Elektronik und Datenkommunikation im Automobil

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1 Elektronik und Datenkommunikation im Automobil Harald Richter IfI Technical Report Series IfI-09-05

2 Impressum Publisher: Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal Julius-Albert Str. 4, Clausthal-Zellerfeld, Germany Editor of the series: Jürgen Dix Technical editor: Wojciech Jamroga Contact: URL: ISSN: The IfI Review Board Prof. Dr. Jürgen Dix (Theoretical Computer Science/Computational Intelligence) Prof. Dr. Klaus Ecker (Applied Computer Science) Prof. Dr. Barbara Hammer (Theoretical Foundations of Computer Science) Prof. Dr. Sven Hartmann (Databases and Information Systems) Prof. Dr. Kai Hormann (Computer Graphics) Prof. Dr. Gerhard R. Joubert (Practical Computer Science) apl. Prof. Dr. Günter Kemnitz (Hardware and Robotics) Prof. Dr. Ingbert Kupka (Theoretical Computer Science) Prof. Dr. Wilfried Lex (Mathematical Foundations of Computer Science) Prof. Dr. Jörg Müller (Business Information Technology) Prof. Dr. Niels Pinkwart (Business Information Technology) Prof. Dr. Andreas Rausch (Software Systems Engineering) apl. Prof. Dr. Matthias Reuter (Modeling and Simulation) Prof. Dr. Harald Richter (Technical Computer Science) Prof. Dr. Gabriel Zachmann (Computer Graphics)

3 Clausthal Institute University Harald Richter of Computer of Technology, Science, Germany ik Auto-Inneren eine Zusammenfassung bustechnologien, diesem Beitrag wird zu Beginn der Stand der Technik bei der Automobilelektron- wird und deren Software beschrieben, mit Schwerpunkt auf der Datenübertragung im baum ausführliche ein im worst-case Auto und in Zukunft die Darstellung im und zum Hinblick ein weitergehen Teil best der auf noch case-szenario Probleme, die aus Ziele könnte. den Innovation die 1980er-Jahren entwickelt, sich durch und wie Qualität. den stammen, es Einsatz mit Danach dem ergeben. von Kabel- Feld- folgt Es Disziplin bereitgestellt, Die mals IT-Technologie von der Mechatronik Mechanik auf die heute seit dominierten zum Beginn niemand Leben der Automobilbau mehr erweckt 1980er verzichten Jahre und viele einen durchlaufen will. neue starken Bekannte Funktionen Aufschwung und dabei Beispiele für die das im junge dafür Auto ehe- sind noch auch gie der der in lange Motor Zukunft Airbag, nicht für die die das ABS/ESP, Informations- KFZ-Industrie Ende der Motorsteuerung Innovation und sein zunehmend und im durch und Automobilbau auch Navigationssystem. derzeit die noch Kommunikationstechnolo- erreicht. unbekannte Vielmehr Damit Funktion- ist wird aber bors nenten In neue diesem der Anreize im Hersteller Beitrag Automobil für wird und den Zulieferer Verkauf anhand erläutert, des und wird welche Beispiels den an Wert dieser Fortschritte der eines Zukunft Vernetzung Automobils die gearbeitet. IT von erzielen. auf Elektronikkompo- diesem In allen Gebiet La- durchlaufen Datenkommunikation Beispiel gestiegene für Zahl IT hat, als von und Innovationsmotor Steuergeräten, wie gesteigert die Qualität werden Sensoren im des Automobil. Autos kann. und durch Stellgliedern Die Sie den hat Datenkommunikation Einsatz mittlerweile eine hohe einer durch Bedeutung neuen die Art ist stark der langt. ein er- 1 Elektronik und Datenkommunikation im Automobil 1 Einleitung

4 Im Der Stand der Technik sind en beiden muss: heutigen Prozessqualität Diese Feldern Automobilbau Felder auftreten und sind Produktqualität. und hat Hardware die gleichermaßen Qualität und Software. Im zwei Hardware-Feld beachtet Felder, Hinzu werden auf kommen denen ist müssen. die sie zwei Reduzierung sich Diese Aspekte, manifestier- Aspekte der die genteilige Zahl Kostenkontrolle. fekt der Komponenten ein allseits anerkannter Faktor zur Qualitätsoptimierung und zur Aufwand Je weniger Teile vorhanden sind, desto seltener kann das Produkt de- Gründen werden. Nichtsdestotrotz geht der Trend seit Beginn des Automobilbaus die ge- Im Richtung: Autos bestehen immer mehr Teilen, dass der notwendige sprogrammierer zur Qualitätssicherung bei gleichbleibender Qualität der Einzelteile aus wird, der Fehlerausfallswahrscheinlichkeit immer mehr ansteigt. Details Software-Bereich steigt i.d.r. mit dem Abstraktionsniveau, das dem Anwendung- seit Aufkommen auch kümmern die Qualität vom der muss. ersten Betriebssystem Leider von Motorsteuergeräte ist ihm auch produzierten und hier festzustellen, darüber und Software, damit liegenden der dass ersten das Middleware sich Abstraktionsniveau Software um viel angeboten im weniger Automobil Übergang nur von einmal Assembler einen Quantensprung auf Hochsprachen-Programmierung. im Abstraktionsgrad gemacht, Seitdem nämlich steigt der beim Abware, Hohe straktionsgrad lung und Prozessqualität d.h. -Wartung die Programme nicht lindern mehr bei der werden in nur Autoproduktion dem diesen Maße immer Umstand, an, größer. wie entsteht die beheben Bessere Komplexität unter Tools ihn anderem aber zur der nicht. Software-Entwick- durch eingesetzen Qualität, Soft- nicht angewandt die beim Testen wird. der Hohe eingebauten Produktqualität Komponenten hingegen und erfordert damit unter hergestellten anderem die Fahrzeuge Klärung weise der außerhalb Frage, ob sich nach der Vernetzung einer mit anderen Komponenten tung neue Fehler durch die Interaktion der Komponenten eingeschlichen haben, die Aktoren, im 90 Jahre Steuergeräten, ist des die 2009 Verbundes Zahl der der Fall wie Kombinationsfehler, nicht sein z.b. kann, Tage bei und einem getreten seiner BMW die noch wären. potentiell der größeren In 7er-Serie einem auftreten Zahl Auto von Maximalausstat- können, mit Sensoren beispiels- bereits und die astronomisch hoch. Ein solches System kann nicht mehr vollständig getestet werden. Solche Andere Teststrategien müssen angewandt werden, was auch der Fall ist. Eigenschaften. In Zukunft ist denkbar, dass die Qualitätsoptimierung und die Kostenkontrolle durch nizing, Anwendung neuartiger Konstruktionsprinzipien wieder etwas einfacher wird. freilich self-repair Konstruktionsprinzipen noch weit Dabei von und steht self-x-komponenten self-documenting. sind für z.b. self-initialization, Der der entfernt. Stand Einbau der von Technik self-configuration, Komponenten im Automobilbau mit self-orga- self-x- ist Nach einer ADAC-Pannenstatistik aus dem Jahre 2004 waren im Jahr davor 40% der DEPARTMENT OF INFORMATICS 2 2 Der Stand der Technik

5 zurückzuführen. ELEKTRONIK UND DATENKOMMUNIKATION IM AUTOMOBIL hatte. Autopannen welchen Seitdem Qualitätsproblemen in ist Oberklassenlimousinen Diese die Situation Zahl die mag durch Automobilindustrie übertrieben eine auf Reihe Fehler von erscheinen, organisatorischen der vor Elektronik einigen aber sie Jahren und zeigt und der zu technischen doch, Software kämpfen mit zurückgegangen. Maßnahmen, wie z.b. dass nicht mehr alles, was machbar ist, auch tatsächlich ins Auto nur eingebaut Werkzeugen hinausgeschoben. wird, besser und Die geworden. Grenzen durch den des Die konsequenten Machbaren Zahl der werden Elektronik- Einsatz aber von durch und Software-Engineering- Software-Fehler diese Maßnahmen ist Kosten Grundlegend neue Paradigmen kamen in der durch Tradition geprägten Autobranche Bandbreiteanforderungen bislang esetzte Kabelbaum nur bei verhalten seiner Erstellung, zur zum Vernetzung bei Einsatz, der Montage Datenkommunikation mit der der und Elektronikkomponenten Folge, Test, dass sowie z.b. zunehmend aufgrund der seit aufgrund von als Jahrzehnten Problem zunehmenden steigender wahrgenommen wird. Man kann sich als Autoentwickler deshalb fragen, warum das so ist, eing- Jahren Die die wie es dazu kam, und wie man es eventuell besser machen könnte. In Tabelle 1 ist dazu Kategorien Entwicklung der Kabelbäume und der Steuergeräte in Automobilen seit den 1950er und stichwortartig zusammengefasst. emplarisch in deren Tabelle Verkabelung den zunehmend 1 Stand erfolgte der Ressourcen-verschlingend im Auflistung Technik, VW Phaeton wie der Kabelbäume aus im dem Jahr 2009 Jahre sind. und Eine auch 2004 Steuergeräte Analyse im beispielsweise unteren der zeigt, Preissegment Steuergeräte dass zeigt beide ex- der richten angekommen Phaeton zahlreiche in rot ist. dargestellt. In Sensoren, figure Von 1 sind Aktoren den die Fahrern Elektronikkomponenten Steuergeräte Autobesitzern ihren und Dienst, meistens ihre Verkabelung verborgen unerkannt unter ver- im Jahr Motorhaube und im Chassis und verbunden durch kilometerlange Kupferkabel Innovation Mercedes schine, reichen zige Kabel Elektronikkomponente Batterie, für im 170V: die Verkabelung Lampen, die ist einzigen das Antennenkabel. Blinker ist des Elektrikkomponenten das ganzen und Autoradio. Zündung. Fahrzeugs Das 40 anspruchsvoll- sind Kupferkabel aus. Lichtma- Die ein- Table 19701: Entwicklung Erste kommenden Koaxialkabel der elektronische Automobilelektrik Autotelefone und Antennen Zündanlagen und erfordern im -Elektronik Auto. in Serienfahrzeugen. die ersten von hochwertigen Die auf- 3 Technical Report IfI-09-05

6 Der Stand der Technik 1980 Jahr Innovation Elektrische und CAN-Feldbus Relais werden Punkt-zu-Punkt-Verbindungen abgelöst. zunehmend Andere durch Feldbusse Steuergeräte wie über z.b. Kabel, LIN und Blinkgeber folgen. durch den Die 1990 Zahl setzt Elektronische ABS der Maßstäbe. Steuergeräte wächst rasant. Die Bosch-Motorsteuerung eine als sind in allen Steuergeräte Autoklassen für Standard. das Motormanagement Software spielt und im für Die Kostenfaktor signifikante immer Rolle. Der mehr Kabelbaum in Erscheinung. tritt als Komponente Auto und 2000 Kabeln 7er-Serie fahrzeuge wie Mercedes mit entsprechend S-Klasse hat vielen bis 80 Steckern Steuergeräten eingebaut; und BMWs 1900 vorzusehen. enthalten beginnen, einige Fahrerassistenz- Glasfaser im und Kabelbaum. Informationssysteme Oberklasse- der tronikomponenten wendigen z.b. Abstandsradar Verkabelung Ca. 4 zu km koppeln. Kupferkabel und bei GPS-Navigationssystem Probleme der sind Software notwendig, entstehen durch die um bei serienmäßig Interaktion alle der auf- Elek der bruch. ESP Für Steuergeräte Fahrzeuge und Airbag wie sind untereinander. Audi allen A8, VW-Phaeton, Automobilklassen Die Qualität BMW erleidet Stand 7er-Serie einen der Technik. und Ein Mercedes und Audi Informationssysteme Q7 und S-Klasse Porsche werden Cayenne angeboten. immer haben aufwendigere 6 km Kabellänge Fahrerassistenz- erreicht Aus und BMWs Rezentralisierung Head-Up Bandbreitegründen Display im sind Kabelbaum zusätzlich integriert. Koaxialkabel für Kameras Zahl wieder 7er-Serie auf ca. der 60 haben Steuergeräte sinkt, bis wodurch 90 beabsichtigt, Steuergeräte. u.a. der Kabelbaum so Es dass ist deren eine kürzer 2010 wird Serienfahrzeuge Kabelbaum und die steigt Kosten mit durch für Elektroantrieb Elektronik die zusätzlich und gehen notwendige Software Produktion. sinken. Energieverkabelung für wichtigen Kupfer, der Automobilelektrik nochmal Kostenfaktor. Kabel in und Gewicht Stecker und und und -Elektronik Volumen deren Einbau erheblich von werden an. Die zu Preise einem Der Table 1: Entwicklung DEPARTMENT OF INFORMATICS 4

7 ELEKTRONIK UND DATENKOMMUNIKATION IM AUTOMOBIL Fig. Ohne wurde, 1: die stellt Elektronikkomponenten neuere sich Feldbustechnologie das Blockschaltbild und Verkabelung der Flexray, Verkabelung die beim VW des Phaeton Phaeton noch in Im Wesentlichen gibt es je einen CAN-Bus (CAN = Controller Automation gemäß rot. für den Antriebsstrang, den Insassen-Komfort und das Infotainmment nicht (=Fahrerinformationssystem). Im Antriebs-CAN sind zusätzlich die wichtigen Fahrerassistenzfunk- Network) 2 dar. figure verwendet Trotz zeug tionen Ausstattungsgrad mit des ESP, hoher mäßigen Servolenkung Funktionalität des Verkaufserfolgs Fahrzeugs, und und Airbag in hoher ist weitere der untergebracht. Qualität Phaeton CAN-Unterbusse auch aus bei technischer Der der Komfort-CAN Vernetzung unterteilt. Sicht ein der ist, gutes Elektronikkomponenten, Intra-Auto-Kommunikation Interconnect und der Software der Network) sog. Intra-Auto-Kommunikation. Steuergeräte. und die MOST für die So (Media Oberklasse sind bis Oriented 6 Aber Feldbusse typischen Systems es zeigen der Probleme Typen Transport) sich der CAN, gerade Verka- nötig, LIN bei Kupferkabel zuständig. Summe alle Steuergeräte Hunderte An sind jedem von in diesem untereinander Steckverbindern Kabelende Auto, sitzt das und keine ergeben. mit Sensoren individueller 5 m Kupfer lang und ist, ist Aktoren Stecker, für jedoch den zu schwer Informationstransfer so koppeln. dass und sich teuer. Ca. in 4 km je Fahr- nach belung (Local der Phaeton Passagier entspricht der und Kabelbaum einen Mehrverbrauch ein Mehrgewicht von ca. von einem halben kg, Liter was Kraftstoff einem halben pro der 100 km bedeutet. Hinzu kommen ca nur für das Halbedelmetall Kupfer, Im 5 Technical Report IfI-09-05

8 Der Stand der Technik sowie Steckern Fig. 2: erhebliche Steuergeräte bedeutet Kosten aber und auch deren für ein die CAN-Busverkabelung erhöhtes Kabel und Potential deren Steckverbinder. für im Fehler, Phaeton. rosion zum der Kabelbaum, Steckerkontakte. durch Weitere den Einbau Kosten des entstehen Baums ins durch Fahrzeug, die z.b. Montage Eine und aufgrund durch hohe der von Zahl den Einzelk- Kor- stets von notwendigen Kabelbaumkomplexität, aufwendig darin enthaltenen wird, Abschlusstest ungefähr Kabel. ab Soll proportional der nach wie die der im Handhabbarkeit Montage. Phaeton zur Kabelbaumgesamtlänge ein Diese hohes des Kosten Kabelbaums Qualitätsniveau sind bis unverhältnismäßig zu und einer erreicht zur gewissen den, Nutzungsausfälle fallen zusätzliche durch Kosten Werkstattaufenthalte, für die Qualitätssicherung da sie die Kunden an. Am verprellen teuersten sind können. Zahl jedoch wer- der Bei sinen erten Fehler den ECUs bis auftreten. Phaeton-Steuergeräten 90. (Electronic Alleine Der aufgrund Controller enthält können dieser Units) bis hohen wie 80 sind bei Steuergeräte, Zahl Software-Fehler jedem von eingebetteten zum heutige Teil häufiger. komplex Oberklasse-Limou- System Hinzu programmi- Softwaremen 1.)Diverse ein- systembedingte und Hersteller dasselbe Schwächen, Auto. liefern Der unterschiedliche Autohersteller wie z.b.: Elektronik tritt nur noch inklusive als Systemintegrator deren Software kom- Zulieferkomponenten stimmungsproblemen auftreten. auf. Dabei können Schwierigkeiten z.b. aufgrund von Ab- von für 2.)Die grammentwicklungswerkzeugen. Software beruht unterschiedlichen Zwar sind Technologien, die Steuergeräte Philosophien von jedem Zulieferer und Pro- DEPARTMENT OF INFORMATICS 6

9 ELEKTRONIK sorgfältig getestet, UND DATENKOMMUNIKATION und die Schnittstellen (Interfaces) IM AUTOMOBIL zwischen den Komponenten 3.)Die entdeckten der Spezifikation Hersteller wurden präzise festgelegt, doch können Unvollständigkeiten der tibel und inkomplette Tests in eingebautem Zustand zu neuen, vormals unzipien Fehlern führen. Übertragungssystem, verwendeten Busse (CAN-, LIN-, FlexRay- MOST) sind völlig inkompakompatible zueinander. Busse Busse grundverschieden. Teilweise untereinander während sind Flexray sogar Daten CAN die austauschen. zeitgesteuert beispielsweise zu Grunde Unzulänglichkeiten ist. liegenden ist Sehr ein oft ereignisgesteuertes Übertragungsprin- müssen bis aber hin zu 4.)Selbst tomobilfirmen Fehlern sie sind damit vorprogrammiert. Die entsprechenden Abteilungen den Aubel haben entsprechende leidvolle Erfahrungen gemacht bzw. machen selben gerade bei der Kopplung von CAN mit Flexray über Gateways. haben. Steuergeräte, die auf derselben Feldbustechnik beruhen, können inkompativerwaltung. sein, Das Herstellers, z.b. Stichwort, Solche wenn Fehler sie wenn das von sind hier sie verschiedenen Probleme besonders einen unterschiedlichen macht, schwer Hersteller lautet zu finden, stammen, Versionen- Software-Revisionsstand weil oder z.b. und im die Varianten- Falle eine Protokollsoftware nicht. bei anderer Hardware-Konstellation oder anderer Betriebssystem- des- 5.)Ein Version mit funktioniert oder Vergangenheit funktioniert hat, die andere aber halb Protokolle der weiteres jeder Peripherie sind Steuergeräte-Software Problem ein und integraler resultiert mit anderen Bestandteil aus darstellt. Steuergeräten folgender aller Die Steuergeräte, Tatsache, notwendigen eine wichtige dass verkomplizieren die Komponente Systemaufrufe Kommunikation inner- diese und 6.)Last-but-not-least, gen ler aber z.b. oder dadurch. aufgrund Neuerungen Bei von der verlangen Systemintegration übersehen Routine Kunden auftreten, hat. und stets oder Marketingstrategen derselben weil Systemintegrator Funktionalität immer können mehr Änderun- Funktionalität zunehmende Zukunft, Fahrerinformations- von da den nur Software-Komplexität Autoentwicklern, dort hohe und Gewinnmargen -assistenzsystemen die eine bewirken. immer locken sehen Aber größere und gerade die damit Vielfalt Premium-Hersteller bei auch fortgeschritte- an die Elektronik Chance, Feh- ihre und Die sich - zumindest für eine gewisse Zeit - von der Konkurrenz abzuheben. Dies übt dass einen immer höheren Druck auf die Steuergeräteentwickler aus, was der Qualität durch geschilderten abträglich das erheblichen Auto auch ist. systemimmanenten Einsatz Zukunft von Ressourcen ein alltagstauglicher Probleme und durch und Unzulänglichkeiten Gegenstand hohe Kosten bleibt. erkauft. Aber sind lösbar, dies wird so auf abseits heitliche Hinzu Barrieren kommt, der Standards ausgetretenen stößt. dass - eine Das oder Umstellung Generalargument Bus-Pfade eventuell sogar der - in Intra-Auto-Kommunikation auf der gegen ein traditionsbewussten ganz Quantensprünge neues Kommunikationssystem, Automobilindustrie in der einfache, Vernetzung- ein- 7 Technical Report IfI-09-05

10 stechnik, neben den hohen Investitionen, die für die erprobten Feldbustechniken Was ist die Zukunft? der CAN Vergangenheit getätigt wurde, ist die folgende Aussage: Wozu soll das gut sein, es Punkt-Verkabelungen geht doch auch so? Dasselbe Argument haben vor 25 Jahren die Entwickler von CAN durchgesetzt. gehört, als sie vorschlugen, Relais und Punkt-zu-Punkt-Verkabelungen im Auto durch Man und Elektronik zu ersetzen. Es ist bekannt, was mit den Relais und den Punkt-zueller geschehen ist: das Bus-Konzept und die Elektronik haben sich Porsche en kann sich fragen, wie der Stand der Technik bei anderen Fahrzeugen ist, die aktuemplarisch als der VW Phaeton sind ist. Die Antwort lautet: Genauso! Der Audi Q7 oder der Automobile Cayenne zum Beispiel haben einen sehr hoher Stand Technik erreicht, fahr- und aber mit 6 km Kupferkabel und u.a. 25 Jahre alter Feldbustechnologie (CAN). Ex- über Stellgliedern Innovation, belegt haben und zwar am bei es VW einen der gilt Kopplung Phaeton Ressourcenverbrauch hohen Stand kann der Steuergeräte man der deshalb Qualität vor untereinander Green das erreicht, folgende IT. aber Green und Resümee geht mit IT Tradition im Sensoren ziehen: Kommunikation seite CAN-Bus Gehör mit Hilfe wieder als bei effizienterer an, ein der um Umschwung Intra-Auto-Kommunikation. zukünftige Technik Probleme der findet verwendeten eher zu vermeiden. auf In Technologie der Zukunft Verbrauchs- steht bei und nach der Schadstoff- Intra-Auto- 25 Jahren lungslabors. Es sind naher Zukunft viele Innovationen bei Mechatronik, bei Fahrerassistenz- Sicherheit bei Fahrerinformationssystemen absehbar. Automatisches Einparken im Parkhaus und Fortgeschrittene autonomes und Fahren Insgesamt weniger Assistenz sind Verbrauch die noch und bereits -informationssysteme mehr und jetzt Mechatronik Emission großenteils zu nötig, erzielen. erreichten brauchen um höheren aber Ziele mehr in Komfort, den und Entwick- bessere mehr tige ibt Kabel mit höherer Bandbreite. Extrapoliert man die sich heute in den Entwicklungspipelines von Automobilindustrie und Zulieferern befindlichen IT-Innovationen, erg- 1.)Autos 2.)Ereignisgesteuerte sich Trend für ( ) die Entwicklung in der der Intra-Auto-Kommunikation: Kabelbäume Steuergeräte der folgende mittelfris- 3.)Das Übertragung Programmieren werden (Flexray) bis 100 Datenübertragung der Steuergeräte abgelöst Steuergeräte werden und (CAN) wird Hunderte zunehmend wird von zunehmend Sensoren/Aktoren komplexer, durch das zeitgesteuerte Abstraktionsniveau der Programmierung wird hingegen auf dem erreichten Level verharren haben 5.)Die 4.)Die AUTOSAR-Kompatibilität habbarkeit Kommunikation Kosten bei und Einbau Aufwand und und Interoperabilität Test für wird Kabelbäume sinkt, deshalb da Kabelbäume zunehmend werden der Software steigen, wichtiger in absehbarer werden während immer Zeit deren wichtiger. sehr Hand- groß, DEPARTMENT OF INFORMATICS 8 3 Was ist die Zukunft?

11 ELEKTRONIK UND DATENKOMMUNIKATION IM AUTOMOBIL 7.)Die 6.)Die schwer gibt Kosten es im und Automobilbau für unhandlich Kommunikations-Software, Stecker und werden immer deren mehr Qualitätssicherung Stecker Systemintegration mit sehr werden vielen steigen. Kontakten und Test Insbesonders werden (>100). zunehmen können. Kommunikation Aus bedarf dieser Auflistung kann man schliessen, dass bereits naher Zukunft Handlungs- erkennen: besteht, um die vorhandene Technologie noch ein paar Jahre weiterführen zu 1.)Die Wagt Kommunikationsanforderungen man erforderlich eine langfristige werdenden ( ) Funktionalitäten, der Fahrerinformationssysteme, Prognose kann über die man folgende der die Intra-Auto- auf Trends Kameraplays Anwenderfreundlichkeit wird haben, bei Radar allen werden Fahrerassistenzfunktionen beruhen stark (=Abstraktionsniveau). zunehmen. und graphische Dies gilt Benutzerschnittstellen sog. Bezug X-by-wire auf Bandbreite, geben, auf großen Latenz d.h. Schal- Dis- und 2.)Es munikation Aufgrund tung, Lenkung, Bremsen, Kupplung, Gas, Scheinwerfer, Bremslichter, Blinker Datenraten u.s.w. dieser werden und höhere niedrigere Trends rechnergestützt Zuverlässigkeit, gilt Latenz es festzustellen, zunehmend seinskalierbarkeit, dass wichtiger Zukunft Flexibilität, werden. für die Intra-Auto-Kom- Interoperabilität, vorherzusagen. Welche Konsequenzen wird dies für die Quantität und Qualität von Verkabelung und bestehenden Software im Auto haben? Hier kann man ein worst-case und ein best-case Szenario entwerfen, das versucht, die Zukunft durch Modellierung zweier Extremsituationen und wendet Beim worst-case-szenario wird davon ausgegangen, dass bereits narios Industrial werden, Datenübertragungstechnologien Ethernet d.h., dass entweder sich substantiell unverändert nichts im oder Auto, ändert. in einer d.h. Die Upgrade-Version CAN, Konsequenzen LIN, MOST, dieses weiterver- Flexray Sze- Jahrsind in Table 1 Zeit aufgelistet. Beim best-case-szenario wird angenomca Innovation Die wechseln, Fahrerassistenzsysteme Kolonnenfahren, Einparken für automatisches in Parklücken Spurhalten, finden Spur- Table 1: Worst-Case zunehmend ner geworden. Szenario mit bereits der Verbreitung. sehr Entwicklung aufwendiger Das der Auto Elektronik Verkabelung ist zum mobilen im bis Auto. 10 Parallelrech- km Länge 9 Technical Report IfI-09-05

12 Jahr Innovation Was ist die Zukunft? ca Das Kameras kann puterindustrie, Alle automatische Einparken im Parkhaus ist in der Serienreife. d.h. im Auto werden zum Standard. Der Bandbreitebedarf Signalkabel nur durch Hinzunahme von LAN-Technologien aus der Com- den Kabeltechnologien Kabelbaum Shielded und Twisted wie heterogen Starkstromkabel z.b. Gigabit-Industrial Pair, sind und im Koaxialkabel, Fahrzeug teuer. sind Ethernet, erforderlich gleichzeitig Glasfaser, gestillt und vertreten, Standard- werden. machen ca Autonomes Maßstäben Elektroantrieb Der Kabelbaum von Fahren auf 2009 ist telematisch hinsichtlich ist ein der mobiler Serienreife. kontrollierten Länge, Supercomputer, Volumen, Das Strassen Auto Gewicht der ist bewegt nach von und einem den wird. Funktionalität können. men, Table dass 1: Worst-Case Preis schächte Design Für ein dieses - technologischer und erforderliche Szenario ein und bedeutsamer durchziehen damit Szenario die wird Kosten Sprung der nutzbares Komplexität Entwicklung das Platzangebot Faktor gesamte darüber einsetzt, Intra-Auto-Kommunikation hinaus der der der im Verkabelung angenommen, bewirkt, Elektronik Automobilbau. im dass im signifikant. und und dass bei Auto. Massive verändern Kabel- gleichbleibender Steuergeräte-Software gleich bleibt oder sogar ansteigt, dass es bei die - wieder Software gleicher Qualität sinken Komplexität Die Wahrheit und dürfte gleichen irgendwo Kosten zwischen wie heute dem ganz best-case- neue Funktionen und dem im worst-case-szenario Auto geben wird. liegen. Fakt fang, ogie Skalierbarkeit ist: vor ein begrenztes Ereignisbasierte 25 Jahren noch Abstraktionsniveau entwickelt keine Feldbusse Fragestellungen wurde, wie als und CAN Funktionsvielfalt, waren. begrenzte haben CAN einen Skalierbarkeit, sollte begrenzten Abstraktionsniveau damals da nur Funktionsum- Punkt-zu-Punkt-Strecken im Auto durch ein Buskonzept ersetzen, was ihre bekanntlich die Technol- auch geglückt ist und einem großen Fortschritt in der Automobiltechnik geführt vielen und Bits, Begrenzte eräten Bytes selber Funktionalität oder dafür Worte sorgen. übertragen und CAN begrenztes alleine werden arbeitet Abstraktionsniveau sollen, nur muss auf die Schicht Software heißt: 1 und falls in 2a den mehr im Steuerg- ISO-7- als hat. Schichten Modell für geschichtete Kommunikation, kümmert sich also nur um nur Bitübertragung ware leider wie das z.b. Abstraktionsniveau CANOpen und den Zugang geschaffen, eines zum Rechnernetzes Feldbus. die jedem Für Steuergerät höhere nicht erreicht. Funktionen installiert wurde sein muss, extra Soft- aber die Begrenzte Änderungen Skalierbarkeit oder Zusätze heißt, zugleich dass in die kleinen jeweils und verwendete in grossen PKWs Technologie eingesetzt nicht werden ohne DEPARTMENT OF INFORMATICS 10

13 ELEKTRONIK kann. eingeschränkt Da die Datenrate die UND modernen DATENKOMMUNIKATION von CAN mechatronische auf unter 1 Systeme Mb/s IM beschränkt von AUTOMOBIL Oberklasse-Limousinen ist, kann man damit nur ansteuern. CAN ein Was alleine wichtiger bei eine einem nicht Modellpalette Punkt mehr Kleinwagen für möglich, die von Wiederverwendbarkeit noch Flexray klein funktioniert, bis ist groß zusätzlich im ist Angebot bei einmal nötig. einem haben, Da entwickelter S-Klasse-Mercedes aber ist praktisch die Kompo- Skalier- alle barkeit mit Autohersteller zeitgesteuert, bestimmt. Fakt nenten ist und weiterhin: Technologien. da viele Der Steuergeräte größte U.a. Teil dadurch ihre des Sensoren werden Datenverkehrs die in Kosten konstanten im Automobil und Zeitabständen die Qualität ist mittlerweile des abfragen Autos werden (Abtasttheorem!). Zeitgesteuerte Feldbusse wie Flexray sind technologisch neuer, kations-software weisen aber dieselben Mängel in Punkto Funktionalität und Skalierbarkeit auf, da sie Man ebenfalls muss deshalb nur sich zunehmend fragen, in Schicht den wie Steuergeräten 1 negativen und die Automobilindustrie 2a im Einfluss haben. ISO-7-Schichten-Modell auf Qualität auf diese und Herausforderungen Kosten abdecken. Kommuni- Feldbusse bei mit firmen Qualität, munikation bestand Funktionalität, reagiert seinerzeit bzw. Abstraktionsgrad reagiert in der breiten hat. Ein Markteinführung wichtiger und Skalierbarkeit Schritt des von Feldbusses in Industrie Intra-Auto-Kom- und FlexRay, Zuliefering) einer 10 MBit/s Variante arbeitet bis zu (CAN 150 MBit/s hat max. Datenrate 1 Mbit/s) aufweist. und des MOST Multimediabusses basiert auf MOST, einer Ringtopologie und 6 und (Data deckt Representation bereits ISO-Schichten Layer) sind nicht 1,2,4,5 oder und nur 7 schwach ab. Die ausgeprägt. Schichten 3 MOST (Rout- der Streams, TDMA unterstützt synchrone hauptsächlich die zeitsynchrone Übertragung von Audio- und Videozur kann aber auch asynchrone Datenpakete übermitteln. Flexray unterstützt die Flexray Übertragung für Echtzeitanwendungen gemäß des Zeitscheibenverfahrens tionalität (Time Division Multiple Access) und kann wie MOST ungenutzte Bandbreite in asynchronen Übertragung verwenden. zur implementiert im Gegensatz zu MOST nur die Schichten 1-2a. Fehlende Funk- Skalierbarkeit und Abstraktion bei der Kommunikation werden durch Anwenderprogramme Protokollschichten. jedem Steuergerät bewerkstelligt. Insgesamt ist FlexRay ist ein guter erster Schritt tionsanforderungen schnellen Echtzeitkommunikation, aber dieser Feldbus hat wie CAN niedrige und und niedrige Datenrate und keine a priori mitgelieferten höheren Einsatzbereich Langfristig reicht deshalb FlexRay für die steigenden Kommunikagrenzt. nicht aus. MOST weist insgesamt mehr Funktionaliät, Abstraktion ist Ähnlichkeit zu einem Rechnernetz auf und ist die interessantere Technologie. Sein bleibt allerdings auf Fahrerinformationssysteme und Infotainment be- der Für harte oder weiche Echtzeitanwendungen und hohe Qualitätsanforderungen TOSAR MOST nicht geeignet. stellung weiterer Software und ist ein Schritt Konfiguration durch wichtiger von AUTOSAR Industrie Schritt von Software-Komponenten, zu und (AUTomotive wiederverwendbarer Zulieferfirmen Open bestand System Auto-Software, die gemäß in ARchitecture). Standardisierung des AUTOSAR- aber die AU- Er- 11 Technical Report IfI-09-05

14 Standards Woher könnte ein technologischer Quantensprung kommen? Nenner Regelwerks mplexität, vorgenommen wurde, erfordert aufgrund des umfangreichen AUTOSARhinaus oder Expertenwissen, vielleicht gerade Zeit deswegen, und Geld. ist Trotz AUTOSAR seines Umfangs der kleinste und gemeinsame seiner Koings dass gemacht viele ist der die AUTOSAR-Spezifikationen Autohersteller wurden. breite Aktzeptanz Praktische und Zulieferer, von Fragen AUTOSAR gemäß nach auf Einfachheit, den noch Prinzipien man nicht sich Robustheit, gesichert. einigen des Software-Engineer- konnte. Speicherbedarf Hinzu Darüber kommt, höherem berücksichtigt. und AUTOSAR Laufzeit, Abstraktionsniveau die integrierbar Nichtsdestotrotz im Auto wichtig ist, bietet, und ist sind, es das die richtig, bessere Qualität wurden dass Funktionalität dabei der ein Software Kommunikationsparadigma, nicht immer für steigern alle Steuergeräte vollem kann. Umfang das auf meistern. Neben den geschilderten technischen haben Autoindustrie und Zulieferfirmen flankierend organisatorische Maßnahmen ergriffen, um die Herausforderungen bei lung neering Qualität, Funktionalität, Abstraktion und Skalierbarkeit der Automobilelektronik zu sich und für für So alle wurde Phasen Komponententest mehr eines und besseres Software-Projekts eingestellt, Personal und für ist die die üblich Einführung Hardware-/Software-Entwick- geworden. von Software-Engi- Schließlich hat dass die Automobilindustrie selber gewandelt. Aus traditionellen Maschinenbauunternehmen diese sie Wandlung aus wurden eigener erzielen abgeschlossen und Kraft wird. werden einen technologischen ist, Mechatronik- kann man jedoch und Quantensprung Software-Produzenten. von der Autoindustrie der Intra-Auto-Ko- Erst erwarten, wenn mmunikation Die der können, gungen, Frage ist deshalb, welche Technologien wir von benachbarten Gebieten, d.h. aus stammt, Prozessautomatisierungstechnik, Rechnertechnik und der Luftfahrt übernehmen dustrial um sie im Auto einzusetzen. BMW beispielsweise macht ernsthafte Anstren- Die Industrial Ethernet, das aus der Rechner- und Prozessautomatisierungstechnik Ethernet im Auto einzusetzen. Es wird deshalb im folgenden die Frage diskutiert, ob Intomobilindustrie Ethernet guter Kandidat für die ISO-Schichten 1-2a ist. unter Punkte, die dafür sprechen, sind seine weite Verbreitung und sein niedriger Preis. usw., die anderem ist mit ein der die de-facto Einführung dahin hohen geht, Standard Investitionen einer bevorzugt und neuen wird Standards für Technologie Mitarbeiterausbildung, noch einzusetzen. lange verbunden bleiben. Die sind, Der Qualitätssicherung Gründe Trend sowie dafür in die der hohen sind Au- Schicht Folgekosten vestitionen Andererseits 1 hat am für gibt man besten Ersatzteilhaltung technische mit geschützt, Kabeln Gründe, da zu etc. Standards tun, Bei die die der gegen bei Verwendung in der 1 Industrial Gbit/s Regel Datenrate eine von Ethernet lange Standards aus Gültigkeit sprechen: 4 sind Doppeladern diese Auf haben. In- DEPARTMENT OF INFORMATICS 12 4 Woher könnte ein technologischer Quantensprung kommen?

15 ELEKTRONIK bestehen, malen UND DATENKOMMUNIKATION IM AUTOMOBIL derzeit dünn also ziemlich dick sind (ca. 0,4 cm). Rel. groß sind auch die erlaubten mini- Industrial Biegeradien. Beides macht die Verlegung im Auto schwieriger als bei den verbinder. verwendeten Signalkabeln. Grundsätzlich gilt, dass Kabel im Auto möglichst italisierten sein sollten, jeden Winkel der Karosserie erreichen zu können. Das ist bei Schwerer Ethernet Ein Auto Kabelbaum des nicht Jahres der nur 2020 Fall. aus nicht Ethernet-Kabeln Hinzu denkbar. kommen ist die deshalb voluminösen auch Ethernet-Steck- einem voll dig- 2a Zugriff noch wiegt die Tatsache, dass nicht echtzeitfähig ist, da die Schicht nur (Medium Ausweg als Punkt-zu-Punkt-Verbindung zweier besteht Access Sender darin, Layer, auf denselben auf MAC) die Buseigenschaften zufallsgesteuert einzusetzen. entscheidet Damit arbeitet. von der Zufall, hätte Ethernet Bei man wer einem zu aber gewinnt. verzichten gleichzeitigen den technologischen Stand erreicht, wie vor der Einführung von CAN herrschte. Um das zu ver- Der und übli- es arbeitet point-of-failure meiden, und weil auch nicht darauf verzichtet werden kann, dass mehrere Sender an aus, denselben Empfänger Daten senden, werden Ethernet-Switches eingesetzt. Ein Es müssen ist das auf Fahrzeug deshalb Schicht dar, besondere 2 wenn im im schlimmsten ISO-Modell. aller Qualitätssicherungsmaßnahmen Verkehr Fall Er über nicht stellt ihn mehr im abgewickelt Auto lenkbar aber und leider wird. getroffen nicht einen Fällt mehr werden, sog. der bremsbar. Switch single- um machbar einen Switch-Ausfall zu vermeiden. Abgesehen vom Platzbedarf, den der Switch hat, Wartungsintervalle zuschaltbar bedeutet dies den Einbau von Backup-Switches, die on-the-fly, d.h. mitten im Betrieb Luftfahrt sind. Das ist aufwendig. Die Luftfahrt-Industrie hat vorgemacht, dass dies Ein ist, allerdings gelten im Flugzeugbau auch andere Kostenrechnungen und (LAN als im KFZ-Bereich. heisst, existierende Lösungen aus der Industrial sind im Auto nicht einsetzbar. Dasselbe gilt für Lösungen aus der Raumfahrt. (ODVA/Rockwell anderer Punkt, der für Ethernet spricht, ist, dass es für keine andere LAN-Technik Modbus-TCP = Local Area Network) so viele Protokolle gibt, wie für Ethernet. Die allein für Fieldbus HSE Ethernet (FF, (Modbus-IDA/Schneider), Automation), Rosemeount) definierten Protokolle EtherCAT und FLNet sind (ETG/Beckhoff), Sercos-III (JEMA/Mitsubishi). Profinet (Sercos/Rexroth), (PNO/Siemens), Powerlink Diese Systeme (EPSG/B&R), EtherNet/IP, Foundation unterscheiden völlig inkompatibel sich hinsichtlich zueinander. ihrer Echtzeiteigenschaften Bei weitem nicht alle deutlich dieser Systeme voneinander sind echtzeit- sind eigene auch fähig, da Echtzeitprotokolle sie oft auf TCP/IP und beruhen. verzichten Echtzeitfähige auf TCP/IP. Dazu Systeme zählen benutzen Profinet aber IO, Powerlink, EtherCAT und SERCOS III. Sie stellen dem Anwender isochrone Zykluszeiten immer nannten Schichten sind auf höherem Abstraktionsniveau zur Verfügung. Zykluszeiten von rund 100 µs Protokollstandard erreichbar, was für viele Echtzeitanwendungen im Auto ausreicht. Die zuletzt geeräten vier Protokolle sind somit für das Auto geeignet, auch wenn sie nicht alle ISO- Die Luftfahrt nicht abdecken. automatisch hat mit gibt, Grundsätzlich AFDX so gewährleistet dass (Avionics die geforderte gilt ist. Full jedoch, Duplexed Interoperabilität dass es Switched keinen zwischen allgemein Ethernet) den anerkannten eine Steuerg- eigene 13 Technical Report IfI-09-05

16 Version Resumee der AFDX hat von zwar Industrial 100 Mbit/s Ethernet Datenrate, geschaffen, verwendet die eine aber Reihe leider von TCP/IP Erweiterungen und ist damit aufweist Protokollseite nicht einsetzbar. Darüber hinaus würde AFDX als Schicht 1 und 2 im Quantensprung Auto den Kostenrahmen sprengen. Die älteren und billigeren Avionic-Lösungen sind Grundsätzlich dagegen allesamt zu langsam: ARINC 429 hat 100 Kb/s, Avionic CAN und MIL Std. net. haben 1 Mb/s und ARINC 629 hat 2 Mb/s. Sie stellen gegenüber CAN keinen Datenübertragungstechnologie dar. Probleme ist Industrial Ethernet aber für bestimmte Anwendungen im Auto geeig- geschilderte Will man wird worst-case-szenario hohe es aber Datenraten niemals Flexray bei momentan ist einigermaßen mit und Industrial unverzichtbar. MOST hoher ganz Ethernet Zuverlässigkeit ersetzen Aufgrund allein können. somit der haben, nicht geschilderten Das eingangs abwendbar. ist als gen die Wie kannte steht es die aus der Rechnertechnik und Unterhaltungselektronik allseits beschaffen für Preis. USB- ein ist. Das Consumer-Elektronik-Umfeld Es und Problem besteht FireWire-LANs? aber ist hier dennoch die Zuverlässigkeit. Sie kein haben Zweifel, und hohe nicht Bandbreiten dass Sie für haben USB den industriellen und eine und Firewire interne einen sehr Auslegung, Einsatz zusammen günsti- ge- Alt mit Bluetooth mehr und mehr im Bereich des Infotainment und der Fahrerinformationssysteme bekannte Datenrate eingesetzt lokale ebenfalls Netze werden stetig aus wird. der weiterentwickelt Computerindustrie Hier treffen sie hat. auf wie den Token MOST-Bus, Ring, Token der sich Bus bzgl. und FDDI seiner Alters (Fibre Distributed Data Interface) wären Echtzeitsicht und aus Zuverlässigkeitsgründen aber als Schicht 1-2 im Auto geeignet. Deren Weiterentwicklung wurde Metropolitan bleiben vor zu jedoch längerem wenig Area höchst miniaturisiert. Netzwork bereits aktuell. abgeschlossen, (MAN) FDDI ist. darüber Die und Prinzipien, ihre hinaus Komponenten nur nach Glasfaser-basiert, denen sind sie aufgrund funktionieren, da es ihres ein Zusammenfassend ISO-Schicht 1 und kann 2 gibt, gesagt die alle werden, Einsatzfälle dass es im derzeit Auto abdeckt. keine wirklich Darüber überzeugende hinaus exis- Quantensprung zwar höhere Echtzeit-Protokollschichten, die für das Auto geeignet sind, sie implementieren aber nicht alle ISO-Schichten 3-7. Gegenwärtige lokale Netze sind deshalb nur für spezielle kann dennoch Anwendungsfälle in den nächsten im Jahren Auto von geeignet. der Prozessautomatisierungs- Ein technologischer Insgesamt wird und generiert Rechnertechnik sich langfristig immer die IT-Technologie fortsetzen. oder neue der Funktionen Luftfahrt Green ist der IT-Lösungen im ausgehen. Innovationsmotor Fahrzeug, Absehbar sind die werthaltig derzeit ist in der bei derzeit sind. Automobilbranche Datenübertra- jedoch Dieser nicht. Trend DEPARTMENT OF INFORMATICS 14 5 Resumee

17 ELEKTRONIK hohen gung im Ressourcenverbrauch Auto noch UND kein DATENKOMMUNIKATION Thema, und vielmehr damit werden einen hohen Funktionsvielfalt IM AUTOMOBIL Preis realisiert. und Qualität Eine durch zur itätssteigerung rcen gleichen können jedoch Zeit bei erreicht der bei Software der werden. Intra-Auto-Kommunikation und der effizienterer Einsatz durch innovative von Hardware-Ressou- IT-Lösungen Qual- 15 Technical Report IfI-09-05

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