用于运行车载网络的方法、车载网络和控制设备与流程

1.本发明涉及一种用于运行车载网络的方法、一种车载网络、一种控制设备以及一种用于设置（einrichten）车辆中车载网络的方法。


背景技术：

2.在现代车辆中存在各种各样的功能，这些功能由各个控制设备以及连接到这些控制设备的传感器和执行器实施。控制设备又可以以传输数据或通信的方式相互连接，以交换数据或信息。控制设备、传感器和执行器以及可能的其他组件（例如特别是通信连接）的全体也称为车载网络或车载数据网络，车载网络或车载数据网络的结构或布置也称为e/e架构。


技术实现要素：

3.根据本发明，提出了具有独立专利权利要求的特征的一种用于运行车载网络的方法、一种车载网络、一种控制设备以及一种用于设置车辆中车载网络的方法。有利的设计方案是从属权利要求和以下描述的主题。
4.本发明涉及车辆中的车载网络或e/e架构，并且特别是涉及该车载网络中不同单元之间的通信。通过成本优化、车辆中电子设备复杂性增加以及由于技术进步带来的新可能性的推动，特别是车辆制造商方面力求对e/e架构进行优化。一方面为了通过简化电缆线束（kabelbaum）来节省成本，而另一方面为了通过软件在所谓的车辆中央计算机（也称为“vehicle computer（车辆计算机）”）上的集中或中央化（konzentration/zentralisierung）来提高灵活性和可扩展性，考虑使用所谓的区域e/e架构或区域架构（zonenarchitektur）。在区域e/e架构中，例如传感器、执行器、“智慧型”机电一体化装置或机电一体化单元（所谓的智能组件，其应理解为具有自己的计算逻辑或自己的控制器的机械单元，例如由风扇电机、风扇输出级和风扇微控制器组成的冷却机电一体化装置，或例如调节换档过程（schaltvorgang）的传动机构的机电一体化装置）和（智能）“电子控制单元”（ecu）（即传统意义上的控制设备）以及其他机电一体化单元可以根据它们在车辆中的几何位置而通过所谓的区域控制设备被连接到一个或多个车辆中央计算机。这些区域控制设备在此特别是用作能量和数据分配器，至少尽可能在所述车辆中央计算机上执行或计算实际的逻辑或功能。
5.（具有逻辑和功能的）软件的中央化典型地伴随着在所述车辆中央计算机上使用性能更强大的计算单元，其中当今常用的基于微控制器(
µ
c)的系统在这种设备类别中扩展了微处理器(
µ
p)。在所述微处理器上运行的操作系统（例如基于posix的操作系统）实现了所谓的面向服务的架构（soa），其允许高效和快速地开发功能。
6.随着这种区域架构的引入，可以打破并显著简化迄今为止的星形线缆网络。由此实现了整体上明显更短的线路，这降低了车辆中主电缆线束的复杂性。通过将高级软件（具有各种功能性，例如用于驾驶员的功能性）转移到车辆中央计算机中，计算耗费集中在车辆
中央计算机中。通过下面提出的通信方案而特别有利于所述集中。
7.如上所述，如在本发明的范畴内使用的车辆的车载网络或e/e架构基于架构、诸如区域架构。该区域架构具有三层（“layer”）：计算层（“computational layer”）、区域层（“zonal layer”）和执行层或嵌入层（“embedded layer”）。在此，车辆中央计算机设置在计算层。也能够设想：使用多个这样的车辆中央计算机，然后将它们全部相应地分配给计算层。典型地和优选地，车辆中央计算机（特别是无线地）连接到车辆外部的计算单元或不属于车辆的（fahrzeugfremd）计算单元，例如远程计算系统或服务器（“云”），经由所述计算单元可以提供各种功能或服务或软件更新。在多个车辆中央计算机的情况下，将其中一个车辆中央计算机连接到所述不属于车辆的计算单元就可以足够了。然后同样可以将该不属于车辆的计算单元分配给计算层。
8.在所述区域层中设置区域控制设备（在一般意义上），其中典型地存在多个区域控制设备，即使该区域架构原则上在仅有一个区域控制设备的情况下也能够应用。在执行层中设置执行单元（在一般意义上），其中典型地对每个区域控制设备存在多个执行单元，即使该区域架构原则上也在总共只有一个执行单元或对于每个区域控制设备只有一个执行单元的情况下可以应用。
9.区域控制设备（如下面还要更详细解释的，这里它们可以是相对简单的计算系统或计算单元）在此特别是用于在车辆中的几何或空间上的划分。例如可以设置四个区域控制设备，车辆中的前、后、左和右各一个（为此也参见图和图的描述）。执行单元应特别是理解为传感器、执行器、所谓的智能部件（智慧型机电一体化装置）或（智能）电子控制单元（ecu）（即常规控制设备）和其他处于最低层并且负责（直接）执行动作或测量的机电一体化单元。由于将执行单元分别分配给一个区域控制设备，各个执行单元也可以对应地分配给诸如“前”或“后”区域。例如，可以将布置在发动机舱内的所有控制设备分配给“前”区域。
10.在此，这些区域控制设备分别借助于第一通信系统与所述车辆中央计算机（或计算层）通信连接。这里，作为第一通信系统例如考虑以太网或其他宽带通信系统。在多个车辆中央计算机的情况下，每个区域控制设备可以与这些车辆中央计算机中的（仅一个）连接。这些执行单元分别直接地或间接地经由第二通信系统、诸如通信总线而与分配给这些执行单元的区域控制设备通信连接。作为第二通信系统或通信总线，这里例如考虑can或lin总线。在此，不同的执行单元可以连接到同一个区域控制设备，必要时还经由不同的通信总线而连接到同一个区域控制设备。在此，各个执行单元可以直接地或间接地连接到所分配的区域控制设备，这特别是适用于控制设备或智能的或智慧型的（smarte bzw. intelligente）传感器和执行器。然而，执行单元同样可以非直接地或者说可以间接地连接到区域控制设备，于是例如经由这样的控制设备而连接。这于是特别是适用于简单的传感器和执行器。在此，通信连接对于所有通信系统而言特别是应理解为可以交换数据或信息，特别是数字地（但在简单传感器的情况下必要时也可以是模拟地）交换数据或信息。
11.除了该区域架构和所提到的通信连接之外，还提出了专用通信，所述专用通信在运行这种车载网络时得以使用，或者说车载网络以自身单元而设置用于所述专用通信。
12.从下面的解释中还可以看出，本发明不仅在这样的区域架构中起作用，而是具有所提到的三个层的架构就足够了。按照区域的（几何）划分虽然是有利的，但不是强制性必需的。在这个意义上，下面代替区域控制设备也提及中间控制设备（zwischensteuerger
ä
t）
（所述中间控制设备于是被分配给中间层）。同样，所使用的架构因此不一定必须是区域架构。
13.在本发明的意义上，车载网络在此至少包括在区域架构的范畴内所提到的车辆中央计算机、区域控制设备或中间控制设备、执行单元（特别是也即分别其中至少之一）以及相应的通信系统，特别是只要它们例如存在于车辆中。
14.执行单元与车辆中央计算机之间的通信在此（始终）经由中间控制设备进行。因此，这对应地适用于执行层与计算层之间的任何通信。两个中间控制设备之间的通信，即例如从一个执行单元经由分配的中间控制设备和另一个中间控制设备到另一个执行单元的通信，又仅仅经由计算层（即车辆中央计算机；在多个车辆中央计算机的情况下，也可能需要从一个车辆中央计算机到另一个车辆中央计算机的通信）进行。中间控制设备因此不直接相互通信，并且也没有设置对应的（直接）通信连接。
15.优选地，在执行单元与车辆中央计算机之间通信时所述中间控制设备将在所述通信的范畴内输入的数据或信息再次不变地输出。这适用于所有中间控制设备，因此中间控制设备表现得中立（neutral）或透明。没有数据被转换或修改，而是经由例如以太网进行例如can或lin的隧道传输（tunneling）。该隧道传输例如可以根据ieee 1722-2016 avb传输协议（avbtp）按照avtp控制格式（acf）进行。例如，在这里可以在以太网中打包和传输其他传输格式（例如can、lin；flexray、most等）的标准包。在一个方向上，中间控制设备从以太网包中提取标准包，并将它们在对应的总线上输出。这同样适用于另一个方向，其中中间控制设备接收标准包并将所述标准包打包成以太网包。因此应理解，尽管中间控制设备必须在可能不同的通信系统或通信总线之间“桥接”数据，但内容保持不变。也即不进行任何计算或其他动作。
16.这种结构与所述架构和所提出的通信方案带来了多个优点。例如，使得可以在执行层中重复使用现有系统和控制设备，这些系统和控制设备在其数量和表现形式（auspr
ä
gung）方面可以非常容易地连接到例如区域（类似于“即插即用”）。这里不需要在中间控制设备或区域控制设备上进行特殊适配，因为数据只是依次通过（durchschleifen）。
17.此外，使得可以在不同车辆硬件的情况下再使用特定功能。该功能特别是由车辆中央计算机负责，而执行层上的具体硬件则是次要的。因此，例如可以简单地通过其他制造商的传感器来替换特定的传感器。
18.由于在执行层与计算层之间的抽象（abstraktion），理想情况下，单单通过更新车辆中央计算机上的软件功能就可以实现新的车辆功能，而无需在此过程中更新中间控制设备或下游组件（特别是在执行层中）的软件（尽管如此，可以与此无关地更新这些软件，正如下面还更详细地解释的）。
19.由于中间控制设备不相互通信并且因此彼此解耦，因此可以利用不同数量的中间控制设备、特别是区域控制设备以简化的方式实现经车辆段的扩展。例如，可以向另外的中间控制设备补充下游执行单元，而这不会影响其他中间控制设备或其下游执行单元。相反，车辆中央计算机是针对附加单元和功能而被相对应地设计的。
20.此外，通过这种方式可以实现车辆中央计算机与中间控制设备之间的稳定接口，并且确切地说既基于信号又基于服务地实现。所述扩展仅通过（针对经由所述接口进行的通信）所需的带宽确定，而不通过各个（例如针对通信总线的）通信技术确定。于是，当存在
数据或信息时经由基于信号的接口提供所述数据或信息，而经由基于服务的接口（或在“面向服务的架构”中）提供所述数据或信息作为服务（services），即每个计算单元（这里是每个区域控制设备）可以订购所需的服务，并且然后获得发送的数据。
21.此外，车辆中央计算机上的面向服务的架构通过下层或位于其之下的层中的硬件的抽象而得以支持。车辆中央计算机仅在存储器和性能（计算能力）方面以及由此带来的印刷电路板面积或微控制器(
µ
c)或微处理器(
µ
p)的使用方面进行扩展（skalieren）。
22.如上面提到的，软件更新（即应用程序或功能的更新）主要在计算层上或通过计算层进行，因为所有软件功能都集中在那里。在执行层或执行单元应当获得更新的情况下，中间控制设备可以充当缓冲器，即新的（嵌入式）软件版本（即更新的程序数据）经由车辆中央计算机与中间控制设备之间的宽带连接加载到该中间控制设备上，并从那里经由必要时较慢的总线（即以较低的数据传输率）传输到嵌入式控制设备或所述执行单元。在此，该中间控制设备因此用作具有并行化可能性的智慧型网关或子网关（可以将新软件加载到每个中间控制设备上，所述新软件分别用于下游执行单元）。这也允许将所述新软件更快地输入到缓慢连接的多个目标控制设备（在执行层中）。该过程还可以特别是减少车辆生产期间或以后的闪断时间（flashzeit）。
23.除了用于在车辆中运行这种车载网络的方法之外，本发明还涉及这种车载网络、在这种车载网络中用作中间控制设备的控制设备以及用于在车辆中设置这种车载网络的方法。对于车载网络、控制设备和用于设置的方法的其他设计和优点，为了避免重复，参考上面的陈述，这些陈述在此对应地适用。
24.本发明的其他优点和设计从说明书和附图中得出。
附图说明
25.借助实施例在附图中示意性地示出本发明并且在下文中参照附图描述本发明。
26.图1示意性地示出了车辆中优选设计中的根据本发明的车载网络。
27.图2示意性地示出了车载网络的区域架构以用于解释本发明。
具体实施方式
28.在图1中示意性地示出了在车辆102中的优选设计中的根据本发明的车载网络100，应当基于该车载网络解释e/e架构或车载网络的各个单元或组件的分布。车载网络100示例性地包括车辆中央计算机110、四个构造为（或用作）区域控制设备的中间控制设备120a、120b、120c、120d以及多个执行单元，这些执行单元在这里包括控制设备120、智慧型机电一体化单元132以及执行器和传感器134（这里不应当根据执行器和传感器来区分）。
29.区域控制设备120a、120b、120c、120d示例性地分别被分配给“前”、“后”、“左”和“右”区域，并且分别经由第一通信系统112（例如以太网）通信地连接到车辆中央计算机110，这允许其中的每个区域控制设备分别与车辆中央计算机110进行通信。此外，车辆中央计算机110具有无线通信连接114（或对应的通信模块），以例如能够与不属于车辆的计算单元（“云”）通信，如后面还要更详细解释的。
30.执行单元130、132、134分别被分配给区域控制设备之一并且经由诸如can或lin总线的第二通信连接122直接或间接地通信连接到所涉及区域控制设备。例如，分配给区域控
制设备120a的控制设备130直接连接到该区域控制设备，而传感器/执行器134之一则间接、即经由控制设备130连接到该区域控制设备；该传感器/执行器134特别是直接连接到控制设备130。例如，其他传感器/执行器134也直接连接到该区域控制设备，这同样适用于智慧型机电一体化单元132。
31.用于将执行单元连接到区域控制设备或必要时彼此连接的第二通信系统112不一定必须全都相同，能够设想：取决于执行单元的类型而有所不同。因此例如更简单的传感器仅经由lin连接，更复杂的控制设备例如经由can连接。然而，区域控制设备具有对应的接口。
32.执行单元130、132、134的具体类型或功能性对于本发明而言并不重要；例如，分配给区域控制设备120a并因此分配给“前”区域的执行单元130、132、134可以包括例如用于雨刮器等的灯或执行器。这同样适用于区域控制设备120b或“后”区域。分配给区域控制设备120c、120d或“左”和“右”区域的执行单元可以是例如用于车窗升降器的按钮和执行器。在此应再次提到的是，该车载网络是纯示例性的并且应当用于解释本发明。
33.然而，所示出的车载网络100清楚地表明，通过区域控制设备使得可以在仅有一个车辆中央计算机（或必要时少量车辆中央计算机）的情况下有针对性地按照几何区域来分配或划分各个执行单元，由此与传统的e/e架构相比，车载网络的整个（累加的）电缆长度时常能够显著减少。
34.在此应当提到，这特别是涉及通信系统或通信介质。应理解，各个单元也需要能量供应或电流供应，这里对其并不进一步进行叙述。
35.在图2中示意性示出了车载网络的区域架构，以用于解释本发明。这里所示的车载网络与图1的车载网络100类似，但各个单元的数量稍微不同；然而，附图标记对应于图1中的附图标记。因此，例如仅示出了三个区域控制设备120a、120b、120c，分别向这些区域控制设备分配了执行单元，执行单元的数量必要时与图1中的不同。然而，这对本发明的工作方式没有影响。
36.如已经提到的，在本发明的范围内使用具有三层的区域架构，向这三层分配了各个单元。这里以微控制器116和微处理器118示例性示出的车辆中央计算机110被分配给计算层r。同样示出了不属于车辆的计算单元140（其在此例如是远离车辆布置的提供存储器和计算能力的中央服务器或高性能计算机），所述车辆中央计算机经由无线通信连接114连接到计算单元140。不属于车辆的计算单元140同样被分配给计算层r。
37.区域控制设备120a、120b、120c被分配给区域层z，而执行单元1230、132、134被分配给执行或嵌入层e。在执行层e内，控制设备130和智慧型机电一体化单元132布置在传感器/执行器134上方的中间级（zwischenstufe）中，然而这对本发明的工作方式没有影响。
38.利用已经参照图1解释的通信系统和通信连接，作为通信方案得出：（在执行层e中的）执行单元与（在计算层r中的）车辆中央计算机之间的通信始终或仅经由（在区域层z中的）区域控制设备进行并且也只能如此进行，并且确切地说仅经由分配给有关执行单元的区域控制设备而进行。两个区域控制设备之间的通信又仅仅经由计算层r实现或仅经由计算层r进行。因此，区域控制设备本身仅用作一种网关或隧道。每个区域控制设备将输入的数据以内容不变的方式再次输出，必要时进行：形式上适配于其他通信系统，例如从lin到以太网或从以太网到can；或者封装。
39.示例性的通信流程然后是：分配给区域控制设备120a的智慧型机电一体化单元132借助于分配给它的传感器134来检测测量值。然后，这些测量值作为数据通过区域控制设备120a隧道传输（tunneln）并传送给车辆中央计算机110。车辆中央处理器110然后可以处理或转换所述数据（例如，在此基础上进行计算）。经过处理的数据然后例如通过区域控制设备120b隧道传输并传送到被分配给区域控制设备120b的控制设备130。该控制设备130例如可以根据经过处理的数据中的指令来操控分配给该控制设备的执行器或者在所分配的显示器上显示所述数据。
40.如果例如应当更新（updaten）被分配给区域控制设备120b的控制设备130上的应用程序或软件，则可以首先将软件更新，即新的或经过更新的程序数据经由不属于车辆的计算单元140加载到车辆中央计算机110上。车辆中央计算机110然后可以将软件更新再次加载到或传送到区域控制设备120b。然后可以从那里将所述软件更新再次加载到控制设备130上，以更新控制设备130的软件。因此，区域控制设备120b用作软件更新的缓冲器。
41.除了软件更新（这也可以针对区域控制设备和车辆中央计算机进行，在那里也可以针对各个应用程序进行）之外，还可以例如对区域控制设备和所述区域控制设备下游的执行单元进行诊断或维护，其方式是通过车辆中央计算机和所解释的通信来访问它们。
42.如同样已经提到的，所提出的区域架构还允许车载网络的简单扩展。可以例如在计算层中、在那里特别是在车辆中央计算机中或者必要时还经由不属于车辆的计算单元而增加计算能力或存储器。在执行层上可以相对容易地补充新单元，特别是也以诸如传感器/执行器这样的标准组件来补充，在需要时还可以补充新的区域控制设备。