FlexRay. Eine Übersicht über die neue Datenbus-Generation für den Automobil-Bereich. HTI Burgdorf Fachbereich Elektro- und Kommunikationstechnik

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1 FlexRay Eine Übersicht über die neue Datenbus-Generation für den Automobil-Bereich HTI Burgdorf Fachbereich Elektro- und Kommunikationstechnik Projektarbeit Embedded Control Burgdorf, Januar 2006 Dozent: M. Felser Autoren: Ulrich Niggli Klasse: E3a

2 FlexRay Seite 1 von 15 I. Zusammenfassung Die aktuelle im Automobil-Bereich eingesetzten Bussysteme sind den Anforderungen der Zukunft nicht mehr gewachsen. Aus diesem Grund hat sich im Jahr 2000 ein Konsortium aus Firmen der Autoindustrie und der Halbleiterindustrie zusammengeschlossen. Ziel des Konsortiums ist die Definition eines seriellen, fehlertoleranten und deterministischen Bussystems für die Zukunft unter der Bezeichnung FlexRay. Dieses soll bei aktiven Sicherheits- und Drive-By-Wire-Systemen sowie bei Telematikanwendungen eingesetzt werden. Für den Entwickler werden Controller angeboten welche verschiedene Dienste anbieten um den Bus ansteuern zu können. Spezielle Eigenschaften auf Protokollebene sind die Möglichkeit verschiedenste Netzwerktopologien nutzen zu können sowie eine Kombination aus statischem und dynamischen TDMA 1. II. Abstract The bus systems which are currently used in automotive electronics are not able to meet future demands. For this reason, in the year 2000 companies from the automotive and the semiconductor industry founded the FlexRay consortium. The goal of this consortium is the definition of a serial, error-tolerant and deterministic bus system for the future of automotive electronics. It will be used in active security systems, drive-by-wire systems and telematic applications. For the developer there will be controllers which offer various services to access the bus. Special features on protocol layer are the possibility to use many different network-topologies and a combination of static and dynamic TDMA. 1 Time Division Multiple Access, siehe Kapitel 5 Abschnitt 2

3 FlexRay Seite 2 von 15 III. Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Geschichte Zeitliche Entwicklung Technologische Entwicklung Markt und Einsatzgebiete Anwendungsmodelle Services Technologie Aufbau eines Rahmens Zugriffsverfahren Datenrate Synchronisierung Netzwerktopologien Installationstechnik Bitübertragungsschicht Kabel und Stecker Anhang A Quellenverzeichnis...14

4 FlexRay 1. Kapitel: Einleitung Seite 3 von Einleitung Die Anforderungen an die Vernetzung in Automobilen ist in den Jahren stark angestiegen. In der nahen Zukunft wird die Mechatronik viele mechanische Systeme im Auto ersetzen, und durch Drive-by-Wire Systeme wird die benötigte Bandbreite, Echtzeitfähigkeit und Ausfallsicherheit nochmals eine grosse Zunahme erleben. Um diese neuen Herausforderungen meistern zu können, wurde im Jahr 2000 von den Firmen BMW, DaimlerChrysler, Motorola und Philips das Flexray-Konsortium gegründet. Sie setzten ihre Erfahrungen und Entwicklungskapazitäten ein um mit FlexRay ein serielles, fehlertolerantes und deterministisches Bussystem zu entwickeln welches den Anforderungen der Zukunft gewachsen sein soll. Da das System noch nicht voll einsatzfähig ist, wird dieser Bericht etwas anders ausfallen als Berichte über andere Bussysteme. Der Schwerpunkt liegt mehr bei der Geschichte und den bisherig definierten Spezifikationen, die momentanen Anwendungen und die Installationstechnik musste reduziert werden.

5 FlexRay 2. Kapitel: Geschichte Seite 4 von Geschichte 2.1 Zeitliche Entwicklung Nach ihren Untersuchungen mit den bisher verwendeten Bussen realisierten die (zukünftigen) Gründungsfirmen, dass die bisherig verwendeten Systeme den Anforderungen der Zukunft nicht gewachsen waren. Auf der Basis von byteflight, welches von BMW in passiven Sicherheitssystemen wie Airbags eingesetzt wurde, begannen die Arbeiten an FlexRay. Der neue Bus sollte aber auch bei aktiven Sicherheitssystemen eingesetzt werden können und musste daher in Bezug auf zeitlichen Determinismus und Fehlertoleranz weiterentwickelt werden. Zudem sollte eine höhere Bandbreite und eine Ausfallsicherheit eingebaut werden. Das neue Bussystem sollte also die Eigenschaften der bisherigen Busse kombinieren, um die grosse Anzahl verschiedener Busse in einem Fahrzeug zu reduzieren. Die Anforderungen entstehen aus: - Drive-By-Wire-Systeme Ausfallsicherheit und Fehlereindämmung - Fahrwerk-Systeme zeitlicher Determinismus - Antriebsstrang-Systeme hohe Bandbreite - Verwendung als Basisnetz hohe Bandbreite und Flexibilität Zudem sind standardisierte Interfaces nötig, und die Entwickler müssen Zugang zu Entwicklungsmethoden und -tools haben. Der Standard soll auch den Anforderungen der fernen Zukunft standhalten und erweiterbar und flexibel sein Analyse: CAN/MOST/TTP (Alle Firmen) und byteflight (BMW) 1998 Beginn der Kommunikation zwischen BMW und DC 1999 Realisierung: zukünftige Anforderungen durch existierende Protokolle nicht erfüllt seit 1999 Konsequenz: Start der Kooperation 2000 Gründung des FlexRay-Konsortiums durch BMW, DC, Motorola, Philips seit 2000 Realisierung des FlexRay-Systems mit Halbleiterindustrie zusammen 10/2000 Bosch tritt dem Konsortium bei 09/2001 General Motors tritt dem Konsortium bei 2002 Ford, Mazda und Fiat treten als Premium Associates bei (nicht in Kerngruppe) Q3/2003 Volkswagen tritt dem Konsortium bei Q4/2003 Toyota, Honda, Nissan treten als Premium Associates bei 06/2004 Release von FlexRay Spezifikationen, SW & Tools an Öffentlichkeit Q3/2004 PSA und Renault treten als Premium Associates bei Nach und nach realisierten die meisten Automobilhersteller, dass FlexRay eine grosse Zukunft hat. Sie traten entweder als Core-Member (definieren die Anforderungen und entwickeln die Hard- und Software), als Premium Associates (dürfen in Konsortiums-Abstimmungen abstimmen, dürfen Technologie benutzen) oder als normale Associates, welche zwar zwar alles benutzen dürfen und Zugriff auf Informationen haben, aber keine Entscheidungen treffen können.

6 FlexRay 2. Kapitel: Geschichte Seite 5 von 15 Abb. 1, Mitgliederliste aus [1] Man kann sagen, dass mittlerweile praktisch die ganze Auto-Industrie Mitglied ist und FlexRay für die Zukunft hält.

7 FlexRay 2. Kapitel: Geschichte Seite 6 von Technologische Entwicklung Heute, also Anfang 2006, stehen Software- und Hardwaretools der Allgemeinheit zur Verfügung. Ausserdem ist die Protokoll-Spezifikation fertig, und es gibt erste integrierte FlexRay-Devices auf der Netzwerkebene von Freescale und auf der physikalischen Ebene von Philips. Abb.2, technologischer Zeitplan aus [1] In dieser Darstellung ist zu erkennen, dass alle Daten immer zuerst nur für die Konsortium-Mitglieder zur Verfügung standen und erst nach eingehenden Tests der Öffentlichkeit vorgestellt wurden. Klar zu sehen ist auch die Auftrennung der Verantwortlichkeiten; Freescale 1 ist zuständig für die Entwicklung der Controller, und Philips entwickelt die Physical Layer. 1 Der texanische Halbleiterfabrikant Freescale Semiconductor enstand aus dem Spin-Off des Halbleiterbereichs von Motorola im Juli 2004

8 FlexRay 3. Kapitel: Markt und Einsatzgebiete Seite 7 von Markt und Einsatzgebiete Die Einsatzgebiete sind vielfältig, lassen sich aber auf folgende Gebiete einschränken: Abb.3, Anwendungsgebiete aus [2] Mit Environment Detection Systems sind Einrichtungen gemeint welche (auf welche Art auch immer) die nahe Umgebung eines Fahrzeugs nach anderen Fahrzeugen, Hindernissen oder Verkehrszeichen absuchen. Driver Interfaces können in Zukunft auch in Form eines HUDs 1 realisiert werden. Was mit den anderen Punkten gemeint ist dürfte klar sein. In Form eines Drive-by-Wire Systems werden in der Zukunft die Bremsen und die Lenkung Computerunterstützt funktionieren. Aufgrund der im Geschichts-Teil erwähnten Eigenschaften eignet sich FlexRay für alle diese Anwendungen und soll erweiterbar sein für weitere Systeme. 1 Das Head Up Display ist ein Anzeigesystem, bei dem die für den Nutzer (Autofahrer, Pilot etc.) wichtigen Informationen in sein Sichtfeld projiziert werden.

9 FlexRay 4. Kapitel: Anwendungsmodelle Seite 8 von Anwendungsmodelle 4.1 Welche Services werden angeboten? Der Host, in den meisten Fällen ein Programm auf einem Mikrokontroller, greift über verschiedene Ebenen auf den Bus zu. Diese sind nicht mit den Ebenen des ISO/OSI-Referenzmodells zu verwechseln! Abb.4, Zugriffsebenen aus [5] Der Anwender 1 muss natürlich nicht das ganze Protokoll selber schreiben. Vom FlexRay-Consortium werden Controller-Host-Interfaces angeboten. Diese bieten folgende Dienste an: Dienst Message-Filterung Message FIFO Timer Fehlermeldungen Interrupt Weitere Tab.1, CHI-Dienste Kommentar Filterung nach FrameID, Zykluscounter, Kanal ID und MessageID Konfigurierbares Empfangs-FIFO Synchronisiert mit gemeinsamer Zeitbasis Fehler-Logging für Fehlerauswertung auf Applikationsebene Interruptquellen: Timer, Fehlermeldungen, Kommunikationszyklus Diverse weitere Dienste Es gibt auch verschiedene optionale Dienste welche in Zukunft implementiert werden könnten. Dadurch dass das CHI von der Protokoll-Engine getrennt ist, können später auch weitere Dienste implementiert werden ohne etwas auf der Protokoll-Ebene zu ändern. 1 Hier im Sinne von: der Entwickler

10 FlexRay 5. Kapitel: Technologie Seite 9 von Technologie 5.1 Aufbau eines Rahmens An dieser Stelle kann natürlich nicht jedes einzelne Bit in seiner Funktion beschrieben werden, für nähere Angaben wird auf [6] oder zum Einstieg [5] verwiesen. Abb. 5, Aufbau eines FlexRay-Frames aus [6] Zu Beginn werden einige Bits gesendet welche spezielle Frames wie Null-Frames, Synchronisationsframes etc. markieren. Anschliessend folgt die Frame ID, welche den Zeitschlitz bezeichnet, die Länge der Daten, eine Checksumme des Headers und einen Zykluszähler. Es folgen die Daten und eine Checksumme, welche nach einer Formel in [6] berechnet werden muss. 5.2 Zugriffsverfahren Da FlexRay zeitlich deterministisch sein soll, lag es nahe als Zugriffsverfahren ein TDMA zu verwenden. Beim Time Division Multiple Access werden in bestimmten Zeitabschnitten 1 die Daten verschiedener Sender auf einem Kanal übertragen. Das Zeitmultiplexverfahren unterscheidet zwischen dem synchronen und asynchronen Verfahren. Beim statischen STD (Synchron Time Division) wird jedem Sender durch den Multiplexer ein fester Zeitabschnitt zur Übertragung seiner Daten (Signale) auf dem Übertragungskanal zugeordnet und somit kann Zeit unnötig verstreichen wenn eine Station nichts sendet. Durch das dynamische Verfahren ATD (Asynchron Time Division) wird der Nachteil des synchronen Verfahren verhindert. Dies geschieht, indem nur die Sender durch den Multiplexer auf den Übertragungskanal gegeben werden, die Daten (Signale) auch wirklich senden. Bei FlexRay wird eine Kombination von beiden angewendet. 1 Es handelt sich um die Time Slots

11 FlexRay 5. Kapitel: Technologie Seite 10 von 15 Abb. 6, Zugriffsverfahren bei FlexRay aus [7] Es ist aus Abb. 6 ersichtlich, dass es bei FlexRay in einem Kommunikationszyklus mehrere Teile hat. Zuerst findet eine Synchronisation statt. Anschliessend folgt ein statischer Teil 1, gefolgt von einem dynamischen Teil. In diesem wird Bandbreite nur verbraucht, wenn sie auch tatsächlich benötigt wird. 5.3 Datenrate FlexRay kommuniziert über zwei physikalisch getrennte Leitungen mit einer Datenrate von je 10 MBit/s. Die zwei Kanäle dienen hauptsächlich der redundanten und damit fehlertoleranten Übertragung von Nachrichten, können jedoch auch unterschiedliche Nachrichten übertragen, wodurch sich die Datenrate verdoppelt Synchronisierung Um synchrone Funktionen zu realisieren und die Bandbreite durch kleine Abstände zwischen zwei Nachrichten zu optimieren, benötigen die verteilten Komponenten im Kommunikationsnetzwerk eine gemeinsame Zeitbasis (globale Zeit). Für die Uhrensynchronisation werden Synchronisationsnachrichten im statischen Teil des Zyklus übertragen. Mit Hilfe eines speziellen Algorithmus wird die lokale Uhrzeit einer Komponente so korrigiert, dass alle lokalen Uhren zu einer globalen Uhr synchron laufen. 1 Man kann auch nur diesen verwenden, wenn der Determinismus wichtiger ist als die Bandbreite 2 FlexRay kann natürlich auch mit kleinerer Datenrate wie 2.5 oder 5 Mbit/s betrieben werden

12 FlexRay 5. Kapitel: Technologie Seite 11 von Netzwerktopologien Da FlexRay eine sehr vielfältige Busnorm sein soll, sind verschiedenste Bustopologien zugelassen. Hier eine kurze Übersicht. Topologie Eigenschaften Skizze Punkt-zu-Punkt Passiver Bus Einzelner aktiver Stern Idealer Abschluss Keine Reflexionen Keine idealer Abschluss Reflexionen Eingeschränkte Anzahl Anschlüsse Eingeschränkte Länge der Anschlüsse Punkt-zu-Punkt Verbindungen Idealer Abschluss Verbessertes EMV-Verhalten Kaskadierte Sterne Verschiedene Übertragungszeiten(wird von Clock- Sync- Algorithmus gehandhabt) Max. 3 Sterne zwischen 2 Nodes Passiver Bus an einem Stern Tab.2, Mögliche Bustopologien Eingeschränkte Anzahl Anschlüsse Eingeschränkte Länge der Anschlüsse Gleiche Regeln wie beim passiven Bus Die Sternknoten sind integrierte Bausteine (sog. Star-Coupler) welche Routing-Aufgaben und Fehlererkennung beinhaltet.

13 FlexRay 6. Kapitel: Installationstechnik Seite 12 von Installationstechnik 6.1 Bitübertragungsschicht Ubus Abb.7, Bitcodierung Abb.8, Bussignale aus [3] Die Daten werden bei FlexRay über 2 Leitungen, BP und BM (Bus Plus und Bus Minus), übertragen. Empfangen wird dabei die Differenzspannung zwischen den beiden Drähten. Dieses auch bei EIA485 1 eingesetzte System ist besonders Störungssicher, da eine eventuelle Störung an beiden Drähten die gleiche Spannungsänderung verursacht. Die Differenzspannung bleibt daher gleich gross. 1 Früher als RS 485 bekannt

14 FlexRay 6. Kapitel: Installationstechnik Seite 13 von Stecker und Kabel In der Norm [3] sind keine bestimmten Kabel- oder Steckertypen vorgesehen. Allerdings sind Anforderungen definiert, welche verwendete Hardware erfüllen muss: Name Beschreibung Min Max Einheit Z 0 Eingangsimpedanz bei 10 MHz Ω T' 0 Spezifische Leitungsverzögerung 10 ns / m α 5MHz Kabeldämpfung bei einem 5 MHz Sinussignal 82 db / km Tab.3, Anforderungen an FlexRay-Kabel Name Beschreibung Min Max Einheit R DCContact Kontaktwiderstand mit Sicken 50 mω Z Connector Impedanz des Steckers Ω I Coupling Länge der Verbindung (von Ende zu Ende der Verdrillung 150 dcontactinterruption Kontaktunterbruch (R DCContact > 1 Ω) 100 ns Tab.4, Anforderungen an FlexRay-Verbinder Es wurden von diversen Fahrzeugelektronik-Herstellern schon Messungen durchgeführt, welche zeigen dass gebräuchliche CAN-Stecker des MQS 1 diese Vorgaben gut erfüllen. Dies aber nur als Beispiel, es kommen sicher auch viele andere Steckersysteme in Frage. mm Abb.9, MQS-Stecker speziell für Automobil-Einsatz [4] 1 Micro Quadlock System, siehe

15 FlexRay 7. Kapitel: Anhang Seite 14 von Anhang Teil A: Quellenverzeichnis [1] Dr. Reichart G. : FlexRay Enabler for Future Automotive System Architectures, BMW Group, Version vom März 2005 [2] Bracklo C. : Automotive Application Requirements, DaimlerChrysler AG, Version vom März 2003 [3] Electrical Physical Layer Specification V 2.1A, FlexRay Consortium, [4] Micro-Quadlok System 18 Position Connector Coupling - VDA Interface, [5] Dr. Temple C. : FlexRay Protocol Overview, Motorola, Version vom März 2003 [6] Protocol Specification V 2.1A, FlexRay Consortium, [7] Kaloyan B. : Kfz-Busse: Can und FlexRay, Technische Universität München 2003