Aufgaben serieller Bussysteme im Automobil

Die stetig wachsende Elektronifizierung der Automobile in den letzten Jahrzenten führt dazu, dass eine umfangreiche Verkabelung innerhalb der Autos stattfinden muss. Anfangs wurde dies jedoch nur mit einer einfachen Verkabelung durchgeführt, bei der das Gewicht und der notwendige Platzbedarf sich immer mehr erhöhte, je mehr Funktionen dem Kunden zur Verfügung gestellt wurden. Es wurde bei der Produktion schnell gemerkt, dass diese Methode einen intensiven Verkabelungsaufwand mit sich brachte und dennoch nur ein eingeschränkter Datenaustausch auf der Basis von Einzelleitungen stattfinden konnte. Um diesem Problem zu entgehen, wurde der bitserielle Austausch der Daten über einen einzigen Kommunikationskanal verwendet. Dadurch können alle elektronischen Steuergeräte zu einem Verbund, serieller Bus genannt, zusammengeschlossen werden. Das führt dazu, dass das Gewicht und der notwendige Platzbedarf der Verkabelung stark reduziert werden können.

Der serielle Bus

An den seriellen Bus werden alle elektronischen Komponenten über eine serielle Schnittstelle angebunden, sodass jede Komponente miteinander kommunizieren kann. Damit die Datenübertragung über den Bus reibungslos funktioniert, müssen die zu versendenden Daten eindeutig den betreffenden Busknoten zugeordnet werden. Dabei wird zwischen zwei Zuordnungen unterschieden. Zum einen gibt es die senderselektive Zuordnung oder Adressierung und zum anderen die empfängerselektive Adressierung.

Die Arten der Adressierung

Bei der senderselektiven Adressierung übernimmt der Sender die Zuordnung. Denn dieser bestimmt den gewünschten Empfänger über eine eindeutige Busknotenadresse. Bei der empfängerselektiven Adressierung hingegen wird nicht die Adresse des Empfängerknotens bestimmt. Vielmehr werden dort die zu versendenden Daten adressiert. Das hat zur Folge, dass jedem Busknoten prinzipiell alle Daten zum Empfang zur Verfügung stehen. Dies wird Broadcast genannt. Somit muss jeder einzelne Knoten die für ihn relevanten Daten aus dem gesendeten Datenpaket herausfiltern. Alle anderen Daten werden einfach ignoriert und nicht weiter verarbeitet. Realisiert wird dieses Vorgehen mithilfe der Adresse, die als Identifier bezeichnet wird.

Erstellung eines Frames

Bei der Versendung der Daten wird innerhalb des Senders ein Frame erzeugt. Das heißt, dass an das eigentlich zu versendende Datenpaket noch eine Anfangs- und Endkennung angehangen wird. Dies ist notwendig, damit der Empfänger die Daten und die Adresse als Einheit auffasst. Die angehängten Kennungen beinhalten Prüf- und Synchronisationsinformation. Vor allem die Synchronisationsinformationen sind dabei entscheidend, damit die Kommunikation zwischen dem Sender und dem Empfänger reibungslos funktionieren kann. Anstatt der Bezeichnung „Frame“ findet man mitunter auch die Begriffe „Rahmen“, „Nachricht“ oder „Botschaft“.

Die echtzeitfähige Datenübertragung

Die echtzeitfähige Datenübertragung ist eine der Hauptaufgaben eines seriellen Bussystems in Automobilen. Um das Zusammenspiel der unterschiedlichen Funktionen des Fahrzeuges gewährleisten zu können, müssen die einzelnen technischen Komponenten stets miteinander ohne Zeitverzögerung kommunizieren können.

Datensicherung

Eine weitere wichtige Aufgabe des seriellen Busses ist die Datensicherung und die Gewährleistung, dass die Übertragung vom Sender zum Empfänger fehlerfrei funktioniert. Aus diesem Grund wird während der Kommunikation eine Fehlererkennung und –korrektur durchgeführt. Datenverfälschungen können verschiedenste Ursachen innerhalb eines Automobils besitzen. Zum Beispiel werden sie ausgelöst durch galvanische, kapazitive oder induktive Kopplungen beziehungsweise elektromagnetischer Felder. Bei der Produktion des Automobils wird bereits darauf geachtet, dass diese Störfaktoren so gering wie möglich gehalten werden. Durch verschiedene Maßnahmen, wie zum Beispiel die Abschirmung des Übertragungsmediums oder ein ausreichend großer Abstand zwischen Daten- und Energieübertragungsleitungen, kann dieses Vorhaben realisiert werden. Dennoch lassen sich trotz optimaler physikalischer Systemauslegung Übertragungsfehler nicht komplett vermeiden. Aus diesem Grund sind Fehlerkennungsmechanismen unerlässlich.

Die Fehlererkennungsmechanismen

Das am häufigsten verwendete Verfahren ist die Verwendung von Prüfsummen. Dabei wird von dem Sender durch einen vordefinierten Algorithmus aus dem zu übertragenden Datenblock eine Prüfsumme berechnet, die er im Anschluss ebenso an den Empfänger überträgt. Durch diese kann der Empfänger erkennen, ob alle Daten korrekt übertragen worden sind. Je ausgeklügelter der Algorithmus zur Erstellung der Prüfsummen, je kürzer der zu sendende Datenblock und je länger die Prüfsumme ist, umso besser ist die Fähigkeit, eventuelle Fehler zu erkennen. Jedoch muss beachtet werden, dass innerhalb des Busses nur eine bestimmte Bandbreite zur Übertragung zur Verfügung steht, sodass ein Kompromiss zwischen der Fehlererkennungsfähigkeit und der Übertragungseffizienz geschlossen werden muss.

Die Fehlerkorrektur

Wird ein Fehler innerhalb der Übertragung erkannt, so muss dieser korrigiert werden. In der Automobilindustrie verwendet man dabei aus Effizienzgründen keine fehlerkorrigierenden Prüfsummen, wie es in anderen Systemen der Fall ist. Stattdessen findet eine Botschaftswiederholung statt. Diese wird entweder durch den Busknoten hervorgerufen, der den Fehler erkannt hat, oder automatisch durch eine zyklische Botschaftsübertragung.

Die Auswirkungen der Echtzeit-Übertragung und der Fehlerkorrektur

Nur wenn sämtliche Daten rechtzeitig und fehlerfrei vom Sender zum Empfänger übertragen werden, wird ein serieller Bus seiner Bestimmung gerecht. Durch das Ausmaß, wie zuverlässig er Störungen vermeiden, abwehren, erkennen und korrigieren kann, wird auch seine Leistungsfähigkeit und sein Einsatzgebiet bestimmt. Des Weiteren nimmt die Garantie der rechtzeitigen Datenübertragung innerhalb eines festgelegten Zeitfensters ebenso Einfluss auf diese zwei Faktoren.