Analyse und Restbussimulation für FlexRay-Netzwerke

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1 Analyse und Restbussimulation für FlexRay-Netzwerke Zeitgesteuerte Systeme wie FlexRay erfordern eine sorgfältige vorausgehende Planung aller Kommunikationsparameter, über die u.a. festgelegt wird welche Nachrichten zu welchen Zeitpunkten von den Teilnehmern zu senden und zu empfangen sind. Für Analyse- und Testsysteme bedeutet dies, dass je nach Aufgabe im Netzwerk der Analysebzw. Simulationsknoten unterschiedlich konfiguriert werden muss. Neben der Konfiguration des Nachrichtenaustausches ist die richtige Ankopplung von Flex- Ray-Messgeräten von großer Bedeutung, da dies erhebliche physikalische Rückwirkungen auf ein FlexRay-Netzwerk haben kann. Je nach Netzwerk-Topologie sind nur bestimmte Messstellen zulässig, bei denen die Rückwirkung auf das Kommunikationssystem minimal ist. Fehlen in einem FlexRay-Netzwerk Steuergeräte und müssen diese simuliert werden, also eine Restbussimulation durchgeführt werden, so sind hohe zeitliche Anforderungen bezüglich der Antwortzeiten der Restbussimulation zu erfüllen. Da die zu verarbeiteten Prozesse über die zeitgesteuerte Kommunikation getriggert werden, müssen geeignete Mechanismen sicherstellen, dass die Simulation innerhalb definierter Grenzen durchgeführt wird und Fehler oder Zeitverletzungen sicher erkannt werden. Der vorliegende Beitrag diskutiert die Konfiguration von FlexRay-Analyse- und Simulationsknoten und erläutert die Anforderungen an die FlexRay-Restbussimulation und Analyse. Es werden Lösungsansätze auf Basis einer offenen FlexRay- und CAN-Hardwareplattform vorgestellt. Der Anschluss von Analyseknoten an das FlexRay-Netzwerk Vor jeder Analyse eines FlexRay-Netzwerkes ist zunächst zu klären an welcher Stelle des Netzwerkes das Analyseinterface angeschlossen werden soll damit die Rückwirkung des Analysegerätes und deren Messleitungen auf das Netzwerk minimal ist. Da die Leitungslänge des FlexRay-Netzwerkes eine zentrale Bedeutung für eine Reihe an Parametern z. B. für die Synchronisation ist, gilt der Grundsatz: So kurze Messleitungen wie möglich. Die Ausnahme bildet hierbei die aktive Sterntopologie, hier kann die Ankopplung an einen freien Sternpunkt erfolgen. Bei Baum- oder passiven Sterntopologien haben sich kurze Y-Leitungen, bei der direkt vor einer ECU der Messkopf eingebracht wird, bewährt (Bild 1). Daher ist es vor allem in bereits verbauten Netzwerken notwendig das Messgerät möglichst nah an das Netzwerk bringen zu können. Angeschlossene Verarbeitungseinheiten wie PCs können über geeignete PC- Kommunikationsstrecken an den FlexRay-Analyseknoten angebunden werden. IXXAT Automation GmbH Seite 1 von April 2006

2 Bild1: Physikalische Ankopplung eines FlexRay-Interfaces an einen passiven Baum bzw. einen aktiven Stern Konfiguration von FlexRay Analyse- und Restbussimulationsknoten In zeitgetriggerten Systemen ist die Zuordnung von eindeutigen zeitlichen Parametern Zeittrigger zu Nachricht, Sendequelle und Nachrichtensenke erforderlich. Bei FlexRay wird die zeitliche Festlegung einer Nachricht über den Slot-ID der Zyklusnummer bzw. Zyklus- Wiederholung und Zyklus-Offset beschrieben. Die Gesamtheit aller Nachrichten in einem FlexRay-System lässt sich als Matrix über Slot-ID und Zyklusnummer darstellen, den so genannten FlexRay-Schedule. Bild 2 verdeutlicht die Konfiguration anhand eines Beispiels. Jeder einzelne Teilnehmer muss je nach Zuordnung der Sende- und Empfangsnachrichten einen Teil des FlexRay-Schedules wissen. Darüber hinaus sind grundsätzliche zeitliche Basisgrößen des Schedules allen Teilnehmern des Systems innerhalb ihrer Konfiguration bekannt. Der in Bild 2 dargestellt FlexRay-Analyseknoten soll alle Nachrichten des angeschlossenen Bussystems empfangen und analysieren können. Hierfür ist es ausreichend, die Basisgrößen des FlexRay-Schedules zu kennen. Da in einem Analyseknoten Empfangspuffer oder FIFOs so eingestellt werden können, dass alle Nachrichten empfangen werden, müssen die Informationen über die Zeitpunkte und Anzahl der Nachrichten nicht vorliegen. Ausreichend ist die Hinterlegung des Schedules im PC-Analysesystem. Hier kann eine Überprüfung der Nachrichten auf Fehler erfolgen und angezeigt werden. Sollen in FlexRay-Netzwerken Funktionen durch Analyse- oder Testgeräte angestoßen werden, d. h. dass diese Geräte selbst FlexRay-Nachrichten senden sollen, so ist dies bereits in der ursprünglichen Planung der FlexRay-Netzwerke zu berücksichtigen. Sende- und Empfangsnachrichten und deren Parameter sind daher für die gewünschten Funktionen zu reservieren. IXXAT Automation GmbH Seite 2 von April 2006

3 Bild 2: Konfiguration eines Analyse-Interfaces für den Empfang aller FlexRay-Nachrichten Bei der Restbussimulation soll der FlexRay-Analyseknoten Teile des Kommunikationssystems nachbilden, so dass ein funktioneller Test von einzelnen oder mehreren Steuergeräten möglich ist. Für einen FlexRay-Analyseknoten bedeutet dies, dass nun die Teile des FlexRay- Schedules konfiguriert werden müssen, die den zu ersetzenden Teilnehmern entsprechen. Hierfür wird eine übergeordnete Beschreibung aller Kommunikationsparameter und -Beziehungen benötigt. In der Vergangenheit wurde dies durch proprietäre Lösungen realisiert. Für eine geeignete Darstellung aller relevanten Größen eines KFZ-Netzwerkes steht nun FIBEX zur Verfügung. FIBEX: ASAM-Standard zur Beschreibung von Netzwerken Im Rahmen eines ASAM-Standards haben die OEMs BMW und DaimlerChrysler sowie namhafte Tool-Hersteller einen Standard definiert, der die umfassende Beschreibung aller Bordnetze in Fahrzeugen in Form eines E-R-Diagramms (Entity-Relation) erlaubt. Neben der Topologieinformation mit der die ECUs und deren Verbindungen physikalisch beschrieben werden können, sind Informationen zu Gerätefunktionen und zugehörigen Applikationsgrößen (Signalen) verankert. Ebenso wie die Signale als Ein- und Ausgangsgrößen den ECUs zugeordnet sind, ist auch deren Codierung und Einordnung in Nachrichten (Signalmapping) beschrieben. Die Nachrichten in denen die Signale versendet werden sind mit allen notwendigen Parametern hinterlegt (siehe auch[1]). Für Tools ist somit das vollständige Netzwerk durch ein zugehöriges FIBEX-File beschrieben und sowohl für die Analyse als auch für die Restbussimulation ausreichend. Die Konfiguration des Analyseknotens für die Restbussimulation kann nun durch Auswahl der zu simulierenden Kommunikationsbeziehungen auf Basis IXXAT Automation GmbH Seite 3 von April 2006

4 der FIBEX-Informationen erfolgen. Die Verarbeitung von FIBEX-Netzwerkbeschreibungen ist somit ein zentrales Bindeglied für eine herstellerübergreifende FlexRay- und CAN- Toollandschaft. Echtzeitanforderungen an die FlexRay-Restbussimulation Die zentrale Aufgabe einer Restbussimulation besteht in der Bereitstellung von Nachrichten von nicht vorhandenen und daher zu simulierenden Steuergeräten. In den meisten Fällen wird eine Reaktion auf Nachrichten von den angeschlossenen Steuergeräten erwartet und daher muss die Restbussimulationseinheit zumindest teilweise Modelle verschiedener Funktionsgruppen, lokaler Größen oder Regler realisieren können. Der Unterschied zu einer CAN- Restbussimulation besteht im wesentlichen durch die enge Limitierung der Zeit die zur Berechnung von Antwortnachrichten zur Verfügung steht. Sie ist gegeben durch den Empfangszeitpunkt einer Nachricht zu einem bestimmten Zyklus und Slots, der Zeit für die Berechnung der Antwortnachricht und deren Bereitstellungszeitpunkt an den FlexRay- Kommunikationscontroller, damit die Nachricht zum vorgesehenen Sendezeitpunkt versendet werden kann. Liegen Empfangszeitpunkt, auf die zu reagierende Nachricht und Bereitstellungszeitpunkt der Sendenachricht innerhalb eines oder zweier Zyklen, so steht für die Verarbeitung der FlexRay-Nachricht, der Ausführung des Simulationsalgorithmus sowie der Bereitstellung der resultierenden Nachricht nur wenige ms zur Verfügung. Bild 3 verdeutlicht die möglichen Responseszenarien bei der FlexRay-Restbussimulation. Da sichergestellt werden muss, dass die Responsenachricht zu einem festgelegten Zeitpunkt vorliegen muss gelten sehr harte Echtzeitbedingungen für die FlexRay-Restbussimulation. Für statische Systeme ist die Einhaltung solcher Echtzeitbedingungen einfach zur Designzeit realisierbar, ein Restbussimulationssystem erhält jedoch erst zur Laufzeit den vollständigen Code der Simulation, der zusätzlich dynamisch nachgeladen werden können soll. Daher muss durch zusätzliche Maßnahmen festgestellt werden können, dass die Echtzeitbedingungen auch tatsächlich eingehalten worden sind. Dies kann z. B.: durch eine Deadline-Analyse erfolgen. Über die Deadline- Analyse kann erkannt werden, ob die Restbussimulation innerhalb der vorgeschriebenen Zeit erfolgt ist. Für Simulationen, an die hohe Anforderungen bezüglich der Responsezeit gestellt werden, kann eine Restbussimulation in der Regel nur direkt auf der lokalen Analyseplattform erfolgen ( Embedded Restbussimulation ). Nur Vorgänge bei denen keine Echtzeitanforderungen vorliegen können PC- gestützt erfolgen. In aller Regel ist es wünschenswert, bei der Restbussimulation über Benutzeroberflächen zur Manipulation der zu sendenden Daten sowie über eine Visualisierung zu verfügen. Bei einer PC-gestützten Restbussimulation ist dies naturgemäß einfach realisierbar, die Embedded Restbussimulation benötigt hierfür eine zusätzliche Datenschnittstelle über die z. B. Parameter an den Simulationsalgorithmus übergeben oder ausgelesen werden können. Somit sind die Vorteile der Echtzeit auf der embedded Plattform und die Bedien- und Visualisierungsmöglichkeiten des PCs optimal kombiniert. IXXAT Automation GmbH Seite 4 von April 2006

5 Bild3: Mögliche Response-Szenarien der FlexRay-Restbussimulation Zum Starten eines FlexRay-Netzwerkes ist das Vorhandensein von mindestens zwei so genannter Cold-Starter-Knoten notwendig. Sind im verbleibenden Netzwerk nur Integrations- Nodes, so sind neben der Bereitstellung der Nachrichten der zu simulierenden FlexRay Teilnehmer darüber hinaus zwei Cold-Starter-Knoten bereitzustellen. Durch geeignete Erweiterung des FlexRay Analyseknotens "FlexRay CCM" kann dies von einer einzigen Einheit bereitgestellt werden. Die Analyse von FlexRay-Netzwerken Neben den aus der CAN-Vernetzung bereits bekannten Anforderungen an Analysesysteme sind bei der Analyse von FlexRay-Netzwerken zusätzliche Anforderungen zu erfüllen. Ein wesentlicher Punkt hierbei ist die Analyse des Aufstartverhaltens; hierfür ist bei den FlexRay Analysewerkzeugen ein sogenannter asynchroner Mode notwendig. Im Wesentlichen erfolgt in diesem Mode eine vom FlexRay-Kommunikationscontroller getrennte Abtastung des Busses und eine lokale Interpretation des Bitstroms, und zwar solange, bis der lokale Kommunikationscontroller über FlexRay synchronisiert ist. Eine weitere wichtige Funktion ist die zeitsynchrone Analyse von FlexRay- und CAN- Netzwerken, da in der Regel in FlexRay Applikationen Gateways zu untergelagerten CAN- Netzwerken integriert sind bzw. über lokale CAN-Schnittstellen weitere Analysedaten abzugreifen sind. Sinnvoll ist hierbei die Bildung der gemeinsamen Zeit bereits auf der Analyseplattform. Der IXXAT MultibusAnalyser stellt auf Basis des PC-Interfaces für FlexRay und CAN (FlexRay CCM) ein Tool für die Analyse mit voller FIBEX-Unterstützung zur Verfügung. Er basiert auf einer offenen Programmierschnittstelle und stellt die Informationen und Dienste der angeschlossenen Bussysteme FlexRay und CAN dem PC- Analysesystem zur Verfügung. Analysefunktionen werden über Module abgebildet. So werden für verschiedene Analyse- IXXAT Automation GmbH Seite 5 von April 2006

6 funktionen, wie das Aufzeichnen des Nachrichtenverkehrs der angeschlossenen Bussysteme, Monitoring und Signalanalyse spezifische Module bereitgestellt.. Mit Hilfe der vollständigen Netzwerkbeschreibung aus der FIBEX-Datei können nun die Cluster mit ECU zugehörigen Nachrichten und Signalen dargestellt werden. Eine schnelle Zuordnung von Signalverläufen und Nachrichten zu Geräten ist somit sowohl für FlexRay als auch für CAN möglich. So können auch FlexRay-CAN Gatewayapplikationen erfolgreich analysiert werden. Neben der Analysefunktion stehen auch eine Reihe verschiedener Stimulationsmodule für FlexRay und CAN zur Verfügung. Die Schnittstelle des Servers des MultibusAnalysers ist als offene.net Schnittstelle ausgeführt, so dass auf einfache Weise kundenspezifische Analyse-Module realisiert werden können. Zusammen mit dem Scripting Host können C# Scripte im MultibusAnalyser Kontext gestartet werden. Auf Basis von C# Scripten können so beliebige Analyse und Stimulationsfunktionen realisiert werden. Der besondere Vorteil der in.net Technologie realisierten Umgebung ist die Verwendung standardisierter Sprachen und somit eine breite Unterstützung. So stehen den Nutzer dieser Technologie eine Vielzahl an unterschiedlichen Modulen im Internet zur Verfügung [2]. Damit lassen sich auch sehr spezifische Lösungen in kurzer Zeit realisieren. Weitere Vorteile liegen in der kostenlosen Verfügbarkeit von C# Entwicklungssystemen [3]. Analyse und Restbussimulation als kombiniertes Tool Die Restbussimulation und Analyse von FlexRay-Netzwerken sind während der Entwicklung von Steuergeräten ergänzende Funktionen. Daher kann die Restbussimulation im MultibusAnalyser vollständig integriert werden. Hierbei steht sowohl die Schnittstelle zur Embedded Restbussimulation als auch die Schnittstelle für die PC-gestützten Funktionen zur Verfügung. Über ein Erweiterungspaket für den MultibusAnalyser werden die Informationen aus der FI- BEX-Datei den Scripten als globale Variablen zur Verfügung gestellt, so dass eine Signalinterpretation weder durch Funktionsaufrufe noch durch Code erfolgen muss. Ebenfalls steht eine erweiterte Environment-Schnittstelle mit Notification Interface zur Verfügung, so dass beliebige Scripte und Module miteinander kommunizieren können und auch Funktionen ereignisorientiert aufgerufen werden. (Bild 4) Mit Hilfe des MultibusAnalysers und der FR-Restbussimulation sowie der offen FlexRay- Hardwareplattform "FlexRay CCM" lassen sich somit leistungsfähige echtzeitfähige Restbussimulationen mit gleichzeitiger FlexRay-Analyse auf Basis standardisierter Technologien realisieren. IXXAT Automation GmbH Seite 6 von April 2006

7 Bild 4: Kombinierte embedded Restbussimulation und Analyse von FlexRay-Netzwerken Offenes FlexRay- und CAN-Interface für verschiedene Anwendungen Über das IXXAT PC-Interface für FlexRay und CAN "FlexRay CCM" steht PC-gestützten Systemen ein leistungsfähiges und offengelegtes Interface zu FlexRay und CAN Netzwerken zur Verfügung. Die Hardwareplattform verfügt über eine FlexRay-Ankopplung und zwei CAN Kanäle und garantiert die Analyse aller Bussysteme selbst bei voller Buslast. Dies wird durch ein Mehrkontrollersystem erreicht bei dem Echtzeitaufgaben von der breitbandigen Datenverarbeitung entkoppelt sind. Die Hardwareplattform wird über Ethernet TCP/IP an den PC gekoppelt. Das Interface unterstützt dieasynchrone Analyse des FlexRay-Aufstartvorgangs und verfügt über konfigurierbare Triggeraus- und -eingänge. Für die offene Plattform sind neben der Analyse und Restbussimulation auch Softwarepakete anderer Hersteller für Kalibrieraufgaben (INCA [6]) sowie für FlexRay Diagnose (DTS [7]) erhältlich. IXXAT Automation GmbH Seite 7 von April 2006

8 Weitere Informationen [1] MCD-2 [FBX] Version 1.1 FIBEX Field Bus Exchange Format [2] [3] The Open Source Development Environment for.net [4] Multibus-Analyser for FlexRay [5] FlexRay CCM PC-Interface for FlexRay and CAN [6] [7] [8] Autor und Referent Dipl.-Ing. Roman Hofmann ist bei der IXXAT Automation GmbH als Produktmanager tätig. Er ist verantwortlich für die Hard- und Softwareprodukte im Automotive-Bereich. IXXAT Automation GmbH Leibnizstr Weingarten Roman Hofmann Tel.: 0751/ Fax: 0751/ IXXAT Automation GmbH Seite 8 von April 2006