用于网络装置的接口扩展装置和用于运行接口扩展装置的方法与流程

本发明涉及一种用于网络装置的接口扩展装置。网络装置或网络节点应用在通信网络中，并且例如可以产生和处理传感器数据或控制数据。本发明还涉及一种用于运行网络装置处的接口扩展装置的方法。

背景技术：

在安全性相关的网络中，例如在自动化设备中或者在汽车车辆领域中，即使在硬件部件或传输路径发生故障的情况下也必须继续传输特别与安全性相关的数据。在这样的与安全性相关的网络中，已经提出多个网络装置的运行，所述多个网络装置连接在环形的拓扑（topologie）中。

用于提高安全性的另一措施通过网络装置之内的冗余的数据处理来确保。也已知为双工控制器的网络装置优选地包括并行地工作的控制装置、即并行地工作的微处理器或还有多核处理器的并行地工作的微处理器核，在它们上实现在两个分离的处理路径或“executionlanes：执行通道”上的冗余的数据处理。分配给相应的处理路径的两个过程（prozesse）在所引向的和所引开的数据方面相互监视。在偏差的情况下，识别故障并且丢弃在这两个处理路径上算出的结果。这样的措施确保在学术界也称作“失效保护（fail-safe）”的行为。

为了确保更严格的“失效可操作（fail-operational）”行为，可以附加地规定，在上面阐述的偏差的情况下，另外的并行地工作的控制装置接管控制。

上述类型的网络装置未来应用在安全性相关的网络中、尤其在车辆领域中，并且现在在项目race（robustandreliableautomotivecomputingenvironmentforfuturee-cars：面向未来电动汽车的强健、可靠的汽车计算环境）中继续发展。这样的网络装置通常拥有多个数字接口、即数字的输入端和/或输出端，所述多个数字接口在其方面设有冗余的安全机制。

然而在实践中表明，对数字接口的需求——例如用于使不同的模块、传感器和执行器互相连接——经常超出通过网络装置提供的接口数目。通过添加附加的网络装置和利用所述附加的网络装置的数字接口来均衡对接口的所述缺乏经常出于成本原因而失败。

此外，为了优化车辆中的线缆束经常期望，使多个接口组件或“io-组件”（input/output：输入/输出）分布在车辆中，并且因此必须在接口组件和连接到接口组件上的单元之间仅仅设置短的线缆连接。在此也适用的是，附加的网络装置的添加将会冲破所设置的成本范围。

与此相对，商用标准的接口组件的应用、例如通过在网络装置的接口处的多个接口组件的复用运行的应用与网络的整体安全方案不兼容，因为商用标准的接口组件在不设置附加措施的情况下不适合用于保证上面提及的安全机制。

技术实现要素：

因此，本发明的任务是，创建一种接口扩展装置，所述接口扩展装置具有例如一开始所述类型的安全性相关的网络的安全机制。

根据本发明，通过具有专利权利要求1的特征的显示设备来解决所述任务。

根据本发明的接口扩展装置基于一种网络装置，所述网络装置具有至少一个先前未被占用的数字数据输出端，其中具有至少一个供电电压输入端和具有多个数字扩展接口的接口扩展组件以根据本发明的方式耦合到所述至少一个数字数据输出端上。在此规定，所述接口扩展组件的所述供电电压输入端与所述网络装置的所述数字数据输出端接线，使得在故障情况下所述接口扩展组件连同其所有扩展接口可被切断。

所述接口扩展组件的所述供电电压输入端与网络装置的数字数据输出端的根据本发明的接线具有以下优点：对于常规的接口扩展组件也实现失效保护行为。在通过网络装置识别的故障情况下，也可以通过网络装置的冗余的安全机制可靠地关断接口扩展组件的扩展接口。通过关断根据本发明为接口扩展组件提供供应电压的数据输出端来关断接口扩展组件的所有接口、尤其输出端。如果接口扩展组件自身应是有缺陷的，则尤其也确保该关断。因此，根据本发明的接口扩展装置确保安全性相关的网络的所要求的安全机制。

此外，通过具有专利权利要求3的特征的根据本发明的方法来解决所述任务。

通过同时关断接口扩展组件的所有扩展接口，虽然还不确保在失效可操作行为的意义上扩展接口的最优可用性，但可以保证在故障情况中的可靠的失效保护状态。

如果对于各个扩展接口要求在故障情况中的失效可操作行为，则根据一种替代的实施方式保持扩展接口冗余。扩展接口的冗余设计以以下方式来实现：即关于第一扩展接口冗余的第二扩展接口经由以根据本发明的接口扩展装置扩展的第二网络装置来控制。

本发明的有利的构型是从属权利要求的主题。

根据本发明的一种构型规定，使用分配给所述网络装置的数据输出端的负载诊断装置用于测量接口扩展组件的扩展接口的、所有流过所述网络装置的数字数据输出端的分流的总电流。该措施允许：对于扩展接口、尤其对于接口扩展组件的数据输出端也创造对于网络装置的数据输出端实现的负载诊断的可能性。

负载诊断确保，识别与连接在数据输出端处的负载的线路连接的中断，或者识别负载连接到其上的数据输出端相对于供电电位或相对于参考电位的短接。此外，可以利用负载诊断出于诊断目的测量流经数据输出端的电流。

利用扩展组件的根据本发明的连接，现在能够经由接口扩展组件的所有扩展接口执行负载诊断。虽然在每个单个的扩展接口处的负载不能够被独立地检测，但经由流动的电流的总和检测总负载允许推断出每个单个的扩展组件的负载：

-一方面，扩展组件的数据输出端的开关必须在任何情况下导致流动的电流的总和的变化，使得负载诊断也持续推断出扩展接口的各个数据输出端的负载。

-此外，全部扩展组件的消耗的测量能够推断出各个扩展接口，其方式是，对用于总功率p总（pgesamt）的以下关系式进行求解：

在此表示：

p模块=扩展组件的自消耗

n=输出（ausgehender）的扩展接口的数目

η=输出的扩展接口的效率

开关状态n={开|关}

pn=连接在扩展接口处的负载的功率

与该关系式的偏差能够推断出负载的缺陷。此外，如果利用上述公式、通过不同负载的不同的电流消耗或由运行得出的开关过程不能够识别哪个扩展接口或连接到相应的扩展接口上的哪个负载是有缺陷的，那么可以通过短暂地将各个扩展接口开关来有针对性地诊断：哪个扩展接口或连接到相应的扩展接口上的哪个负载是有缺陷的。

附图说明

下面根据附图详细阐述本发明的其他的实施例和优点。在此：

图1示出接口扩展装置的第一实施方式的示意图；

图2示出接口扩展装置的第二实施方式的示意图。

具体实施方式

图1示出接口扩展装置的第一实施方式。在该实施例中，也已知为双工控制器的网络装置dcc包括并行地工作的——未示出的——控制装置、即并行地工作的微处理器或多核处理器的并行地工作的微处理器核，在它们上实现在两个分离的处理路径la、lb或“executionlanes：执行通道”上的冗余的数据处理。

第一处理路径la至少短暂地与网络装置内部的接口模块ioi的第一控制输入端e1（“enable：启用”）连接。第二处理路径lb至少短暂地与网络装置内部的接口模块ioi的第二控制输入端e2连接。

出于清楚性原因，对于接口模块ioi仅仅示出一个负载连接端子对s、d，其中，第一负载连接端子s作为网络装置dcc的数字数据输出端out向外部引导。第一负载连接端子s例如相应于半导体功率开关的源极连接端。第二负载连接端子d在该配置中经由负载电阻rl与电源的供电电位v连接。第二负载连接端子d例如相应于半导体功率开关的漏极连接端。

网络装置dcc的所有数字数据输出端——其中，出于清楚性原因在图上仅仅示出一个数据输出端out——经由网络装置的冗余的两个处理路径la、lb的接口模块ioi来控制，其中，仅仅冗余的控制输入端e1、e2的通过两个处理路径la、lb的操控导致如此控制的输出端out的开关（schalten）。可选地可以规定，双通道地回读如此操控的输出端，以便能够可靠地识别开关状态。

根据本发明的一个有利的构型的用于提高安全性的另一措施通过数字数据输出端out的负载分析来确保。在这样的负载诊断中，测量流过数据输出端out的电流，以便识别，连接到所述数据输出端上的负载是否以正确的方式工作。

在输入侧上在网络装置dcc的——未示出的——数字输入端处也设置相应的安全措施。为此双通道地读入数字输入端。通过此方式可能的是，以非常高的概率识别故障，可靠地排除在失效保护措施的意义上用电器的无意接通和/或识别有缺陷的用电器。后者是用于故障识别和适当的故障反应的前提。

负载诊断装置m与负载电阻rl并联连接，并且确保与连接在数据输出端out处的负载的线路连接的中断，或者识别负载连接到其上的数据输出端out相对于关于供电电位v的参考电位gnd（“接地”）的短接。此外，可以利用负载诊断装置m通过测量落在负载电阻rl上的电压ul来求取流过数据输出端out的电流。可选地可以设置，负载诊断装置双通道地实施。

根据本发明，将接口扩展组件ioe如下连接到网络装置dcc上，即接口扩展组件ioe的供电电压输入端s不是如在现有技术中普遍的那样连接到电源的供电电位v上（在车辆中例如连接到端子15或端子30上），而是连接到网络装置dcc的数字数据输出端out上。出于清楚性原因，在图上未示出接口扩展组件ioe的各个接口端口、即数字的输入端和/或输出端。

在图1中示出的设计中，连接在数字数据输出端out处的负载——该负载按照根据本发明的布置通过接口扩展组件ioe来构成——位于半导体功率开关的第一负载连接端子s与参考电位gnd之间。这样的设计在学术界也已知为高侧开关。

另外的附图描述在进一步参考图1的功能单元的情况下实现。在不同附图中的相同的附图标记在此情况下代表相同的功能单元。

图2示出数字数据输出端out的一种替代的设计。在图2中示出的设计中，连接在数字数据输出端out处的负载——该负载按照根据本发明的布置通过接口扩展组件ioe来构成——位于半导体功率开关的第二负载连接端子d与供电电位v之间。这样的设计在学术界也已知为低侧开关。

在数字数据输出端out的根据图2作为低侧开关的设计中，负载诊断装置m也与负载电阻rl并联连接。负载诊断装置m确保：识别与连接在数据输出端out处的负载的线路连接的中断或者识别负载连接到其上的数据输出端out相对于供电电位v的短接。此外，经由负载诊断装置m通过测量落在负载电阻rl上的电压ul来求取流过数据输出端out的电流。

除了在数据输出端out的设计方面的上述区别，接口扩展装置的在图2中示出的第二实施方式相应于在图1中示出的第一实施方式并且相对于所述实施方式在功能上相同。

尽管在网络装置dcc之内的冗余的数据处理、即尤其冗余的处理路径la、lb以及实现并行地工作的微处理器或多核处理器的并行地工作的微处理器核已经引起根据本发明的以下任务：将这些安全措施也扩展到根据本发明创建的接口扩展装置上，但本发明显然不限于网络装置的在该实施例中描述的作为双工控制器的实现。根据本发明的装置（mittel）也允许容易地在任何类型的非冗余地设计的、例如基于单个微控制器的网络装置中的应用。