Architektur serieller Bussysteme im Automobil

Über die Jahre hinweg wurde die verbaute Technik in Automobilen immer komplexer und innovativer.Ständig werden neue Funktionen und Möglichkeiten entwickelt, um das Fahren noch einfacher und sicherer zu gestalten. Bei der Verknüpfung der Funktionen findet jedoch ein reger Datenaustausch zwischen den elektronischen Komponenten statt, durch den die Anwendung der Funktionen überhaupt erst möglich wird. Um diesen Austausch zu realisieren, ist der sogenannte Datenbus notwendig.

Der Datenbus

Als Datenbus wird ein Leitungssystem bezeichnet, das die Datenübertragung zwischen mehreren Komponenten ermöglicht und realisiert. Dabei kommunizieren die Teilnehmer über einen gemeinsamen Datenweg, wodurch alle individuellen Kommunikationskanäle in einem Kommunikationskanal integriert sind. Wird dieser Bus mit entsprechenden seriellen Schnittstellen an den elektronischen Steuergeräten verbunden, so entsteht ein geschlossenes System, was als serielles Bussystem bezeichnet wird. Die an den Bus angeschlossenen elektronischen Steuergeräte werden als Busknoten (Nodes) bezeichnet.

In den Systemverbund können beliebig viele Knoten integriert werden, sodass die aufwendige Verkabelung, die früher in Automobilen zu finden war, durch die Verwendung des seriellen Busses wegfällt. Somit wird nicht nur die Projektierung und Installation vereinfacht, sondern es werden auch das Gewicht und der Platzbedarf der Verkabelung gesenkt.

Das ISO/OSI-Schichtenmodell

Das OSI-7-Schichtenmodell ist ein Referenzmodell für Computernetze und Kommunikationsprotokolle. Es wurde von der ISO als Grundlage für die Bildung von Kommunikationsstandards entworfen und beinhaltet 7 Schichten. Dabei hat jede Schicht bei der Kommunikation zwischen zwei Systemen eine bestimmte Aufgabe zu erfüllen. Jede einzelne der 7 Schichten wird bei der Kommunikation zweimal durchlaufen – einmal beim Sender und einmal beim Empfänger.

Die Schichten serieller Bussysteme

Angelehnt an das Angelehnt an das 7-Schichtenmodell und den somit vorherrschenden Standard durch die ISO, weist die serielle Schnittstelle eines Busknotens im Automobil typischerweise zwei Kommunikationsschichten auf. Diese werden als Physical Layer und Data Link Layer bezeichnet. Der Physical Layer ist dabei die unterste Schicht und die darüber liegende ist der Data Link Layer.und den somit vorherrschenden Standard durch die ISO, weist die serielle Schnittstelle eines Busknotens im Automobil typischerweise zwei Kommunikationsschichten auf. Diese werden als Physical Layer und Data Link Layer bezeichnet. Der Physical Layer ist dabei die unterste Schicht und die darüber liegende ist der Data Link Layer.

Ablauf der Kommunikation

Wird ein Busknoten aktiv, so sendet die Anwendung ein Signal, um die Kommunikation über den Bus mit einer anderen seriellen Schnittstelle zu starten. Zunächst wird der Data Link Layer aktiv, der die Aufgaben der Adressierung, Framing, des Buszugriffs, der Synchronisation sowie Fehlererkennung und -korrektur übernimmt. Mithilfe eines Kommunikationsprotokolls werden diese Aufgaben definiert. Anschließend verrichtet der Physical-Layer seine Arbeit. Dieser umfasst alle Aspekte der physischen Bauteile, das heißt, es liegen Informationen über die physikalische Ankopplung an den Bus vor. Des Weiteren findet durch die physikalische Schicht die Übertragung des Signals über den Bus hin zum Empfänger statt. Um dies zu realisieren, findet eine Physical-Layer-Spezifikation statt. Erreicht das Signal den Empfänger, so werden erneut beide Schichten von unten nach oben durchlaufen, sodass der Empfängerbusknoten das Signal verarbeiten und auf dieses reagieren kann.

Die Ankopplung an den Bus

Die physische Ankopplung an den Bus wird in der Regel mithilfe eines Transceivers realisiert. Die Ankopplung des Data Link Layers erfolgt über einen Kommunikationscontroller. Das Verwenden desselben Kommunikationsprotokolls innerhalb des gesamten Systems ist eine grundlegende Voraussetzung, dass der Datenaustauch zwischen mehreren Komponenten reibungslos funktionieren kann. Des Weiteren ist es unabdingbar, dass sich die unterschiedlichen Physical Layer an die gleichen Physical-Layer-Spezifikationen halten, da sonst eine exakte Datenübertragung nicht realisiert werden kann.

Aufgaben des Transceivers und des Kommunikationscontrollers

Soll eine Kommunikation zwischen zwei Busknoten ausgeführt werden, so übergibt die Applikation des Senders zunächst den zu versendenden Datenblock an den Kommunikationscontroller. Dieser hängt an den Datenblock eine Prüf- und Synchronisationsinformation, sodass ein Frame erzeugt wird. Anschließend wird dieser Frame durch den Transceiver über den Bus übertragen. In der Realität wird für den Bus meist eine Linientopologie verwendet. Dies liegt daran, da diese aufgrund der passiven Busankopplung leicht zu handhaben ist. Wurde die Nachricht über den Bus übertragen, so nimmt der Transceiver auf der Empfängerseite den Frame entgegen und übergibt diesen anschließend an den Kommunikationscontroller. Dieser wertet die übertragenen Informationen aus und gibt die Daten an die Applikation weiter. Voraussetzung für diese Weitergabe ist jedoch die korrekte Übertragung der Daten vom Sender zum Empfänger.

Garantie des Kommunikationsflusses

Durch das Durchlaufen der Schichten bei der Datenübertragung wird ein hierarchischer und somit transparenter Kommunikationsfluss erzielt. Da die einzelnen Schichten die ihnen zugeordneten Kommunikationsaufgaben erledigen, wird dieser Fluss garantiert. Des Weiteren wird er ebenso durch das Kommunikationsprotokoll und die Definition des Physical Layers gewährleistet.

Die Notwendigkeit höherer Schichten

Es gibt Aufgaben, bei denen die vom Data Link Layer zur Verfügung gestellten Funktionen nicht ausreichen, um diese korrekt zu erfüllen. Zu jenen zählen zum Beispiel solche Anwendungen wie die Sleep- und Wake-Up-Funktion des Busmanagements. Um solche Aufgaben dennoch realisieren zu können, ist es möglich, höhere Schichten beziehungsweise höhere Kommunikationsprotokolle zu definieren, durch welche die Kommunikationsfunktionalität erweitert wird.