Überblick und Anwendungsbeispiele1

Bussysteme allgemein

Bussysteme sind im Allgemeinen ein System von parallelen Leitungen, das der Datenweiterleitung zwischen einzelnen Systemkomponenten eines bestimmten Netzwerks dient. Alle an einen Bus angeschlossenen Komponenten nutzen diesen Bus gemeinsam, beeinflussen jedoch die Kommunikation zwischen anderen angeschlossenen Teilnehmern nicht. Es wird unterschieden zwischen

  • Datenbusse- übertragen Datenpakete und arbeiten bidirektional
  • Adressbusse – übertragen Speicheradressen zwischen CPU und Hauptspeicher und arbeiten nur unidirektional
  • Steuerbus – leitet Steuersignale zwischen CPU und anderen Teilnehmern und ist verantwortlich für die Synchronisation der einzelnen Komponenten
  • Systembus – verbindet CPU mit Hauptspeicher und Cache
  • Versorgungsbus – ist verantwortlich für die Stromversorgung und die Taktleitungen, sofern erforderlich
  • I/O- Bus – verbindet CPU und Hauptspeicher mit anderen Teilnehmern des Systems und wird daher auch Peripheriebus genannt

Anwendung von Bussystemen

Bussysteme werden zum Beispiel in Automobilen oder in letzter Zeit auch verstärkt in der Gebäudetechnik genutzt. Durch die Anwendung von Bussystemen können Komponenten eines Systems so miteinander verknüpft werden, dass eine effizientere und stark erleichterte Steuerung von einzelnen Teilnehmern ermöglicht wird.

Geschichte der Anwendung in Automobilen

Bereits seit 1980 werden Mikroprozessor-gesteuerte Systeme in Automobilen - wie zum Beispiel Motronic und ABS - eingesetzt und Daten zwischen diesen speziellen Systemen und auch der Außenwelt des Fahrzeugs ausgetauscht. Systeme, die dem Datenaustausch zwischen Komponenten innerhalb des Fahrzeugs dienen nennt man On-Board-Systeme. Diese tauschten zunächst Daten mittels einfacher Punkt–zu–Punkt-Verbindungen über klassische Analogsignale aus.

Die ersten Off-Board-Systeme – d.h. Systeme, die der Kommunikation von fahrzeuginternen Komponenten mit der Außenwelt dienen - betrafen den Austausch von Daten zwischen dem Fahrzeug und dem Diagnose-Tester in der Kfz-Werkstatt. Vom damals führenden Hersteller Bosch wurden zunächst nur die Anzahl der Leitungen, das Bitformat und die Signalpegel festgelegt. Die Protokolle – d.h. die Bedeutung der übertragenen Daten - blieb zunächst der spezifischen Implementierung durch den Hersteller überlassen und unterscheid sich dementsprechend immer herstellerspezifisch, meist aber auch noch fahrzeugspezifisch. Durch die Standardisierung des CAN-Busses entwickelte Bosch 1990 ein On-Board-System, das zunächst aber auch nur die Bit-Ebene spezifizierte und die Bedeutung der Protokolle ebenfalls offenließ.

Verschiedene Entwicklungen haben aber schnell die Notwendigkeit einer Standardisierung der Bussysteme und der benötigten Protokolle zum Datenaustausch deutlich gemacht. Zu diesen Entwicklungen gehören:

  • Die zunehmende Komplexität der Bussysteme
  • Die Entwicklung der Mikroelektronik
  • Die zunehmende Höhe des Datenaufkommens
  • Wunsch nach Minimierung der Kosten
  • Öffnung der internationalen Märkte
  • Wunsch der Hersteller auch international wettbewerbsfähig zu sein
  • Vorschriften der Gesetzgeber

In der oberflächlichen Betrachtung lassen sich heute grob zwei Arten von Systemen in der Anwendung unterscheiden:

  • On-Board-Systeme
  • Off-Board- Systeme

On-Board-Systeme

Diese Systeme dienen der Kommunikation zwischen den einzelnen KFZ-Steuergeräten im Fahrzeug selbst. Dabei werden für verschiedene Anforderungen der einzelnen Systeme unterschiedliche Bussysteme verwendet:

  1. High-Speed-Systeme
    Sie dienen vor allem der Steuerung von Aufgaben, die eine Echtzeit-Übertragung erfordern. Zu diesen Anwendungen gehören zum Beispiel die Steuerung des Motors, des Getriebes, der Bremsen und des Fahrwerks. Zur Steuerung dieser Komponenten müssen die Steuergeräte hochsensible Informationen der Sensoren untereinander austauschen und Eingriffe müssen über mehrere Teilnehmer hinweg synchronisiert werden. Diese Übertragungen erfordern daher eine kurze Latenz, eine hohe Frequenz und ein großes Maß an Zuverlässigkeit und Sicherheit. Für diese Anwendungen wurde der CAN- Bus entworfen. Da die Komplexität der Steuerungsfunktionen aber immer noch weiter zunimmt wurde dieser erweitert zum TTCAN-Bus. Auch weitere Ergänzungen sind zu erwarten. High-Speed-Busse werden auch als Triebstrang-oder Fahrwerkbusse bezeichnet.

  2. Low-Speed-Systeme
    Diese Systeme dienen vor allem der Vereinfachung von sogenannten Kabelbaum-Systemen. Ein Kabelbaum ist eine Zusammenfassung mehrerer Leitungen, die eine Übertragung von Informationen durch elektrische Signale oder die Versorgung einzelner Komponenten mit Energie ermöglichen. Diese Kabelbäume dienen vor allem der Steuerung diverser im Fahrzeug enthaltener Lampen und Leuchten, der Steuerung der Tür- und Fensterautomatik und der Regelung der Klimaanlage oder der Heizung. Diese Bussysteme werden auch Karosseriebusse genannt. In diesen Systemen werden vorwiegend nur Schaltsignale übertragen, die einen geringeren Datenumfang haben. Daher wird hier ein vereinfachter CAN-Bus verwendet, ergänzt durch das Bussystem LIN. Diese Variante ist erheblich kostengünstiger als der Einsatz eines normalen CAN-Busses. Rückhaltesysteme werden zusätzlich durch weitere speziell dafür entwickelte Bussysteme miteinander vernetzt.

  3. Infotainment-Bussysteme
    Infotainment-Systeme dienen der Steuerung von sogenannten Luxuseinrichtungen in einem Fahrzeug. Komponenten, die Infotainment-Bussysteme nutzen sind also zum Beispiel Radio, Navigationshilfen, Audio und Telefon. Für diese Geräte ist eine sehr hohe Übertragungsrate nötig. Das Hauptaugenmerk liegt hierbei also ausschließlich auf dem Datendurchsatz und weniger auf der Latenzzeit oder der Zuverlässigkeit der Übertragung. Das liegt daran, dass diese Komponenten nicht primär für die Steuer-und Regelungsaufgaben des Fahrzeugs relevant sind. Die Verbindung zur Außenwelt oder zu Komponenten der Unterhaltungstechnik erfolgt dabei meist durch GPS oder Schnittstellen wie Bluetooth oder USB, gelegentlich aber auch über andere Funkschnittstellen wie zum Beispiel GSM/UMTS. Infotainment-Bussysteme sind im Vergleich zu den beiden anderen On-Board-systemen mit den höchsten Kosten verbunden.