Praktische Übungen im Labor Automatisierungstechnik. Versuch Nr. 6. Einführung in das Bussystem FlexRay am Beispiel Steer-by-Wire. Grundlagen FlexRay

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1 Universität Stuttgart Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik Prof. Dr.-Ing. M. Weyrich Praktische Übungen im Labor Automatisierungstechnik Versuch Nr. 6 Einführung in das Bussystem FlexRay am Beispiel Steer-by-Wire Grundlagen FlexRay Raum 1.126

2 Grundlagen FlexRay V Inhaltsverzeichnis INHALTSVERZEICHNIS... 2 ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS... 3 NAMENSKONVENTION... 6 BEGRIFFSVERZEICHNIS FLEXRAY MOTIVATION ANFORDERUNGEN UND EIGENSCHAFTEN TECHNISCHE GRUNDLAGEN OSI-SCHICHTENMODELL AUFBAU EINES KOMMUNIKATIONSKNOTENS TERMINIERUNG DER NETZWERKKNOTEN PHYSIKALISCHE TOPOLOGIE SIGNALÜBERTRAGUNG WAKEUP STARTUP SYNCHRONISATION RE-SYNCHRONISATION (BIT-SYNCHRONISATION) TIMING KOMMUNIKATIONSSTRUKTUR FlexRay-Zyklus Buszugriff Static Segment Dynamic Segment Symbol Window Network Idle Time FRAME FORMAT Header Payload Trailer Nullframe PROTOCOL DATA UNIT SCHEDULING UND CYCLE MULTIPLEXING LITERATUR... 40

3 Grundlagen FlexRay V Abkürzungsverzeichnis AP APO ASAM BD BM BP BSS C CAN CAPL CAS CC CHI CI CID CODEC CRC CSMA/CA CSN CSP DTS ECU EMV ESP FES FIBEX Action Point Action Point Offset Association for Standardization of Automation and Measuring Systems Bus Driver Bus Minus Bus Plus Byte Start Sequence Kondensator (engl. Capacitor) Controller Area Network Communication Access Programming Language Collision Avoidance Symbol Communication Controller Controller Host Interface Channel Idle Channel Idle Delimiter Coding and Decoding Process Cycle Redundancy Check Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance Coldstart Node Clock Synchronization Process Dynamic Trailing Sequence Elektronisches Steuergerät (engl. Electronic Control Unit) Elektromagnetische Verträglichkeit Elektronisches Stabilitätsprogramm (engl. electronic stability control) Frame End Sequence Field Bus Exchange Format

4 Grundlagen FlexRay V FSS FSP FTDMA FTM ID I/O HW IAS ISO L LIN MAC MiL MT MTS MOST Frame Start Sequence Frame and Symbol Processing Flexible Time Division Multiple Access Fault Tolerant Midpoint Algorithmus Identifier Input/Output Hardware Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik International Organization for Standard Induktivität Local Interconnect Network Media Access Control Model in the Loop Macrotick Media Access Test Symbol Media Oriented Systems Transport µc Microcontroller µt Microtick NIT NM OSI PDU I-PDU L-PDU N-PDU POC R RxD Network Idle Time Network Management Open Systems Interconnection Protocol Data Unit Interaction Layer PDU Link Layer PDU Network Layer PDU Protocol Operation Control Widerstand (engl. Resistor) Receive Data signal

5 Grundlagen FlexRay V SDL SPI SuF SW SyF TDMA TP TRP TSS TxEN TxD WUP WUS XML Specification and Description Language Serial Peripheral Interface Startup Frame Software Sync Frame Time Division Multiple Access Test Point Time Reference Point Transmission Start Sequence Transmit data Enable Not signal Transmit Data signal Wakeup Pattern Wakeup Symbol Extensible Markup Language

6 Grundlagen FlexRay V Namenskonvention Die folgenden Namenskonventionen orientieren sich an den FlexRay-Spezifikationen 2.1. <Variable> := <prefix_1>[<prefix_2>]<name> <Prefix_1> := a c v g p <Prefix_2> := d l n s u Tabelle 1 Parameter Prefix 1 Prefix_1 Typ Beschreibung a c v g p Hilfsparameter Protokoll Konstante Knotenvariable Netzwerkparameter Knotenparameter Dieser Hilfsparameter wird zur Definition oder Herleitung anderer Parameter oder Grenzen verwendet. Dieser Wert definiert Eigenschaften oder Grenzen des Protokolls. Der Wert ist fest im Protokoll vorgegeben und kann nicht geändert werden. Wert der abhängig von der Zeit, Events, etc. variieren kann. Globale Parameter, der in allen Knoten gültig ist. Dieser wird im POC:default config Zustand definiert und kann nur im Zustand POC:config geändert werden. Parameter, die verschiedene Werte in unterschiedlichen Knoten im Netzwerk annehmen können. Diese werden in POC:default config initialisiert und können ausschließlich in POC:config geändert werden. Tabelle 2 Parameter Prefix 2 Prefix_2 Typ Beschreibung d Zeitdauer Ein Wert (Variablen, Parametern, etc.), der eine Zeitdauer zwischen zwei Zeitpunkten beschreibt. l Länge Physikalische Länge von z.b. Kabel n Betrag Anzahl von z.b. Slots s Set Ein Wertesatz (Variablen, Parametern, etc.). u Spannung Differenzspannung zwischen zwei Leitungen

7 Grundlagen FlexRay V Begriffsverzeichnis AUTOSAR Entwicklungspartnerschaft im Automobilbereich, die Standards zur Entwicklung von Softwarekomponenten festlegen. Backbone Ein Backbone ist ein Verbindungsnetzwerk mit sehr hoher Datenübertragungsrate. Bus Bussystem Bus Driver Branch Channel Idle Cluster Coldstart Node Communication Controller Communication Cycle Communication Slot Cycle Counter Cycle Time Als Bus wird eine Sammelleitung zur Datenübertragung zwischen mehreren Funktionseinheiten (hier: FlexRay-Knoten) bezeichnet. Ist ein Kommunikationssystem zur Übertragung von Daten. Eine elektronische Komponente mit Transmitter und Receiver, die die Kommunikation zwischen dem CC und dem Bus ermöglicht. Ein Branch ist ein Teilnetzwerk in einem Cluster. Channel Idle bezeichnet den Zustand der Bus-Ruhe. Bezeichnet ein FlexRay-Netzwerk. Ein Netzwerkknoten, der eine Startup Prozedur auslösen darf, um eine Kommunikation auf dem Bus zu ermöglichen. Eine elektronisches Bauelement, das in den einzelnen FlexRay-Knoten das FlexRay-Kommunikationsprotokoll umsetzt. Als Communication Cycle wird eine komplette Instanz der Kommunikationsstruktur, die sich regelmäßig wiederholt, im FlexRay- System genannt. Der Kommunikationszyklus besteht aus einem statischen Segment, einem dynamischen Segment (optional), einem Symbol Window (optional) und der NIT. Beim TDMA Verfahren werden den einzelnen Knoten definierte Zeitintervalle zugeteilt, in denen sie exklusiven Buszugriff besitzen. Dieses Intervall wird als Kommunikationsslot bezeichnet und besitzt eine eindeutige Slot ID. Die Nummer des aktuellen Kommunikationszyklus. Gibt die aktuelle Dauer des Kommunikationszyklus in Macroticks an. Die Zykluszeit wird zu Beginn jedes Kommunikationszyklus auf 0 gesetzt. Dynamic Segment Das dynamische Segment dient zur Übertragung von unregelmäßigen Daten. Es optional im FR-Zyklus verwendet werden und unterliegt dem FTDMA Verfahren.

8 Grundlagen FlexRay V Dynamic Communication Slot FIBEX Frame FTDMA Header Host Dieser Slot besteht aus mehreren Minislots und ist in der Länge variabel. Dateiformat auf XML Basis, welches FlexRay Steuergeräte-Netzwerke vollständig beschreibt. Ein Frame ist eine Rahmenstruktur welche zur Übertragung der Daten auf dem FlexRay-Bussystem benötigt wird. Der Frame enthält ein Header, Payload und ein Trailer Segment. Zugriffsverfahren, welches jedem Teilnehmer flexibel ein Zeitfenster zuteilt, in dem er exklusiven Ressourcenzugriff besitzt. Erster Teil eines Frames, welcher Informationen über den Aufbau der Nachricht enthält. Der Host beinhaltet Anwendungs-Software des Steuergeräts. Jitter Bezeichnet eine zeitliche Abweichung/Schwankung vom Übertragungstakt. Knoten Layer Macrotick Microtick Minislot Null Frame Payload PDU Aktive Funktionseinheit, die Nachrichten auf dem Bus senden und empfangen kann. Architekturschicht welche die Funktionen und Aufgaben der Komponenten innerhalb dieser Schicht beschreibt. Die globale zeitliche Aufteilung eines Zyklus, geschieht durch Macroticks. Macroticks werden aus lokalen Microticks erzeugt. Die Dauer der Macroticks wird durch die Synchronisation angepasst. Aus dem lokalen Oszillatortakt eines Knotens wird die Zeitdauer eines Microticks [µt] abgeleitet. Diese werden zur Bus-Synchronisation verwendet. Diese Slots unterteilen das dynamische Segment in bis zu 7986 Teile und können zu einem dynamischen Slot zusammengefügt werden. Als Null Frame bezeichnet man Frames, die keine nützlichen Daten für den Empfänger enthalten. Ein Null Frame wird durch ein Bit im Header gekennzeichnet und alle Daten-Bytes werden auf Data_0 gesetzt. Dieses Segment enthält die Nutzdaten eines Frames. PDUs sind vom Bus unabhängige Dateneinheiten, bestehend aus Nutzdaten und Steuerungsinformationen.

9 Grundlagen FlexRay V Slot Startup Frame Startup Slot Static Communication Slot Static Segment Sync Frame Sync Slot TDMA Trailer Wakeup Node Siehe Communication Slot. Startup Frames sind FlexRay-Frames, die durch einen Startup Frame Indicator Bit im Header gekennzeichnet werden. Sie werden 8 Zyklen lang zu Beginn der Synchronisation gesendet. Startup Frames sind immer auch Sync Frames. Kommunikation Slot in welchem ein Startup Frame gesendet wird. Diese Slots haben alle dieselbe Länge und eine eindeutige Slot ID, in denen jeweils die Konten exklusiven Buszugriff besitzen. Das statische Segment dient zur Übertragung von zyklischen Daten. Es ist Teil jedes Zyklus im TDMA Verfahren. Ein Sync Frame ist ein FlexRay-Frame der zur Bus Synchronisierung genutzt wird. Der Frame ist durch eine Sync Frame Indicator Bit im Header gekennzeichnet. Ein Kommunikation Slot in welchem ein Sync Frame gesendet wird. Das TMDA Zugriffsverfahren weist jedem Teilnehmer ein Zeitfenster zuteilt, in dem er exklusiven Ressourcen Zugriff besitzt. Der Trailer bildet den letzen Teil des Frames und enthält drei 8-bit- CRCs zur Fehlererkennung. Cluster Knoten, der die Berechtigung besitzt Wakeup Pattern zu senden.

10 Grundlagen FlexRay V FlexRay 1.1 Motivation Aufgrund des Innovationspotenzials der Fahrzeugelektronik und den daraus resultierenden Möglichkeiten, das Autofahren sicherer, komfortabler, ökonomischer und umweltverträglicher zu gestalten, unterliegt der Automobilbereich seit den 90er Jahren einer regelrechten Elektrifizierung, die sich bis zum heutigen Tag immer rasanter fortgesetzt hat [Joch07]. Um die gewünschte Funktionalität in den heutigen Automobilen zur Verfügung stellen zu können, muss eine Vielzahl an elektronischen Steuergeräten (engl. Electronic Control Unit (ECUs)) miteinander interagieren. Aus der Historie und den damaligen benötigten Übertragungsraten hat sich der CAN-Bus in den bisherigen Fahrzeugen als wichtigstes Bussystem etabliert. Für spezielle Anwendungen kommen noch weitere Bussysteme zum Einsatz, zum Beispiel für die Vernetzung von Sensoren und Aktoren innerhalb einer Tür oder einem Sitz wird auf den kostengünstige LIN- Bus [LIN11] zurückgegriffen und bei der Übertragung von Multimediadaten wird der MOST- Bus [MOST11] verwendet. Die gestiegenen Anforderungen an die elektronischen und mechatronischen ECUs, zum Teil heutiger und erst recht zukünftiger Fahrzeuge (z.b. Drive-by-Wire), führt dazu, dass höhere Datenübertragungsraten und eine Echtzeitkommunikation realisiert werden müssen, dies jedoch nicht mit dem CAN-Bus möglich ist. Aufgrund dessen hat sich im Jahre 2000 ein Konsortium gebildet, um einen neuen Bus, der den gewünschten Anforderungen entspricht, zu entwickeln. Gründungsmitglieder waren die Unternehmen BMW, Daimler, Motorola und Philips. Im Laufe der Jahre wurde die Struktur des Konsortiums in Core, Premium Associate, Associate und Development Mitglieder eingeteilt, bis sich 2009 das Konsortium, mit Abschluss der FlexRay Spezifikation 3.0 aufgelöst hat. Zu diesem Zeitpunkt bestanden die Core Partner aus BMW, Bosch, Daimler, Freescale, GM, NXP und VW. Es existierten 28 Premium sowie über 60 Associate und einige hundert Development Mitglieder. Aktuell wird in der Praxis noch die FlexRay Spezifikation 2.1 verwendet; diese kann über die offizielle Homepage [Flex11] angefordert werden, bis die Überführung der Spezifikation 3.0 in folgende ISO-Standards abgeschlossen ist: ISO :2010 Road vehicles Communication on FlexRay Part 1: General information and use case definition ISO :2010 Road vehicles Communication on FlexRay Part 2: Communication layer services 1.2 Anforderungen und Eigenschaften Bei den Anforderungen an das neue Bussystem wurde ein besonderes Augenmerk auf folgende Punkte gelegt: Übertragungsrate eine deutlich höhere Bandbreite, wie die im CAN-Bus üblichen 500kBit/s, sollte erreicht werden. Redundante Kommunikationskanäle durch die Realisierung zweier physikalischer Kommunikationskanäle A/B bietet das System die Möglichkeit, je nach Anwendung Daten redundant zu übertragen oder die Datenrate zu verdoppeln.

11 Grundlagen FlexRay V Globale synchronisierte Zeitbasis das Kommunikationsprotokoll stellt eine globale Zeitbasis zur Verfügung, um die unterschiedlichen miteinander vernetzten ECUs aufeinander abzustimmen. Übertragungssicherheit Informationen sollen gesichert und zeitlich vorhersagbar übertragen werden, da es bei dem bisherigen CSMA Verfahren (CAN-Bus) zu großen zeitlichen Schwankungen kommen kann. Physikalische Schicht der physikalische Aufbau soll einfach und robust gehalten werden. Erweiterbarkeit Netzwerke sollen flexibel erweiterbar sein und einzelne Steuergeräte entfernt oder hinzugefügt werden können. Unterstützung ereignis- und zeitgesteuerter Kommunikation da sich je nach Anwendung, die eine oder andere Form des Datenaustausches eignet, sollten beide Möglichkeiten zur Verfügung stehen. CSMA: TDMA: Abbildung 1.1 Beispiel für Ereignis- (CSMA) und Zeitsteuerung (TDMA) [Göhn10] Aus diesen Anforderungen ergaben sich die Eigenschaften des FlexRay- Kommunikationssystems. Die wesentliche Kenngröße eines Kommunikationssystems ist die Übertragungsrate. Hierbei wurde, ausgehend vom aktuell benötigten Datenaufkommen ein auch für zukünftig Systeme ausreichend hohe zweikanalige Datenübertragungsrate von bis zu 10 MBit/s je Kanal festgelegt. Es wurde eine synchrone Zeitbasis geschaffen, um die Vorhersagbarkeit des Systems zu gewährleisten. Dabei musste von der im CAN-Bus verwendeten ereignisgesteuerten Kommunikation mit Priorisierung (CSMA/CA) der ECUs abgewichen werden und zu einer zeitgesteuerten Übertragung der Daten (TDMA) übergegangen werden, siehe Abbildung 1.1. Hierdurch wird mit Hilfe des Scheduling eine exakte Planung möglich, der Jitter darf dabei 0,5 bis 10µs (typisch 1 bis 3µs) betragen.

12 Grundlagen FlexRay V Da die Kommunikation in Zyklen organisiert ist, in denen jeder ECU definierten Slots zur Verfügung stehen, ist eine vorhersehbare Nachrichtenlaufzeit garantiert. Der Schwerpunkt bei der Entwicklung des neuen Bussystems lag auf der Flexibilität und Erweiterbarkeit. Daraus resultierte, dass nicht nur entschieden werden kann, welche Nachrichten redundant übertragen werden, sondern das System kann auf Verfügbarkeit oder auf Durchsatz, statische oder dynamische Vergabe der Bandbreite, optimiert werden. Eine Anzahl von 60 Parametern, im Netzwerk Design, ermöglicht die Anpassung des FlexRay-Bussystems an die speziellen Anforderungen der jeweiligen Anwendung, hierzu gehören zum Beispiel die Nachrichtenlänge oder die Zykluslänge. Die genauen Anforderungen an das Protokoll können in der FlexRay Requirements Specification V2.1 [FRRS05] nachgelesen werden. Aufgrund dieser Eigenschaften ist das FlexRay-Bussystem für einen Backbone, Echtzeitanwendungen und sicherheitskritische Systeme hervorragend geeignet. Verwendung findet der FlexRay-Bus bereits im BMW X5, BMW 7, Audi A8 und in der neuen S-Klasse von Daimler [VeSc11]. 2 Technische Grundlagen 2.1 OSI-Schichtenmodell Abbildung 2.1 OSI-Schichtenmodell für Bussysteme und Protokolle Der allgemeine Aufbau eines Kommunikationssystems wird im OSI-Referenzmodell dargestellt. Wie in Abbildung 2.1 zu sehen ist wird das Modell in Schichten aufgebaut. Jede Schicht übernimmt eine spezielle Funktionalität und ist auf die darunterliegende aufgebaut. Ein FlexRay-System beschreibt die OSI-Layer 1 und 2, darüber liegende Schichten sind in FlexRay nicht genauer spezifiziert. Die Bitübertragungsschicht (OSI-Layer 1), die als Physical Layer bezeichnet wird, ist in der FlexRay Communications System Electrical Physical Layer Specification [FREPLS06] beschrieben. Die Sicherungsschicht (OSI-Layer 2) auch Data Link Layer genannt, stellt das eigentliche Kommunikationsprotokoll dar und ist in der FlexRay Communications System Protocol Specification [FRPS05] spezifiziert. Wie bereits erwähnt, werden alle darüber liegenden Schichten von FlexRay nicht genauer beschrieben. Dies übernimmt in unserem Fall und im Automotivbereich die AUTOSAR

13 Grundlagen FlexRay V Spezifikationen. Die Anwendungsschicht (OSI-Layer 7) verschafft den Anwendungen Zugriff auf die Hardware und stellt Datenstrukturen und Protokolle im Application Layer bereit. 2.2 Aufbau eines Kommunikationsknotens Ein FlexRay-Netzwerk setzt sich aus mehreren Kommunikationsknoten (engl. Nodes) und Kommunikationskanälen (engl. Channels) zusammen. Ein FlexRay-Knoten besteht dabei, wie in Abbildung 2.2 dargestellt, aus einem Mikrokontroller (engl. Microcontroller (µc)), auch Host genannt, einem FlexRay-Kommunikationskontroller (engl. Communication Controller (CC)), einem optionalen Bus Guardian (BG) und einem oder zwei Bustreibern (engl. Bus Driver (BD)). Der Bus Guardian findet in der Praxis keine Verwendung, da zum einen keine Mikrochips vorhanden sind und zum anderen in Zukunft ein zweiter Communication Controller geplant ist [VeSc11]. Abbildung 2.2 Aufbau eines FlexRay-Knotens [VeSc11] Dabei übernimmt jede Komponente spezielle Aufgaben. Es existierten auch unterschiedliche Ausführungen für den Microcontroller mit oder ohne integrierten FlexRay-Communication Controller. Die Bus Driver stellen die physikalische Verbindung zum jeweiligen Kanal her. Der Bus Guardian war als Sicherheitssystem der Buszugriffe zwischen Communication Controller und Bus Driver vorgesehen, wird aber wie schon erwähnt nicht verwendet. Der FlexRay-Communication Controller setzt das FlexRay-Protokoll um, d.h. er regelt den Buszugriff (engl. Media Access Control (MAC)), überprüft das im Schelduling definierte Zeitverhalten und den Syntax der empfangenen Frames (engl. Frame and Symbol Processing (FSP)), auch die Umwandlung von Nutzdaten in einen Bitstrom (engl. Coding and Decoding Process (CODEC)) und die Synchronisation der globalen Zeit (engl. Clock Synchronization Process (CSP)). Diese Prozesse sind ausführlich in der FlexRay Communications System Protocol Specification [FRPS05] in der Specification and Description Language (SDL) beschrieben. Auf dem Host läuft das eigentliche Anwendungsprogramm, dieser steuert über das Controller Host Interface (CHI) den Communication Controller mit Hilfe einer Protokollzustandsmaschine (engl. Protocol Operation Control (POC)).

14 Grundlagen FlexRay V Abbildung 2.3 Zustände des Communication Controllers [FRPS05] Der Communication Controller kann folgende POC Zustände aus Abbildung 2.3 einnehmen: default config ist der Startzustand des Communication Controller. In diesem Zustand ist keine Kommunikation möglich, da noch keine Informationen über das genutzte FlexRay-Netzwerk vorliegen. config der Microcontroller übermittelt ausgewählte Daten aus der FIBEX oder AUTOSAR Datei, welche für den Betrieb des Communication Controllers notwendig sind. ready in diesem Zustand wurde der Communication Controller vollständig konfiguriert und ist für die Kommunikation bereit. Es besteht die Möglichkeit sich in ein bestehendes System zu integrieren oder ein schlafendes Netzwerk aufzuwecken. wakeup befindet sich der FlexRay-Knoten in einem schlafenden Netzwerk kann der Microcontroller den Communication Controller anweisen, das Netzwerk aufzuwecken. Hierfür geht der Communication Controller in den wakeup Zustand über und sendet mehrere Wakeup Pattern, siehe Anschnitt 2.6. startup hier versucht der Netzwerkknoten sich mit dem Bus zu synchronisieren. Je nach Rolle des Knotens müssen zwei Vorgehensweisen unterschieden werden. Handelt es ich bei dem Knoten um einen Coldstart Node nimmt er aktiv an der

15 Grundlagen FlexRay V Synchronisation des Netzwerkes teil, anderenfalls verhält er sich passiv und nutzt die bestehende Kommunikation zur eigenen Synchronisation. normal active ist der eigentliche Betriebszustand des Communication Controllers, in dem eine Kommunikation mit dem FlexRay-Bus stattfinden kann. normal passive bei bestimmten Fehlern geht der Knoten selbständig in diesen oder den halt Zustand über. Hier darf der Knoten nur noch Frames empfangen, jedoch keine Informationen mehr senden. Bei Verwendung der AUTOSAR Spezifikation wird dieser Zustand aus Sicherheitsgründen nicht verwendet, da der Microcontroller diesen Übergang nicht steuern kann. halt alle internen Prozesse innerhalb des Communication Controllers sind gestopt. Dieser Zustand wird erreicht, wenn ein interner Fehler des Communication Controller festgestellt wurde und kann ausschließlich über default config verlassen werden. Für detailliertere Informationen kann in der FlexRay Communication System Protocol Specification [FRPS05] nachgelesen werden. Abbildung 2.4 Aufbau eines FlexRay Active Star Knotens [VeSc11] Als Verbindung einzelner Teilbussysteme (engl. Branches) kann ein aktiver Stern (engl. Active Star (AS)) verwendet werden. Dieser kann, wie in Abbildung 2.4 zu sehen ist, ausschließlich mit Bus Drivern aufgebaut werden. 2.3 Terminierung der Netzwerkknoten Um eine bessere Signalqualität auf dem Bus zu erhalten und Reflexionen an den Leitungsenden zu minimieren, werden die Leitungen an den am weitesten auseinanderliegenden Enden abgeschlossen. Die einfachste Art des Leitungsabschlusses, siehe Abbildung 2.5, ist ein Widerstand RT = Ω (typisch 110Ω) zwischen Bus Plus (BP) und Bus Minus (BM).

16 Grundlagen FlexRay V Terminiertes Kabelende R T = Ω Abbildung 2.5 Kabelabschluss mittels Widerstand [FREPLS06] An einer ECU wird die Terminierung der Leitung durch ein schwarz ausgefülltes Viereck markiert. Einen besseren Abschluss erhält man durch eine Beschaltung, wie in Abbildung 2.6, in der der Widerstand RT durch zwei gleich große Widerstände RTA und RTB ersetzt wird. Zwischen den Widerständen wird noch ein 20 MHz RC-Filter angeschlossen. R TA, R TB = Ω R 1 < 10 Ω C 1 = 4700 pf Abbildung 2.6 Kabelabschluss durch RC-Beschaltung [FREPLA06] Eine weitere Verbesserung des EMV-Verhaltens kann durch den Einsatz einer Gleichtaktdrossel oder Strom kompensierten Drossel (engl. Common Mode Choke) erreicht werden. Die Beschaltung ist in Abbildung 2.7 zu sehen, dabei sollte auf die geringe Streuinduktivität Lstreu geachtet werden. R Leitung 1 Ω L 100 µh L streu < 1µH Abbildung 2.7 Kabelabschluss durch RCL-Beschaltung [FREPLA06] Nicht jeder Knoten kann mit einem Terminierungswiderstand versehen werden, da ansonsten der Gesamtwiderstand des Bussystems zu gering werden würde. Bei Knoten ohne Kabelabschluss, siehe Abbildung 2.8, wird der Eingang des Bus Drivers direkt mit der Leitung verbunden.

17 Grundlagen FlexRay V Unterminiertes Kabelende Abbildung 2.8 offener Kabelabschluss [FREPLS06] Alle Abschlusswiderstände in einem Branch sind elektrisch parallel geschaltet. Der daraus resultierende Widerstand RDCLoad muss zwischen 40 und 55Ω liegen. Die Nutzung einer Gleichstromdrossel, wie im terminierten Fall, ist ebenfalls erlaubt. Je nach Topologie werden die Knoten unterschiedlich abgeschlossen, der resultierende Gesamtwiderstand muss dabei im Definitionsbereich von RDCLoad liegen. 2.4 Physikalische Topologie Die physikalische Topologie beschreibt den strukturellen Aufbau eines Netzwerkes. In Abbildung 2.9 ist die einfachste Form einer passiven Verbindung zwischen zwei Netzwerkknoten, Point-to-Point oder auch Peer-to-Peer genannt, zu sehen. Die maximal erlaubte Kabellänge lbus beträgt dabei 24m und es müssen die jeweiligen Enden mit einem Abschlusswiderstand terminiert werden. Abbildung 2.9 Point-to-Point Verbindung [FREPLS06] Es existieren noch zwei weitere passive Bustopologien der linear passive Bus, siehe Abbildung 2.10, und der passive Stern, siehe Abbildung Der linear passive Bus erweitert die Point-to-Point Verbindung um zusätzliche Netzwerkknoten. Die Anzahl der Knoten ist dabei von 4 bis auf maximal 22 definiert. Auch hier darf die maximale Buslänge lbus = lstubn+ lsplicedistancen,m + lstubm = 24m nicht überschritten werden. Typischer Weise sind die Stichleitungen lstub2 oder lstub3 zum Hauptbus nur einige Zentimeter lang und dürfen selbst keine weiteren Abzweigungen (Stubs) enthalten.

18 Grundlagen FlexRay V Abbildung 2.10 Linearer passiver Bus [FREPLS06] Bei einem passiven Stern ist kein Hauptstrang zu erkennen. Die maximale Buslänge beträgt ebenfalls lbus = lstubn + lstubm = 24m. In der Praxis werden in dieser Struktur meist 3 Knoten mit einer Kabellänge von lstubn = 12m verwendet. Maximal dürfen 22 Knoten verwendet werden; dabei sinkt die Länge der Stubs lstubn jedoch rapide, zum Beispiel bei 6 Knoten ist lstubn << 4m. Abbildung 2.11 Passiver Stern [FREPLS06] Eine Möglichkeit die maximale Buslänge zu erhöhen bietet die Verwendung von einem Active Star, siehe Abbildung Hier ist eine Länge lactivestarn = 24m und eine maximale Länge zwischen zwei Active Stars von lstarstar = 24m erlaubt. Die Nutzung von Active Stars ermöglicht auch Bus Mischstrukturen wie in Abbildung 2.13 dargestellt. Hierbei ist die jeweilige Bustopologie, jeder Abzweigung eines Active Star, wie ein eigenständiges Netzwerk zu betrachten und unterliegt den oben beschriebenen Regeln der verwendeten passiven Struktur. Verringert man die Busgeschwindigkeit ergibt sich eine weitere Möglichkeit, die maximale Buslänge proportional zu erhöhen (10Mbit/s lbus = 24m, 5Mbit/s lbus = 48m, etc.).

19 Grundlagen FlexRay V Abbildung 2.12 Aktiver Stern [FREPLS06] Abbildung 2.13 Topologiebeispiel für eine gemischte Struktur mit Active Star Wird ein Active Star in einem Netzwerk verwendet, muss darauf geachtet werden, dass keine Rückkopplung, d.h. ein zweiter Pfad von einer ECU zur anderen, existiert, da ansonsten die Struktur ungültig wird. Auch eine Unterbrechung eines Kanals innerhalb eines Branch ist nicht erlaubt.

20 Grundlagen FlexRay V Signalübertragung FlexRay verwendet zwei verdrillte Leitungen zur Signalübertragung der Daten. Diese werden durch definierte, differenzielle Spannungspegel um 2,5V erzeugt. Der Sendepegel ubus resultiert aus der Differenz von ubp und ubm. Abbildung 2.14 FlexRay-Pegeldiagramm [FREPLS06] Anhand der unterschiedlichen Pegel aus Abbildung 2.14 kann der FlexRay-Bus vier verschiedene Zustände annehmen: Idle_LP (Idle Low Power) der Spannungspegel ubus beträgt 0V und Transceiver setzen die Spannungspegel der FlexRay-Leitungen auf GND. Idle der Spannungspegel ubus beträgt 0V Data_0 der Spannungspegel ubus beträgt -2V, da mindestens ein FlexRay- Transceiver die Busleitung Bus Plus auf 1,5V und Bus Minus auf 3,5V geschaltet hat. Data_1 der Spannungspegel ubus beträgt +2V, da mindestens ein FlexRay- Transceiver die Busleitung Bus Plus auf 3,5V und Bus Minus auf 1,5V geschaltet hat. Die Buszustände Idle, Data_0 und Data_1 werden von den Bus Drivern im normal Zustand erkannt und haben je nachdem wo sie sich im Netzwerk befinden unterschiedlich definierte Werte. Diese Testpunkte (engl. Test Point (TP)) sind in Abbildung 2.15 definiert und in Tabelle 2.1 sind die jeweils gültigen Spannungspegel ubus angegeben. Zusätzlich lassen sich aus den Augendiagrammen in Abbildung 2.16 die Zeiten der steigenden bzw. fallenden Flanke und die Signaldauer ablesen.

21 Grundlagen FlexRay V Abbildung 2.15 Definition von FlexRay-Netzwerk-Testpunkten [FREPLS06] Tabelle 2.1 Spannungspegel an den Testpunkten Buszustand ubus [mv] Min Max Idle_LP TP Idle TP TP Data_0 TP TP Data_1 TP TP Abbildung 2.16 Augendiagramm [FREPLS06] Liegt auf dem Bus Idle_LP befindet sich der Bus Driver im sogenannten Sleep-Mode und muss durch ein lokales Ereignis in den Normal-Mode überführt werden um den Bus aufzuwecken.

22 Grundlagen FlexRay V Wakeup Der Zustandsübergang von einem Low-Power-Zustand zu einem Power-Zustand des Bus Drivers wird wecken bzw. Wakeup genannt. Dieser Übergang kann vom Communication Controller initialisiert werden, oder vom Bus selbst, indem der Bus Driver Wakeup Pattern empfängt. Hierfür muss der Bus Driver mindestens zwei Wakeup Symbole erkennen. Nicht jede ECU im Netzwerk, darf Wakeup Pattern senden, besitzt ein Knoten die Erlaubnis wird er als Wakeup Node bezeichnet und kann zwischen 2 und 63 Wakeup Symbole senden. Ein Wakeup Symbole ist, wie in Abbildung 2.17 zu sehen, als eine Data_0 Phase gefolgt von einer Idle Phase definiert. Damit der Bus Driver diese Phasen sicher erkennt müssen folgende Zeiten eingehalten werden dwu01, dwuidle1, dwu02, dwuidle2 > 4µs und dwu < 48µs. Abbildung 2.17 Wakeup Pattern [EPLS06] In einem Netzwerk dürfen maximal 3 Wakeup Nodes vorhanden sein, da ansonsten durch Überlagerung der Wakeup Pattern keine korrekte Erkennung der Wakeup Symbole, wie in Tabelle 2.2 definiert, möglich ist. Tabelle 2.2 Wakeup Pattern Erkennung [EPLS06] Name Beschreibung Min Max Einheit dwu0detect Akzeptanzbereich für das Erkennen 1 4 µs eine Data_0 Phase. dwuidledetect Akzeptanzbereich für das Erkennen 1 4 µs eine Idle Phase. dwutimeout Akzeptanzbereich für das Erkennen eines Wakeup Patterns µs Es ist jedoch erlaubt, für die beiden Kanäle A und B unterschiedliche Wakeup Nodes zu definieren. Dies bietet dem Entwickler weitere Möglichkeiten beim Design des Clusters, wie zum Beispiel in Abbildung Hier wird das Netzwerk an Kanal A durch ein lokales Event von ECU 1 geweckt, während Kanal B noch schläft.

23 Grundlagen FlexRay V Abbildung 2.18 Wakeup Beispiel eines Clusters Nach Abschluss der Wakeup Phase, versuchen die Coldstart Nodes eine Kommunikation auf dem Bus zu initialisieren. 2.7 Startup Beim Start eines FlexRay-Netzwerkes werden die Timer aller ECUs synchronisiert. Die Schwierigkeit dabei besteht nun darin die Knoten durch Kommunikation zu synchronisieren, ohne dabei bereits synchrone Knoten zu stören. Im Detail wird darauf in Abschnitt 2.8 eingegangen. Es existieren unterschiedliche Szenarien, die beim Startup eines FlexRay-Netzwerkes auftreten können. Hierbei ist zu beachten, dass ausschließlich Knoten die als Coldstart Node definiert wurden die Berechtigung besitzen Startup Frames zu senden. Ebenfalls müssen sich die ECUs im Zustand POC:ready befinden, um am Startup eines Clusters teilnehmen zu können. 1. Szenario kein Coldstart Node im Cluster Dieses Szenario tritt auf, wenn kein Coldstart Nodes im FlexRay-Netzwerk definiert wurde oder sich die entsprechenden Knoten nicht in POC:ready befinden.

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