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Patent Searching and Data


Title:
AIRWORTHY CAN BUS SYSTEM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2013/041309
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an airworthy CAN bus system having a plurality of subscribers which are networked to one another by a CAN bus having dual redundancy and are able to interchange data, wherein a bus master polls the other bus subscribers at regular intervals and supplies them with data, and the bus master and all the other bus subscribers are of two-channel design, with each channel independently delivering data and at the same time being able to concomitantly read the data from the respective other channel.

Inventors:
TISCHLER THORSTEN (DE)
HEITHECKER SVEN (DE)
HANKE CARL-HEINZ (DE)
KIRCHNER MARIAN (DE)
KUECK BJOERN (DE)
FRERICHS TORSTEN (DE)
Application Number:
EP2012/065928
Publication Date:
March 28, 2013
Filing Date:
August 15, 2012
Export Citation:
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Assignee:
RHEINMETALL DEFENCE ELECT GMBH (DE)
TISCHLER THORSTEN (DE)
HEITHECKER SVEN (DE)
HANKE CARL-HEINZ (DE)
KIRCHNER MARIAN (DE)
KUECK BJOERN (DE)
FRERICHS TORSTEN (DE)
International Classes:
H04L12/40; H02H9/00; H04B3/30; H04L25/02
Foreign References:
EP0732654A11996-09-18
US20030076221A12003-04-24
US5095291A1992-03-10
EP1583305A22005-10-05
Other References:
None
Attorney, Agent or Firm:
THUL, HERMANN (DE)
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Claims:
P A T E N T A N S P R Ü C H E

1.

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

2.

System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die übertragenen Nutzdaten durch eine 16-bit Checksumme abgesichert werden.

3.

System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher Common Mode Choke im Differenzbetrieb (= Differenzial Mode Choke) verwendet wird.

Description:
B E S C H R E I B U N G

Luftfahrttaugliches CAN Bus - System

Die Erfindung betrifft ein luftfahrttaugliches CAN Bus - System für erhöhte Sicherheits- und EMV-Anforderungen.

1. Technisches Gebiet, auf dem die Erfindung einsetzbar ist:

- Luftfahrzeuge (Flugzeuge, Drehflügler, unbemannte Fahrzeuge ("Drohne")

- überall wo sicherheitskritische Daten über CAN-Bus übertragen werden und wo mit großer EMV Belastung zu rechnen ist.

2. Problemstellung:

Sicherheitskritische Daten (z. B. Flugsteuerung) über einen CAN Bus von einem oder mehreren Busteilnehmern im Flugzeug etc. unter hoher elektromagnetischer Belastung (z. B. eingekoppelte Störströme von mindestens 40 mA (ungeschirmtes oder defektes) Kabel, bzw. 150mA (geschirmtes Kabel, Blitzschlag, etc.) mit hoher Sichtheit (= keine falschen Daten) und Zuverlässigkeit (= möglichst große Verfügbarkeit der Daten) zu übertragen. Sehr große Sicherheitsanforderungen werden hier an Daten gestellt, die bei fehlerhafter Übertragung zum Verlust des Fluggeräts führen und somit auch Menschenleben gefährden. Üblicherweise werden solche Daten nicht (ausschließlich) auf Bussystemen übertragen.

3. Problemlösung und Vorteile:

Die Problemlösung besteht aus einem CAN Bus - System mit bis zu 16 Teilnehmern, die durch einen zweifach redundaten CAN Bus miteinander vernetzt sind und über diesen CAN Bus Daten austauschen können. Es gibt einen BUS Master, der die anderen Busteilnehmer in regelmäßigen Abständen (z.B. 25 ms) abfragt (polling = echtzeitfähig) und mit Daten versorgt (Control, Steuerung). Der Bus Master und alle anderen Busteilnehmer sind zweikanalig ausgeführt, wobei jeder Kanal unabhängig Daten liefert und gleichzeitig die Daten des jeweils anderen Kanals mitlesen kann (höhere Verfügbarkeit und höhere Sicherheitsanforderungen). Die übertragenen Nutzdaten (innerhalb des CAN Protokolls) werden durch eine 16bit Checksumme abgesichert (höhere Sicherheitsanforderungen und Zuverlässigkeit). Weiterhin ist der CAN Bus mit einer Länge von bis zu 100 m und einer Geschwindigkeit von bis zu 500 kbit/s betreibbar. Die elektrische Ausführung des Anschlusses der Busteilnehmer an den CAN Bus erlaubt einen zuverlässigen Betrieb des CAN Busses unter hoher elektromagnetischer Belastung (z.B. eingekopplete Störströme von mindestens 40 mA (ungeschirmtes (oder defektes) Kabel, bzw. 150 mA (geschirmtes Kabel, sowie Blitzschlag, etc.) mit hoher Sichtheit (= keine falschen Daten) und Zuverlässigkeit (= möglichst große Verfügbarkeit der Daten) zu übertragen. Vorteil dieser Lösung ist die Möglichkeit der Übertragung von Sicherheits kritischen Daten in einem Luftfahrzeug auch unter schlechten EMV Bedingungen.

Bei der elektronischen Ausführung ist die Verwendung einer zusätzlichen Common Mode Choke im Differenzbetrieb als Kernstück der Erfindung anzusehen.

4. Darstellung der Erfindung:

Sicherheitskritische Daten (z.B. Flugsteuerung) über einen CAN Bus von einem oder mehreren Busteilnehmern im Flugzeug etc. unter hoher elektromagnetischer Belastung (z. B. eingekoppelte Störströme von mindestens 40 mA (ungeschirmtes (oder defektes) Kabel, bzw. 150mA (geschirmtes Kabel, Blitzschlag, etc.) mit hoher Sichtheit (=keine falschen Daten) und Zuverlässigkeit (=möglichst große Verfügbarkeit der Daten) zu übertragen. Sehr große Sicherheitsanforderungen werden hier an Daten gestellt, die bei fehlerhafter Übertragung zum Verlust des Fiuggeräts führen und somit auch Menschenleben gefährden. Üblicherweise werden solche Daten nicht (ausschließlich) auf Bussystemen übertragen.

Die Problemlösung besteht aus einem CAN Bus System mit bis zu 16 Teilnehmern, die durch einen zweifach redundaten CAN Bus miteinander vernetzt sind und über diesen CAN Bus Daten austauschen können. Es gibt einen BUS Master, der die anderen Busteilnehmer in regelmäßigen Abständen (z.B. 25 ms) abfragt (polling = echtzeitfähig) und mit Daten versorgt (Control, Steuerung). Der Bus Master und alle anderen Busteilnehmer sind zweikanalig ausgeführt, wobei jeder Kanal unabhängig Daten liefert und gleichzeitig die Daten des jeweils anderen Kanals mitlesen kann (höhere Verfügbarkeit und höhere Sicherheitsanforderungen). Die übertragenen Nutzdaten (innerhalb des CAN Protokolls) werden durch eine weitere 16-bit Checksumme im Datenbereich (zusätzlich zur generell im CAN Telegramm enthaltenen 16-bit Checksumme) abgesichert. Weiterhin ist der CAN Bus mit einer Länge von bis zu 100 m und einer Geschwindigkeit von bis zu 500 kbit/s betreibbar. Die elektrische Ausführung des Anschlusses der Busteilnehmer an den CAN Bus erlaubt einen zuverlässigen Betrieb des CAN Busses unter hoher elektromagnetischer Belastung (z, B. eingekoppelte Störströme von mindestens 40 mA (ungeschirmtes (oder defektes) Kabel, bzw. 150 mA (geschirmtes Kabel, sowie Blitzschlag, etc.) mit hoher Sicherheit (=keine falschen Daten) und Zuverlässigkeit (=möglichst große Verfügbarkeit der Daten) zu übertragen. Vorteil dieser Lösung ist die Möglichkeit der Übertragung von sicherheitskritischen Daten in einem Luftfahrzeug auch unter schwierigen EMV Bedingungen.

Elektronischer Aufbau eines Ausführungsbeispiels:

Bei der elektronischen Ausführung ist die Verwendung einer zusätzlichen Common Mode Choke im Differenzbetrieb (= Differential Mode Choke) als elektronisches Kernstück der Erfindung anzusehen, (siehe Bild 1 )

Die Wirkungsweise dieser Schaltung ist, dass die differentiellen Nutzsignale des CAN Busses den gewünschten Längs-Signaipfad durch den Common Mode Choke (CMC) passieren. Der Quer-Signalpfad durch den DMC und den nachgeschalteten y- Kondensatoren ist für die differentiellen Nutzsignale hochimpedant, da die DMC- Induktivitäten für die Nutzsignale wirksam sind. Dadurch wird eine zusätzliche kapazitive Belastung des CAN Busses, durch die nachgeschalieten Kondensatoren, wirkungsvoll verhindert.

Bei EMV Tests eingeprägte Gieichtaktstörströme (Bulk Current [njection, BCi Testmethode) werden im Längs-Signalpfad durch den CMC gedämpft, was der Standardfilterschaltung für CAN Busse entspricht. Zusätzlich wird diesen Gleichtaktstörströmen ein niederimpedanter Quer-Signalpfad durch den DMC und die nachgeschalteten Kondensatoren eröffnet. Der Quer-Signalpfad ist deshalb niederimpedant, weil die Störströme differentiell durch den Choke fließen und somit die Induktivitäten nicht wirksam werden. Der niederimpedanten Querpfad verhindert hierdurch effektiv die Entstehung hoher Gleichtaktsstörspannungen.

Aufbau der CAN Architektur:

Um hohe Verfügbarkeit der Daten zu gewährleisten, soll der CAN Bus doppelt (oder auch dreifach) redundant ausgeführt werden. D.h. die CAN Bus Architektur besteht aus einem Master und bis zu 15 Busteilnehmern, die jeweils über 2 (oder 3) CAN getrennte CAN Busse miteinander verbunden sind.

Die CAN Busse für Kanal A und Kanal B sind getrennt, wobei der Bus Master auch "gekreuzt" auf die CAN Kanäle zugreifen kann (gestrichelte Linien). Der gekreuzte Zugriff dient einer höheren Verfügbarkeit (Rekonfiguration) des CAN Bus Systems. Werden die CAN Busse A und B synchron gepolled, so kann ein Bus Master Kanal die Daten der anderen Bus Knoten Kanäle auch nur mitlesen um einen Vergleich der Daten von Kanal A und Kanal B machen zu können. Dieses dient der höheren Datensicherheit (Safety). Wird die CAN Bus Architektur 3-kanalig ausgeführt, so kann über die Daten der 3 Kanäle eine 2 aus 3 Entscheidung (2003- Voter) getroffen werden.

Aufbau CAN Bus Daten:

Die CAN Bus Architektur besteht aus einem Master und bis zu 15 Busteilnehmern. Der Master pollt den CAN Bus regelmäßig (z.B. alle 25 ms) und ruft von allen anderen Busteilnehmern Daten ab. Etwaige Statusdatenänderungen der Busknoten können beispielweise mit einem Bit in den regelmäßig gepollten Datenpaketen angezeigt und dann d ediziert von Master bei den betroffenen Busteilnehmern abgefragt werden.

Um eine sichere Übertragung der Nutzdaten über den CAN Bus zu übertragen, werden die Nutzerdaten immer mit einer 16 Bit Checksumme übertragen.

Herausforderung:

Für den Einsatz von Luftfahrzeugen ist eine zuverlässige Lösung zur Übertragung sicherheitskritischer Daten über CAN Bus zu realisieren, die

1. hohe Datenraten (bis min. 500 kBit/s)

2. große Buslängen (bis 100 m)

3. hohe Störfestigkeit (BCI bis 60 mA ungeschirmtes Kabel, BCI 150 mA geschirmtes Kabel)

4. hohe Störfestigkeit gegen Blitzschlag

5. sehr sichere Datenübertragung

6. bis zu 16 Busteilnehmer erlaubt und den jeweils gültigen Entwicklungsrichtlinien für Luftfahrzeuge genügt.