Ethernet als Bus für Echtzeitanwendungen Zielplattform im ...ubicomp/projekte/master0… ·...

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

Motivation

Zielplattform


Fazit und Ausblick

Fragen

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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Motivation

Zielplattform


Fazit und Ausblick

Fragen

Wie alles beganSchaltplan Porsche 912 1960

Quelle: Bentley Publishers, Automotive Reference

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Zielplattform


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

Motivation

Zielplattform


Fazit und Ausblick

Fragen

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

Zielplattform


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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Fragen

Bussysteme im AutomobilBusübergreifende Kommunikation über Gateways

Quelle: National Instruments - Vortrag: Virtuelle Instrumente in der Praxis

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Fragen

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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Fragen

Sensorik im AutomobilVorteile der freien Topologiewahl

Quelle: Mercedes

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Fazit und Ausblick

Fragen

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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Fragen

Ethernet - Kollisionen im SwitchWarum Ethernet ursprünglich für Echtzeitanforderungen ungeeignet ist

Switch

Bus-teilnehmer

Bus-teilnehmer

Bus-teilnehmer

Uplink

Realtime-Ethernet

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Zielplattform

Merkmale

Anforderungen


Fazit und Ausblick

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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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Merkmale

Anforderungen


Fazit und Ausblick

Fragen

LatenzLaufzeit von Datenpaketen

Sender

Empfänger

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Merkmale

Anforderungen


Fazit und Ausblick

Fragen

JitterVarianz der Laufzeit von Datenpaketen

5 3 4

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Zielplattform

Merkmale

Anforderungen


Fazit und Ausblick

Fragen

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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Merkmale

Anforderungen


Fazit und Ausblick

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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

Fazit und Ausblick

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Unterteilung in die 3 Hauptfelder:



Bandbreitenbasierte Systeme

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Fragen

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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Fragen

TDMAWechselseitiger Ausschluss mit globaler Zeit

Switch

Bus-teilnehmer

Bus-teilnehmer

Bus-teilnehmer

Uplink

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Fazit und Ausblick

Fragen

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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Fazit und Ausblick

Fragen

Token-basierte SystemeVerfahren und Marktübersicht

Wechselseitiger Ausschluss über exklusive Ressource

physikalische oder logische Ringstruktur

In der Automatisierung: Ethercat

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Fazit und Ausblick

Fragen

TokenWechselseitiger Ausschluss mit exklusiver Ressource

Switch

Bus-teilnehmer

Bus-teilnehmer

Bus-teilnehmer

Uplink

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Zielplattform





Fazit und Ausblick

Fragen

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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Fazit und Ausblick

Fragen

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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Zielplattform


Fazit und Ausblick


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


Risikoabschätzung

Fragen

Risikoabschätzung

Risiken:

Projekt wird durch neuen Standard obsolet

Anforderungen können nicht erfüllt werden

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Fazit und Ausblick

Fragen

Vielen Dank für die AufmerksamkeitZeit für Fragen . . .

Welche Fragen darf ich nun beantworten?

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