用於車輛的環形網絡的製作方法

2023-10-27 09:18:57

用於車輛的環形網絡的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於在多個布置在車輛(6)中的設備(2；3；4；5)之間進行數據交換的環形網絡(也是冗餘的)。環形網絡包括環形連接(1)和多個分配器(8)。分配器(8)分別具有多個通信對(9；10；11)，所述通信對分別具有發送單元(12；15；6)和接收單元(13；14；17)以用於發送和接收數據。每個設備(2；3；4；5)經由第一通信對(9)與分配器(8)中的一個連接，經由第二通信對(10)與環形連接(1)連接以及經由第三通信對(11)同樣與環形連接(1)連接。在第二通信對(10)和第三通信對(11)中的數據流方向是相反的。
【專利說明】用於車輛的環形網絡

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用於在多個布置在車輛中的控制設備之間進行數據交換的環形的、優選是基於乙太網的網絡，以及涉及一種車輛，將這種網絡接入到所述車輛中。

【背景技術】
[0002]現代車輛總是更強烈地需要持續可用的通信結構，所述通信結構在故障的情況下也能夠確保車輛安全性。至今應用的通信網絡通常在速度、數據量或者網絡參與者、即例如網絡中的節點的限制方面是不足的。在網絡中應用多個也或者冗餘的總線中也由於下述原因而存在問題:即總線之間的數據僅能夠經由唯一的計算機或控制設備來交換。在冗餘的總線的情況下還成問題的是:將數據流同步。
[0003]基於車輛中的高數量的控制設備和高數據量，需要在控制設備之間的通信的持續上升的可用性。因為車輛中的複雜性(例如一個控制設備中的功能的數量)和動態持續地上升，所以聯網的系統的反應時間也總是時間關鍵的。由於車輛中的多個相關的執行器，全部數據必須可靠地對於全部控制設備在極短的時間區間中、典型地在微秒的範圍中是可用的，這是因為否則不再能夠確保現代車輛功能的功能安全性。能夠期待的是，對於聯網的系統的要求由於電活動性上升而進一步上升進而功能的相關性增長。例如，「Steer-by-wire (線控轉向)」或者「brake_by_wire (線控制動)」的設計確保高度可用的安全網絡、進而也在故障的情況下確保可靠的功能。為了確保足夠的功能安全性，數據流因此必須具有一定的決定論，因此數據在限定的時間段中也可靠地傳遞至進行接收的控制設備。因此，能夠確保可靠的實時能力，所述實時能力用於控制設備也以當前的數據來工作。
[0004]因此從現有技術中已知下述解決方案:在這些解決方案中，各個控制設備經由分配器與網絡連接，其中為了簡化地控制網絡在網絡之內預設數據方向。這當然具有下述缺點:在網絡中斷時不再確保數據流，並且不再能夠聯繫到全部控制設備或不再能夠聯繫全部執行器。


【發明內容】

[0005]因此本發明基於下述目的:提出一種用於車輛的網絡，所述網絡避免了上述缺點，其中因此也在網絡中斷的情況下能夠防故障安全地運行網絡。
[0006]所述目的根據本發明通過根據權利要求1所述的網絡和根據權利要求10所述的車輛來實現。在從屬權利要求中描述了有利的改進形式和設計方案。
[0007]用於在多個布置在車輛中的控制設備之間進行數據交換的網絡是環形的並且包括環形連接和多個分配器。每個分配器包括多個通信對，所述通信對分別具有發送單元和接收單元以用於發送和接收數據。每個控制設備經由第一通信對與分配器中的一個連接，並且每個分配器經由第二通信對與環形連接相連接。通過分配器中的至少一個附加地具有第三通信對並且經由第三通信對與環形連接相連接，其中在所述分配器的第二通信對和第三通信對中的數據流方向是相反的，由此在環形網絡中斷的情況下也能夠維持數據流。通過環形結構，網絡因此是容錯的。環形連接在此能夠以線連接的方式、例如通過一個或多個線纜、一個玻璃纖維或者多個玻璃纖維、或者以無線的方式(例如通過無線電、WLAN、紅外等)實現。
[0008]典型地，至少一個分配器構建為，在環形連接中斷的情況下通過分配器切換數據流方向。只要網絡在特定的部位處不再正常起作用，就能夠通過具有第三通信對的分配器根據需要選擇數據流方向，使得數據交換總是還沿著環形連接在全部方向是可行的。
[0009]優選地，網絡的全部分配器具有第三通信對，並且經由該第三通信對與環形連接相連接。由此在環形連接中斷時能夠由任意的分配器將網絡中的數據中沿期望的方向轉發出。
[0010]形成相應的通信對的發送單元和接收單元當然也能夠組合在一個構件中，所述構件與此相應地進行接收和發送。由此更加簡單地保持分配器的結構。
[0011]環形的網絡能夠基於乙太網實現，使得充分利用所述網絡類型的在此已經已知的且在其他的【技術領域】中嘗試的特性。乙太網在多媒體和電信領域中被進一步發展並且提供成本適宜的、極有效率的功能。特別地，特性、如數據傳輸速率、數據包大小以及用於改進所述特性的技術解決方案支持連續地增長，並且也由於如多媒體的其他的分支支持進一步發展。用於數據傳輸的替選的系統、例如Most、CAN、Flexray等是車輛特定的解決方案。乙太網網絡中的控制設備能夠彼此間進行同步、中央地從一個位置同步或者甚至在外部被觸發。此外，存在下述可行性:以不同的時基同步實時系統，其中數據通信仍提供需要用於安全技術的決定論。因此，也能夠在網絡中實現不同的實時要求，並且確保在幾毫秒中的轉向系統的可靠的功能。例如，能夠在安全方面充分地實現具有環形網中的100ms的安全時間的制動系統。
[0012]能夠提出:控制設備優選地包括至少一個發動機控制設備、制動控制設備、氣囊控制設備、轉向控制設備和/或用於連接另一網絡的設備。所述設備能夠分別控制一個或多個制動器和/或傳感器或者由其接受信號。由此，能夠通過網絡控制多個通常要在車輛中驅控的設備和/或執行器。此外，能夠通過用於連接另外的設備或執行器、例如用於前部傳感器的照相機的執行器的可能性例如經由同級連接來擴展網絡。
[0013]替選地或附加地只要，環形連接設計為是線連接的就包括多芯線纜和/或光導體。由此，提供允許在多個方向上的快速數據流的構件。因此優選的是，多芯線纜中的數據流方向在不同的芯線上是不同的。根據對於距離、時間和數據量的要求可變地選擇布線，並且最簡單的雙絞線布線也已經實現與至今位置的總線系統相比更好的性能。
[0014]典型地，分配器中的至少一個(例如乙太網集線器)集成在控制單元中或控制設備中的任一個中，使得節約空間的結構、例如在唯一的電路板上的結構是可行的。
[0015]優選地，控制單元具有多個核。作為控制單元的現代微控制器用於更高的性能，但是也處於安全理由使用多個運算核。此外，通信在該微控制器中在運算核和外圍設備之間已經也經由冗餘的切換技術(例如匯流條、通信橋)實現。該切換技術類似於切換器也應用在乙太網中。也已經存在集成乙太網收發器(分配器)的汽車控制器。因為在該計算機中已經獨立冗餘地實現整個外圍設備、運算核和全部內部的通信，所以在此也已經在唯一的微控制器(多核)中實現冗餘的乙太網電路。因此，已經能夠在連接技術方面消除標準乙太網插頭、如RJ45的缺點。
[0016]此外能夠提出，環形連接包括第一通道和第二通道以及具有第三通信對的多個分配器。分配器的第二通信對分別與第一通道連接，並且分配器的第三通信對分別與第二線路連接。環形連接也能夠在該情況下構成為線連接的或無線的。特別地，這兩個通道中的一個能夠是線連接的，而另一通道無線地實現。通過由兩個通道組成環形連接，最小化由於線路中斷引起的網絡失效的危險，這是因為必要時通道中的一個還是完好的。然而通過通信對的連接，甚至在線路中斷的情況下也確保環形連接的完整的功能進而確保環形網絡的完整的功能。優選地，在第一通道上的數據流方向與第二通道上的數據流方向相反。環形網絡也能夠獨立容易地構成、例如通過網絡的兩個彼此分開的環。
[0017]具有所描述的特性的環形網絡典型地使用在車輛中，但是外部的控制單元也能夠經由無線電技術接入。
[0018]因為乙太網能夠傳輸大的數據包並且在環形結構中的這種冗餘的乙太網是高度可用的並且是安全的，也能夠在不同的控制單元或者控制設備中實現功能和/或應用程式。由此，應用軟體不再必須存儲在控制設備或控制單元中，在所述控制設備或控制單元中也運行所述應用程式。更確切地說，環形網絡能夠構建用於:將功能或應用程式分配給控制單元中的一個或控制設備中的一個。特定的功能甚至能夠根據需要加載在不同的控制設備或控制單元中，使得在整個控制設備或控制單元失效的情況下也能夠確保安全功能。也能夠冗餘地在不同的控制設備或控制單元中存儲這種功能，以便能夠實現特定的緊急方案。
[0019]切換的乙太網也提供類似的數據通信，如其如今從網際網路中已知，這就是說，將傳感器的數據提供給網絡。所述數據根據可行性經由最快速的連接發送至收件者，並且當第一正確的數據包到達時，能夠拒絕稍後的數據包並且用於使數據安全可信。
[0020]此外，能夠將該數據加密並且經由所謂的隧道或者隧道協議(與網際網路中的VPN類似)獨立地在網絡中傳遞。因此，在通信時能夠避免主要的故障模式，並且顯示出需要用於安全技術的獨立性。隧道協議也能夠構建用於控制通信參與者的關聯。也能夠提出:經由網絡通信的數據不提供給特定的通信參與者，而是通常提供給給網絡，使得每個對此授權的通信參與者能夠使用所述數據。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]本發明的實施例在附圖中示出並且下面根據圖1至5來描述。
[0022]其示出:
[0023]圖1示出車輛中的環形網絡的示意圖；
[0024]圖2示出網絡的分配器的示意圖；
[0025]圖3示出具有線路中斷的環形網絡的相應的視圖；
[0026]圖4示出具有帶有兩個通道的環形連接的環形網絡的與圖1相對應的視圖，和
[0027]圖5示出具有帶有兩個通道和多個控制單元的環形連接的網絡的另一實施例。

【具體實施方式】
[0028]圖1示出環形網絡的示意圖，所述環形網絡包括單通道的環形連接I。網絡布置在車輛6中、在所示出的實施例中涉及在轎車中，並且經由環形連接I將多個控制設備、即制動控制設備2、氣囊控制設備3、轉向控制設備4和發動機控制設備5彼此連接。所述設備分別經由也稱作切換器的分配器與環形連接1連接。
[0029]設備2、3、4、5分別控制不同的執行器，所述執行器稱作為執行器，並且接收傳感器的數據。制動控制設備2控制制動和另外的調節功能、如防抱死系統(ABS)和電子穩定系統(EPS)。此外，制動控制設備2提供關於輪轉數、偏轉比率和加速度值的信息。在氣囊控制設備3中包含碰撞傳感器。除了調節轉向之外，轉向控制設備4也確定轉向角度、轉向輪角度以及轉向力矩。發動機控制設備5調節發動機力矩並且提供關於發動機功率和轉速的信息。
[0030]通過環形連接1在整個網絡中可用全部傳感器信息和全部制動器數據。通過網絡的環形結構能夠取消分配器的任意的總線連接，而並不出現功能損失。在此，將總線連接應理解為分配器到環形連接1的每個連接。
[0031]經由作為同級連接安裝在轉向控制設備4上的插頭7，另外的傳感器能夠成為網絡的一部分。例如，具有照相機和雷達設備的前部傳感器能夠作為行駛輔助系統的一部分連接到網絡上。但是，附加的傳感器當然也能夠經由另外的物理實現方案集成到網絡中。
[0032]網絡基於乙太網進而形成切換乙太網的環形網絡。在切換的網絡中，控制設備2、3、4、5能夠彼此獨立地控制全部制動器並且也從網絡中提供全部數據(即設備2、3、4、5和制動器的狀態、傳感器數據以及診斷功能)。基於乙太網的應用也能夠通過中央地同步全部設備2、3、4、5確保:能可靠地提供全部數據。通過環形結構，網絡是容錯的並且在環形網絡1的任何位置處都能夠控制中斷。全部時間上的要求在如今的切換技術中能夠被保持。網絡本身在所示出的實施例中集成在汽車領域中的現代的微控制器(多核)上，其中環形連接1通過線纜或印製導線實現。數據在環形連接1上逆時針流動，但是在另一實施方式中也能夠順時針地在設備之間流動。通過應用已經在其他的工業中提及的部件和結構，在汽車領域中使用所述部件和結構時的故障風險更小。故障情況下的表現能夠基於其他工業中的知識被充分可靠地進行評估。
[0033]圖2示出分配器8中的一個(例如收發器；物理的數據接收器或發送器(基礎:xBaseTx))的示意圖，經由所述分配器將設備2、3、4、5與環形連接1連接。重複的特徵在該附圖中還有在下面的附圖中設有相同的附圖標記。分配器8是乙太網切換器並且具有第一埠 9、第二埠 10和第三埠 11。埠 9、10、11中的每一個具有發送單元和接收單元，所述發送單元和接收單元根據實施方式能分別實施為分開的構件或單獨的構件。埠 9的發送單元12將數據發送給設備2、3、4、5中的一個，而接收單元13從相應的設備2、3、4、5中接收到達的數據。埠 9通過發送單元12和接收單元13、即通信對形成，經由所述通信對將分配器8與設備2、3、4、5中的一個例如經由標準乙太網插頭、例如RJ45插頭連接。
[0034]第二埠 10同樣具有發送單元15和接收單元14。發送單元14將數據從分配器8發送給環形連接1，而接收單元14從環形線路1接收數據。第三埠 11包括發送單元16和接收單元17，其同樣從環形連接1接收數據或將其發送給環形連接。具有發送單元15和接收端單元14的埠 10因此形成第二通信對，而具有發送單元16和接收單元17的埠11形成第二通?目對。
[0035]第二埠 10中的數據流方向與第三埠 11中的數據流方向不同，在當前的實施例中，數據流方向彼此相反。接收單元14接收數據的方向相反於接收單元17從環形連接1接收數據的方向。同樣地，發送單元15沿與發送單元16相反的方向發送數據。分配器8經由中繼單元18用於相應地轉發數據，並且在環形連接I和與相應的分配器8連接的設備之間交換數據。中繼單元18例如能夠通過邏輯電路實現。分配器8的全部構件組合在唯一的電路板上。
[0036]中繼單元18被編程以通過分配器切換數據流方向。對此，在埠 10和11的應用之間進行往復切換，但是接收單元17連同發送單元15也能夠一起應用，並且將接收單元14和發送單元16去激活。當然，也能夠激活接收單元14和發送單元16並且切斷接收單元17和發送單元15。
[0037]在圖3中示出在發動機控制設備5和制動控制設備2之間的環形連接I的線路中斷19之後的環形網絡的相應於圖2中的視圖。線路中斷19能夠存在於形成環形連接的線纜的分開部中，或者在以無線方式實現的環形連接I的情況下存在於通過幹擾信號引起的無線連接中斷中。原始逆時針的在環形連接I上循環的數據現在因此不能從制動控制設備2到達發動機控制設備5。一旦識別到線纜中斷19，分配器8就經由中繼單元18根據需要切換數據流方向，使得數據現在也能夠在環形連接I上順時針地從制動控制引起2到達發動機控制設備5。在此，切換能夠通過所謂的「快速恢復協議」進行，所述快速恢復協議一方面實時地識別線路中斷19以及其位置，並且隨後在網絡中激活替選的通信路徑。在圖3中示出的網絡的單通道的結構中，因此已經提高了網絡中的數據的可用性。通過在網絡的任意位置處出現的線路中斷19保持全部通信連接並且不出現網絡的功能損失。數據流方向的切換在此以無中斷的方式進行，即在幾Pm之內、典型地在最大5μπι之內進行。數據運行時間在線路中斷的情況下也保持近似是確定性的。通過「快速恢復協議」能夠檢測通信中的故障，並且立即激活替選的通信路徑。基於該決定論，在故障的情況下也能夠設計用於整個車輛的降格計劃。由此能夠確保控制設備2、3、4、5上的安全相關的功能儘可能無中斷地切換。
[0038]圖4示出環形網絡的對應於圖1的視圖，其中環形連接I現在構成為具有作為用於沿第一方向的數據流的第一通道的第一線路20和作為用於沿第二方向的數據流的第二通道的第二線路21的多通道的環形連接。第一方向與第二方向通常相反。設備2、3、4、5分別與第一線路20和第二線路21連接。經由現在與在圖1中示出的實施例不同地布置在氣囊控制設備3上的插頭7，又能夠經由同級連接將另一網絡與環形網絡連接。環形連接I構成為多芯的線纜，其中第一線路20和第二線路21分別形成所述線纜的芯線，並且環形連接I是雙絞線線纜。替選地或附加地，環形連接I也能夠通過光導體實現或者至少包括所述光導體。在該情況下，僅應用光導體作為環形連接1，其中第一通道上的數據流通過第一光學波長並且第二通道上的數據流通過第二光學波長給出。在另外的實施例中，當然也能夠分別為通道中的一個設置兩個光導體。在另一實施方式中，通過無線的連接、例如無線電連接或者紅外連接實現單通道的或多通道的環形連接I。在多通道的連接線路I的情況下，不同的通道也能夠基於不同的傳輸類型，因此例如第一通道是線連接的並且第二通道包括無線電連接。
[0039]環形網絡的另一實施例在圖5中作為冗餘網絡示出。具有如多核控制器的多個處理核的控制單元能夠集成乙太網切換器。也存在冗餘的多核設計，所述多核設計例如分別支持用於高度可用的Lockstep (2核冗餘耦合)中的2個核進而支持提高的容錯。
[0040]因此，在圖5中示出的實施例中，將設備2、3、4、5分別布置在控制單元22、23、24、25中的一個上。除了如CAN總線、用於藍牙連接的構件、LAN連接和另外的總線連接的另外的功能單元之外，控制單元也分別具有分配器8中的兩個。控制單元22、23、24、25空間地與設備2、3、4、5分開，在另外的實施例中但是也能夠與其組合為一個構件。
[0041]環形連接1又作為具有由兩個彼此獨立實現的光導體26和27構成的兩個通道的環形連接。控制單元22、23、24、25上的分配器8中的一個與第一光導體26連接，分配器8的各另一個的光導體與第二光導體27連接。在另外的實施方式中，分配器也能夠是控制設備2、3、4、5的一部分。網絡又是乙太網類型的，使得全部控制單元22、23、24、25以共同的時基同步，並且乙太網冗餘地連接到控制單元22、23、24、25上。因此，能夠針對全部安全功能定義可計算的安全標誌，所述安全功能經由網絡運行。通過控制單元22、23、24、25，實現網絡的全部設備2、3、4、5的統一的通信。
[0042]此外，數據包能夠使用乙太網的完整帶寬並且由此針對每個控制在極其短的時間中可用。整個環形網絡在固定的時間格下運行，使得全部控制單元22、23、24、25以共同的時基同步。因此，能夠針對全部安全功能定義可計算的安全標誌，所述安全功能經由網絡運行。
[0043]通過隧道協議，控制了通信參與者的關聯，並且要經由網絡通信的數據不提供給作為通信參與者的控制設備2、3、4、5中的一個確定的控制設備，而是通常提供給網絡。應用軟體存儲在控制設備2、3、4、5中的一個中或者控制單元22、23、24、25中的一個中，然而經由網絡為全部所述設備提供。
[0044]不同實施方式的僅在各個實施例中公開的特徵能夠彼此組合併且單獨地要求保護。
【權利要求】
1.一種用於在多個布置在車輛￠)中的控制設備(2 ;3 ；4 ；5)之間進行數據交換的環形的網絡，所述網絡包括環形連接(I)和多個分配器(8)，所述分配器分別具有多個通信對(9; 10; 11)，所述通信對分別具有發送單元(12;15;16)和接收單元(13 ;14 ;17)以用於發送和接收數據，並且其中每個所述控制設備(2 ;3 ；4 ；5)經由第一通信對(9)與所述分配器(8)中的一個連接，並且每個所述分配器(8)經由第二通信對(10)與所述環形連接(I)連接，其特徵在於，所述分配器(8)中的至少一個附加地具有第三通信對(11)並且經由所述第三通信對(11)與所述環形連接相連接，其中在所述分配器(8)的第二通信對(10)和所述第三通信對(11)中的數據流方向是相反的。
2.根據權利要求1所述的環形的網絡，其特徵在於，至少一個所述分配器(8)構建為，在所述環形連接(I)中斷(19)的情況下通過所述分配器(8)切換所述數據流方向。
3.根據前述權利要求中的任一項所述的環形的網絡，其特徵在於，所述網絡是乙太網。
4.根據權利要求3所述的環形的網絡，其特徵在於，所述控制設備(2;3;4;5)中的至少兩個、優選是全部的所述控制設備(2 ;3 ；4 ；5)彼此同步。
5.根據前述權利要求中任一項所述的環形的網絡，其特徵在於，所述控制設備包括至少一個發動機控制設備(5)、制動控制設備(2)、氣囊控制設備(3)、轉向控制設備(4)和/或用於連接另一網絡的設備(7)。
6.根據前述權利要求中任一項所述的環形的網絡，其特徵在於，所述環形連接(I)包括多芯線纜和/或光導體，其中所述多芯線纜中的所述數據流方向在不同的芯線上優選地是不同的，並且所述多芯線纜尤其優選地是雙絞線線纜。
7.根據前述權利要求中任一項所述的環形的網絡，其特徵在於，所述分配器(8)中的至少一個集成在控制單元(22 ；23 ；24 ；25)中、優選集成在具有多個核的控制單元(22 ；23 ；24 ；25)中。
8.根據前述權利要求中任一項所述的環形的網絡，其特徵在於，所述環形連接(I)包括第一通道(20)和第二通道(21)以及具有第三通信對(11)的多個分配器(8)，其中所述分配器(8)的所述第二通信對(10)分別與所述第一通道(20)連接，並且所述分配器(8)的所述第三通信對(11)分別與第二線路(21)連接。
9.根據前述權利要求中任一項所述的環形的網絡，其特徵在於，所述網絡構建為，在正進行的運行中將應用程式分配給所述控制設備(2 ;3 ；4 ；5)。
10.一種車輛￠)，優選是機動車，具有根據前述權利要求中任一項所述的環形的網絡。
【文檔編號】H04L12/437GK104365062SQ201380030854
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2013年6月10日 優先權日:2012年6月14日
【發明者】漢斯-裡奧·羅斯 申請人:大陸汽車有限責任公司