AUTOSAR-compliant precision clock synchronization over CAN

Abstract

Die Automobilbranche ist einem ständigen Wandel unterworfen. Mittlerweile ist ein einzelnes Fahrzeug ein hochgradig verteiltes System. Für solche Systeme ist eine gemeinsame Sicht auf die Zeit besonders wichtig für die einwandfreie Funktion. Für die Ethernet-basierte Kommunikation gibt es für solche Aufgaben PTP. Dies ist der Quasi-Standard für die hochgenaue Synchronisation von Uhren. Im Automobilbereich spielt jedoch der CAN Bus eine entscheidende Rolle. Allerdings gibt es noch keinen standardisierten Ansatz für die Uhrensynchronisation. Bestehende Losungen wie TTCAN erfordern spezielle Hardware und verändern das Kommunikationsschema auf dem Bus. Das große Problem bei den bekannten Lösungen ist jedoch die erreichte Genauigkeit. Wahrend PTP im Subnanosekundenbereich synchronisieren kann, erreicht die aktuell beste Lösung für den CAN Bus 2 Mikrosekunden. Dieses Problem wird hier adressiert. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung einer Strategie zur Uhrensynchronisation über den CAN Bus, die die Wahl des Controllers oder des Kommunikationsschemas nicht einschränkt. Die Implementierung basiert auf dem AUTOSAR Standard für Uhrensynchronisation über CAN. Lediglich das Nachrichtenformat wird übernommen, so dass die Erkenntnisse dieser Arbeit auch auf andere Synchronisationsprotokolle übertragbar sind. Es hat sich gezeigt, dass die Art und Weise, wie der Zeitstempel erzeugt wird, den großen Einfluss auf die Präzision hat. Aber auch softwarebasierte Zeitstempel konnten durch das Verständnis der Fehlerquellen verbessert werden. Die Auswertung der am Ende der Arbeit hat gezeigt, dass mit dem CAN Bus eine Präzision im zweistelligen Nanosekundenbereich möglich ist.

The automotive sector is subject to constant change. Meanwhile, a single vehicle is a highly distributed system. For such systems, a common concept of time is particularly important for proper functioning.For Ethernet based communication there is PTP for such tasks. This is the quasi-standard for high precision synchronization of clocks. In the automotive sector, however, the CAN bus plays a decisive role. However, there is still no standardized approach for clock synchronization. Existing solutions such as TTCAN require special hardware and change the communication scheme on thebus. The biggest problem with known solutions, however, is the precision achieved. While PTP can synchronize in the subnanosecond range, the best current solution for the CAN bus reaches 2 microseconds. This problem is addressed here.The focus of this work is to develop a strategy for clock synchronization over the CAN bus that does not limit the choice of controller or communication scheme. The implementation is based on the AUTOSAR standard for clock synchronization over CAN. Only the message format is adopted, which means that the ndings of this work can also be applied to other synchronizationprotocols. It has been shown that the way the timestamp is generated has the greatest influence on precision. However, even software-based timestamps could be improved by understanding the sources of error. The evaluation of the at the end of the work has shown that a precision in the two-digit nanosecond range is possible with the CAN bus.