Volvo och MDH testar TSN – Ethernet i realtid

Mälardalens Högskola ska testa protokollet TSN (Time Sensitive Networking) i entreprenadmaskiner från Volvo Construction Equipment. Målet är att ge extra skjuts från ett upphottat Ethernet till de gigantiska volymer realtidsdata som kommer att flöda genom framtidens självkörande maskiner.

Det här är TSN

TSN är ett IEEE-protokoll ovanpå Ethernet. Det har funktioner för trafikprioritering och är växlat för att undvika paketkollisioner.

Vid initieringen reserveras exakt kapacitet mellan alla noder som behöver prata med varandra i den aktuella topologin.

Kommunikationen kan därmed göras helt deterministisk under drift.

Det går att blanda garanterade tidsluckor med best-effort-förbindelser för högre genomströmning, i samma konfiguration. Och det går att använda redundans för högre feltolerans.

Lokalnätet i ett autonomt fordon behöver ha korta fördröjningar, vara deterministiskt och ha hög bandbredd. Dagens fordonsnät som Can, Most, Lin, Ethernet och Flexray kan inte bocka för allt. Can har exempelvis korta fördröjningar men för låg bandbredd.

Realtidsdata från sensorer som lidar, radar och kameror kommer att langas runt i TSN-nätet mellan styr- och processorkort i autonoma fordon för mönsteranalys och beslut om rattutslag, vindrutetorkarhastighet och annan fordonskontroll.

Samma TSN-nät förmedlar kommunikationen med andra fordon, med väginfrastrukturen, och med mobilnät och med datormoln som exempelvis håller fordonet uppdaterat med realtidskartor och trafikmeddelanden.

Ett arbetsfordon kan ha en drönare i luften som ett externt öga – där finns ytterligare en dataström.

Ett exempel på en tillämpning som ställer extrema realtidskrav är fjärrstyrning av fordonet. Stora volymer kameradata måste skickas över fjärrnätet samtidigt som styrkommandon till ratt, gas, broms och tuta snabbt måste kunna smita emellan. Båda strömmar kräver minimala fördröjningar.

Också multimediaunderhållning för passagerarna kan gå över samma TSN – kanske strömmad via Bluetooth från deras mobiler. Och så ska passagerarna förstås också kunna ansluta till Internet via en wifibasstation i bilen. Alla dessa strömmar reserveras tidsluckor i TSN, för realtid eller best effort.

TSN:s fördröjning är ner till 2 millisekunder över sju länkhopp. Bandbredden följer Ethernets utveckling – kanske kommer valet i bilen att falla på 10 Gbit/s. Synkronisering kan göras på mikrosekundnivå.

TSN stammar från ett protokoll för multimedia över Ethernet som heter AVB (audio-video-bridging). Det används för professionell ljud- och bildproduktion, och har också börjat ersätta infotainmentbussen Most och LVDS-protokoll för kameradata i ADAS-tillämpningar. År 2012 insåg man de generellare möjligheterna med AVB och standardarbetsgruppen döpte om sig till TSN. Ett hett tillämpningsområde vid sidan av fordon är automation.

Delar av TSN spikades redan 2016. Andra delar är fortfarande under arbete.

MDH-projektet heter Destine (Developing Predictable Vehicle Software Utilizing Time Sensitive Networking) och kommer att koppla samma ECU:er (kontrollenheter) i prototypfordon från Volvo CE via TSN-växlar.

Projektet är visserligen ”bara” industrirelaterad forskning men TSN är det protokoll som allmänt väntas dominera när fordonen blir autonoma. Kamera, radar och andra sensorer genererar enorma datamängder som slussas vidare till inbyggda datorer för databehandling som sedan ligger till grund för styrning av funktioner som hastighet, rattutslag och broms.

Saad Mubeen

– TSN-tekniken gör detta möjligt, men eftersom tekniken är såpass ny, behövs det nya utvecklingstekniker, metoder och verktyg innan den kan spridas och användas i moderna fordon, säger projektledaren och MDH-forskaren Saad Mubeen.

Poängen med autonomi i just entreprenadmaskiner är högre säkerhet för omgivningen och högre arbetstempo.

– Samtidigt minskar kostnaderna för företagen. Det kommer framför allt att gynna arbetet vid byggarbetsplatser.

Destine-projektet ska resultera i att TSN adderas som komponent i de verktyg som Volvo CE använder för att utveckla mjukvara. Därför är företaget Arcticus Systems involverat. Vägen till Volvo CE:s styrsystem går via Arcticus utvecklingsverktyg Rubus ICE för modelldriven mjukvaruutveckling.

De tre har samarbetat förr och har en fruktsam modell för att applicera forskning och ta fram prototyper av industriella verktyg.

– Genom att testa den nya tekniken i prototyper kan vi få återkoppling på vad som kommer att fungera och inte, och på så sätt förbättra tekniken ännu mer, säger Saad Mubeen.

Arcticus har marknadsfört sina verktyg sedan 90-talet. Utvecklaren konstruerar mjukvarukomponenter, kallade ”software circuits”, och kopplar samman dem till deterministiska realtidssystem.

Tekniken har använts för att utveckla mjukvara som styr bland annat växellådor, fyrhjulsdrift, bevakningssystem och livsuppehållande medicinsk utrustning. Alla Volvo CE:s säkerhetskritiska ECU:er programmeras med hjälp av Rubus ICE. Vid sidan av Volvo CE är Hägglunds en av användarna.

Enligt Arctictus är företaget ensamt om att förhålla sig systematisk till konstruktionen av deterministisk mjukvara i fordon. Utvecklingen av mjukvara sker traditionellt genom att man skriver kod, testar och skriver om – tills systemet tycks fungera.

Inom automation IoT finns ett starkt intresse för TSN.

Arctictus verktyg ger kod som spelar i en helt annan klass. Den är formellt verifierad korrekt utan en enda testkörning. Och utvecklaren har aldrig behövt fundera över något annat än kodens funktion – skapad i C eller Simulink – medan schemaläggning och synkronisering hanteras automatiskt av ICE.

I autonoma fordon är determinism absolut nödvändig, påpekar Arcticus Systems grundare Kurt-Lennart Lundbäck. Och deterministisk TSN passar som ett kugghjul i företagets verktyg.

Kurt-Lennart Lundbäck

– För att du ska kunna garantera att ett fordon regerar i tid måste du ha koll på hur lång tid det tar maximalt att skicka data från sensorer till de aktuatorer som styr broms, gas och annat, säger han.

– Det är ingen som riktigt vet hur det ska åstadkommas. Men vi har teknik och metoder som går att använda.

Forskningsprojektet pågår i tre år och är på 13,5 miljoner kronor varav sju miljoner kommer från Vinnova och resten från företagen.

Denna artikel har tidigare publicerats i magasinet Elektroniktidningen. För dig som jobbar i den svenska elektronikbranschen är Elektroniktidningen gratis att prenumerera på – våra annonsörer betalar kostnaden.
Här ansöker du om prenumeration (länk).