Ethernet in Modern Mechatronic Applications

Mit zunehmender Komplexität der Elektronik in der Automobil- und Luftfahrtindustrie werden Steuergeräte immer abhängiger von den Gesamtfahrzeug- und Umgebungsinformationen, die von anderen Reglern zur Verfügung gestellt werden. Diese Informationen werden über verschiedene Kommunikationsnetze ausgetauscht. Über CAN, LIN, ARINC 429 und andere traditionelle Bustechnologien. Mit wachsender Anzahl von Sensoren und dezentralen Steuerungen bedürfen diese Kommunikationsbusse einer umfassenden Überarbeitung, um den Anforderungen gerecht zu werden.

In der Automobilindustrie erfolgte diese Buskommunikation oft mit einer Mischung aus Bussen und Protokollen wie CAN, LIN, LVDS und FlexRay. In der Luft- und Raumfahrt heißen die gängigen Avionik-Datenbusse ARINC 429 und MIL-STD-1553. In beiden Branchen sind die gängigen Busse in der Regel bereits älter und haben nicht unbedingt die für moderne Systeme erforderliche Bandbreite. Dies zeigt sich besonders deutlich bei der Entwicklung von Fahrerassistenzsystemen (ADAS) und komplexen Infotainmentsystemen in modernen Fahrzeugen sowie in immer mehr Elektroflugzeugen in der Luft- und Raumfahrt.

Infolgedessen schauen die Industrien auf den möglichen Einsatz der Ethernet-Technologie, um einige dieser Anforderungen zu erfüllen, und sie wird in modernen Fahrzeugnetzwerken verstärkt eingesetzt.

Ethernet bietet eine standardisierte, kostengünstige und schnelle Technologie, um Geräte wie Sensoren und Steuergeräte zu vernetzen. Der Ethernet-Standard definiert die physikalischen und Datenverbindungsschichten eines Netzwerks. Die übergeordneten Funktionen eines Netzwerks werden üblicherweise durch die Protokolle TCP und UDP implementiert.
TCP ist ein „verbindungsorientiertes" Protokoll, das eine hohe Zuverlässigkeit bietet, wofür man etwas Overhead und geringere Geschwindigkeit in Kauf nimmt. TCP verwendet ein Client-Server-Modell aus Anfragen und Antworten, um sicherzustellen, dass Daten wie erwartet empfangen werden. Wenn beispielsweise eine Nachricht nicht empfangen wurde oder die Daten nicht wie erwartet aussahen, kann sie erneut gesendet werden.

Auf der anderen Seite ist UDP ein einfacheres Protokoll mit weniger Overhead, das nicht garantiert, dass die Nachricht zugestellt wird. In einigen Fällen, insbesondere bei Echtzeitsystemen, ist UDP vorteilhaft, da der einfachere Sende- und Empfangsmechanismus zu höheren Datenraten und niedrigeren Latenzen führen kann.
Moderne Fahrzeuge können ADAS-Systeme enthalten, die aus mehreren Kameras und anspruchsvollen Sensoren wie Radar und Lidar bestehen. Diese Geräte nutzen oft Ethernet, weil sie eine große Menge an Daten produzieren, die zur Verarbeitung an Steuergeräte gesendet werden müssen.

Ethernet ist auch bei der Entwicklung von Vehicle-to-Everything (V2X)-Technologien von Bedeutung. So kann beispielsweise die drahtlose Kommunikation zwischen Fahrzeugen und Infrastruktur die bekannte WiFi-Technologie verwenden.

Ethernet spielt auch beim Messen, Kalibrieren und Flashen von Steuergeräten eine Rolle. Diese Aufgaben werden oft mit dem dafür standardisierten XCP-Protokoll durchgeführt, das auf mehreren Übertragungsmedien eingesetzt werden kann.

Hierfür wird häufig CAN verwendet (XCP on CAN), das allerdings keine hohen Datenraten bietet. Durch die Verwendung von Ethernet als Transportschicht können viel mehr Variablen gemessen und kalibriert werden, und das Flashen großer Steuergeräte-Anwendungen ist deutlich schneller.

Im Bereich der Luft- und Raumfahrt ist ARINC 664 ein Kommunikationsstandard auf Ethernet-Basis und als Datennetz der nächsten Generation konzipiert. Viele bestehende Flugzeuge verwenden ARINC 429, welches nur in eine Richtung arbeitet.

Ein großes ARINC-429-Netzwerk, wie es in modernen Flugzeugen üblich ist, erfordert eine beträchtliche Anzahl von Sende- und Empfangskanälen, die jeweils über zwei Drähte verbunden sind. Dies führt zu einem komplexen und schweren Kabelbaum. Zudem sind die ARINC-429-Nachrichten 32 Bit lang und die maximale Datenrate beträgt nur 100 Kilobit pro Sekunde, was für moderne Systeme nicht viel ist.

Durch die Nutzung eines auf Ethernet basierenden Datennetzes kann ein großes ARINC-664-Netzwerk über Switches verbunden werden. Durch den Einsatz von Vollduplex-Transceivern mit 100 Megabit pro Sekunde und Ethernet-Frames mit einer Größe von bis zu 1518 Byte kann eine große Datenmenge über ARINC 664 ausgetauscht werden. ARINC 664 verfügt auch über Funktionen, die für Flugzeugnetzwerke wünschenswert sind, wie Redundanz und Determinismus (über den Verkehrssteuerungsmechanismus Bandwidth Allocation Gap).

Um den zunehmenden Einsatz von Ethernet in Automobil- und Luftfahrtanwendungen zu unterstützen, bietet dSPACE eine Reihe von Hardware- und Software-Werkzeugen an.

Neuere Hardware-Plattformen wie DS1007 und MicroLabBox verfügen über integrierte Gigabit-Ethernet-Adapter. Modulare Plattformen können um Ethernet-Fähigkeit erweitert werden. Der Software-Support ist für verschiedene Produkt- und Solution-Blocksets verfügbar, die eine vergleichbar hohe Benutzerfreundlichkeit wie andere dSPACE Bus-Blocksets aufweisen. Die Unterstützung für Luft- und Raumfahrtbusse wie ARINC 664 wird als kombinierte Lösung aus Hardware eines Drittanbieters und einem dSPACE Blockset für die Modellintegration angeboten.

Es ist klar, dass die Anforderungen der modernen Automobil- und Luftfahrtelektronik bessere Datennetze erfordern. Der Einsatz von Ethernet-basierten Netzwerken bietet hohe Datenraten durch standardisierte, kostengünstige Komponenten. dSPACE bietet eine Reihe von Hardware- und Software-Produkten, die die Entwicklung von Steuergeräten mit Ethernet ermöglichen.

Übersicht über die dSPACE Ethernet-Software-Optionen für dSPACE Plattformen