FELD

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Komponenten eines Sensornetzwerkes innerhalb eines Ethernet-Bordnetzwerks in einem Kraftfahrzeug, ein Steuergerät und ein Ethernet-Bordnetzwerk

STAND DER TECHNIK

Mit 10 Mbit/s (IEEE802.3ch) wird neben 100 Mbit/s; 1000 Mbit/s und den laufenden Multi-Gigabit-Standardisierungen ein weiterer Ethernet-Standard für Automotive Anwendungen zur Verfügung stehen.

Der neue Standard unterscheidet sich deutlich von den anderen Varianten, da er zum Ziel hat Ethernet kostengünstiger auslegen zu können und damit auch einfachere Steuergeräte zu adressieren. Dieser Standard benötigt keine Switches (Switch ICs) sondern wird als Bus ähnlich zum CAN ausgelegt. Dadurch halbiert sich ca. die Anzahl der notwendigen PHYs (Transceiver). Somit wird Ethernet eine ernsthafte Alternative zu CAN/CAN-FD und FlexRay da hiermit die Systemkosten deutlich gesenkt werden.

In Fig. 1 ist stellt die wesentlichen Merkmale von Switched Ethernet und zum „Bus-Ethernet) (MultiDrop genannt) gegenüber. Der wichtigste Unterschied ist dabei, dass die Ressourcen (der Buszugriff) bei Switched Ethernet exklusiv zur Verfügung stehen, was bedeutet das jeder Ethernet-Knoten (ECU) zu jederzeit Senden darf, ohne dass dabei Kollisionen auftreten. Beim der neuen Ethernet Bus-Umsetzung wird ein geteiltes Medium verwendet und auf den Buszugriff muss gewartet werden bis die Ressourcen zur Verfügung stehen.

Der Standard PIEEE802.3cg verwendet einen neu definierten Mechanismus (PLCA Physical Layer Collision Avoidance) um Kollisionen beim Buszugriff zu vermeiden und einen fairen Zugriff zu bekommen. Dabei erhält immer nur genau ein PHY (Transceiver) Zugriff auf den Bus zu genau einem Zeitpunkt. Hierdurch kann es nicht zu Kollisionen kommen. Der Zugriff wird nach einem sog. Round Robin Verfahren gestaltet. Jede ECU (Knoten) am BUS bekommt die Möglichkeit innerhalb eines definierten Zyklus zu senden. Ein sog. Headnode bestimmt dabei den Zyklus und sendet ein „Beacon“ auf dem Bus pro Zyklus aus. Damit starten die Knoten in Abhängigkeit ihrer vorher zugeteilten ID (bestimmt die Reihenfolgen wann Sie senden dürfen) einen Timer und nach Ablauf von diesem dürfen Sie senden.

DE 19710971 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der Laufzeit eines Telegramms zwischen zwei Teilnehmern in einem Bussystem, wobei ein erster Teilnehmer ein Telegramm an einen zweiten Teilnehmer sendet und nach dem Senden des Telegramms eine Zeitmesseinrichtung startet, - dass der zweite Teilnehmer unmittelbar nach Empfang des Telegramms ein Antworttelegramm an den ersten Teilnehmer sendet und - dass der erste Teilnehmer bei Ankunft des Antworttelegramms die Zeitmesseinrichtung stoppt und aus der gemessenen Zeit die Laufzeit eines Telegramms berechnet.

DE 19947657 A1 offenbart ein Betriebsverfahren für einen Datenbus für mehrere Teilnehmer mit flexiblem zeitgesteuertem Zugriff, gekennzeichnet durch folgende Merkmale, die Teilnehmer werden synchronisiert, die Bus-Telegramme werden mit einer hierarchischen Sendefolge von den Teilnehmern und zumindest teilweise nur bedarfsweise ausgesandt, zwischen den Teilnehmern und dem Datenbus befindet sich ein Schaltglied, das den Buszugriff für den jeweiligen Teilnehmer nur dann und solange freigibt, wie der Teilnehmer senden darf.

EP 1473864 A1 Verfahren zur Übermittlung von Datentelegrammen zwischen wenigstens zwei Funkgeräten (A, B) und wenigstens einem Repeater (R), wobei wenigstens ein Funkgerät (A, B) auf ein empfangenes Datentelegramm (Anfragetelegramm) erst nach einer Verzögerungszeit mit einem Datentelegramm (Antworttelegramm) antwortet. BESCHREIBUNG UND VORTEILE DER ERFINDUNG

Im Gegensatz zu einem Switched Netzwerk (wie bei 100/1000... Mbit/s) kann mit 10Mbit/s, wie beschrieben, nicht sofort auf den Bus zugegriffen werden, sondern es muss der jeweilige Zeitpunkt abgewartet werden. Nur der Headnode (Masterknoten welcher den Bus steuert) kennt den ganzen Bus und die angeschossenen Knoten (ECUs und Sensoren). Der jeweilige Knoten selbst weiß nicht wie viele Knoten am Bus verbunden sind. D.h. er (gilt für alle Knoten) weiß nicht wie lange die maximale Verzögerung betragen wird bis er oder andere (wieder) senden dürfen. Diese Info ist hilfreich da die Technologie gerade auch in kritischen Bereichen wie bspw. ADAS eingeplant wird.

Der Ethernet MAC und die oben Software-Schichten haben keinerlei Informationen bezüglich möglicher und zukünftiger Übertragungsfenster. Das verursacht höhere Kosten in ECU Design und Planung der schon bereits sehr komplizierten Kommunikation im Bordnetz.

Heutige Ansätze sind noch nicht ausreichend im Hinblick auf die Möglichkeiten der dynamischen Verwendung von Software optimiert. Die Planung von Kommunikation (bspw. Sensordatenströmen) ist essentiell für die hochgenaue Ausführung von auf Sensordaten basierenden Aktionen. Wenn keine Übertragungsverzögerungen oder Buszugriffszeiten angegeben werden, dann führt dies zu höheren Kosten in der Planung derartiger Systeme - die Wiederverwendung für andere Plattformen ist zudem stark eingeschränkt, was wiederum unsere Implementierungskosten wieder erhöht.

Mit dem teilautomatisierten und hochautomatisierten Fahren kommen zunehmend Anforderungen ins Fahrzeug die vom Übertragungsnetzwerk und den Protokollen harte Echtzeitunterstützung verlangen (wie heute schon im Flugzeug oder der Industrieautomatisierung). Zeitsynchronisation spielt dabei eine wesentliche Rolle. Umso genauer die Uhrzeit ist, umso besser sind die damit verbundenen Funktionen wie bspw. Sensorfusion. Weiterhin wird ein Bordnetz in Zukunft viel flexibler als heute sein. Knoten werden abgeschaltet, während des Betriebes, wenn sie nicht benötigt werden (dies wird auch Teilnetzbetrieb oder Partial Networking genannt). Das wiederum bedeutet, dass das Bordnetz sich dynamisch zur Laufzeit sehr stark ändern wird. Diese Funktionen werden bereits implementiert und für 2020 in Serie gebracht.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung anzugeben, wie in einem Kraftfahrzeugnetzwerk mit variablen Kommunikationspartnern, die an der Kommunikation beteiligt sind, umzugehen ist.

Vorteilhaft wird die Aufgabe gelöst durch das Verfahren zur Bestimmung von Komponenten eines Sensornetzwerkes innerhalb eines Ethernet-Bordnetzwerks in einem Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , sowie dem Steuergerät gemäß Anspruch 4, dem Ethernet-Bordnetz gemäß Anspruch 5, dem Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 6, Computerlesbareres Medium nach Anspruch 7 und dem Fahrzeug nach Anspruch 8.

Eine vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens zur Bestimmung von Komponenten eines Sensornetzwerkes innerhalb eines Ethernet-Bordnetzwerks in einem Kraftfahrzeug, zwischen wenigstens zwei ECU-Knoten (ECU A, ECU B) und wenigstens einem weiteren ECU Knoten (ECU C), wenigstens ein ECU-Knoten (ECU A, ECU B) auf ein empfangenes Payload (P1 ) erst nach einer Verzögerungszeit mit einem Payload (P2) antwortet, die Verzögerungszeit (tßus) die Bedingung tßus ^ tß + (tp + tc) n erfüllt, wobei mit tß eine Beacon-Time des ECU-Knotens (A, B), mit tc die Commit-Time des weiteren ECU-Knotens (C), mit tp das maximale Payload mit maximaler Länge und mit n die Anzahl der ECU Knoten (A, B, C) bezeichnet wird, zeichnet sich dadurch aus, dass ein ECU-Knoten (ECU A, ECU B) des Ethernet-Bordnetzes die zeitliche Länge eines unbenutzten Zyklus (Zo), in welchem keine Payload (P1 , P2) )versendet werden dürfte, mittels eines Transmit Opportunity Timers (TOT) berechnet, nach Berechnung der reinen Zykluslänge (TL), welche ermittelt wird durch die Übertragung der Beacons-Time zu dem Zeitpukt tß, durch das Sendefenster eines ECU-Knotens (ECU A, ECU B, ECU C) berechnet wird, welche Anzahl der Knoten n sich im Ethernet-Bordnetzwerks befinden. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass eine Erkennung des Beginns eines neuen Zyklus (Zo), ein Suchen des Startzeitpunktes von Zyklus +1 (Zi ), wobei überprüft wird, ob zwischen dem neuen Zyklus (Zo) und dem Zyklus (Zi) ein Payload (P1 , P2) übertragen wurde, und bei einer Übertragung der Zyklus (Zi) auf den Zyklus (Zo) gesetzt wird, eine dynamische Berechnung der Zykluslänge TL erfolgt.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Anzahl der Knoten n der sich im Ethernet-Bordnetzwerks befindliche ECU-Knoten (ECU A, ECU B) durch das Verhältnis der Zykluslänge (TL) zum Wert des Transmit Opportunity Timers (TOT) gebildet wird, wobei vorhergehend eine Abfrage des Transmit Opportunity Timers (TOT) zur Bildung des Verhältnis der Zykluslänge (TL) zum Wert des Transmit Opportunity Timers (TOT) erfolgt.

Besonders vorteilhaft wird die Aufgabe gelöst durch eine Steuereinheit für ein Ethernet-Bordnetz, welche als erster ECU Knoten als Steuereinheit dazu ausgebildet ist, ein Signal an eine zweite Steuereinheit des Ethernet-Bordnetzes zu senden und das Signal von der zweiten Steuereinheit zu empfangen; eine Laufzeit des Signals auf einem Verbindungsweg zur zweiten Steuereinheit zu bestimmen; eine Maximalgeschwindigkeit des Verbindungswegs anhand der Laufzeit zu bestimmen; und eine Art eines Übertragungsmediums des Verbindungswegs anhand der Maximalgeschwindigkeit zu bestimmen, mindestens umfasst einen Mikroprozessor, einen flüchtigen Speicher und nichtflüchtigen Speicher, mindestens zwei Kommunikationsschnittstellen, einen synchronisierbaren

Zeitgeber, der nichtflüchtige Speicher Programminstruktionen enthält die, wenn sie von dem Mikroprozessor ausgeführt werden, wobei zumindest eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens implementierbar und ausführbar ist.

Ein weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Ethernet-Bordnetz für ein Kraftfahrzeug, mit einer ersten Steuereinheit und einer zweiten Steuereinheit zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuereinheiten über zumindest einen Verbindungsweg miteinander verbunden sind, und mindesten die erste Steuereinheit ausgebildet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.

Ein weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Ethernet-Bordnetz zeichnet sich dadurch aus, dass das Ethernet-Bordnetz eine dritte Steuereinheit aufweist, welche nur indirekt mit der ersten Steuereinheit verbunden ist und über einen dritten Verbindungsweg direkt mit der zweiten Steuereinheit verbunden ist, wobei die dritte Steuereinheit dazu ausgebildet ist, eine Laufzeit eines dritten Signals auf dem dritten Verbindungsweg zu bestimmen, wobei die erste Steuereinheit dazu ausgebildet ist, die Bestimmung der Laufzeit des dritten Signals durch eine Dienstnachricht an die dritte Steuereinheit auszulösen.

TECHNISCHE VORTEILE DER ERFINDUNG

In vorteilhafter Weise kann durch die Erfindung die Güte der Ausführung von Software-basierenden Anwendungen (z. B. Automatisiertes Fahren, Datenlogger, Diagnose, 5G) erhöht werden, insbesondere ohne finanziellen Mehraufwand. Mit der Nutzung des neu eingeführten Ethernet-Protokolls im Automobil sind Mechanismen notwendig, die sich einfache Techniken und gegebene Eigenschaften von Technologien zu Nutze machen, um auf teure Implementierungen und weitere zusätzliche Hardware verzichten zu können. Das erfindungsgemäße Netzwerksystem ist im Hinblick auf Kosten und Zuverlässigkeit verbessert. Continental kann hiermit durch Softwarebasierte Verfahren das beste aus seiner ECU oder dem Netzwerk herausholen und dem Kunden mehr Funktionalität bieten

Vorteilhaft wird die Ethernet Technologien durch die Erfindung hinsichtlich Kosten und Implementierungsaufwand für den Einsatz im automobilen Bereich optimiert.

Als Vorteil aus der Anwendungsspezifischen Bestimmung einer genaueren und vorhersagbaren Verzögerung ergibt sich eine Verbesserung der Planung und Ausführung der Kommunikation im Fahrzeug. Hierdurch können vorhandenen Bussysteme besser ausgenutzt werden und der Sprung zu einer teuren Technologie (Bandbreite) kann vermieden werden. Dies kann auch Auswirkungen auf sonst benötigte Pufferspeicher haben, auf die dann verzichtet werden kann (oder kleiner ausgelegt). Fusionen von verseh. Daten (bspw. Kamera + Radar) können hiermit verbessert und genauer ausgelegt werden. Weiterhin kann das loggen von Daten noch präziser gestaltet werden.

Heute werden Anwendungen verkauft, zugeschnitten und angepasst auf einen OEM bzw. genau ein Projekt. Mit dieser Erfindung werden Verfahren vorgestellt, die Softwareentwicklung flexibler gestalten lässt und das Beste aus dem darunter liegenden System macht, ohne es vorher fest in Software programmiert zu haben. Die Erfindung erlaubt es den Softwareentwicklern und - Architekten eine Software / Anwendung anzubieten, welche flexibler und präziser auf die Anforderungen des Anwendungsfalles zugeschnitten werden kann. Durch den Einbau der genannten Verfahren in Software kann jeweils spezifisch eine Optimierung erfolgen. Dies bedeutet, dass Software-Plattformen unabhängiger umgesetzt werden können.

In zukünftigen Architekturen ist eine bestimmte Anwendung nicht mehr zwangsläufig an ein konkretes Steuergerät gebunden, sondern kann auch verschiedenen Steuergeräten ausgeführt werden. Wenn eine Anwendung verschoben wird, ist es erforderlich, auch für das neue Szenario das angemessene Umfeld, z.B. mindestens die gleiche Qualität an Uhrensynchronisation, geschaffen werden.

Die neuen Technologien sind im Automobil nicht mehr aufzuhalten. Protokolle wie IP, AVB und TSN haben mehrere Tausend Seiten an Spezifikationen und Testsuites. Die Beherrschbarkeit dieser neuen Protokolle im Automobilen Bereich ist nicht direkt gegeben. Ein Vorteil dieser Erfindung ist das die gängige Hardware nicht verändert werden muss sondern die bestehende weiterverwendet werden kann. Das neue Verfahren kann in ein bestehendes Netzwerk integriert werden, ohne dass vorhandene Geräte zu Schaden kommen. Der Standard wird nicht verletzt, da das vorhandene Protokoll verwendet werden kann. Heutige Fahrzeugnetzwerke sind statisch konfiguriert, d.h. die Datenkommunikation (Sender-, Empfänger und Datenbeziehung) stehen spätestens bei der Bandende-Programmierug des Fahrzeuges fest. Die kommenden Architekturen und der Wunsch nach service-oriented communication wiedersprechen dem heutigen Ansatz und verlangen nach neuen Konzepten. Für die nächsten Generationen nach Kraftfahrzeugnetzwerken wird nicht immer klar sein wer der Empfänger der Daten ist und welchen Weg die Daten gehen. Jeder Empfänger kann daher unterschiedliche Anforderungen an die Übertragung der Daten haben, z.B. externe ECU ist in einer Cloudlösung, oder es handelt sich um eine ungeschützte ECU. Daher muss dynamisch auf die Anforderungen des Empfängers eingegangen werden und ggf. die Datenübertragungsmechanismen angepasst werden. Vorteilhaft wird durch die Erfindung ermittelt, dass, wenn die Sendezeit vorausgesagt werden kann, genauere Daten verwendet werden können, was die Güte der Sensordaten und dessen Fusion erhöht.

ZEICHNUNGEN

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Vereinfachte Darstellung der Unterschiede zwischen einem Ethernet-Bus (1 OMbit/s) und einem Switched Network (allen anderen Automotive Varianten wie bspw. 100Mbit/s);

Fig. 2 Generelles Verfahren zur dynamischen Berechnung der maximalen Verzögerung im Sensornetzwerk;

Fig. 3 Berechnung der Zykluslänge;

Fig. 4 Berechnung der Anzahl der Teilnehmer am Bus. BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN

Fig. 1 stellt vereinfacht die Unterschiede zwischen einem Ethernet-Bus (1 OMbit/s) und einem Switched Network, die in einem Kraftfahrzeugumfeld mit allen anderen Automotive Varianten wie bspw. 100Mbit/s vorkommen und die ECU-Knoten ECU-A, ECU-B, ECU-C symbolisch darstellen.

Fig. 2 stellt die generelle Lösung des oben beschriebenen Problems dar. Dabei misst ein Knoten (ECU) des Busses, außer der Headnode, die zeitliche Länge eines unbenutzten Zyklus aus, wobei in diesem keine Nutzdaten versendet werden dürfen. Dies kann beliebig oft wiederholt und verifiziert werden. Nach Bestimmung der reinen Zykluslänge Ti_, was erkennbar an der Übertragung eines sog. Beacons ist, kann durch das Sendefenster eines ECU-Knotens (ECU A, ECU B, ECU C) berechnet werden, wie viele Teilnehmer sich am Bus befinden. Damit kann schließlich die minimale und maximale Verzögerung beim Buszugriff dynamisch ermittelt werden ohne dass diese vorkonfiguriert wird.

Die Erfindungsmeldung schlägt ein Verfahren zur Bestimmung der minimalen und maximalen Buszugriffszeit vor. Nach Aussendung des Beacons startet ein Timer, welcher nur unterbrochen wird falls andere Daten empfangen werden.

Wenn bis zum nächsten Beacon keine Daten, Payload von anderen ECU Knoten (ECU A, ECU B, ECU C) empfangen werden, dann kann die Zykluslänge berechnet werden. Dieser Mechanismus kann und sollte dynamisch wiederholt werden, um dynamische Änderungen am Netzwerk bzw. im Ethernet-Bordnetz zu erkennen oder um Messfehler zu vermeiden.

Nach Empfang eines sog. Beacons hat der 1 . ECU-Knoten (ID = 0) typ. 20 Bit-Zeiten, um Daten auszusenden. Tut er dies nicht innerhalb dieser Zeit darf der ECU-Knoten mit der nächst höheren ID senden usw. Bei allen Knoten n werden Timer gestartet, damit Sie wissen, wann Sie frühestens mit dem Senden beginnen dürfen. Die Transmit_Opportunity ist bei allen Knoten gleich konfiguriert und kann vom ECU-Knoten (Netzwerkstack) lokal von der Anwendungssoftware ausgelesen werden. Mittels der Zykluslänge TL kann dann erstmals berechnet werden, wie viele Knoten n, d.h. ECUs, am Netzwerk bzw. Ethernet-Bordnetz verbunden sind. Mit anderen Worten, es kann also berechnet werden, wie viele Knoten vor mir senden dürfen und wie viele nach mir senden dürfen.

Wenn als Zykluslänge bspw. 140 Bit angenommen wird und die Transmit_Oportunity 20 Bit beträgt, dann kann unabhängig auf jedem Knoten berechnet werden, dass genau 7 Knoten am Ethernet-Bordnetz bzw. Bus angeschlossen sind.

Mit der Kenntnis über die Anzahl der angeschlossenen ECUs kann wiederum in Abhängigkeit der ID (Position am Bus) die minimale und maximale Buszugriffszeit deterministisch berechnet werden.

Die minimale Buszugriffszeit berechnet sich aus der Beacon-Time, Commit-Time und der maximalen Ethernet Payload*Anzahl der Knoten, die eine kleinere ID haben.

Die nächste Buszugriffszeit (ab dem Zeitpunkt, an dem ich gesendet habe, also wann kann ich wieder senden) berechnet sich aus der Gesamtzahl der Knoten*(maximalen Payload+Commit-Time) + Beacon Time.

Da jeder ECU-Knoten Timer hat, bzw. erkennt dies wann der Beacon ausgesendet wird, kann ECU-Knoten mit diesem Verfahren erstmals zu jedem Zeitpunkt berechnen, wann er wieder Senden darf. Genauso kann ermittelt werden, wann auch alle anderen ECU-Knoten wieder Senden dürfen und wann man sich ggf. auf einem Empfang von Daten einzustellen hat.

Jeder ECU-Knoten (ECU A, ECU B, ECU C) kennt zwar seine eigene ID, welcher auch die Position am Bus bestimmt, doch kein Knoten weiß wie viele Knoten nach ihm am Bus angeschlossen sind. Diese neue Erkenntnis kann zur Planung der Kommunikation von großem Nutzen sein was bspw. die Auslegung von Pufferspeichern betrifft. Weiterhin ist die Information hilfreich, um zu prüfen ob die Daten (Sensordaten) noch gültig sind oder etwa schon neue Daten vorliegen bevor der Knoten wieder die Möglichkeit hat zu senden.