Die in den heutigen Fahrzeugen eingesetzten Bussysteme für Steuerungs- und Regelungsaufgaben sind an der Grenze ihrer Leistungsfähigkeit angelangt.


Die klassischen ereignisorientierten Protokolle mit Zugriffs- und Arbitrierungsverfahren wie CSMA/CA haben ausgedient. Die zur Verfügung stehende Bandbreite wird bei zunehmender Auslastung durch die wachsende Anzahl von Steuergeräten und Subsystemen immer geringer. Damit verbunden sinkt auch die Echtzeitfähigkeit dieser Bussysteme, da ihr Zeitverhalten von jedem einzelnen Knoten und dessen Verhalten abhängt (z.B. Babbling Idiot).


Im Bereich der Produktion und des Service werden Software Up- und Downloads zu einem zeit- und kostenintensiven Unterfangen.


Innovationen wie X-by-Wire stellen zusätzlich erweiterte Anforderungen hinsichtlich Bandbreite, Sicherheit, Fehlertoleranz und Zuverlässigkeit an die im Automobil verwendeten Netze, die bisherige Systeme nicht erfüllen können.


Die europäischen und amerikanischen Automobilhersteller und Zulieferer haben diese Probleme erkannt und die Entwicklung neuer Datenbussysteme vorangetrieben. Derzeit werden mehrere, konkurrierende Kommunikationssysteme entwickelt. Eines haben alle diese Systeme gemeinsam: sie benutzen ein deterministisches, zeitorientiertes Übertragungsverfahren.


Eine derartige Systemarchitektur löst die bisherigen Probleme und erfüllt die gestellten Anforderungen. Die Echtzeitfähigkeit bleibt gewährleistet durch die Verwendung von Verfahren wie Flexible Time Division Multible Access. Für Hersteller und Zulieferer vereinfacht sich die Integration von Subsystemen, da das Verhalten des Gesamtsystems direkt aus dem Verhalten des Subsystems abgeleitet werden kann. Bisherige Worst-Case-Analysen und Integrationstest werden minimiert.


Die Kraftfahrzeughersteller in Asien finden sich mit der selben Problematik konfrontiert wie ihre Kollegen in Europa. Auch in der Entwicklung von Bussystemen hat man dort ähnliche Wege eingeschlagen. So befindet sich seit 2001 eine Netzarchitektur auf dem Vormarsch, die der allgemeinen Problemstellung gerecht wird: Das EC-Net.


EC-Net


In Europa noch relativ unbekannt, hat es in Japan eine weite Verbreitung im Automotive und Industrial Bereich erlangt und löst hier typische CAN Anwendungen ab. Subaru ist der erste Automobilhersteller, der EC-Net im Geschäftsfeld Transportation eingesetzt hat. A


us firmenrechtlichen Gründen bisher der Öffentlichkeit verborgen, findet EC-Net Anwendung in einem Bereich, der als Innovationsmotor und Vorreiter für neue Technologien im Automobilsektor gilt: dem Formel-1 Rennsport. Zahlreiche Rennställe setzen bereits erfolgreich den EC-Net Vorgänger ARCNET im Fahrzeug als Kommunikations- und Steuerbus ein. Damit hat das EC-Net seine Feuertaufe im Automotive Bereich bestanden.


Was verbirgt sich nun hinter EC-Net und was macht es für die Anwendung im Automobilbereich so interessant?


Übersicht/Features


EC-Net bedeutet Easy Control Network (auch Embedded Control Network genannt) und wurde in Japan vom Automobilhersteller SUBARU und dem Halbleiterhersteller SMSC entwickelt. Als Basis für diese Entwicklung diente der bekannte und bewährte Feldbus ARCNET. Ziel war es, die Vorteile eines deterministischen Netzwerkes hinsichtlich der Anforderungen für den Einsatz in einer Echtzeitumgebung zu erweitern.

Wesentliche Eigenschaften des EC-Net:

 


· Hohe Bandbreite von 5 Mbps; 10 Mbps ab Q4/2002


· Variable Paketgröße bis 256 Byte ·


 Erweitertes Echtzeit Token Passing Protocol


· Deterministisches Verhalten


· Konfigurierbarkeit


· Robustheit durch physikalische Interfaces wie RS485 und Lichtwellenleiter · Remote Mirroring für alle Knoten im Netz


· Fehlertoleranz


· Redundanz


· Standalone Betrieb


· Verschiedene Netztopologien


· Breite Entwicklungsunterstützung für Soft- und Hardware


· Tools für Diagnose und Test


· Kosteneffektivität


· Verfügbarkeit


 


Prinzip/Technik


 


EC-Net ist, wie sein Vorgänger ARCNET, ein Multi-Master-Bus, der auf der Weitergabe eines Tokens von Teilnehmer zu Teilnehmer basiert. Die Teilnehmer werden auch Knoten genannt.


 


Nur der Knoten, der im Besitz des Tokens ist, hat die Berechtigung, Daten und Kommandos an einen anderen, adressierten Knoten im Netz zu senden. Nach Abschluss der Kommunikation wird der Token an den nächsten Knoten weiter gereicht. Haben alle Knoten im Netz den Token erhalten, ist ein Kommunika-tionszyklus abgearbeitet und der nächste beginnt.


 


Die Zeit für einen Kommunikationszyklus ist abhängig von der Anzahl der Knoten, der Übertragungsrate und der Paketgröße. So ergibt sich für ein Netz mit 16 Knoten und 16 Byte Paketgröße bei 5 Mbps eine Zykluszeit von 845,6 us unter der Annahme, dass jeder Knoten eine Sendeanforderung besitzt. Überträgt ein Knoten keine Daten, wird der Token sofort an den nächsten Teilnehmer weitergereicht. Die Zykluszeit verringert sich.


 


In Systemen mit festen Slot- oder Zeitschlitzzuweisungen ist diese Dynamik nicht möglich.


 


Mit dem EC-Net hat der Anwender die Möglichkeit, durch geeignete Wahl der Parameter, eine optimale Anpassung des Netzwerks an seine Applikation zu erreichen.


 


Die Funktionsweise von EC-Net ist vergleichbar mit dem Zeitscheibenverfahren anderer Bussysteme.


 


Remote Mirror Memory


 


Knoten, die nicht am Datentransfer beteiligt sind, verhalten sich am Bus passiv. Mit der Remote Funktion kann aber jeder Knoten die am Bus mitgehörten Daten, in einem Remote Mirror Memory abspeichern und den Knoten im Netz zuordnen. EC-Net unterstützt mit dieser Funktion Applikationen, die innerhalb des gesamten Netzes eine Datenkonsistenz erfordern. Das Netz wird dabei nicht mit zusätzlichen Transfers belastet.


 


Fehlertoleranz/Störfestigkeit


 


Ein Hauptproblem bei bisherigen Token Protocol Implementationen war der Verlust des Tokens durch einen ausgefallenen Knoten oder Leitungsstörungen. Dies hatte bisher eine vollständige Rekonfiguration des Netzes oder Subnetzes zur Folge. Damit verbunden ist eine Reduzierung der Bandbreite.


 


Im erweiterten Echtzeit Token Passing Protocol von EC-Net vermeiden Mechanismen wie Token Retry und feste Vergabe der ID‘s, den Verlust des Tokens. Selbst kurzzeitig ausgefallene Knoten werden dynamisch im darauf folgenden Kommunikationszyklus, ohne Rekonfiguration, in das Netzwerk eingebunden. Ein wesentlicher Punkt zur Forderung nach verbesserter Fehlertoleranz ist damit erfüllt.


 


Topologien


 


Beim EC-Net sind Stern-, Ring- und Bustopologien, sowie eine Mischung dieser möglich. Zusätzlich erlaubt der im Chip integrierte HUB den Aufbau von Daisy-Chain-Netzen.


 


Robustheit


 


Die Anbindung von EC-Net an elektrische und optische Übertragungsmedien erfolgt über gängige Schnittstellen wie RS485, Optische Transceiver und Dipulse Hybride.


 


Als Codierung wird u.a. das CMI-Verfahren (Coded Mark Inversion) verwendet. Diese Codierung ermöglicht die Erkennung und Korrektur von Bitfehlern auf Hardwareebene.


 


Als Sicherungsebene innerhalb des Datenverkehrs wird ein 16 bit Cyclic Redundancy Check (CRC) Verfahren eingesetzt.


 


Standalone Fähigkeit


 


EC-Net Komponenten können in einem Standalone Mode betrieben werden. Dabei wird ohne das Vorhandensein einer CPU oder anderer Controller der Knoten im EC-Net vollständig konfiguriert und dem Anwender ein 16 bit Ein-/Ausgabeport zur Verfügung gestellt.


 


Redundanz


 


Das EC-Net erlaubt die redundante Auslegung von Übertragungsleitungen.


 


Kosten


 


Sehr wichtig bei der Entscheidung für den Einsatz eines Bussystems ist die Kostenfrage. EC-Net bietet hier das derzeit beste Verhältnis von Kosten pro Knoten zur Bandbreite.


 


Zusammenfassung


 


Mit dem EC-Net steht dem Anwender ein leistungsfähiges Netzwerk zur Verfügung, das die heute anfallenden Probleme im Automotive-Bereich lösen kann. Darüber hinaus hat es Eigenschaften, die es auch für zukünftige Aufgaben als den geeigneten Kommunikationsbus erscheinen lassen und das nicht nur in der Automobilindustrie.