Ethernet in Steer-by-wire Applications

A Controller Area Network (CAN) is a multi-master serial data communication bus designed primarily for the automotive industry. It is reliable and cost-effective and features error detection and fault confinement capabilities. CAN has been widely used in other applications, such as onboard trains, ships, construction vehicles, and aircraft. CAN has even been applied within the industrial automation segment in a range of devices such as programmable controllers, industrial robots, digital and analog I/O modules, sensors, etc. Despite its robustness and other positive features, the CAN bus has limitations in form of limited maximum data rate and maximum bus length. Also the CAN network topology is rigidly fixed which is a severe limiting factor in some of its application cases, therefore several industrial actors are evaluating alternatives to CAN. Ethernet is one of the potential candidates to replace CAN. It is a widespread and well knowntechnology, easily accessible, and many off-the-shelf solutions are available. It can support extended networks and offers wide possibilities in terms of network topology thanks to active switches. It features very high bandwidth, which has increased systematically from 10 Mbps to 100 Gbps year after year, always preserving backward compatibility to the maximum possible extent. The purpose of this thesis project is to investigate the possibility of replacing the CAN bus with Ethernet according to the following requirements: Standard off-the-shelf components and software stacks No modification of the network node application software, i.e. messages formatted accordingto CAN protocols must be transferred by means of Ethernet. A main issue is that CAN is time deterministic; it is always possible to predict the maximum latency in a message transfer. On the other hand Ethernet is still considered unreliable for time-critical applications, although the advent of Ethernet switches has minimized this non-deterministic behavior. A unique approach to this issue is offered as a result of the work done by Time Critical Networks, a newly started Swedish company. Their tool makes it possible to calculate the maximum forwarding time of a frame in an Ethernet network. This tool may make it possible to validate the use of Ethernet for time-critical applications. CPAC Systems, a company in the Volvo group which develops and manufactures steer-by-wire systems based on the CAN technology, wishes to verify whether Ethernet could now be considered as a solution to complement or replace CAN, thus overcoming CAN’s limitations. This verification is the goal of this master thesis project. The work was carried out through three different phase: First we performed a theoretical evaluation by modeling the Ethernet network using Time Critical Network’s tools. Next we verified the results by implementing the modeled CAN/Ethernet network that was previously modeled. Finally, we validated the solution by directly testing the modeled CAN/Ethernet in combination with CPAC System’s steer-by-wire technology. The results obtained show that Ethernet in combination with Time Critical Network’s modeling tool, when it comes to time-determinism, can be a complement and/or an alternative to the CAN bus.En Controller Area Network (CAN) är en multi-master seriell datakommunikation buss utformad främst för fordonsindustrin. Den är pålitlig och kostnadseffektiv och har feldetektering och fel förmåga instängdhet. CAN har ofta används i andra tillämpningar, som ombord på tåg, fartyg, fordonkonstruktion, och flygplan. CAN har även använts inom industriautomation segmentet i en radapparater som programmerbara styrsystem, industrirobotar, digitala och analoga I/O-moduler, sensorer, etc. Trots sin robusthet och andra positiva egenskaper har CAN-bus begränsningar i form av begränsad maximal datahastighet och maximal buss längd. Även CAN nätverkstopologin är fast förankrade vilket är en svår begränsande faktor i några av dess tillämpning fall därför flera industriella aktörer utvärderar alternativ till CAN. Ethernet är en av de potentiella sökande för att ersätta CAN. Det är en utbredd och väl känd teknik, lättillgänglig, och många off-the-shelf lösningar finns tillgängliga. Det kan stödja utökade nätverk och erbjuder stora möjligheter när det gäller nätverkstopologin tack vare aktiv växlar. Den har mycket hög bandbredd, vilket har ökat systematiskt från 10 Mbps till 100 Gbps år efter år, alltid bevara bakåtkompatibilitet i största möjliga utsträckning. Syftet med detta examensarbete är att undersöka möjligheten att ersätta CAN-bussen med Ethernet i enlighet med följande krav: Standard off-the-shelf komponenter och stackar programvara Inga ändringar av nätverket nod programvara, formaterade dvs meddelanden enligt CAN protokollmåste överföras med hjälp av Ethernet. En viktig fråga är att CAN är dags deterministisk, det är alltid möjligt att förutse den maximala fördröjning i ett överfört meddelande. Å andra sidan Ethernet är fortfarande betraktas som otillförlitliga för tidskritiska applikationer, även om tillkomsten av Ethernet-switchar har minimeratdenna icke-deterministiska beteendeEn unik inställning till denna fråga är erbjuds som ett resultat av det arbete som tidskritiska Networks, ett nystartat svenskt företag. Deras verktyg gör det möjligt att beräkna den maximal avidarebefordran tid för en ram i ett Ethernet-nätverk. Detta verktyg kan göra det möjligt att valideraanvändningen av Ethernet för tidskritiska applikationer. CPAC Systems, ett bolag inom Volvokoncernen som utvecklar och tillverkar styr-by-wire-system baserade på CAN-tekniken, vill kontrollera om Ethernet nu kan betraktas som en lösning för att komplettera eller ersätta kan således övervinna CAN: s begränsningar. Denna kontroll är målet för detta examensarbete. Arbetet genomfördes genom tre olika fas: Först utförs en teoretisk utvärdering av modellering Ethernet-nätverk med hjälp av tidskritiska Networks verktyg. Nästa vi verifierat resultat genom att genomföra de modellerade CAN / Ethernet-nätverk som tidigare modellerats. Slutligen, validerade vi lösningen genom att direkt testa de modellerade CAN / Ethernet i kombination med CPAC Systems steer-by-wire-teknik. De resultat som erhållits visar att Ethernet i kombination med tidskritiska Networksmodelleringsverktyg, när det gäller tid-determinism, kan vara ett komplement och / eller ett alternativtill CAN-bussen