FlexRay

FlexRay ist ein serielles, deterministisches und fehlertolerantes Feldbussystem für den Einsatz im Automobil, vergleichbar mit TTP. Das FlexRay-Konsortium wurde 2000 von den Unternehmen BMW, Daimler AG, Motorola und Philips gegründet. Von 2001 bis 2004 traten als Core-Partner die Unternehmen Bosch, General Motors und Volkswagen bei. 2004 übernahm Freescale die Rechte und Pflichten als Core-Mitglied im Konsortium von Motorola. 2006 übernahm NXP Semiconductors die Rechte und Pflichten als Core-Mitglied im Konsortium von Philips. 2009 löste sich das FlexRay-Konsortium auf, die Spezifikation ist aber nach wie vor über die FlexRay-Homepage erhältlich. Der FlexRay Standard wird derzeit in einen ISO-Standard überführt.

FlexRay-Logo

Allgemeine Beschreibung

Entwicklung und Erwartungen

FlexRay sollte die erhöhten Anforderungen zukünftiger Vernetzung im Fahrzeug erfüllen, insbesondere höhere Datenübertragungsrate, Echtzeit-Fähigkeit und Ausfallsicherheit (für X-by-Wire-Systeme). Im aktuellen Fokus steht jedoch vorrangig die höhere Datenrate, welche durch den kontinuierlichen Anstieg von Fahrerassistenzsystemen im Bereich Antrieb und Fahrwerk in Premiumfahrzeugen heute notwendig ist. FlexRay definiert die Layer 1 (physikalische Schicht) und 2 (Datensicherungsschicht) im ISO/OSI-Referenzmodell.

Im Bereich Sicherheit sind Bus-Guardian-Konzepte erarbeitet worden. Diese ermöglichen eine zentrale bzw. dezentrale Überwachung der Buszugriffe auf Basis des statisch festgelegten TDMA-Schemas. Der Serieneinsatz im Automobil erfolgte erstmalig im BMW E70 2006. Der FlexRay-Cluster in diesem Fahrzeug basiert auf der Protokollversion v2.0, der Physical Layer Spezifikation v2.1 Revision A.

Um auch die Anforderungen aktiver Sicherheitssysteme zu erfüllen, wurde FlexRay vor allem in Bezug auf zeitlichen Determinismus und Fehlertoleranz weiter entwickelt. FlexRay bietet zusätzlich zu ByteFlight eine Nachrichtenkommunikation mit einem festgelegten TDMA-Schema. Dabei setzt FlexRay ähnliche Mechanismen ein, wie das an der Technischen Universität Wien entwickelte Time-Triggered Protocol TTP. Zusätzlich zum TDMA-Schema bietet das von ByteFlight übernommene Minislotting-Protokoll einen kollisionsfreien, priorisierten, dynamischen Kommunikationskanal.

Aufbau

Um einen Knoten, z. B. ein Steuergerät, an einem FlexRay-Bus zu betreiben, braucht man zwei Komponenten: Den Bus Transceiver und den Communication Controller. Der Bus Transceiver stellt die direkte Verbindung zur Datenleitung her: Einerseits schreibt er die logische Information, die versendet werden soll, in Form von Spannungspulsen auf den Bus; andererseits liest er die Signale aus, die von anderen Teilnehmern auf dem Bus gesendet werden. Diese Ebene wird als physikalische Bitübertragungsschicht oder Physical Layer bezeichnet. Außerdem umfasst FlexRay noch das Busprotokoll. Das Busprotokoll regelt, wie ein Netzwerk startet, wie eine global Clock etabliert wird und welche Steuergeräte zu welchem Zeitpunkt senden dürfen. Der Communication Controller setzt das Busprotokoll in jedem Steuergerät um, beispielsweise verpackt er die zu übertragenden Informationen in ein Datenpaket und übergibt dieses Datenpaket zum richtigen Zeitpunkt zur Übertragung an den Bus Transceiver.

Leistungsmerkmale

FlexRay unterstützt:

• Bitraten bis 10 Mbit/s je Kanal
• dezentrale Uhrensynchronisation
• garantierte Latenzzeiten
• Zweikanaligkeit im Protokoll
• zentrale & dezentrale Zugriffskontrolle
• Stern-, Bustopologie sowie Topologien mit Bussen an den Sternarmen

Kommunikationsprotokoll

TDMA (Time Division Multiple Access) nach FlexRay-Version 2.1

Die Kommunikation auf dem Bus läuft in Zyklen ab. Jeder dieser Zyklen ist in verschiedene Segmente unterteilt:

• Im statischen Segment hat jedes Steuergerät seinen bestimmten Slot (Zeitfenster), in dem es Nachrichten senden kann. Es darf dabei die zeitliche Länge seines Slots nicht überschreiten. Ist die Nachricht zu lang, muss der nächste Zyklus oder das dynamische Segment genutzt werden, um die Nachricht fortzusetzen.

Dies ist der deterministische Teil des Protokolls, mit dem sichergestellt werden kann, dass wichtige Nachrichten (z.B. Lenkung, Bremse) innerhalb einer bekannten Zeit übertragen werden.

• Das dynamische Segment kann von einem Steuergerät benutzt werden, wenn es längere oder zusätzliche Nachrichten senden möchte, und beispielsweise die Breite seines statischen Slots nicht ausreicht oder für wichtigere Nachrichten benötigt wird.
  • Wenn ein Steuergerät keine Nachricht absetzen möchte, läuft sein Zeitfenster (Minislot) einfach ab (Mini 1 bis Mini 3).
  • Will das Steuergerät beispielsweise in Minislot 4 eine längere Nachricht senden, so verschiebt sich der Zeitpunkt, an dem das nächste Steuergerät senden kann, nach hinten. Im ungünstigsten Fall ist der dynamische Minislot 4 so lang, dass in diesem Zyklus kein weiteres Steuergerät mehr senden kann.
  • Weil für Steuergeräte, die im dynamischen Slot am hinteren Ende der Reihenfolge stehen, die Wahrscheinlichkeit am größten ist, dass sie mit einer Nachricht in diesem Slot warten müssten (oder gar herausfallen würden), sollte die Anzahl der dynamischen Slots k > n sein (n ist die Anzahl der Steuergeräte, die auf dem Bus kommunizieren und dazu einen Slot haben).

Dieser Teil entspricht von seiner Übertragungsstruktur eher dem CAN-Bus.

• Das Symbolfenster (symbol) war für den Test des Buszugriffs vorgesehen und wird voraussichtlich nicht mehr zum Einsatz kommen.
• NIT (Network Idle Time) soll den am Bus hängenden Steuergeräten ermöglichen, sich wieder mit dem Bus exakt zu synchronisieren.

Die Synchronisation bewirkt, dass alle Steuergeräte am Bus nach dem gleichen Takt Nachrichten senden und nicht durch zeitliche Verschiebungen im Minislot (Zeitfenster) eines fremden Steuergerätes senden. Der Zeittakt wird von den Steuergeräten nach bestimmten Regeln beim Aufwachen ausgehandelt. Es ist daher kein Master notwendig, der den Takt vorgibt und bei seinem Ausfall den Bus lahmlegen könnte.

Der Rahmen

Der FlexRay-Rahmen (engl. Frame) ist wie folgt aufgebaut:

Der FlexRay-Rahmen

Hardware

Um Leitungsreflektionen zu verhindern, wird die Leitung mit ihrem Leitungswellenwiderstand im Bereich von 80 Ω bis 110 Ω abgeschlossen. Die Leitungen werden verdrillt. Die maximale Leitungslänge hängt von der Datenrate und der Anzahl, Länge und Position der Stichleitungen ab. BMW und andere OEMs setzen spezielle TP-Leitungen mit PE-Isolation ein, da PE als Isolierwerkstoff gegenüber PVC erhebliche Vorteile bei der temperaturbedingten Toleranz hat, folglich die Anforderungen an die Impedanz erfüllt werden können. Für Laboraufbauten eignen sich Ethernet-Kabel, sowohl Standardvarianten(CAT5, etc.) wie auch Profinet-Kabel, letztere gibt es in robusten Ausführungen und eignen sich auch für Verkabelungen im Fahrzeug.

Die Signale werden durch Spannungspegel von 1,5 V und 3,5 V übertragen, je nach Lage dieser Spannungspegel auf den Leitungen wird eine 0 oder 1 übertragen. Haben beide Leitungen den Pegel 2,5 V, ist der Bus im Leerlauf (Idle). Zur Energieeinsparung kann auch der Pegel 0 V für beide Leitungen verwendet werden.

Literatur

• Mathias Rausch: FlexRay - Grundlagen, Funktionsweise, Anwendung. Hanser-Verlag, ISBN 3-446-41249-2 bzw. ISBN 978-3-446-41249-1
• Werner Zimmermann und Ralf Schmidgall: Bussysteme in der Fahrzeugtechnik – Protokolle, Standards und Softwarearchitektur. Vieweg+Teubner, 4. Auflage, 2010, ISBN 978-3-8348-0907-0
• Konrad Reif: Automobilelektronik - Eine Einführung für Ingenieure. Vieweg, ISBN 3-528-03985-X

Siehe auch

• Local Area Network

Weblinks

• FlexRay offizielle Website des FlexRay-Konsortiums
• Five-steps-to-FlexRay kurze Abhandlung über Netzwerktopologien in der EETimes
• FlexRay - A first Glance Video von EB (Elektrobit): gibt eine kurze Einführung zu FlexRay
• Der FlexRay Bus: Einführung und Details zum FlexRay Standard auf der Website von EB (Elektrobit)
• E-Learning: Kostenfreie Lerneinheit FlexRay auf der Website der Vector Informatik GmbH
• Kurzeinführung in FlexRay auf der Website von Eberspächer Electronics GmbH & Co. KG
• AP-Note - Grundlagen zum Start eines FlexRay-Clusters