Ziel dieser Arbeit ist es, verschiedene Designvarianten für einen Teil der Schichten (Schichten 2 bis 6) des Echtzeit-Rechnernetzes CarRing II zu analysieren und hinsichtlich ihrer Eignung zu bewerten. Die fehlenden Schichten 1 und 7 sind Bestandteil einer separaten Forschungsarbeit. Im Ergebnis dieser Arbeit sollen der Aufbau und die Funktionsweise der Schichten 2 bis 6 von CarRing II umfassend spezifiziert werden, wobei jeder Designpunkt argumentativ und simulativ begründet ist. Außerdem sollen exemplarisch die Software-Protokolle von CarRing II implementiert werden, die für Wegewahl, Transport, Kooperation und Darstellung der Daten von Sensoren, Aktoren und Steuergeräten im Auto notwendig sind. Im Anschluss an diese Einleitung folgen im ersten Teil einige Kapitel, die sich mit dem Stand der Technik befassen. Zunächst werden einige der häufig verwendeten Bussysteme, die im Flugzeug und im Auto zum Einsatz kommen, vorgestellt. Dabei werden insbesondere ihre Vor- und Nachteile aufgezeigt. In einem weiteren Kapitel werden Software-Standards und Middleware im Auto betrachtet. Der zweite Teil widmet sich dann ausschließlich CarRing II. Dort werden zunächst die grundlegenden Ziele und Anforderungen aufgestellt und die Hardware beschrieben. Es folgt die Betrachtung der einzelnen Schichten von CarRing II. Innerhalb jeder Schicht werden zuerst immer die existierenden Protokolle und Verfahren erläutert und hinsichtlich ihrer Eignung für den Einsatz bei CarRing II bewertet. Es folgen die für CarRing II entwickelten Protokolle, Dienste und Paketformate sowie die Programmierschnittstellen jeder Schicht. Der zweite Teil endet mit einer Betrachtung der Hardware-Software-Architektur im Speziellen, Implementierungshinweisen und einem Vorschlag zur Integration von CarRing II in bestehende Standards im Auto. Im dritten und letzten Teil werden die Simulationsergebnisse für CarRing II vorgestellt und mit anderen Verfahren und Bussystemen verglichen. In diesem Zusammenhang werden auch der Simulator und die Simulationsumgebung beschrieben. Am Ende folgen ein Fazit und ein Ausblick auf weitere Entwicklungen. Der Anhang beinhaltet verschiedene Diagramme von Prozessabläufen sowie eine für die Implementierung notwendige, detaillierte Übersicht der Programmierschnittstellen. Die Ausarbeitung, der Quellcode sowie weitere Diagramme sind auf der beigefügten CD-Rom zu finden.

    Today, most of the innovations in car industry take place in mechatronics which is the compound of controllers, sensors and actuators. Current cars can contain more than 80 controllers for different car functions, e.g. to support the driver by assistance systems like the anti-lock braking system (ABS). In future 'x-by-wire' systems, like 'steer-by-wire' or 'brake-by-wire', basic mechanical car functions are replaced by a mechatronic system. With 'steer-by-wire', the front wheels are steered in real-time without a mechanical connection by means of electric motors according to rotation angle and torque of the steering wheel. The data transfer between the components has to be accomplished by a highly reliable, high-speed, real-time communication network. While the number of mechatronic systems and the communication requirements are increasing, interconnection technologies remain at the level of application-specific field buses exhibiting only layer 1 and 2 functionality of the Open Systems Interconnection (OSI) model. Higher-level functions must be emulated on layer 7. In current cars, several incompatible field buses and protocol are required for communication. Missing functionality, lack of standards and further problems of field buses, like limited scalability and low data rates, are leading to serious quality and performance problems in car industry and holds up innovations. Therefore, the goal was to develop a single unifying solution for car communication that solves the problems of field buses, meets all future demands and provides functionality on all layers of the OSI model. As a result, this work introduces CarRing II, a highly reliable, ring-based, real-time computer network for cars with data rates up to 1 Gbit/s. It was developed to connect mechatronic systems of safety critical applications in cars, e.g. 'steer-by-wire'. The scope of this work is the presentation and evaluation of CarRing II as well as the comparison with other technologies. CarRing II exhibits functions from 7 ISO layers. For CarRing II, hardware details like node structure and cabling, the design of each layer including services, protocols and programming interfaces, the medium access scheme, the hardware-software architecture as wells as simulation results are presented here. CarRing II applies a medium access scheme that ensures fairness, real-time and efficient bandwidth allocation by using a new variant of Time Division Multiple Access (TDMA). Extension algorithms allow the reusing of time slots in order to solve performance problems in case of unbalanced network traffic. CarRing II provides car-wide adaptive routing in 255 rings, authentication and authorization, common data formats and a new programming model comprising distributed memory access, remote interrupts and message passing. The network scales to 4096 nodes. End-to-end connections are established on ISO layers 3 and 5. Reliable handshake-operations as well as fast block transfers are supported. Simulation results show the real-time capability even under overload conditions and the significantly better performance of CarRing II compared with other technologies. The current situation in car industry, known problems and future requirements are introduced in section 1. Sections 2 to 4 give an overview on software, middleware and field buses used in cars and planes. CarRing II is described in section 5. For each layer, several existing protocols are described, evaluated and compared with CarRing II. In section 6, simulation results are presented. The work concludes with summary and outlook.


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    Title :

    CarRing II: Entwurf und exemplarische Implementierung der Schichten 2 bis 6 des OSI-7-Schichtenmodells für ein zuverlässiges Echtzeit-Kommunikationsnetzwerk im Automobil


    Contributors:

    Publication date :

    2009


    Size :

    364 Seiten, 118 Bilder, 46 Tabellen, 124 Quellen



    Type of media :

    Theses


    Type of material :

    Print


    Language :

    German