Restbussimulation für FlexRay-Netzwerke

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1 Restbussimulation für FlexRay-Netzwerke Fachartikel von: Thomas Waggershauser, IXXAT Automation Weingarten Dr. Robert von Häfen, BMW Group München Im Folgenden werden Möglichkeiten und Vorteile der von der BMW Group und IXXAT gemeinsam entwickelten, echtzeitfähigen Restbussimulation für FlexRay (RBS) vorgestellt und beispielhaft einige Anwendungen der RBS bei der BMW Group aufgezeigt. Prinzip und Aufbau der Restbus Simulation für FlexRay Bei der Entwicklung von Steuergeräten (ECUs), welche über ein Kommunikationsnetzwerk verbunden werden, spielt die RBS eine wichtige Rolle. Mittels einer RBS wird die notwendige bis vollständige FlexRay-Kommunikation von (noch) nicht vorhandenen ECUs kostengünstig simuliert. Die Möglichkeiten der RBS werden auch bei der Teil- und Gesamtsystemintegration eines Kfz-Netzwerks genutzt. Hierbei wird die Kommunikation des noch nicht verfügbaren FlexRay-Netzwerks an der Schnittstelle zum bereits vorhandenen Netzwerk über eine oder mehrere RBSen nachgebildet.

2 Abhängig vom Entwicklungsstadium ergeben sich unterschiedliche Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der FlexRay RBS. Während in einer frühen Entwicklungsphase oft nur das prinzipielle Zusammenwirken einer ECU mit dem Rest des Netzwerks von Interesse ist, wird in den späteren Entwicklungsschritten immer mehr die komplette Funktionsfähigkeit des Netzwerkes gefordert. Modellrechnungen in begrenztem Umfang (z.b. PID-Regler, Kennlinie, Fehlerinjektion) kann eine RBS selbst durchführen. Für rechenintensive Simulationen (z.b. Umgebungsmodell) ist die Kopplung mit z.b. einem Hardware-in-the- Loop-System (HiL-System) erforderlich. Die von der BMW Group und IXXAT entwickelte RBS ist echtzeitfähig, sie basiert auf einem Standard-PC und einem Embedded-System mit FlexRay-Interface von IXXAT (FlexRay CCM). Auf dem Standard-PC laufen die zeitunkritischen Prozesse (Konfiguration, Überwachung, Bedienung/Steuerung usw.), auf dem FlexRay CCM hingegen die zeitkritischen Prozesse (Frame-Befüllung, Alive-Signale, CRCs, Tests usw.). Die RBS wurde erfolgreich in der Entwicklung des ersten Serienfahrzeugs mit FlexRay- Netzwerk eingesetzt, dem BMW X5 mit Adaptive Drive. Für die zukünftigen Fahrzeuge der BMW Group spielt die RBS eine wichtige Rolle sowohl in der Entwicklung als auch bei der Integration und Fertigung. Bild 1: Typischer Aufbau einer FlexRay RBS für die ECU-Entwicklung Die RBS besteht aus folgenden Komponenten: FlexRay CCM als Hardwareplattform für die RBS sowie als Netzwerkinterface, Embedded-Code für die Echtzeit-Tasks auf dem FlexRay CCM, Standard-PC mit Windows-Betriebssystem, RBS-Tool zur Erstellung und optionalen Steuerung der RBS auf dem PC, FIBEX-Datei mit den Netzwerk- und Kommunikationsparametern.

3 FlexRay CCM - Leistungsfähige Hardwareplattform und FlexRay-Interface Das FlexRay CCM (Bild 2) ist eine multifunktionelle FlexRay/CAN Hardwareplattform für verschiedenste Anwendungen für FlexRay und CAN. Aktuell sind verschiedene Lösungen für die Analyse, Diagnose, Simulation und das Verbinden von CAN- und FlexRay-Netzwerken verfügbar. Das FlexRay CCM bietet als Interface den Zugang auf ein FlexRay- und zwei CAN- Netzwerke, als Verbindung zum PC wird Ethernet benutzt. Über zusätzliche Trigger-Ein- und Ausgänge können zusätzliche Messgeräte angesteuert werden. Das FlexRay CCM basiert auf einer PowerPC-Architektur, als Betriebssystem kommt Embedded-Linux zum Einsatz, zeitkritische Aufgaben werden auf Interrupt-Ebene abgearbeitet. Dadurch verfügt das FlexRay CCM über ausreichend Intelligenz und Rechenleistung, um auch "stand-alone", d.h. ohne Anbindung an einen PC eingesetzt zu werden. Auf Basis von Linux bietet das FlexRay CCM eine offene C-API, über welche alle Schnittstellen und Funktionen des FlexRay CCMs gesteuert werden können. Die RBS läuft auf dem PowerPC des FlexRay CCMs und gewährleistet somit, dass die Simulation innerhalb eines definierten Zeitraums reagiert. Bild 2: IXXAT FlexRay CCM - eine universelle Hardwareplattform für FlexRay und CAN Anwendungen

4 Echtzeitanforderungen an die RBS In FlexRay-Netzwerken, wie auch in anderen zeitgesteuerten Bussystemen, erfolgt die Kommunikation in vorab festgelegten Zyklen. Bei FlexRay ist ein Zyklus in den so genannten statischen Bereich, mit fester Telegrammreihenfolge, und dynamischen Bereich, mit variabler Telegrammreihenfolge, aufgeteilt. Die Dauer eines FlexRay-Zyklus kann anhand des FlexRay-Schedules zwischen 10 µs bis 16 ms eingestellt werden. Es können bis zu 64 Zyklen unterschieden werden. Cycle-Multiplexing erlaubt es, verschiedene Telegramme für die verschiedenen Zyklen festzulegen, wodurch die Bandbreite besser genutzt werden kann. Für eine schritthaltende Verarbeitung muss eine Nachricht im Allgemeinen innerhalb ihres Zyklus, je nach Einstellung des FlexRay-Schedules also innerhalb von 10µs bis 16 ms, abgearbeitet werden (Bild 3). Übliche FlexRay-Schedules liegen heute bei Zykluszeiten zwischen 1 und 5 ms. Die RBS gewährleistet die Abarbeitung der Simulationsalgorithmen und die Bereitstellung der Nachrichten innerhalb weniger Millisekunden - somit wird die Antwort auf ein Ereignis im nächsten FlexRay-Zyklus auf den Bus gegeben. Bild 3: Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit der FlexRay-Restbussimulation bei Ausgeben von Antworten spätestens im nächsten FlexRay-Zyklus Erstellen einer FlexRay Restbus Simulation Die RBS wird mit dem RBS-Tool zum Großteil automatisch erstellt. Der Benutzer wählt zunächst eine FIBEX-Datei aus. Über diese wird die Kommunikation im Fahrzeugnetzwerk von den Fahrzeugherstellern beschrieben. Das FIBEX-Format wird durch das ASAM- Konsortium definiert. Das RBS-Tool interpretiert die FIBEX-Datei und erlaubt dem Nutzer auf einfache Weise die Konfiguration einer RBS für seine konkrete Anwendung, z.b. wenn bei der Systemintegration

5 einzelne ECUs nicht verfügbar sind. Falls eine ECU (noch) nicht alle notwendigen Signale bearbeiten kann, können die fehlenden Signale in der Restbussimulation nachgebildet werden. Ebenso kann die Gegenstelle simuliert werden, d.h. die notwendigen Nachrichten für vorhandene ECUs. Diese Funktion kommt insbesondere bei Zulieferern zum Einsatz. Die Konfiguration, d.h. welche Geräte bzw. Nachrichten simuliert werden, kann auf dem PC gesichert und bei zukünftigen Anwendungen wieder geladen werden. Wenn die Konfiguration der RBS fertig gestellt ist, werden automatisch der Programmcode für die RBS erstellt und die Bedien-Panels konfiguriert. Aufbauend auf den Informationen in der FIBEX-Datei werden ein Grundgerüst des Codes sowie grundsätzliche Funktionen generiert, z.b. Alive-Signale. Bild 4: Erstellen der Restbussimulation 1. Auswahl der zu simulierenden Nachrichten und Geräte anhand der Informationen aus der FIBEX- Datei durch den Benutzer 2. Automatische Integration von spezifischen Simulationsalgorithmen (User Code) 3. Automatisches Erstellen des Programmcodes 4. Complieren des Code 5. Download der Simulation auf das FlexRay CCM Spezifische Simulationsalgorithmen werden über User-Code abgedeckt. Beispiele sind die Berechnung bzw. Modifikation von Signalwerten oder der Zugriff auf die anderen Schnittstellen des FlexRay CCMs (CAN, Trigger), um Signalwerte einzulesen oder auch andere Geräte über Trigger oder CAN anzusprechen. Der User-Code besteht aus C- Funktionen für die jeweiligen Steuergeräte, welche im Format ECU.c auf dem PC gespeichert sind. Das RBS-Tool integriert automatisch die C-Funktionen in das erstellte Simulationsgerüst. Nach erfolgter Fertigstellung des Programmcodes wird dieser compiliert und dann per Mausklick auf das FlexRay CCM geladen. Steuerung der FlexRay Restbus Simulation

6 Um die Echtzeitfähigkeit zu gewährleisten wird die RBS auf dem FlexRay CCM ausgeführt. Für die Steuerung stehen folgende Alternativen zur Verfügung: Manuell über das RBS-Tool und die Ethernet-Anbindung des FlexRay CCM, automatisiert über Phyton-Skripte, welche die RBS vom PC aus über Ethernet ansprechen oder mittels User-Code, welcher Informationen z.b. von den CAN- und Trigger- Schnittstellen auswertet. Die FlexRay RBS kann von einem PC gesteuert werden oder auch stand-alone auf dem FlexRay CCM betrieben werden. Wenn die Restbussimulation von einem PC aus gesteuert wird, dient das RBS-Tool als Benutzerinterface. Mit dem RBS-Tool kann die Simulation gestartet, angehalten und beobachtet werden. Ferner können Signale und Telegramme modifiziert sowie Fehler simuliert werden. Beim Erstellen der FlexRay RBS werden automatisch die so genannten FlexPanels konfiguriert. Sie ermöglichen den bequemen Zugriff auf und die Anzeige von Signalen. So können beispielsweise Klemmenstatus, Fahrzeugbeschleunigungswerte oder Geschwindigkeit beobachtet und verändert werden. Da die FlexPanels die Signalwerte vollständig interpretieren, werden physikalische Werte angezeigt bzw. eingegeben. Falls Einheiten in der Fibex-Datei enthalten sind, werden diese ebenfalls angezeigt. Die FlexPanels kommunizieren über Ethernet mit dem FlexRay CCM. Bild 5: FlexPanels bieten einen einfachen Zugriff auf die in der Restbussimulation enthaltenen Signale. Die Signale der simulierten Geräte können gelesen und manipuliert werden. Standalone-RBS Die RBS kann standalone, d.h. ohne eine Steuereinheit (PC), betrieben werden. Wenn das FlexRay CCM aufstartet, Code im Dateisystem vorhanden ist und keine Ethernet-Verbindung existiert, dann startet die RBS automatisch. Somit kann das FlexRay CCM als Simulationslösung auch dann eingesetzt werden, wenn eine Steuerung der Simulation über einen PC nicht möglich oder notwendig ist. Wenn beim Aufstarten des FlexRay CCMs eine Ethernet-Verbindung aufgebaut wird, kann die stand-alone RBS vom PC gesteuert werden. Anwendungen der FlexRay RBS bei der BMW Group

7 Die RBS ist bei der BMW Group und in Projekten bei Zulieferern seit ungefähr einem Jahr im produktiven Einsatz. Mittlerweile sind über 100 verschiedene RBSen im Einsatz sein. Das Anwendungsspektrum umfasst ECU-Entwicklung, ECU-Funktionstests, ECU-Ersatz für Fehlersuche, Teil- sowie Gesamtsystemintegration, Fehlerinjektion, Messtechniktests, Flash- /Diagnosetests, Prüfstandseinsatz, Schulungen, Untersuchungen zur Busphysik und andere Anwendungen. Im Folgenden werden ein einige konkrete Beispiele kurz vorgestellt: Anwendungsbeispiel 1: Ein Zulieferer entwickelt für die BMW Group eine ECU mit FlexRay-Anschluss und benutzt für die Entwicklung eine RBS zur Simulation der Gegenstellen der ECU. Die hierzu erforderlichen Konfigurationsdateien der aktuellen Integrationsstufe erhält der Zulieferer von der BMW Group. Damit kann er die FlexRay- Kommunikation der ECU mit dem restlichen FlexRay-Bus ohne großen Aufwand testen. Die Tests werden teilweise automatisch durchgeführt. Anwendungsbeispiel 2: Eine Standalone-Variante der RBS findet bei der BMW Group in Motorprüfständen Anwendung (Bild 6). Ein FlexRay-Netzwerk muss über mindestens 2 Startup-Knoten verfügen, um die notwendige Systemzeitbasis bereitzustellen. Außerdem müssen die übertragenen Signale bestimmte Werte haben. Die Standalone-RBS auf einem FlexRay CCM sorgt für den Start und den gewünschten Betriebszustand des FlexRay- Netzwerks durch das Bereitstellen von zwei Startup-Knoten mit den entsprechenden Signalen. Eine Aktualisierung des Prüfstands (z.b. neuer Schedule) kann auf einfache Weise durchgeführt werden, da hierzu lediglich die entsprechenden Dateien über Ethernet auf das FlexRay CCM kopiert werden müssen. Anwendungsbeispiel 3: Bei der Fehlersuche wird eine ECU durch eine FlexRay RBS zur Fehlereingrenzung ersetzt. Da sich mit einer RBS ein gewünschtes Szenario im Allgemeinen wesentlich schneller und einfacher realisieren lässt als mit einer ECU, können die Entwicklungskosten reduziert werden. Anwendungsbeispiel 4: Neue FlexRay-Messtechnik wird bei der BMW Group mit Hilfe einer RBS auf Korrektheit untersucht. Es werden verschiedene FlexRay-Tools an eine RBS angeschlossen und die Ergebnisse verglichen. Auf diese Weise kann die geforderte Qualität der Messtechnik sichergestellt werden.

8 Bild 6: Motorenprüfstand bei der BMW Group mit FlexRay RBS. Funktionelle FlexRay Restbus Simulation mit dem IXXAT multibusanalyser Eine weitere Möglichkeit der RBS stellen PC-basierende Lösungen für weniger zeitkritische Anwendungen dar. Der Einsatz der funktionellen RBS ist für zeitunkritische Anwendungen sowie für ereignisgesteuerte Netzwerke wie CAN sinnvoll. Eine solche Lösung steht mit dem IXXAT multibusanalyser mit integriertem Scripting-Host zur Verfügung. Der Scripting Host ermöglicht eine detaillierte Analyse von Netzwerkdaten, die Weiterverarbeitung bzw. Manipulation von Signalen sowie eine funktionelle Simulation von Netzwerkknoten.Da der Scripting-Host auf der Microsoft.NET Technologie basiert, können Skripte in den wichtigsten.net Sprachen, C# und VisualBasic.NET codiert werden. Zudem können beliebige Entwicklungsumgebungen für die Erstellung der Skripte eingesetzt werden. Die erforderlichen Entwicklungsumgebungen sind als freie Software verfügbar. Ausblick Die RBS für das FlexRay CCM wird ständig von IXXAT weiterentwickelt, um zukünftigen Anforderungen gerecht zu werden. Als nächstes werden die folgenden Leistungsmerkmale realisiert:

9 Integration einer CAN-RBS Im RBS-Tool können in der FIBEX-Datei zusätzlich zu den FlexRay-ECUs bzw. Signalen auch ECUs bzw. Signale für die CAN-Fahrzeugnetzwerke hinzugefügt werden. Die RBS läuft wie bisher auf dem FlexRay CCM und unterstützt dann die gleichzeitige Simulation von FlexRay- und CAN-Signalen. Unterstützung beliebig vieler FlexRay-Sendenachrichten Um beliebig viele FlexRay-Nachrichten senden zu können, werden vom RBS-Tool automatisch, mehrere FlexRay CCMs als RBS-Plattform konfiguriert. Der RBS-Code wird entsprechend für mehrere FlexRay CCMs generiert und auf die verschiedenen Zielgeräte geladen. Somit wird die Erstellung einer RBS mit sehr vielen Sendenachrichten deutlich erleichtert. Fazit Mit der RBS auf Basis des FlexRay CCMs, steht eine bei der BMW Group und den Zulieferern erfolgreich in der Praxis erprobte, leistungsfähige und kostengünstige Lösung für die Entwicklung und für den Tests von FlexRay-ECUs, als auch für den Integrationstest von FlexRay-Netzwerken zur Verfügung. Damit konnte ein weiterer wichtiger Meilenstein in Bezug auf den Einsatz der FlexRay-Technologie in Fahrzeugkommunikationssystemen erreicht werden.