Ethernet im Automobil- Teil 6

Eine Einführung zu Echtzeit-Systemen

 

Es gab Zeiten, da existierten in Fahrzeugen keinerlei Sicherheitsmaßnahmen. Gurte und der Spiegel an der Beifahrerseite waren noch weit von ihrer Entwicklung entfernt und das Automobil stellte  in seinen Anfangszeiten lediglich die Gesamtheit von Blech und Motor dar. Sonderlich viel Technik war nicht vorhanden. Doch dies hat sich im Laufe der Zeit drastisch verändert, sodass heute an ein Fahrzeug zahlreiche technische Anforderungen gestellt werden, die es zu erfüllen hat, um als modern und sicher zu gelten, aber auch effizient zu arbeiten ohne dabei zu viel negativen Einfluss auf die Umwelt zu nehmen. Bei der Forschungsarbeit haben sich besonders seit den 90er Jahren die Feldbussysteme etabliert, da diese eine Kommunikation zwischen den Teilnehmern einer Netzwerktopologie erlauben und somit dafür stehen, dass innerhalb des Systems Datenübertragung vonstattengehen können, deren Effekte unter anderem die Erkennung und Behebung von Fehlern und Störquellen sein kann. Zusätzlich wird durch diese digitale Herangehensweise der Arbeitsaufwand reduziert und Kosten lassen sich durch geringe Einsparungen von Kraftstoff senken.

Ein weiterer wesentlicher Aspekt, der im Zusammenhang von Automobilien und der Informationstechnik, Automationstechnik sowie industriellen Kommunikation in den Fokus gerückt ist, ist das Echtzeit-System.

 

Eine kurze Definition zur Begrifflichkeit des Echtzeit-Systems

 

Wenn von der Gesamtheit aller Echtzeitanwendungen in einem Netzwerk die Sprache ist, so bezeichnet dies ein System, welches dazu in der Lage ist, die zahlreichen gestellten Echtzeitanforderungen zu erfüllen. So findet sich diese Technologie besonders in den Bereichen der Prozessleittechnik und der Motorsteuerungen. Allerdings kann auch das reine Auswerten von Daten anspruchsvolle Anforderungen enthalten. Oftmals handelt es sich bei der hauptsächlichen Anforderung darum, dass ein Ergebnis während eines klar definierten Zeitintervalls auftreten muss. Ein Echtzeit-System gilt dann als nicht funktionell, wenn es Ergebnisse von Messungen sowie Berechnungen nicht richtig erstellt, oder dieses erst gar nicht zeitnah liefert.

 

Latenz-Zeit, Jitter und Totzeit

 

Bei einem Netzwerk, welches echtzeitfähige Anwendungen unterstützt, müssen verschiedene Aspekte berücksichtigt werden, zu welchen auch die Latenzzeit, die Jitter und die Totzeit gezählt werden:

 

  • Latenzzeit – hierfür kann auch der Begriff der Verzögerungszeit verwendet werden. Grundsätzlich handelt es sich um ein Zeitintervall, das sich vom Ende eines Ereignisses bis zum Anfang einer Reaktion auf ebendieses Ereignis erstreckt. Im Ethernet-Bereich sieht man hierunter vor allem ein wichtiges Merkmal zur Unterscheidung von Switches. Dabei beschreibt die Latenzzeit genau den Zeitraum der verstreicht, bis die an einem Switch-Port empfangenen Bits den Ziel-Port wieder verlassen. Angegeben wird dieses Intervall in Mikrosekunden, zumal eine Abhängigkeit zu den beiden Schaltverfahren Cut-Trough und Store-and-Forward besteht.

 

  • Jitter – diese ist die fachliche Bezeichnung für die Phasenschwankungen, die während einer Datenübertragung vorkommen können. Somit umfasst Jitter auch alle zeitlichen Änderungen der Signalfrequenzen. Bei den erfassten Störungen handelt es sich um Schwankungen innerhalb fixierter Zeitpunkte. Durch diese Abweichungen werden Bezugszeitpunkte verschoben, was eine Fehlinterpretation von Signalen oder den Verlust ganzer Datenpakete zur Folge hat. Hierdurch verschlechtert sich zusätzlich die Qualität der Übertragung bei Echtzeitanwendungen. Ein Jitter findet sich vor allem bei hohen Frequenzen und kann Rauschen sowie Übersprechen,  Flankenverzerrungen oder minimale Schwankungen des Pegels als Ursache haben.

 

  • Totzeit – dies wird auch als Laufzeit oder Transportzeit benannt und bezeichnet in der Regelungstechnik jene Zeitspanne, die zwischen einer Änderung am Systemeingang und der zugehörigen Antwort am Systemausgang auftritt. Kommt es auf einer Regelstrecke zu einer Totzeit, dann entstehen hierdurch im Normalfall Komplikationen bei der Festlegung von Regelparametern. Kommt es innerhalb eines geschlossenen Regelkreises zu sehr langen Totzeiten, sodass dies sogar ein deutlich schlechteres Regelverhalten mit sich ziehen kann, was letztlich die Performance eines Netzwerks negativ beeinflusst.

 

Merkmale des verteilten Echtzeit-Systems am Beispiel des Autos

 

Die Kombination aus Automobil und Echtzeit-System zeigt abermals, wie stark die Anforderungen im Laufe der Zeit gestiegen sind. So werden auch bei diesen Anwendungen enorm hohe Richtlinien für das Zeitverhalten festgelegt. Kommt es beispielsweise zu einem Unfall, so müssen Teilschritte wie die Aufnahme der Sensorwerte, die eigentliche Übertragung der Daten und das Aktivieren des Airbags bereits abgeschlossen sein, bevor die sogenannte Relativbewegung der Insassen beginnt. Das System muss demnach schnell reagieren als es der Körper des Menschen zu tun vermag. Wie sich die Güte von Regelungssystemen wie dem ASR, also der Antriebsschlupfregelung, gestaltet, hängt ebenfalls von der Latenz-Zeit und dem Jitter ab, da hier eine Abhängigkeit zur Totzeit besteht. So gilt: Je länger die Totzeit ist, desto schlechter wird auch das Regelverhalten, was soweit führen kann, dass der Regler gänzlich unbrauchbar wird. Da es sich bei einem Automobil um ein klar definiertes geschlossenes System handelt, kommt es eher selten zum Hinzufügen weiterer Komponenten oder zum Entfernen von Netzwerkteilnehmern. Hierdurch entsteht der positive Nebeneffekt, dass der Determinismus und das vom Bussystem abhängige Zeitverhalten bereits im Voraus eindeutig berechnet werden kann. Zudem lässt sich das System auch statisch konfigurieren und bedarf keiner Anpassungsfähigkeit, was die Topologie oder Anzahl der Teilnehmer betrifft.