Bussysteme im Automobil CAN, FlexRay und MOST

Transkript

1 Bussysteme im Automobil CAN, FlexRay und MOST Thomas Dohmke Technische Universität Berlin Fakultät Elektrotechnik und Informatik Fachgebiet Softwaretechnik In Zusammenarbeit mit der DaimlerChrysler AG. Folie 1

2 Gliederung 1. Einleitung 2. CAN und Time Triggered CAN 4. FlexRay 5. MOST 6. Weitere Bussysteme 7. Vernetzung von Netzen 8. Software Folie 2

3 Einleitung - Motivation I Zunahme der Elektronik im Kfz Elektronik statt Mechanik Fensterheber, Zentralverriegelung Elektronische Steuergeräte Motor/Getriebesteuerung, ABS, ESP, Airbag Multimedia-Komponenten Navigationssystem, CD-Player Internet Folie 3

4 Einleitung - Motivation II Bussysteme ermöglichen: Kabelreduzierung Preis und Gewicht sinkt Erweiterte Kommunikationsfähigkeit Kontrolle durch Diagnosekomponenten Sicherheit durch Redundanz Modularisierung Folie 4

5 CAN (Controller Area Network) Entwickelt von Bosch und Intel 1981 ISO/OSI-Standardisiert Seit Anfang der 90er Jahre Einsatz in Kfz Weitere Anwendungen in Haushaltsgeräten Textilmaschinen Aufzügen Folie 5

6 CAN - Merkmale Multi-Master-Bus Echtzeitfähig Nachrichtenorientiert Ereignisgesteuert Bitrate bis 1 Mbit/s, effektiv: 500 kbit/s Buslänge bis 1 km bei bis zu 32 Knoten Folie 6

7 CAN - Nachrichten Nachrichtenformat: Data-Frame Startfeld 1 Bit Arbitrierungsfeld 11+1 Bit Kontrollfeld 6 Bit Datenfeld Bit CRC-Feld 15+1 Bit ACK-Feld 1+1 Bit Endefeld 7 Bit Identifier + RTR-Bit Dominantes Bit für Sendeversuch 4 Bit Länge + 2 reservierte Bits Daten Prüfsumme Bestätigung 7 Rezessive Bits Folie 7

8 CAN - Busarbitrierung Legende: Knoten X Knoten A Knoten B Knoten C Knoten A Knoten B Knoten C CAN-Bus Start Bit Arbitrierungsfeld Nachricht Schreibzugriff Dominantes Bit (0) Rezessives Bit (1) Arbitrierungsfeld 1. Knoten X schreibt auf den Bus. Die Versuche der anderen Knoten scheitern. 2. Arbitrierung startet. 3. Alle Knoten schreiben das Startbit auf den Bus und lesen von ihm. 4. Solange die selben Bits auf dem Bus erscheinen, schreiben alle Knoten ihre Ids. 5. Knoten B schreibt eine 1 und liest eine 0. Dadurch beendet es die Arbitrierung und geht auf Empfangsmodus. 6. Knoten C beendet die Arbitrierung. 7. Knoten A gewinnt die Arbitrierung und sendet Nachricht. 8. Knoten A hat Nachricht gesendet. 9. Erneute Arbitrierung gewinnt Knoten C. 10. Schließlich kann Knoten B senden. Folie 8

9 CAN - Weitere Merkmale Fehlererkennung: Cyclic Redundancy Check (CRC) Frame-Check und ACK-Frames Monitoring und Bitstuffing Resistent gegen elektromagnetsiche Störungen Abhängigkeit von Bitrate und Länge Folie 9

10 Sicherheitsrelevante Systeme Höhere Anforderungen an Bitrate Determininistische Nachrichten Redundanter Bus Verteilte Regelungen Mit ereignisgesteuerten CAN-Bus nicht möglich Folie 10

11 Time Triggered CAN Erweiterung von CAN zu zeitgesteuertem Modell Alle Knoten haben globale Zeit Jede Nachricht wird in einem eigenen Zeitfenster versandt Systemmatrix legt die Zeitfenster fest Einbindung des ereignisgesteuerten Modelles möglich Folie 11

12 TTCAN - Systemmatrix Zeitfenster Referenznachricht Nachricht A Nachricht C Arbitrierung Frei Nachricht C Referenznachricht Nachricht A Nachricht R Nachricht R Arbritierung Nachricht C Referenznachricht Nachricht A Arbitrierung Nachricht A Nachricht U Nachricht C Referenznachricht Nachricht A Nachricht U Frei Nachricht R Nachricht C Folie 12

13 FlexRay Entwicklung durch DaimlerChrysler, BMW und verschiedene Halbleiterhersteller seit 1999 Herstellerübergreifend Standardisiert Nicht kommerziell Frei Folie 13

14 FlexRay - Merkmale Echtzeitfähig Zielbandbreite: 10 Mbit/s Synchrone und asynchrone Übertragung Redundanz und Fehlererkennung Globale Zeit Arbitrierungfrei Flexibel, erweiterbar Folie 14

15 FlexRay - Nachrichtenformat ID 10 Bit MUX 1 Bit SYNC 1 Bit LEN 4 Bit CYCLE 8 Bit DATA Bit CRC 15 Bit 0 1 Bit Checksumme Daten Zykluszähler Längen-Feld Synchronisations-Feld Multiplex-Feld Identifier Folie 15

16 FlexRay - Systemarchitektur I Komm.- communication controller controller (and host) Bus Driver Treiber Passiver Bus passive bus Wake-Up über den Bus Alle Knoten: An Fahrzeugbatterie Power-Managment Passiver Bus: 1 Mbit/s - 3 Mbit/s Optional redundante Kanäle Physical Layer, z.b.: CAN-High-Speed Tranceiver Redundanz Redundancy Knoten Node Folie 16

17 FlexRay - Systemarchitektur II Bus Treiber 1 : 1 Verbindung Wake-Up über den Bus Alle Knoten: An Fahrzeugbatterie Power-Managment Active Star Active Star: 10 Mbit/s Optional redundante Kanäle Redundanz Kommunikationscontroller Folie 17

18 FlexRay - Kommunikation Knoten A Knoten B Knoten C Knoten D Knoten E sync Kanal 2 Kanal 1 Kanal 1 slot α β χ 4 δ 5 κ 7 8 λ µ τ θ... ID Daten Kanal 2 Knoten slot γ χ κ λ π statischer Teil dynamischer Teil Kommunikationszyklus Folie 18

19 MOST Media Oriented Systems Transport Bus BMW, DaimlerChrysler, Harman/Becker und OASIS SiliconSystems seit 1998 Hochgeschwindigkeits-Multimedia-Netz ISO/OSI-Standardisiert Freie Spezifikation Folie 19

20 MOST - Merkmale Optischer Bus mit Lichtwellenleitern Echtzeitfähig Bis zu 24,8 Mbit/s Synchrone und asynchrone Übertragung Nicht EMV-anfällig, keine Störsignale Ring-, Stern- oder Kettentopologie Fehlererkennung Folie 20

21 MOST - Anforderungen Bandbreite (in Mbit/s) Navigation 2,2 Audio (Stereo) 1,44 MPEG 1 1,44 Surround Sound 4,4 Frei 10,48 GSM 0,44 Reduced MPEG 2 4,4 Folie 21

22 MOST - Architektur I MOST Interconnect Kommunikation während Initialisierung Knoten erhalten ID Synchronisation der Knoten durch Bitstream MOST Devices Alle Geräte in einem MOST-Netzwerk, vom Bildschirm bis zum Hub Folie 22

23 MOST - Architektur II MOST System Services Low Level System Services Kanalzuordnung mit Kanal-IDs, Kanalfreigabe, Systemmanagement, Remote Access NetServices Basic Layer System Services und Application Socket Senden und Empfangen von Daten Weitere Management Funktionen Folie 23

24 MOST - Kommunikation 16 Frames = 1 Block Frame = 512 Bit Preamble 4 Bit Boundary Descriptor 4 Bit Synchrone Daten Bit Asynchrone Daten Bit Control Daten 16 Bit Frame Control 7 Bit Parity 1 Bit Folie 24

25 Weitere Bussysteme - LIN Local Interconnect Network Preiswertes Bussystem Keine Controller notwendig Master/Slave mit Einzeldraht Maximal 19,6 kbit/s Verwendung: Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren Aktuatoren, Beleuchtungselemente Folie 25

26 Weitere Bussysteme - DC-Bus Power Line Communication Problematisch aufgrund Störeinflüssen Gute Fehlerkorrektur notwendig Beispiel Kommunikation zwischen zwei CAN-Controllern: Power Line CAN-Controller Error-Coding Modulation CAN-Controller Decoding Demodulation DC-Bus-Controller Folie 26

27 Weitere Bussysteme - Sonstige TTP Time Triggered Protocol Entwickelt von TU-Wien Konkurrenz zu Flexray Firewire und USB Sehr schnell, aber Störanfällig Isochrone Übertragung teure Zwischenspeicher notwendig Folie 27

28 Vernetzung von Netzen Verbindung von Einzelnetzwerken durch Gateways Supergateway Komplexität Variantenvielfalt Lokale Gateways werden durch Backbone(-Bus) vernetzt Dezentralisierung Skalierbarkeit Folie 28

29 Software Unterteilung in Modellierung- und Simulation z.b. DeComSys xcom für Matlab/Simulink Design- und Konfiguration z.b. DeComSys xdesigner Analyse z.b. Vector CANalyzer Echtzeitbetriebssystem z.b. OSEKtime mit OSEKtime FTCom Folie 29

30 Software - Entwurf xdesigner: Design- und Konfigurationstool für FlexRay Kommunikations Datenbank Im/Export Import Matlab/Simulink Modell xcom Blockset xdesigner Sceduling Checking Generatoren Generatoren Anwendungs Code FTCom Konfiguration Documentation Folie 30

31 Software - Analyse Vector CANalizer Stark verbreitet in Automobilindustrie Funktionen: Beobachtung der Kommunikation Senden von Frames Statistiken Weitere Tools: CANdb, CANgraph oder CANscope Folie 31

32 Zusammenfassung I Verschiedene Bussysteme verfügbar CAN: Niedrige Bandbreite, ereignisgesteuert nicht geeignet für X-By-Wire TTCAN: Erweiterung von CAN zu zeitgesteuertem Modell FlexRay: Hohe Bandbreite, synchroner und asynchroner Datenverkehr, erweiterbar Gut geeignet für X-by-Wire-Systeme Folie 32

33 Zusammenfassung II MOST: Hohe Bandbreite, synchroner und asynchroner Datenverkehr, erweiterbar Gut geeignet für Telematik-Systeme Anforderungen FlexRay CAN LIN Most Steuer- und Regelsysteme Telematik- Systeme Folie 33

34 Folien, Links und Literaturangaben: Folie 34