Werner Zimmermann Ralf Schmidgall. Bussysteme in der Fahrzeugtechnik

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1 Werner Zimmermann Ralf Schmidgall Bussysteme in der Fahrzeugtechnik

2 Aus dem Programm Kraftfahrzeugtechnik Handbuch Verbrennungsmotor herausgegeben von R. van Basshuysen und F. Schäfer Lexikon Motorentechnik herausgegeben von R. van Basshuysen und F. Schäfer Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik herausgegeben von H.-H. Braess und U. Seiffert Bremsenhandbuch herausgegeben von B. Breuer und K. H. Bill Nutzfahrzeugtechnik herausgegeben von E. Hoepke und S. Breuer Aerodynamik des Automobils herausgegeben von W.-H. Hucho Verbrennungsmotoren von E. Köhler und R. Flierl Passive Sicherheit von Kraftfahrzeugen von F. Kramer Automobilelektronik herausgegeben von K. Reif Automotive Software Engineering von J. Schäuffele und T. Zurawka Handbuch Kraftfahrzeugelektronik herausgegeben von H. Wallentowitz und K. Reif Die BOSCH-Fachbuchreihe Ottomotor-Management Dieselmotor-Management Autoelektrik/Autoelektronik Sicherheits- und Komfortsysteme Fachwörterbuch Kraftfahrzeugtechnik Kraftfahrtechnisches Taschenbuch herausgegeben von ROBERT BOSCH GmbH vieweg

3 Werner Zimmermann Ralf Schmidgall Bussysteme in der Fahrzeugtechnik Protokolle und Standards Mit 188 Abbildungen und 99 Tabellen 2., aktualisierte und erweiterte Auflage ATZ/MTZ-Fachbuch

4 Bibliografische Information Der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. Umschlaggestaltung unter Verwendung eines Fotos der Firma Vector Informatik GmbH, Stuttgart. 1. Auflage April , aktualisierte und erweiterte Auflage April 2007 Alle Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlag GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2007 Lektorat: Reinhard Dapper Der Vieweg Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, Technische Redaktion: Fromm MediaDesign GmbH, Selters/Ts. Druck und buchbinderische Verarbeitung: Wilhelm & Adam, Heusenstamm Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany ISBN

5 V Vorwort Dieses Buch soll einen Überblick über die wichtigsten heute in Kraftfahrzeugen eingesetzten Bussysteme und Protokolle geben. Die Betrachtung erfolgt aus Sicht des Anwenders, der als Entwickler von Fahrzeugen und Steuergeräten solche Bussysteme einsetzen will. Ziel ist es, einen ersten Überblick über die nahezu unübersehbare Vielfalt von öffentlichen und proprietären Standards und deren Einsatzgebiete zu geben und demjenigen, der selbst Buskomponenten entwickeln muss, den Einstieg in die verfügbaren Standard-Dokumente zu erleichtern. Neben den eigentlichen, aus zahlreichen Veröffentlichungen mehr oder weniger bekannten Bussystemen wie CAN, LIN, FlexRay oder MOST liegt der Schwerpunkt der Darstellung dabei auf den auf diesen Bussystemen aufsetzenden, höheren Anwendungsschichten. Die Welt der Kfz-Bussysteme kann als zweigeteilt betrachtet werden. Busse und Protokolle wie ISO 9141 (K-Line) oder ISO (CAN) und neuere Entwicklungen wie FlexRay, LIN oder MOST wurden ursprünglich von europäischen Kfz-Herstellern und Zulieferern konzipiert, meist auf Initiative der deutschen Hersteller. Viele Lösungen sind von der ISO zwar inzwischen als internationaler Standard anerkannt, werden aber immer noch hauptsächlich in Fahrzeugen europäischer Hersteller eingesetzt. Die amerikanischen Hersteller dagegen haben eigenständige Lösungen entwickelt und diese als SAE Standards, z.b. SAE J1850 oder J1939, etabliert. Asiatische Hersteller verhalten sich pragmatisch und setzen in Europa auf ISO- und in Amerika auf SAE- Standards. Erst als Folge der Globalisierung und des wachsenden Kostendrucks wächst der Zwang zur Vereinheitlichung. So hat die amerikanische Regierung bereits vor einigen Jahren eine Variante von ISO 9141 als zu SAE J1850 gleichberechtigte Schnittstelle für Abgasprüfungen akzeptiert. Beide sollen in zukünftigen Fahrzeugen durch eine auf ISO (CAN) beruhende Lösung ersetzt werden. Ein anderes Beispiel ist SAE J1939, eine auf CAN basierende Protokollfamilie, die weltweit von praktisch allen Herstellern von Nutzfahrzeugen eingesetzt wird. In diesem Buch stehen die in Europa üblichen Busse und Protokolle im Vordergrund (Kapitel 3 und 4), SAE- Protokolle werden nur am Rande betrachtet. Bei den höheren Protokollen werden sowohl die gängigen Diagnoseprotokolle wie KWP 2000 oder UDS (Kapitel 5) als auch die für die Applikationsphase wichtigen Protokolle wie CCP und XCP erläutert (Kapitel 6). Mindestens genauso wichtig wie der schnelle Datenaustausch zwischen den elektronischen Systemen im Fahrzeug ist aber auch der Informationsfluss zwischen den an der Entwicklung, Fertigung und Wartung eines Fahrzeugs beteiligten Stellen. Gerade in diesem Bereich werden in den verschiedenen Herstellervereinigungen von OSEK, ASAM über HIS bis AUTOSAR viele Standards erarbeitet, um die weiter steigende Komplexität der vernetzten Systeme im Fahrzeug zu beherrschen und mit Hilfe von konsistenten Spezifikationen und Beschreibungen sowie einer automatisierten Datenhaltung Fehler zu vermeiden. Die wichtigsten dieser Standards werden in den Kapiteln 6 und 7 beschrieben, bevor im Kapitel 8 einige darauf basierende Entwicklungswerkzeuge vorgestellt werden. Bussysteme in Kraftfahrzeugen haben natürlich Berührungspunkte mit den in der Automatisierungstechnik üblichen Feldbussystemen, z.b. Profinet, Interbus, Device- Net oder CANopen, und stammen wie diese von den im Computerbereich üblichen

6 VI Vorwort LANs (Local Area Networks) wie Ethernet oder dem heute nahezu verschwundenen Token Ring ab. Beide werden hier bewusst ausgeklammert, da dazu hinreichend viel Literatur existiert. Im Text werden naturgemäß sehr häufig Normen und Standardschriften erwähnt und zitiert. Aufgrund der Vielzahl wurde darauf verzichtet, an all diesen Stellen explizite Literaturhinweise anzugeben. Vielmehr finden sich am Ende der Kapitel 3 bis 7 Tabellen mit den jeweils einschlägigen Literaturstellen. Bezugshinweise, bei Industriestandards hauptsächlich Verweise in das World Wide Web, sowie allgemeine Literaturhinweise und eine Liste der wichtigsten Abkürzungen finden sich im Anhang. Ein steter Diskussionspunkt bei deutschsprachiger Technikliteratur ist die Verwendung englischsprachiger Begriffe. Da es bei ernsthafter Beschäftigung mit dem Thema unvermeidbar ist, die Originaldokumente der Spezifikationen und Normen zu Rate zu ziehen und diese praktisch ausschließlich in Englisch verfügbar sind, haben die Autoren bewusst darauf verzichtet, die normspezifischen Fachbegriffe ins Deutsche zu übersetzen, obwohl es in vielen Fällen durchaus gute deutsche Begriffe gegeben hätte. In der Regel werden bei der ersten Erwähnung der englische Begriff und eine passende deutsche Übersetzung angegeben. Anschließend wird dann der Originalbegriff verwendet. Auf diese Weise sollte der Wiedererkennungswert beim Lesen der englischsprachigen Texte im Anschluss an diese Einführung deutlich erhöht werden. Soweit im Text Hersteller- und Produktnamen verwendet werden, geschieht dies ohne ausdrückliche Erwähnung von eingetragenen Markennamen und Markenrechten. Danksagungen Dieses Buch geht auf eine Anregung von Wolfgang Schmid, SMART Electronic Development GmbH zurück, ohne dessen beharrliches Drängen die Autoren nie den Mut gehabt hätten, in diesem sich mit hoher Geschwindigkeit weiterentwickelnden Gebiet ein Buch anzugehen, das mehr als eine flüchtige Momentaufnahme sein soll. Joachim Tauscher und Wolfgang Neu, Geschäftsführer der SMART Electronic Development GmbH, und ihren Mitarbeitern herzlichen Dank für ihre stete Unterstützung über viele Jahre hinweg und für ihren Beitrag zum Kapitel 8.4. Hans-Dieter Kübler, Geschäftsführer der Samtec Automotive Software & Electronics GmbH, und seinen Mitarbeitern Axel Weimann, Daniel Oedingen und Thomas Januschke Dank für ihre Anregungen und ihren Beitrag zu den Kapiteln 8.5 und 8.7. Dank schulden wir auch allen Kolleginnen, Kollegen und Studierenden an der FH Esslingen Hochschule für Technik, bei der Robert Bosch GmbH und der DaimlerChrysler AG, insbesondere aber den Mitarbeitern am STZ Rechnereinsatz Esslingen, die in vielen Projekten mitgeholfen haben, die in diesem Buch beschriebenen Konzepte und Verfahren praktisch umzusetzen, die neuesten Informationen zu beschaffen und das Manuskript kritisch durchzusehen. Nicht zuletzt gilt unser Dank Ewald Schmitt sowie Reinhard Dapper vom Vieweg Verlag und ihren Mitarbeitern sowie allen ungenannten Helfern, die in vielfältiger Weise zu diesem Buch beigetragen haben. Stuttgart, Januar 2006 Werner Zimmermann, Ralf Schmidgall

7 Vorwort VII Vorwort zur 2. Auflage Der überraschend große Erfolg der 1. Auflage und die weiterhin stürmische Entwicklung der Automobilelektronik machen es möglich, nach kaum einem Jahr bereits eine zweite, aktualisierte und erweiterte Auflage herauszugeben. Neben einer ganzen Reihe von Detailverbesserungen und der Korrektur einiger Fehler, die trotz aller Sorgfalt anscheinend unvermeidlich sind, wurden folgende Themen in der 2. Auflage neu aufgenommen oder wesentlich erweitert: MOST Durch die neu hinzugekommene Darstellung der MOST Network Services und die ausführlichere Beschreibung des gesamten Protokolls hat sich der Umfang dieses Kapitels verdoppelt. Diese Verbesserungen verdanken wir vor allem Steffen Lang von der BOSE Automotive GmbH, der die neuen Teile des Kapitels 3.7 beigesteuert hat. FlexRay Neu aufgekommen wurden das Transportprotokoll AUTOSAR TP für FlexRay in Kapitel 4.2 sowie das Applikationsprotokoll XCP on FlexRay in Kapitel 6.2. AUTOSAR 2.x Nachdem das AUTOSAR Konsortium seine Spezifikationen als Version 2.0 Mitte 2006 erstmals öffentlich zugänglich gemacht und bis Ende 2006 weiter vervollständigt hat, hat die AUTOSAR Architektur inzwischen einen Zustand erreicht, der nun im Kernbereich der Basissoftware und der RTE-Schicht weitgehend stabil sein dürfte. Daher wurde das bisher recht kurze Kapitel 7.6 auf nun über 25 Seiten erweitert und AUTOSAR 2.x im Detail vorgestellt. In allen übrigen Themenbereichen wurden die jeweils neuesten verfügbaren Spezifikationen berücksichtigt, darunter LIN 2.1, FIBEX 2.0, ODX 2.1 und MVCI nach ISO bzw , Flash-Lader nach HIS 1.1 und die Pass-Through-Programmierung nach ISO / SAE J2534. Joachim Tauscher, SMART Electronic Development GmbH, mit den Abschnitten und sowie Thomas Januschke, Samtec Automotive Software & Electronics GmbH, mit den Abschnitten 8.5.1, und haben dazu beigetragen, dass wir nicht nur die neuesten Protokollstandards darstellen, sondern auch das Kapitel über die Entwicklungswerkzeuge aktualisieren und erweitern konnten. Alle, denen wir schon bei der ersten Auflage großen Dank geschuldet haben, haben uns auch bei der Arbeit an dieser zweiten Auflage unterstützt. Stellvertretend genannt seien wiederum Ewald Schmitt und Reinhard Dapper vom Vieweg Verlag. Unser besonderer Dank aber gilt allen Lesern der ersten Auflage, deren Zuspruch, Anregungen und Hinweise uns ermutigt und dazu beigetragen haben, die zweite Auflage weiter zu verbessern. Stuttgart, Januar 2007 Werner Zimmermann, Ralf Schmidgall

8 VIII Die Autoren Die Autoren Prof. Dr.-Ing. Werner Zimmermann lehrt Regelungstechnik, Systementwurf, Digitalund Rechnersysteme in der Fakultät Informationstechnik an der Hochschule Esslingen. Zuvor leitete er bei der Robert Bosch GmbH eine Entwicklungsabteilung für Motorsteuergeräte für Dieselfahrzeuge. Dipl.-Ing. (FH) MSc. Ralf Schmidgall arbeitet in der Entwicklung Fahrzeugdiagnose bei der DaimlerChrysler AG. Zuvor war er bei einem Hersteller von Testsystemen in der Softwareentwicklung für Kommunikationsprotokolle tätig. Unter Mitwirkung von: Dipl.-Ing. (BA) Joachim Tauscher, Geschäftsführender Gesellschafter der Smart Electronic Development GmbH, hat das Kapitel 8.4 mit verfasst. Dipl.-Inf. (FH) Thomas Januschke, verantwortlich für die Entwicklung von Diagnosewerkzeugen bei der Samtec Automotive Software & Electronics GmbH, hat die Kapitel 8.5 bis 8.7 mitgestaltet. Dipl.-Ing. (FH) Steffen Lang, Entwicklungsingenieur bei der Bose Automotive GmbH, hatte wesentlichen Anteil an der Überarbeitung des Kapitels 3.7 für die 2. Auflage.

9 IX Inhalt Vorwort...V 1 Anwendung von Bussystemen und Protokollen Überblick Kfz-Bussysteme, Protokolle und Standards Standardisierung bei Bussystemen Kfz-Bussysteme Physical und Data Link Layer Grundlagen für Kfz-Bussysteme Elektrotechnische Grundlagen Topologie und Kopplung von Bussystemen Botschaften, Protokollstapel, Dienste (Services) Zeichen- und Bitstrom-basierte Übertragung, Nutzdatenrate Buszugriffsverfahren, Fehlererkennung und Fehlerkorrektur Jitter und Latenz bei der Datenübertragung K-Line nach ISO 9141 und ISO Entwicklung von K-Line und KWP K-Line Bus-Topologie und Physical Layer Data Link Layer Einschränkungen für emissionsrelevante Komponenten (OBD) Schnittstelle zwischen Protokoll-Software und Kommunikations- Controller Ältere K-Line-Varianten Zusammenfassung K-Line Layer 1 und Controller Area Network CAN nach ISO Entwicklung von CAN Bus-Topologie und Physical Layer Data Link Layer CAN 2.0A und 2.0B Fehlerbehandlung Einsatz von CAN Höhere Protokolle Schnittstelle zwischen Protokoll-Software und Kommunikations- Controller Time-Triggered-CAN (TTCAN) Deterministischer Buszugriff Zusammenfassung CAN Layer 1 und Local Interconnect Network LIN Überblick Data Link Layer Zeitsynchrones Senden von Botschaften (Message Scheduling) Neue Botschaftstypen bei LIN V ISO Diagnose über LIN... 48

10 X Inhalt LIN Configuration Language Dynamische Konfiguration von LIN Slave-Steuergeräten LIN Application Programming Interface (API) Zusammenfassung LIN Layer 1 und FlexRay Bus-Topologie und Physical Layer Data Link Layer Netzwerk-Start und Takt-Synchronisation Fehlerbehandlung, Bus Guardian Konfiguration und übergeordnete Protokolle Zusammenfassung FlexRay Layer 1 und SAE J Media Oriented Systems Transport MOST Bus-Topologie und Physical Layer Data Link Layer Kommunikationscontroller Network Services Netzmanagement Höhere Protokollschichten Beispiel für Systemstart und Audioverbindung Zusammenfassung MOST Normen und Standards Transportprotokolle Transportprotokoll ISO TP für CAN nach ISO Botschaftsaufbau Flusssteuerung, Zeitüberwachung und Fehlerbehandlung Dienste für die Anwendungsschicht (Application Layer Services) Protokoll-Erweiterungen Adressierung bei KWP 2000 Zuordnung von CAN Identifiern Transportprotokoll AUTOSAR TP für FlexRay Transportprotokoll TP 2.0 für CAN Adressierung und CAN Message Identifier Broadcast-Botschaften Dynamischer Kanalaufbau und Verbindungsmanagement Datenübertragung Transportprotokoll TP 1.6 für CAN Botschaftsaufbau Dynamischer Kanalaufbau Datenübertragung und Datenrichtungswechsel Transportprotokoll SAE J1939/21 für CAN Übertragungsarten, Adressierung und CAN Message Identifier Segmentierte Datenübertragung (Multi Packet) Normen und Standards

11 Inhalt XI 5 Diagnoseprotokolle Application Layer Diagnoseprotokoll KWP 2000 (ISO und ) Überblick Diagnosesitzungen (Diagnostic Management) Adressierung der Steuergeräte nach KWP Bussystem-abhängige Dienste (Network Layer Protocol Control) Fehlerspeicher lesen und löschen (Stored Data Transmission) Daten lesen und schreiben (Data Transmission), Ansteuern von Steuergeräte-Ein- und Ausgängen (Input/Output Control) Speicherblöcke auslesen und speichern (Upload, Download) Start von Programmen im Steuergerät (Remote Routine Activation) Erweiterte Dienste (Extended Services) Unified Diagnostic Services UDS nach ISO Unterschiede zum KWP 2000 Diagnoseprotokoll Überblick über die UDS Diagnosedienste Response on Event Dienst On-Board-Diagnose OBD nach ISO / SAE J Überblick OBD Diagnosedienste Auslesen des Fehlerspeichers und von Steuergerätewerten Abfrage der Testergebnisse für abgasrelevante Komponenten OBD Fehlercodes Data Link Security Pass-Through Programmierung Normen und Standards Anwendungen für Messen, Kalibrieren und Diagnose (ASAM AE MCD) Einführung Busprotokolle für Aufgaben in der Applikation (ASAM MCD 1MC) CAN Calibration Protocol CCP Extended Calibration Protocol XCP AML-Konfigurationsdateien für XCP und CCP Interface zwischen Busprotokolltreiber und Applikationssystem ASAM MCD 1b Field Bus Exchange Format FIBEX Überblick über ASAM MCD 2 und MCD Applikationsdatensätze nach ASAM MCD 2 MC (ASAP 2) ODX-Diagnosedatensätze nach ASAM MCD 2D Aufbau des ODX-Datenmodells Einfache Datenobjekte (Simple DOP und DTC-DOP) Beschreibung von Diagnosediensten und Diagnosevariablen Komplexe Datenobjekte (Complex DOP) DIAG-LAYER: Beschreibung der Diagnosedienste eines Gerätes ECU-MEM: Beschreibung der Flash-Programmierung ECU-CONFIG: Beschreibung der Steuergeräte-Konfiguration

12 XII Inhalt MULTIPLE-ECU-JOB: Diagnosedienste für mehrere Geräte COMPARAM-SUBSET und COMPARAM-SPEC: Beschreibung des Busprotokolls VEHICLE-INFO-SPEC: Fahrzeugzugang und Bustopologie FUNCTION-DICTIONARY: Funktionsorientierte Diagnose ASAM MCD 3 Server Funktionsgruppe M Messen Funktionsgruppe C Kalibrieren Funktionsgruppe D Diagnose MVCI-Diagnosetestsysteme nach ISO Normen und Standards Software-Standards: OSEK, AUTOSAR, HIS, Einführung OSEK/VDX Ereignisgesteuerter Betriebssystemkern OSEK/VDX OS Kommunikation in OSEK/VDX COM Netzmanagement mit OSEK/VDX NM Zeitgesteuerter Betriebssystemkern OSEK Time und fehlertolerante Kommunikation OSEK FTCOM Erweiterung von OSEK OS um Schutzmechanismen:Protected OS Hardware-Ein- und Ausgabe (HIS IO Library, IO Driver) Hardwaretreiber für Mikrocontroller-Standardperipherie HIS Hardwaretreiber für CAN-Kommunikationscontroller (HIS CAN Driver) Zustandsmodell Ablauf beim Empfangen einer CAN-Botschaft Ablauf beim Senden einer CAN-Botschaft Schnittstelle zum Betriebssystem HIS Flash-Lader AUTOSAR Überblick über die AUTOSAR-Basissoftware Betriebssystem AUTOSAR OS Kommunikationsstack AUTOSAR COM, NM und Diagnostic Runtime Environment AUTOSAR RTE Normen und Standards Werkzeuge, Anwendungen und Einsatzgebiete Protokollstapel für Steuergeräte (Intellectual Property) Entwurf und Test der On-Board-Kommunikation Werkzeuge zur Applikation von Steuergeräten Flash-Programmierung von Steuergeräten Rahmenbedingungen Flash-Speicher Flash-Programmierprozess

13 Inhalt XIII Beispiel eines Flash-Laders: ADLATUS von SMART Electronic Test und Freigabe von Flash-Ladern und Busprotokollen Diagnosewerkzeuge in Entwicklung und Fertigung Beispiel für Diagnosewerkzeuge: samdia von Samtec Automotive Autorenwerkzeuge für Diagnosedaten Beispiel für Autorenwerkzeuge: ODXplorer von Samtec Automotive ASAM MCD3 Laufzeitsysteme Beispiel für ein Diagnosesystem: sammcd3server von Samtec Automotive Software & Electronics Literaturverzeichnis Web-Adressen Abkürzungen Sachwortverzeichnis