Post on 16-Jun-2020
Realtime-Ethernet
Till Steinbach
Motivation
Zielplattform
Technologieübersicht
Fazit und Ausblick
Fragen
Ethernet als Bus für Echtzeitanwendungen
im Automobil:
Konzepte aus der Automatisierungsbranche
Till Steinbach
Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg
Anwendungen 1 WS 08/09 � 16. Dezember 2008
Realtime-Ethernet
Till Steinbach
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Fazit und Ausblick
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Wie alles beganSchaltplan um 1910
Quelle: Ernst Buddenberg, Lippstädter Spuren, Die Westfälische Metall-IndustrieAktien-Gesellschaft Lippstadt, Heimatbund Lippstadt e.V., 1988
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Wie alles beganSchaltplan Porsche 912 1960
Quelle: Bentley Publishers, Automotive Reference
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Ethernet als Bus für Echtzeitanwendungen
im Automobil:
Konzepte aus der Automatisierungsbranche
Till Steinbach
Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg
Anwendungen 1 WS 08/09 � 16. Dezember 2008
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VortragsübersichtEthernet als Bus für Echtzeitanwendungen im Automobil
1 MotivationEthernet als BussystemProblemstellung und Zielsetzung
2 ZielplattformMerkmaleAnforderungen
3 TechnologieübersichtTime-triggered SystemeToken-basierte SystemeBandbreitenbasierte Systeme
4 Fazit und AusblickAusblick auf weiters VorgehenRisikoabschätzung
5 Fragen
Realtime-Ethernet
Till Steinbach
Motivation
Ethernet als Bussystem
Problemstellung undZielsetzung
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Technologieübersicht
Fazit und Ausblick
Fragen
MotivationWarum ein neues Bussystem für das Automobil?
starke Zunahme von Elektronik im Automobil (heute:bis zu 70 Steuergeräte, mehrere hundert Sensoren)
Fahrerassistenzsysteme (ASR, ESP, . . . )X-by-Wire-Anwendungen (Elektronisches Gaspedal)Informationselektronik (Navigation, Internet, . . . )Unterhaltungselektronik (Musik, Fernsehen, . . . )
heterogenes Bussystem (CAN, LIN, MOST, Flexray)auf Anwendung optimierte BussystemeBusübergreifende Kommunikation über Gateways
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Ethernet als Bussystem
Problemstellung undZielsetzung
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MotivationWarum ein neues Bussystem für das Automobil?
starke Zunahme von Elektronik im Automobil (heute:bis zu 70 Steuergeräte, mehrere hundert Sensoren)
Fahrerassistenzsysteme (ASR, ESP, . . . )X-by-Wire-Anwendungen (Elektronisches Gaspedal)Informationselektronik (Navigation, Internet, . . . )Unterhaltungselektronik (Musik, Fernsehen, . . . )
heterogenes Bussystem (CAN, LIN, MOST, Flexray)auf Anwendung optimierte BussystemeBusübergreifende Kommunikation über Gateways
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Ethernet als Bussystem
Problemstellung undZielsetzung
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Bussysteme im AutomobilBusübergreifende Kommunikation über Gateways
Quelle: National Instruments - Vortrag: Virtuelle Instrumente in der Praxis
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Ethernet als Bussystem
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Ethernet als EchtzeitbusWarum Ethernet als Bussystem im Automobil?
bewährte Technologie (Computernetze, Internet)
hohe Verbreitung, sinkende Preise
Microcontroller bieten oft bereitsEthernetunterstützungEntkoppelung vom Übertragungsmedium
Kupferkabel (robust, günstig, einfach zuverarbeiten)Lichtwellenleiter (hohe Bandbreite, keineelektromagnetische Einstrahlung)
Freie Wahl der Topologie
Groÿe Zahl an anwendungsspezi�schen Protokollen
Groÿe Zahl an Entwicklern undEntwicklungswerkzeugen
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Sensorik im AutomobilVorteile der freien Topologiewahl
Quelle: Mercedes
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Problemstellung und Zielsetzung
Konzept für Echtzeit-Ethernet-Bussystem
Vision: Ein Bus für alle AnwendungenProof-of-Concept im FAUST-Umfeld
Umsetzung für den HAWKS Rennwagen
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Ethernet - Kollisionen im SwitchWarum Ethernet ursprünglich für Echtzeitanforderungen ungeeignet ist
Switch
Bus-teilnehmer
Bus-teilnehmer
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Uplink
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Ethernet - Kollisionen im SwitchWarum Ethernet ursprünglich für Echtzeitanforderungen ungeeignet ist
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Bus-teilnehmer
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Ethernet - Kollisionen im SwitchWarum Ethernet ursprünglich für Echtzeitanforderungen ungeeignet ist
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Ethernet - Kollisionen im SwitchWarum Ethernet ursprünglich für Echtzeitanforderungen ungeeignet ist
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Merkmale
Anforderungen
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MerkmaleTypische Merkmale eines verteilten Echtzeit Systems im Automobil
Hohe Anforderungen an das ZeitverhaltenGeringe LatenzGeringer Jitter
(Nahezu) vollständig geschlossenes System
Feste Anzahl an Busteilnehmern
Statische Topologie
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LatenzLaufzeit von Datenpaketen
Sender
Empfänger
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JitterVarianz der Laufzeit von Datenpaketen
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AnforderungenAnforderungen für Echtzeitbussysteme im Automobil
parallele Übertragung von Daten mit harten, weichenund ohne Echtzeitanforderungen
Synchrone und asynchrone Übertragung
Geringer Nachrichtenjitter
Redundanzkonzept
Hohe Übertragungsbandbreite
Einfacher Austausch des Physical-Layers
Einfache Anwendung
Nutzung von Standardkomponenten
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AnforderungenAnforderungen für ein Echtzeitbussysteme im FAUST-Umfeld
Kommunikation zwischen Systemen mit (Echtzeit)Betriebssystem und betriebssystemlosenKomponenten
Einsatz von Standard-Ethernet Komponenten
Geringes Gewicht und geringer Platzbedarf, geringerStrombedarf der Komponenten
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Time-triggered Systeme
Token-basierte Systeme
BandbreitenbasierteSysteme
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Unterteilung in die 3 Hauptfelder:
Time-triggered Systeme
Token-basierte Systeme
Bandbreitenbasierte Systeme
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Time-triggered Systeme
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Time-triggered SystemeVerfahren und Marktübersicht
Am meisten verbreiteter Ansatz
Synchronisation über globale Zeit
Zyklische Kommunikation
Slots pro Teilnehmer
Marktübersicht: Pro�net, TTEthernet, SynqNet, RTnet,POWERLINK
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Time-triggered Systeme
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TDMAWechselseitiger Ausschluss mit globaler Zeit
Switch
Bus-teilnehmer
Bus-teilnehmer
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TDMAWechselseitiger Ausschluss mit globaler Zeit
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Time-triggered Systeme
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TDMAWechselseitiger Ausschluss mit globaler Zeit
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TDMAWechselseitiger Ausschluss mit globaler Zeit
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TDMAWechselseitiger Ausschluss mit globaler Zeit
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TDMAWechselseitiger Ausschluss mit globaler Zeit
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Time-triggered Systeme
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Time-triggered SystemeEigenschaften
Leistung abhängig von Topologie und eingesetzterHardware
Synchronisation meist über Precision Time Protocol(IEEE1588)
Verschiedene Verfahren zur Übertragung von RTund NRT-Tra�c
Marktübersicht: Pro�net, TTEthernet, SynqNet, RTnet,POWERLINK
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Token-basierte SystemeVerfahren und Marktübersicht
Wechselseitiger Ausschluss über exklusive Ressource
physikalische oder logische Ringstruktur
In der Automatisierung: Ethercat
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TokenWechselseitiger Ausschluss mit exklusiver Ressource
Switch
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TokenWechselseitiger Ausschluss mit exklusiver Ressource
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TokenWechselseitiger Ausschluss mit exklusiver Ressource
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TokenWechselseitiger Ausschluss mit exklusiver Ressource
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TokenWechselseitiger Ausschluss mit exklusiver Ressource
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TokenWechselseitiger Ausschluss mit exklusiver Ressource
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TokenWechselseitiger Ausschluss mit exklusiver Ressource
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TokenWechselseitiger Ausschluss mit exklusiver Ressource
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Bus-teilnehmer
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Token-basierte SystemeEigenschaften
Logik kann komplett auf den Clients implementiertwerden
Keine globale Zeit erforderlich
Komplex: Erkennen von Tokenverlust, Neuerzeugungdes Tokens
In der Automatisierung: Ethercat
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Bandbreitenbasierte SystemeEigenschaften und Marktübersicht
Schlechte worst-case Werte für Jitter und Latenz
Beispiel: AFDX
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Fazit und Ausblick
Ausblick auf weitersVorgehen
Risikoabschätzung
Fragen
Fazit
Anforderungen für Bussysteme im Automobil sindde�niert
Verschiedene Technologien ermöglichenEchtzeitfähiges Ethernet
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Fazit und Ausblick
Ausblick auf weitersVorgehen
Risikoabschätzung
Fragen
Ausblick
Entscheidung für eine oder mehrere Technologienoder Produkte
Erarbeiten eines genauen Fahrzeugmodells(Schnittstelle zu den Projekten von Daniel Lorenz,Felix Kolbe und Johann-Nikolaus Andreae)
Erarbeiten einer passenden Topologie
Modellieren der zeitlicher Abhängigkeiten und desDatenaufkommens
Berechnen und Simulieren der Zeiteigenschaften
Langfristiges Ziel:
Einsatz von Realtime-Ethernet imHAWKS-Rennwagen Saison 2010
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Fazit und Ausblick
Ausblick auf weitersVorgehen
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Risikoabschätzung
Risiken:
Projekt wird durch neuen Standard obsolet
Anforderungen können nicht erfüllt werden
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Fragen
Vielen Dank für die AufmerksamkeitZeit für Fragen . . .
Welche Fragen darf ich nun beantworten?
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