T Datenübertragung im Kfz mit FlexRay

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2 T Datenübertragung im Kfz mit FlexRay Guido Weimer 1. Auflage Version: 20WEI02PME11W DE

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4 Inhalt 1 Der FlexRay-Datenbus Einleitung Physikalische Grundlagen Das Datenprotokoll Aufbau und Inbetriebnahme Geräte Aufbau Einschalten und Funktionstest Bremsassistent FlexRay-Signal Fehlerfreie abgeschlossene Busleitung Fehlerbild: Masseschluss Split-Termination Protokollanalyse Datenaufzeichnung asynchron Datenaufzeichnung synchron Datenanalyse Laufzeitausgleich Botschaftsanalyse Diskontinuierliche Botschaften Bussignale FlexRay-Botschaft FlexRay-Botschaften senden Nullframe senden Datenframe senden Zusätzlicher Slot CAN-Motorbus Physikalisches Signal CAN-Protokoll CAN-Daten LIN-Bus Anhang Anhang A Anhang A Anhang A3 Arbeitsblätter A3-2.2 Einschalten und Funktionstest A3-3 Bremsassistent A3-4 FlexRay-Signal A3-4.1 Fehlerfreie abgeschlossene Busleitung A3-4.2 Fehlerbild: Masseschluss A3-4.3 Split-Termination A3-5 Protokollanalyse A3-5.1 Datenaufzeichnung asynchron

5 A3-5.2 Datenaufzeichnung synchron A3-5.3 Datenanalyse A3-6 Laufzeitausgleich A3-7 Botschaftsanalyse A3-7.1 Diskontinuierliche Botschaften A3-7.2 Bussignale A3-7.3 FlexRay-Botschaft A3-8 FlexRay-Botschaften senden A3-8.1 Nullframe senden A3-8.2 Datenframe senden Zusätzlicher Slot A3-9 CAN-Motorbus A3-9.1 Physikalisches Signal CAN-Protokoll A3-9.3 CAN-Daten A3-10 LIN-Bus

6 1 Der FlexRay-Datenbus 1.1 Einleitung Ziel des Einsatzes von FlexRay ist es, die erhöhten Anforderungen zukünftiger Vernetzung im Fahrzeug zu erfüllen, insbesondere höhere Datenübertragungsraten, Echtzeitfähigkeit und Ausfallsicherheit. Er erweitert damit die Einsatzmöglichkeiten z. B. bei der Fahrdynamikregelung, der Abstandsregelung und der Bildverarbeitung. Wofür steht FlexRay? Flex = Flexibiliät Ray = Rochen (im Logo des FlexRay-Konsortiums) Das FlexRay-Konsortium, eine Hersteller-übergreifende Organisation zur Entwicklung, wurde im Jahr 2000 gegründet und 2009 aufgelöst. Es folgte 2010 die Umhebung auf einen ISO Standard. Der FlexRay weist folgende Merkmale auf: elektrisches Zweidraht-Bussystem mit 2 Kanälen Datenübertragungsrate: maximal 10 Mbit/s pro Kanal Datenübertragung mit drei Signalzuständen: o Leerlauf (Idle) o Data 0 o Data 1 Topologie eines aktiven Sterns Echtzeitfähigkeit ermöglicht verteilte Regelungen und den Einsatz in sicherheitsrelevanten Systemen Auf dem FlexRay werden Botschaften in so genannten Kommunikationszyklen ( Communication Cycles ) transportiert, der sich ständig wiederholt. Er besteht aus: statischem Segment dynamischem Segment Network Idle Time (Leerlauf) Das statische Segment dient zur Übertragung der Botschaften zwischen den Busteilnehmern. Es ist in 62 statische Zeitfenster für die Datenübertragung unterteilt, so genannte Slots. In einem statischen Zeitfenster darf nur ein bestimmter Busteilnehmer senden. Jedoch können alle Busteilnehmer alle statischen Slots empfangen, also auch die nicht für sie bestimmten. Das dynamische Segment ist ein reservierter Platz innerhalb eines Kommunikationszyklus, um ereignisgesteuerte Daten senden zu können. Network Idle Time ist der Zeitraum, in dem keine Daten auf dem FlexRay übertragen werden. Sie benutzen alle Busteilnehmer, um ihre interne Uhr auf eine globale Zeitbasis zu synchronisieren. 5

7 1.2 Physikalische Grundlagen Der FlexRay-Datenbus nutzt zwei Kanälen A und B mit jeweils zwei Leitungen (Bus-Plus [BP] und Bus-Minus [BM]). Die Signale werden differentiell übertragen, d. h. es wird immer die Differenz zwischen den beiden Leitungen berücksichtigt. Als Datenbus-Abschluss dient je ein Widerstand von 120 Ohm oder zwei symmetrisch verschaltete Widerstände von 60 Ohm (Split Termination). Die Übertragungsrate pro Kanal liegt bei 10 MBits/s, dementsprechend ist ein Bit 100 Nanosekunden lang. Um Abweichungen von der Globalzeit zu korrigieren gibt es die Frequenz- und die Offset-Korrektur. Die Frequenzkorrektur wird durch Änderung der Clock-Zeitbasis erreicht, die Offset-Korrektur durch Verlängern oder Verkürzen der Leerlaufzeit zwischen zwei Kommunikationszyklen. Diese Korrekturwerte gelten jeweils nur für die nächsten beiden Zyklen! 6

8 1.3 Das Datenprotokoll Ein FlexRay-Frame ist wie folgt aufgebaut: Nach dem 5. Bit kommt die 11 Bit lange ID, anschließend die PayLoad Length. Diese sagt aus, wie viele Datenworte übertragen werden. Ein Datenwort besteht aus 2 Byte also 16 Bit. Der CycleCount beinhaltet den aktiven Kommunikationszyklus, in dem die Botschaft gesendet wird (Wertebereich 0 63). Die ID und der Cycle stehen in der Spalte ID.Cycle in der Software FlexAlyzer. Es wird immer Byte-weise übertragen: Vor jedem Byte kommt die Byte Start Sequence BSS bestehend aus einem Bit high und einem Bit low. Diese sind bei der Interpretation der Oszillogramme besonders zu berücksichtigen (ähnlich der Stuff-Bits beim CAN-Bus). Im anschließenden Payloadsegment können maximal Byte Worte übertragen werden. 7

9 2 Aufbau und Inbetriebnahme 2.0 Geräte Zur Durchführung der im Anschluss vorgeschlagenen Versuche benötigen Sie: Netzteil Kfz 13,8 V/36 A FlexRay Bremsassistent Sensoren FlexRay Bremsassistent Aktoren FlexRay Aktiver Stern FlexRay USB/PC-Adapter STE 62 Ohm STE 120 Ohm Satz 10 Sicherheits-Verbindungsstecker, schwarz Sicherheits-Verbindungsstecker mit Abgriff, schwarz Sicherheitslaborkabel, Satz 51 (1) Oszilloskop 150 MHz (2) Tastkopf 100 MHz S Sensor CASSY 2 Starter 8

10 2.1 Aufbau Bauen Sie den Versuch wie abgebildet auf. 9

11 2.2 Einschalten und Funktionstest Drehen Sie den Drehschalter für den Straßenzustand ganz nach links (Straße trocken) und schieben Sie das rechte Auto ganz nach rechts. Schalten Sie nun die Spannung Klemme 30 ein. Nach Einschalten der Spannungsversorgung leuchten die beiden gelben LEDs in dem Kombiinstrument und die beiden roten LEDs an den ESP-Umschaltventilen für 3 Sekunden auf. Während dieser Zeit wird ein interner Funktionstest durchgeführt. Schieben Sie nun das rechte Auto ganz nach links. Was beobachten Sie? Die Hochdruckpumpe des ABS/ESP Steuergerätes läuft an Die Kontrolllampen für ESP und Bremsassistent im Kombiinstrument leuchten permanent auf Das USV schaltet für ca. 3 Sekunden Das HSV schaltet permanent Schieben Sie nun das rechte Modellauto wieder ganz nach rechts. Was beobachten Sie nun? Die Pumpe stoppt Die Kontrolllampen gehen aus Das HSV schaltet ab 10

12 3 Bremsassistent Vorbereitung Stellen Sie ein: Straßenzustand Abstand zwischen den Autos trocken (Position ganz links) maximal Durchführung Stellen Sie nacheinander die in der Tabelle gelisteten Straßenzustände ein und verringern Sie den Abstand zwischen den Autos. Notieren Sie den Wert, bei dem der Bremsassistent einsetzt! Lösung Straßenzustand trocken nass glatt Abstand A S [mm] Begründen Sie das Ergebnis! Der Bremsassistent berücksichtigt vorausschauend den Zustand der Straße da dieser Einfluss auf den zu erwartenden Bremsweg hat. 11

13 4 FlexRay-Signal 4.1 Fehlerfreie abgeschlossene Busleitung Ausgehend von den Einstellungen unter 2 nehmen Sie das Signal zwischen BP und BM auf Kanal A als Differenzsignal bei der mit 120 Ω abgeschlossener Busleitung auf. Stellen Sie zunächst eine Zeitbasis von 200 µs am Oszilloskop ein! Aufgabe Markieren Sie eine Botschaft! Bestimmen Sie die Zykluszeit! t = 2 ms 12

14 Aufgabe Nehmen Sie die Signale BP Masse und BM-Masse auf. Was beobachten Sie? Auf beiden Leitungen sind zeitsynchrone Signale erkennbar. Wie viele Spannungspegel gibt es auf den Busleitungen und welche sind es? 3: 1,5 V, 2,5 V und 3,5 V 13