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Sensor-Bussystem PSI5

Höchst robust und echtzeitfähig

24. Februar 2017, 9:25 Uhr | von Markus Ekler

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

PSI5 im Kontext anderer Bussysteme

Betrachtet man die Übertragungsgeschwindigkeit, so kann PSI5 mit einem Maximum von 189 kbit/s zwischen CAN (Controller Area Network) und LIN (Local Interconnect Network) positioniert werden.

PSI5 bietet den geringsten Verdrahtungsaufwand mit lediglich zwei Leitungen (PSIx, GNDx) verglichen mit LIN (drei Leitungen – VBAT, GND, LINx) und vier für ein CAN-Netzwerk (Versorgung: VCC/VBAT und GND; Kommunikation: CANH, CANL).
Jedoch sind die Übertragungsbandbreite und der Verdrahtungsaufwand nicht die einzigen entscheidenden Parameter. Zum Beispiel bringt der CAN-Bus eine nichtdeterministische Eigenschaft in das System: Jeder CAN-Bus-Teilnehmer verfügt über einen eindeutigen „Object Identifier“ im Arbitrierungsfeld des CAN Message Object Header. Dieser definiert die Priorität des CAN-Busteilnehmers im CAN-Netzwerk und höher priorisierte CAN Message Objects dominieren den Bus gegenüber CAN Message Objects einer niedrigeren Priorität. Im Falle eines Übertragungskonflikts, das heißt, wenn zwei CAN-Busteilnehmer gleichzeitig eine Übertragung starten, setzt sich der Busteilnehmer mit der höheren Priorität durch und die Nachricht mit der niedrigeren Priorität wird verzögert.

Das ist bei PSI5 nicht der Fall, da jeder Sensorsatellit einen definierten Zeitabschnitt für die Sensordatenübertragung erhält. Dadurch können Sensordaten von mehreren verteilten Sensoren in einem garantierten Zeitfenster abgefragt werden und das System kann in Echtzeit eine Reaktion vorbereiten, wie zum Beispiel die Zündung einer Airbag-Ladung.

Ein einzelner Fehler an einer LIN- oder CAN-Leitung kann den gesamten Bus lahmlegen, da alle Knoten dieselben Kommunikationsleitungen verwenden. Zumindest für die PSI5-Daisy-Chain-Topologie besteht die Möglichkeit, Teile des Netzwerks zu deaktivieren.

Als weitere Sensor-Schnittstellen sind an dieser Stelle noch das PWM-Interface und SENT (Single Ended Nibble Transmission nach SAE J2716) zu nennen, jedoch handelt es sich bei beiden um unidirektionale Punkt-zu-Punkt-Verbindungen mit einem weit geringeren Funktionsumfang und geringerer Übertragungsbandbreite.

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PSI5 in der Applikation

Wie kann nun der PSI5-Bus in einer Applikation eingesetzt werden? Entsprechend den Applikationsanforderungen kann auf der Sensor-/Satellitenseite aus einem breiten Portfolio fertiger Komponenten und integrierter Lösungen verschiedener Hersteller ausgewählt werden. Auf der Seite des Steuergeräts – dem eigentlichen Bus-Controller – gibt es generell zwei Lösungen:

1. System-Chips: Da der PSI5-Bus durch die Airbag-Anforderungen geprägt wurde, stehen viele System-Chip-Lösungen für die Airbag-Applikation zur Verfügung. Es handelt sich dabei um integrierte Lösungen, die neben einem oder mehreren PSI5-Transceiver-Kanälen auch über zum Beispiel Squib Driver (Zündschaltkreise für die Airbag-Ladungen), Boost-Regler, Sicherheitsfunktionen und weitere Sensor Interfaces verfügen.

2. Stand-alone Transceiver: Außerhalb von Airbag-Applikationen werden diese Zusatzfunktionen für Airbag-Systeme in der Regel nicht benötigt. Hier bietet es sich an, eine schlanke Stand-alone-Transceiver-Lösung wie den L9663 von STMicroelectronics (Bild 3) zu verwenden.

An den PSI5-Transceiver werden hierbei folgende Anforderungen gestellt:

Interface für den Microcontroller des Steuergeräts zu den Satelliten (Kommunikation)
Verschiedene Kommunikationsschnittstellen zu einem Transceiver sind hierbei gebräuchlich: Für geringere Anforderungen hinsichtlich der Echtzeitfähigkeit kann ein Mikrocontroller über ein serielles Protokoll wie zum Beispiel SPI die komplette Bus-Kommunikation steuern und überwachen. Hierfür werden keine besonderen Anforderungen an den Mikrocontroller gestellt, sodass ein Bussystem sogar mit einem Low-End-Mikrocontroller aufgesetzt werden kann.

Soll hingegen eine Systemanwort mit möglichst geringer Latenz erfolgen, bietet sich die Verwendung eines High-End-Mikrocontrollers mit integrierter PSI5-Peripherie an, wie zum Beispiel ein Mikrocontroller der STMicroelectronics-SPC5x-Familie. Der Mikrocontroller erhält dabei die Busdaten des Transceiver über diskrete Pins und die Dekodierung und Auswertung der Satellitensignale erfolgt direkt im Mikrocontroller.

Versorgung der Satelliten

Unter keinen Umständen darf eine Fehlfunktion seitens der Satelliten zu einer Störung des Steuergeräts führen; daher sollte auch die PSI5-Busversorgung separat von der Versorgung der kritischen Komponenten im Steuergerät ausgelegt werden.
Eine flexible und kosteneffiziente Lösung zeigt sich hierbei im STMicroelectronics L9663: Durch Verwendung eines externen n-Kanal-MOSFET kann die Busversorgung direkt durch den Transceiver generiert werden; bei einem schwerwiegenden Fehler ist es dadurch möglich, den gesamten Bus von der Batteriespannung zu trennen.
Falls die Busversorgung bereits im System vorgesehen ist – zum Beispiel wenn ein PSI5-System durch zusätzliche Kanäle erweitert werden soll – kann diese Versorgung für die L9663-Kanäle weiterverwendet werden und die externe NMOS-Komponente wird nicht bestückt.

Diagnose, Störungserkennung, EMV

Für sicherheitskritische Applikationen sollte der Transceiver sowohl die systemrelevanten Diagnosemöglichkeiten unterstützen (wie Versorgungsspannungsüberwachung, Ground Leakage, Übertragungsintegrität) als auch die Diagnose bezüglich des PSI5-Bus (Kurzschluss, OpenLoad, Cross Coupling, Sync Pulse Timing).

Der Autor