für die (Echtzeit-) Anbindung von Peripherie.
Grundsätzlich können aber Ethernet oder auch USB-Bussysteme alternativ zu PCIe verwendet werden. Hierzu macht es Sinn, eine Verbindung auf den unteren Kommunikationsschichten umzusetzen und auf das Protokoll der oberen Schichten für Nachrichten-basierte (adressierte) Kommunikation zu verzichten. Es kommt also ein auf direkten Speicherzugriff optimierter, hardware-naher Data-Link zur Anwendung.
Im Folgenden wird die Funktionalität der oben dargestellten erfinderischen Lösung allgemein beschrieben.
Die Steuerungsanordnung 200 umfasst eine zentrale Computing-Plattform 130 und eine Mehrzahl von dezentralen Eingabe-Ausgabe-Entitäten 110, 120, die mit der zentralen Computing-Plattform 130 über einen seriellen Kommunikationsbus 150 verbunden sind. Jede Eingabe-Ausgabe-Entität 110, 120 umfasst dabei: eine Mehrzahl von konfigurierbaren Eingabe-Ausgabe Pins 117, die zumindest einem Sensor 101 und/oder zumindest einem Aktuator 102 zugeordnet sind; eine Eingabe-Ausgabe-Schnittstelle 112; und einen peripheren I/O Speicher 111 zum Speichern einer Konfiguration und eines physikalischen Zustands der Mehrzahl von konfigurierbaren Eingabe-Ausgabe Pins 117.
Die Eingabe-Ausgabe Schnittstelle 112 ist ausgebildet, einen Sensor-Eintrag in dem peripheren I/O Speicher 111 basierend auf einem physikalischen Zustand eines dem zumindest einen Sensor 101 zugeordneten Eingabe-Ausgabe Pins 117a zu erzeugen.
Die Eingabe-Ausgabe Schnittstelle 112 ist ferner ausgebildet, einen physikalischen Zustand eines dem zumindest einen Aktuator zugeordneten Eingabe-Ausgabe Pins entsprechend eines in dem peripheren I/O Speicher vorliegenden Aktuator-Eintrags für den zumindest einen Aktuator anzusteuern.
Wie bereits oben beschrieben, ist in der Darstellung der Figur 2 die dezentrale Eingabe- Ausgabe-Entität 110 bzw. das Remote-I/O Modul vorne 110 an einen Sensor 101 angebunden und die dezentrale Eingabe-Ausgabe-Entitäten 120 bzw. das Remote-I/O Modul hinten 120 an einen Aktuator 120 angebunden. Dies ist nur ein Beispiel zur leichteren Verständlichkeit. Natürlich kann die dezentrale Eingabe-Ausgabe-Entität 110 auch an einen oder mehrere Aktuatoren und/oder mehrere Sensoren angebunden sein. Das gleiche gilt für die dezentrale Eingabe-Ausgabe-Entität 120, die auch an einen oder mehrere Sensoren und/oder mehrere Aktuatoren angebunden sein kann.
Die zentrale Computing-Plattform 130 kann über den seriellen Kommunikationsbus 150 den Sensor-Eintrag in dem peripheren I/O Speicher 111 der jeweiligen Eingabe-Ausgabe-Entität 110, 120 auslesen und/oder den Aktuator- Eintrag in den peripheren I/O Speicher 111 der jeweiligen Eingabe-Ausgabe-Entität 110, 120 schreiben.
Die zentrale Computing-Plattform 130 kann eine DMA-Schnittstelle 133 zum direkten Speicherzugriff auf den peripheren I/O Speicher 111 der jeweiligen Eingabe-Ausgabe-Entität 110, 120 aufweisen, wie in Figur 2 abgebildet. Der serielle Kommunikationsbus 150 kann einen PCI-Express Bus aufweisen, wie oben beschrieben. Alternativ kann der serielle Kommunikationsbus 150 für eine Ethernet bzw. Ethernet über IP Kommunikation vorgesehen sein oder er kann als ein USB-Bus ausgebildet sein.
Die Mehrzahl der dezentralen Eingabe-Ausgabe-Entitäten 110, 120 kann beispielsweise über ein nicht geschirmtes Twisted-Pair Kabel oder über zwei geschirmte Twisted-Pair Kabel mit der zentralen Computing-Plattform 130 verbunden sein.
Die Eingabe-Ausgabe Schnittstelle 112 kann ausgebildet sein, Speicherzustände der in dem peripheren I/O Speicher 111 vorliegenden Aktuator- Einträge zyklisch auf die physikalischen Zustände der den Aktuator-Einträgen entsprechenden Eingabe-Ausgabe Pins 127a zu übertragen.
Die Mehrzahl der konfigurierbaren Eingabe-Ausgabe Pins 117 können beispielsweise als binäre Ein/Ausgänge, ADC Eingänge, DAC Ausgänge, SPI-Ein/Ausgänge und/oder RX/TX- Ein/Ausgänge konfiguriert werden.
Die Eingabe-Ausgabe Schnittstelle 112 kann die von dem, dem zumindest einen Sensor 101 zugeordneten, Eingabe-Ausgabe Pin 117a erfassten Sensordaten in einen Digitalwert umwandeln und den Digitalwert als Sensor-Eintrag in dem peripheren I/O Speicher 111 speichern.
Die Eingabe-Ausgabe Schnittstelle 112 kann ausgebildet sein, gemäß der in dem peripheren I/O Speicher 111 vorliegenden Konfiguration einen dedizierten Eingabe-Ausgabe Pin 127a als binären Ausgangs-Pin zu konfigurieren und einen physikalischen Zustand des dedizierten Eingabe-Ausgabe Pins 127a entsprechend dem in dem peripheren I/O Speicher 111 vorliegenden Aktuator-Eintrag anzusteuern.
Der peripheren I/O Speicher 111 kann ferner einen Speicherbereich umfassen, in dem vorgegebene Aktuator-Einträge zum Ansteuern eines sicheren Zustands des zumindest einen Aktuators 102 gespeichert sind. Die Eingabe-Ausgabe Schnittstelle 112 kann bei einem Abbruch der Verbindung zu der zentralen Computing-Plattform 130 basierend auf den vorgegebenen Aktuator-Einträgen in dem peripheren I/O Speicher 111 einen physikalischen Zustand des dem zumindest einen Aktuator 102 zugeordneten Eingabe-Ausgabe Pins 127a konfigurieren, der den zumindest einen Aktuator 102 in einen sicheren Zustand überführt.
Die Eingabe-Ausgabe Schnittstelle 112 kann zumindest einen der, dem zumindest einen Aktuator 102 zugeordneten, Eingabe-Ausgabe Pins 127a und/oder zumindest einen der, dem zumindest einen Sensor 101 zugeordneten Eingabe-Ausgabe Pins 117a an eine Batterieklemme 140 anschließen, um den zumindest einen Aktuator 102 und/oder den zumindest einen Sensor 101 mit Energie zu versorgen.
Die zentrale Computing-Plattform 130 kann ausgebildet sein, den Aktuator-Eintrag für einen vorgegebenen Aktuator mehrmals an die entsprechende Eingabe-Ausgabe-Entität 110, 120 zu übertragen und an mehreren Speicherstellen des Speichers für I/O-State-Tables 111 der entsprechenden Eingabe-Ausgabe-Entität 110, 120 abzulegen.
Die Eingabe-Ausgabe Schnittstelle 112 kann ausgebildet sein, den dem vorgegebenen Aktuator 102 zugeordneten Eingabe-Ausgabe Pin 127a basierend auf einer Mehrheitsentscheidung über die an den mehreren Speicherstellen abgelegten Aktuator- Einträge anzusteuern.
Die Eingabe-Ausgabe Schnittstelle 112 kann ausgebildet sein, den, dem vorgegebenen Aktuator 102 zugeordneten, Eingabe-Ausgabe Ausgang 127a basierend auf dem Aktuator- Eintrag anzusteuern, der in den meisten der mehreren Speicherstellen identisch vorliegt.
Wie in Figur 2 ersichtlich, können eine erste Eingabe-Ausgabe-Entität 110 und ein mit der ersten Eingabe-Ausgabe-Entität 110 verbundener bzw. zugeordneter Sensor 101 beispielsweise in einem vorderen Teil des Fahrzeugs angeordnet sein. Eine zweite Eingabe- Ausgabe-Entität 120 und ein mit der zweiten Eingabe-Ausgabe-Entität 120 verbundener bzw. zugeordneter Aktuator 102 können beispielsweise in einem hinteren Teil des Fahrzeugs angeordnet sein. Die zentrale Computing-Plattform 130 kann ausgebildet sein, den Sensor-Eintrag und/oder den Aktuator-Eintrag unter Nutzung eines Kommunikationsprotokolls zu übertragen, das eine Fehlerkorrektur in einer zweiten Kommunikationsschicht aufweist.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Steuerungsanordnung 300 für ein Fahrzeug-Bordnetz gemäß einer zweiten Ausführungsform.
Die Steuerungsanordnung 300 entspricht der oben zu Figur 2 beschriebenen Steuerungsanordnung 200 mit dem Unterschied, dass in der zentralen Computing Plattform Speicher für Memory Mapped I/O vorgehalten wird.
Die zentrale Computing-Plattform 130 weist somit einen zentralen Speicher mit einer I/O State Table 111b auf, der ausgebildet ist, Sensor-Einträge und Aktuator-Einträge der I/O State Tables 111 der Mehrzahl von dezentralen Eingabe-Ausgabe-Entitäten 110, 120 zu speichern.
Die zentrale Computing-Plattform 130 ist ausgebildet, den zentralen I/O State T able 111 b mit den peripheren I/O-State Tables 111 der Mehrzahl von dezentralen Eingabe-Ausgabe- Entitäten 110, 120 über die DMA-Schnittstelle 133 zyklisch abzugleichen.
Damit kann eine Spiegelung der I/O Sates der dezentralen Eingabe-Ausgabe-Entitäten 110, 120 zu der zentralen Computing Plattform 130 vorgenommen werden, was den Vorteil einer zusätzlichen Ausfallsicherheit bringt.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung des Asics einer erfindungsgemäßen dezentralen Eingabe-Ausgabe-Entität 110 einer Steuerungsanordnung 200, 300 für ein Fahrzeug- Bordnetz gemäß einer Ausführungsform.
Figur 4 zeigt eine detaillierte Darstellung des Kernbausteins für die Remote-I/O Module 110, 120 gemäß den Figuren 2 und 3. Es handelt sich um ein ASIC („Application Specific Integrated Circuit“ bzw. anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis), welches einen PCIe PHY 115 enthält und einen Speicher 111 für State Tables (Zustandstabellen). Das zentrale Steuerungs- SOC 130, wie in den Figuren 2 und 3 dargestellt, erhält über den PCIe 118, welcher mit dem PCIe Bus 150 verbunden ist, direkten Schreib-Lese-Zugriff auf diesen Speicher 111. Von diesem Speicher 111 ausgehend werden die Zustände von dem ASIC zyklisch auf die GPIO 112 übertragen. Die GPIO 112 ist eine GPIO, wie man sie von klassischen Automotive Controllern kennt. Diese beinhalten binäre Ein/Ausgänge, ADC Eingänge, DAC Ausgänge, SPI, RX/TX, z.B. für lokale Busse wie CAN oder LIN oder Ethernet 10BaseT. Die Konfiguration der einzelnen Pins 117 ist in einer Konfigurations-Tabelle abgelegt.
Es können weitere Zustände in Tabellen abgelegt werden, wie z.B. sichere Zustände für den Fall des Kommunikations-Abbruches. Für die Anforderungen der funktionalen Sicherheit erfolgt eine Fehlerkorrektur auf Data-Link 114 und PCI TLP Ebene 113 (zum Beispiel „Cyclic Redundancy Check“ - kurz CRC).
Hochkritische Signale können auch dreimal empfangen und zum Vergleich in drei Tabellen abgelegt werden. Das GPIO 112 setzt dann die Zustände um, die mindestens zweimal identisch abgelegt wurden. Des Weiteren können Funktionen für Security in diesem ASIC umgesetzt sein.
Im Folgenden wird die Funktionalität der oben dargestellten erfindungsgemäßen dezentralen Eingabe-Ausgabe-Entität 110, 120 allgemein beschrieben.
Die Eingabe-Ausgabe-Entität 110, 120 umfasst eine Mehrzahl von konfigurierbaren Eingabe- Ausgabe Anschlüssen 119, eine Ein-Ausgangsbeschaltung 116 mit HW-Treibern oder Sensor Interfaces die mit zumindest einem Sensor 101 und/oder zumindest einem Aktuator 102 verbindbar sind, eine konfigurierbare Eingabe-Ausgabe-GPIO 112; und einen peripheren I/O Speicher 111 zum Speichern einer Konfiguration und von physikalischen Zuständen der Mehrzahl von konfigurierbaren Eingabe-Ausgabe Pins 117.
Die Eingabe-Ausgabe GPIO 112 ist ausgebildet, einen mit der Ein-Ausgangsbeschaltung 116 verbindbaren Eingabe-Ausgabe Pin 119 zu konfigurieren, Sensordaten des zumindest einen Sensors 101 zu erfassen und basierend auf den Sensordaten einen Sensor-Eintrag in dem peripheren I/O Speicher 111 zu erzeugen.
Die Eingabe-Ausgabe GPIO ist ferner ausgebildet, basierend auf einem in dem peripheren I/O Speicher 111 vorliegenden Eintrages den GPIO Pin 119 zu konfigurieren (z.B. als binärer Ausgang) und für den zumindest einen Aktuator 102 einen physikalischen Zustand entsprechend der peripheren I/O State-Table 111 einzustellen.
Die zentrale Computing-Plattform 130 ist ausgebildet, über den seriellen Kommunikationsbus 150 den Sensor-Eintrag in dem peripheren I/O Speicher 111 der jeweiligen Eingabe-Ausgabe- Entität 110, 120 auszulesen und/oder den Aktuator-Eintrag in die I/O State-Table 111 der jeweiligen Eingabe-Ausgabe-Entität 110, 120 zu schreiben.
Die zentrale Computing-Plattform 130 kann über den seriellen Kommunikationsbus 150, der an die in Figur 4 dargestellten Pins 118 der physikalischen Schicht 115 des Kommunikationsprotokolls (z.B. PCI Express) angebunden ist, den Sensor-Eintrag in dem peripheren I/O Speicher 111 der jeweiligen Eingabe-Ausgabe-Entität 110, 120 auslesen und/oder den Aktuator-Eintrag in den peripheren I/O Speicher 111 der jeweiligen Eingabe- Ausgabe-Entität 110, 120 schreiben.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens 500 zum Steuern von Sensoren und Aktuatoren in einem Fahrzeug-Bordnetz.
Ein solches Fahrzeug-Bordnetz umfasst eine Steuerungsanordnung 200, 300, wie oben zu den Figuren 2 und 3 beschrieben. D.h., die Steuerungsanordnung 200, 300 umfasst eine zentrale Computing Plattform 130 und eine Mehrzahl von dezentralen Eingabe-Ausgabe- Entitäten 110, 120, die mit der zentralen Computing-Plattform 130 über einen seriellen Kommunikationsbus 150 verbunden sind. Jede Eingabe-Ausgabe-Entität 110, 120 umfasst: eine Mehrzahl von konfigurierbaren Eingabe-Ausgabe Pins 119, die über eine Ein-Ausgangs- Beschaltung 116 zumindest einem Sensor 101 und/oder zumindest einem Aktuator 102 zugeordnet sind; eine konfigurierbare GPIO Eingabe-Ausgabe-Schnittstelle 112; und einen peripheren I/O Speicher 111 zum Speichern einer Konfiguration und von physikalischen Zuständen der Mehrzahl von konfigurierbaren Eingabe-Ausgabe Pins 119.
Das Verfahren 500 weist die folgenden Schritte auf: Erzeugen 501 eines Sensor-Eintrags in dem peripheren I/O Speicher 111 basierend auf einem physikalischen Zustand eines dem zumindest einen Sensor 101 zugeordneten Eingabe- Ausgabe Pins 117a;
Ansteuern 502 eines physikalischen Zustands eines dem zumindest einen Aktuator 102 zugeordneten Eingabe-Ausgabe Pins 127a entsprechend eines in dem peripheren I/O Speicher 111 vorliegenden Aktuator-Eintrags für den zumindest einen Aktuator 102;
Auslesen 503 des Sensor-Eintrags in dem peripheren I/O Speicher 111 der jeweiligen Eingabe-Ausgabe-Entität 110, 120 durch die zentrale Computing-Plattform 130 über den seriellen Kommunikationsbus 150; und/oder
Schreiben 504 des Aktuator-Eintrags in den peripheren I/O Speicher 111 der jeweiligen Eingabe-Ausgabe-Entität 110, 120 durch die zentrale Computing-Plattform 130 über den seriellen Kommunikationsbus 150.
Die oben beschriebene konfigurierbare Eingabe-Ausgabe-Schnittstelle 112 bzw. GPIO 112 umfasst die folgende Funktionalität:
1. Pins der GPIO können (typischerweise einmal in der Initialisierung) konfiguriert werden. In der Konfiguration wird ausgewählt, ob der Pin ein binärer Eingang (Spannung da oder nicht da), ein binärer Ausgang, ein Analoger Eingang (messen Signal 0 bis 3,2V z.B.) auch ADC oder ein analoger Ausgang DAC ist. Des Weiteren kann der auch als RX (receive) oder Tx (senden) eines seriellen Busses wie CAN konfiguriert sein.
2. Einmal konfiguriert, wird der als Ausgang konfigurierte Pin die physikalischen Zustände gemäß der I/O State Table einnehmen. Ein als Eingang konfigurierter Pin wird die physikalischen Zustände, die anliegen in digitale Information umsetzen und in die I/O State Table schreiben.
Die GPIO steuert nicht direkt die Sensoren/Aktoren an. Dazwischen ist noch eine Beschaltung mit HW-Treibern oder Smart-Fets, Sensorverstärker usw. Ferner kann ein Computerprogramm mit einem Programmcode zum Ausführen des Verfahrens 500 auf einer Steuerung, z.B. der oben beschriebenen Steuerungsanordnung bereitgestellt werden.
BEZUGSZEICHENLISTE
100 konventionelles Fahrzeug-Bordnetz bzw. zonales Fahrzeug-Bordnetz
11 zonales Steuerungsgerät bzw. Zonen-Steuergerät vorne
12 zonales Steuerungsgerät bzw. Zonen-Steuergerät hinten
10a Weg der Signale durch die Schichten der Kommunikations-Stacks und
Betriebssystem-Schichten
10b Weg der Signale bei zentralvernetzten Funktionen
140 Energy Backbone bzw. Batterieklemme
200 erfindungsgemäße Steuerungsanordnung für ein Fahrzeug-Bordnetz gemäß einer ersten Ausführungsform
110 dezentrale Eingabe-Ausgabe-Entität vorne bzw. Remote-I/O Modul vorne
120 dezentrale Eingabe-Ausgabe-Entität hinten bzw. Remote-I/O Modul hinten
130 Zentrale Computing Plattform, System-on-Chip mit mehreren pProzessoren
111 peripherer I/O Speicher bzw. Speicher der dezentralen Eingabe-Ausgabe- Entität, Speicher der State Table und der Konfigurations-Table
111b zentraler I/O-Speicher der zentralen Computing Plattform
112 Eingabe-Ausgabe-Schnittstelle bzw. GPIO
113 PCI TLP (Transmission Link Protocol) Schicht des Kommunikationsprotokolls
114 Data Link Kommunikationsschicht des Kommunikationsprotokolls
115 physikalische Schicht des Kommunikationsprotokolls (z.B. PCI Express)
116 I/O Hardware
117 konfigurierbaren Eingabe-Ausgabe Pins der dezentralen Eingabe-Ausgabe- Entität
117a einem Sensor zugeordneter Pin der Eingangsbeschaltung
118 Pins der physikalischen Schicht des Kommunikationsprotokolls, z.B. PCI Express
119 GPIO Pins
121 Konfigurationsspeicher der dezentralen Eingabe-Ausgabe-Entität bzw.
Speicher mit State Tables
122 Eingabe-Ausgabe-Schnittstelle bzw. GPIO 123 PCI TLP (Transmission Link Protocol) Schicht des
Kommunikationsprotokolls
124 Data Link Kommunikationsschicht des Kommunikationsprotokolls
125 physikalische Schicht des Kommunikationsprotokolls (z.B. PCI Express)
126 I/O Hardware
127 konfigurierbaren Eingabe-Ausgabe Pins der dezentralen Eingabe-Ausgabe- Entität
127a einem Aktuator zugeordneter Ausgabe Pin
128 Pins der physikalischen Schicht des Kommunikationsprotokolls, z.B. PCI Express
133 DMA-Schnittstelle
300 erfindungsgemäße Steuerungsanordnung für ein Fahrzeug-Bordnetz gemäß einer zweiten Ausführungsform
500 Verfahren zum Steuern von Sensoren und Aktuatoren in einem Fahrzeug- Bordnetz
501 erster Verfahrensschritt: Erzeugen
502 zweiter Verfahrensschritt: Ansteuern
503 dritter Verfahrensschritt: Auslesen
504 vierter Verfahrensschritt: Schreiben

Claims

26 PATENTANSPRÜCHE
1. Steuerungsanordnung (200, 300) für ein Fahrzeug-Bordnetz, wobei die Steuerungsanordnung (200, 300) eine zentrale Computing-Plattform (130) und eine Mehrzahl von dezentralen Eingabe-Ausgabe-Entitäten (110, 120) umfasst, die mit der zentralen Computing-Plattform (130) über einen seriellen Kommunikationsbus (150) verbunden sind, wobei jede Eingabe-Ausgabe-Entität (110, 120) folgendes umfasst: eine Mehrzahl von konfigurierbaren Eingabe-Ausgabe Pins (117), die zumindest einem Sensor (101) und/oder zumindest einem Aktuator (102) zugeordnet sind; eine Eingabe-Ausgabe-Schnittstelle (112); und einen peripheren I/O Speicher (111) zum Speichern einer Konfiguration und von physikalischen Zuständen der Mehrzahl von konfigurierbaren Eingabe-Ausgabe Pins (117), wobei die Eingabe-Ausgabe Schnittstelle (112) ausgebildet ist, einen Sensor-Eintrag in dem peripheren I/O Speicher (111) basierend auf einem physikalischen Zustand eines dem zumindest einen Sensor (101) zugeordneten Eingabe-Ausgabe Pins (117a) zu erzeugen, wobei die Eingabe-Ausgabe Schnittstelle (112) ferner ausgebildet ist, einen physikalischen Zustand eines dem zumindest einen Aktuator (102) zugeordneten Eingabe- Ausgabe Pins (127a) entsprechend eines in dem peripheren I/O Speicher (111) vorliegenden Aktuator-Eintrags für den zumindest einen Aktuator (102) anzusteuern, wobei die zentrale Computing-Plattform (130) ausgebildet ist, über den seriellen Kommunikationsbus (150) den Sensor-Eintrag in dem peripheren I/O Speicher (111) der jeweiligen Eingabe-Ausgabe-Entität (110, 120) auszulesen und/oder den Aktuator- Eintrag in den peripheren I/O Speicher (111) der jeweiligen Eingabe-Ausgabe-Entität (110, 120) zu schreiben.
2. Steuerungsanordnung (200, 300) nach Anspruch 1 , wobei die zentrale Computing-Plattform (130) eine DMA-Schnittstelle (133) zum direkten Speicherzugriff auf die jeweiligen Eingabe-Ausgabe-Entitäten (110, 120) aufweist.
3. Steuerungsanordnung (300) nach Anspruch 2, wobei die zentrale Computing-Plattform (130) einen zentralen I/O-Speicher (111b) aufweist, der ausgebildet ist, Sensor-Einträge und Aktuator-Einträge der peripheren I/O Speicher (111) der Mehrzahl von dezentralen Eingabe-Ausgabe-Entitäten (110, 120) zu speichern; wobei die zentrale Computing-Plattform (130) ausgebildet ist, den zentralen I/O- Speicher (111 b) mit den peripheren I/O-Speichern (111) der Mehrzahl von dezentralen Eingabe-Ausgabe-Entitäten (110, 120) über eine serielle Punkt zu Punkt Schnittstelle und direkte Speicher-Zugriffs-Mechanismen abzugleichen.
4. Steuerungsanordnung (200, 300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der serielle Kommunikationsbus (150) ausgebildet ist, eine serielle Punkt zu
Punkt Kommunikation über einen Peripheral Component Interconnect Bus herzustellen.
5. Steuerungsanordnung (200, 300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Mehrzahl von dezentralen Eingabe-Ausgabe-Entitäten (110, 120) über ein ungeschirmtes Twisted-Pair Kabel oder über zwei geschirmte Twisted-Pair Kabel mit der zentralen Computing-Plattform (130) verbunden sind.
6. Steuerungsanordnung (200, 300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Eingabe-Ausgabe Schnittstelle (112) ausgebildet ist, Speicherzustände der in dem peripheren I/O Speicher (111) vorliegenden Aktuator-Einträge zyklisch auf die physikalischen Zustände der den Aktuator-Einträgen entsprechenden Eingabe-Ausgabe Pins (127a) zu übertragen.
7. Steuerungsanordnung (200, 300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Mehrzahl von konfigurierbaren Eingabe-Ausgabe Pins (117) als binäre
Ein/Ausgänge, ADC Eingänge, DAC Ausgänge, SPI-Ein/Ausgänge und/oder RX/TX- Ein/Ausgänge konfigurierbar sind.
8. Steuerungsanordnung (200, 300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Eingabe-Ausgabe Schnittstelle (112) ausgebildet ist, die von dem, dem zumindest einen Sensor (101) zugeordneten, Eingabe-Ausgabe Pin (117a) erfassten Sensordaten in einen Digitalwert umzuwandeln und den Digitalwert als Sensor-Eintrag in dem peripheren I/O Speicher (111) zu speichern.
9. Steuerungsanordnung (200, 300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Eingabe-Ausgabe Schnittstelle (112) ausgebildet ist, gemäß der in dem peripheren I/O Speicher (111) vorliegenden Konfiguration einen dedizierten Eingabe-Ausgabe Pin (127a) als binären Ausgangs-Pin zu konfigurieren und einen physikalischen Zustand des dedizierten Eingabe-Ausgabe Pins (127a) entsprechend dem in dem peripheren I/O Speicher (111) vorliegenden Aktuator-Eintrag anzusteuern.
10. Steuerungsanordnung (200, 300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der peripheren I/O Speicher (111) ferner einen Speicherbereich umfasst, in dem vorgegebene Aktuator-Einträge zum Ansteuern eines sicheren Zustands des zumindest einen Aktuators (102) gespeichert sind.
11. Verfahren (500) zum Steuern von Sensoren und Aktuatoren in einem Fahrzeug- Bordnetz mit einer Steuerungsanordnung, wobei die Steuerungsanordnung (200) eine zentrale Computing-Plattform (130) und eine Mehrzahl von dezentralen Eingabe-Ausgabe- Entitäten (110, 120) umfasst, die mit der zentralen Computing-Plattform (130) über einen seriellen Kommunikationsbus (150) verbunden sind, wobei jede Eingabe-Ausgabe-Entität (110, 120) folgendes umfasst: eine Mehrzahl von konfigurierbaren Eingabe-Ausgabe Pins (117), die zumindest einem Sensor (101) und/oder zumindest einem Aktuator (102) zugeordnet sind; eine Eingabe-Ausgabe-Schnittstelle (112); und einen peripheren I/O Speicher (111) zum Speichern einer Konfiguration und von physikalischen Zuständen der Mehrzahl von konfigurierbaren Eingabe-Ausgabe Pins (117), wobei das Verfahren (500) folgendes umfasst:
Erzeugen (501) eines Sensor-Eintrags in dem peripheren I/O Speicher (111) basierend auf einem physikalischen Zustand eines dem zumindest einen Sensor (101) zugeordneten Eingabe-Ausgabe Pins (117a);
Ansteuern (502) eines physikalischen Zustands eines dem zumindest einen Aktuator (102) zugeordneten Eingabe-Ausgabe Pins (127a) entsprechend eines in dem peripheren I/O Speicher (111) vorliegenden Aktuator-Eintrags für den zumindest einen Aktuator (102);
Auslesen (503) des Sensor-Eintrags in dem peripheren I/O Speicher (111) der jeweiligen Eingabe-Ausgabe-Entität (110, 120) durch die zentrale Computing-Plattform (130) über den seriellen Kommunikationsbus (150); und/oder
Schreiben (504) des Aktuator-Eintrags in den peripheren I/O Speicher (111) der jeweiligen Eingabe-Ausgabe-Entität (110, 120) durch die zentrale Computing-Plattform (130) über den seriellen Kommunikationsbus (150).
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