Ethernet im Automobil- Teil 4

Im Allgemeinen können die verwendeten Systeme in drei große Hauptbereiche aufgeteilt werden:

  1. Time-triggered Systeme
  2. Token-basierte Systeme
  3. Bandbreiten-basierte Systeme

Diese unterscheiden sich jeweils bezüglich verschiedenster Kriterien wie zum Beispiel Nachrichtenlatenz, Jitter, Kosten, Offenheit für neue Komponenten und Nutzung von Standardkomponenten.

Time-triggered Systeme

Diese Systeme synchronisieren sich jeweils über eine globale Zeit und sind daher der am meisten verbreitete Ansatz, um die Echtzeitfähigkeit auf Bussystemen herzustellen. Die Basis der Synchronisation bildet dabei die Zuweisung von Zeitschlitzen. Zeitschlitze sind diejenigen Zeiten, die einem Busteilnehmer spezifisch zugeordnet werden und in denen dieser Daten über den Bus versenden darf. Dadurch wird gewährleistet, dass wirklich immer nur ein Teilnehmer gleichzeitig den Bus beansprucht und es so nicht zu Kollisionen und dadurch bedingter Zeitverzögerung kommen kann. Grundlage ist dabei, dass jeder Komponente quasi eine innere Uhr implementiert wird und alle diese Uhren miteinander genau synchronisiert werden.

Verfahren, um globale Zeit herzustellen

Bei den Master-Slave-Systemen gibt es einen sogenannten Time-Master, welcher die globale Zeit vorgibt. Master-Slave-Verfahren basieren auf dem Konzept, dass die Komponenten, die als Master bezeichnet werden, aktiv auf das Bussystem zugreifen können, also Daten verarbeiten und versenden können, während Slaves sich passiv verhalten und daher nur Daten erhalten können. Die Slaves sind dann für die jeweilige Änderung in den Systemausgängen verantwortlich. Der Time-Master synchronisiert also alle Teilnehmer durch die regelmäßige Übermittlung von Synchronisierungsnachrichten. Er ist dabei entweder selbst Teilnehmer oder aber in einen Switch integriert. Wichtig bei der Anwendung dieses Systems ist es, zu wissen, dass je genauer die Teilnehmer synchronisiert werden desto enger können die Zeitschlitze aneinandergehängt werden und desto schneller und effizienter wird das ganze System. Da hierbei Kollisionen vermieden werden durch die Zeitschlitze ist auch der Jitter dadurch beschränkt. Bei Systemen, die weniger harte Anforderungen an Latenz und Jitter stellen, reicht es daher auch aus, die Teilnehmer nur grob zu synchronisieren.  Eine weniger bekannte und daher auch weniger genutzte Variante der Zeitsynchronisation ist das Precision Time Protocol (PTP). Durch dieses Protokoll werden in den jeweiligen Switches die Zeitschlitze implementiert. Dadurch wird vermieden, dass Pakete bei der Übertragung verzögert werden.

Verfügbare Time-triggered Systeme

  1. Profinet
  2. TTEthernet
  3. SynqNet
  4. RTnet
  5. Powerlink

Details der verfügbaren Time-triggered Systeme

  1. Profinet

Profinet ist ein von der Profibus Organisation definierter Ethernet- Standard, der zwischen Non Real Time Ethernet, Real Time Ethernet und Isochronous Real Time Ethernet differenziert. Im Non Real Time Ethernet werden Standardprotokolle verwendet, die allerding nur sehr lange Zykluszeiten von über 100 Millisekunden erlauben. Im Real Time Ethernet werden Zykluszeiten von weniger als zehn Millisekunden möglich, dadurch dass die Standardprotokolle spezifisch erweitert wurden. Für die im Automobil oft geforderte harte Echtzeitübertragung dient der Isochronous Real Time Standard. Hierbei sind die Zykluszeiten kürzer als eine Millisekunde und auch die Jitter übersteigen eine Millisekunde nie. Zur Synchronisation der Teilnehmer wird ebenfalls ein spezifisches Protokoll von Profinet definiert, das Precision Time Protocol, auch PTP.

  1. TTEthernet

 

TTEthernet wurde ursprünglich von einer Forschergruppe an der TU Wien im Jahr 2004 entwickelt und wird heute durch die österreichische Computertechnik Firma TTTech offiziell vermarktet. TTEthernet steht dabei einfach für Time-triggered Ethernet. Es ist ein offenes Protokoll. Ebenso wie bei Profinet existieren drei Kategorien von Nachrichten: Time-triggered Nachrichten sind durch im Vorhinein festgelegte Sendezyklen definiert. Sie haben Priorität im Vergleich zu allen anderen möglichen Nachrichten. Nachrichten mit weichen Echtzeitanforderungen und vordefinierten Bandbreiten zur Übertragung sind die sogenannten Rate-constrained messages. Die letzte Kategorie sind die best-effort Nachrichten, für die keine speziellen Spezifikationen festgelegt werden und die die Zeiten zur Übertragung nutzen, nachdem Time-triggered und Rate-constrained Nachrichten übertragen worden sind.

 

  1. SynqNet

 

SynqNet dient der Antriebssteuerung im Automatisierungsbereich. Es wurde entwickelt

von der Danaher Motion Corporation und bereits 2001 vorgestellt. Es zeichnet sich durch die Besonderheit aus, dass keine Switches nötig sind, weil insgesamt keine Sterntopologie angeboten wird. Nur die Ring- oder Linientopologie sind möglich, wodurch Latenz und Jitter im Vergleich zu anderen Systemen erheblich gesenkt werden. Laufzeiten können auf der Basis der Leitungslängen und Knotenanzahl, die schon bei der Initialisierung bekannt sind, genau im Vorfeld berechnet werden.

 

  1. RTnet

 

RTnet entstand an der Universität Hannover. Heute ist es ein freies Projekt und kann jederzeit ohne Lizenzkosten bearbeitet und weiterentwickelt werden. Es arbeitet ohne spezielle Hardware und erfordert somit ein abgeschlossenes Bussystem. Nicht zeitkritische Daten nutzen hier ungenutzte Zeitschlitze und die Synchronisation der Teilnehmer wird durch eine periodische Startnachricht zu Beginn eines jeden Zyklus erreicht.

 

  1. Powerlink

 

Powerlink wurde von der Firma B&R entwickelt und stellt ein System dar, dessen Synchronisation über einen Time-Master vollzogen wird.