Moderne Fahrzeuge verfügen über eine große Zahl an Sensoren, Aktoren, Steuerungen und ausgewachsenen Multimedia-Anlagen. Der Datenaustausch untereinander erfolgt dabei nicht mehr über separate Leitungen, die störanfällig, schwer und im Bündel nicht sehr flexibel in der Verlegung sind, sondern über kostengünstige serielle Bussysteme, die mittlerweile fast alle Geräte miteinander verbinden.
Jedes Aggregat – unabhängig ob Multimedia-Anlage oder Steuerrechner – verfügt über einen Empfänger, der die Daten auf dem Bus für sich akzeptiert, wenn seine Adresse dort sichtbar wird. Als Beispiel im Fahrzeug gelten hier Aktoren in Form von Stellmotoren, Videoschirm oder Lampen.
Schalter und Sensoren dagegen liefern ihre Daten senderseitig auf den Bus, adressieren damit konkret einzelne Empfänger, spezifische Baugruppen oder senden als Broadcast, wie zum Beispiel die aktuelle Geschwindigkeit, die sowohl das Videomodul, als auch die automatische Lautstärkenregelung auswerten kann.
Sender und Empfänger – auch als Transceiver bekannt – liegen bereits von diversen Herstellern als ein kompaktes IC vor, sodass anschlussseitig im einfachsten Fall die Spannungsversorgung, der Busanschluss und der Pin für das Ausgangssignal genügen.
In diesem Artikel erläutern wir die Funktion der aktuellen Bussysteme in Automobilen und welche Vorteile der neue FlexRay-Standard bietet.
Keep it simple
Der Trend oder besser gesagt die Notwendigkeit von der parallelen Leitungsführung hin zum seriellen Bussystem begann in den 80er-Jahren mit den Feldbussen. Unter Feldbus versteht man eine einfache und robuste gemeinsam genutzte Leitungsverbindung zwischen Steuersystem, Aktoren und Sensoren im Industriebereich, das heißt in einem Umfeld mit elektrischen und mechanischen Störquellen und Beanspruchungen.
Gerade im Automobilbau ist ein Bussystem gefragt, das ein einfaches elektrisches Interface nutzt, störunanfällig und kurzschlusssicher ist sowie geringe Emissionen verursacht. Die Datenübertragung im Physical Layer der ISO-Schicht erfolgt seriell in digitaler Form mittels zwei Spannungszuständen.
Bereits aus zwei Leitungen, Masse und Signalleitung, lässt sich ein Bus realisieren – ein Eindrahtbus. Das Signal wird unipolar in Form von UB (zirka 70 bis 100 Prozent von 12V) für die Wertigkeit 0 oder Masse (0 bis 30 Prozent von 12V) für die Wertigkeit 1 oder invers transkodiert. Der Bereich 30 bis 70 Prozent dient als Sicherheitsabstand zwischen den beiden Signalzuständen.
Zwei Kriterien sind dabei wichtig:
-
Die Treiberstufe des Senders muss so stark sein, dass das Bit einige Meter weiter bei den Empfängern noch richtig ankommt.
-
Und der Bus muss so robust sein, dass er in der Lage ist, die 1 des einen Senders und gleichzeitig die 0 des anderen Senders ohne Kurzschluss zu verarbeiten.
Physical Layer / Bit-Übertragungsschicht
Hier kommt in der Regel die OpenCollector-Schaltung (OC) einer Transistorschaltung als Ausgangstreiber zum Einsatz, wobei der Busausgang über einen sogenannten Pull-up-Widerstand an der Betriebsspannung UB liegt. Dem Ruhezustand des Busses – kein Sender generiert Daten – entspricht damit Bit 0. Sobald jedoch auch nur ein einziger Sender den Bus auf Masse zieht (Low-Activ, entspricht Bit 1), wird dies von allen Teilnehmern am Bus bemerkt, und die anderen Sender warten erneut auf den Ruhezustand des Busses. Die Teilnehmer warten somit auf eine definierte Zeitspanne, in der der Bus seine Spannung nicht ändert. Erst dann kann sichergestellt werden, dass der letzte Sender seine Daten gesendet hat.
Bevor ein Gerät seine Daten auf den Bus schickt, horcht es kurz hinein, und sendet dann, wenn kein anderer Sender sendet. Neben der betagten OC-Schaltung schalten moderne ICs ihren Busausgang in den hochohmigen Tristate-Zustand.
Wenn mehr als ein Sender zeitgleich seine Daten auf den Bus geben möchte, kommt es zu einer sogenannten Kollision, das heißt, es muss nun ein Verfahren greifen, welches sicherstellt, dass ein Sender aktiv ist und die anderen warten müssen (Collision Detection CD). Entweder macht man dies über Priorisierung anhand der Sender-ID oder über zufällige Wartezyklen.
Dem Vorteil der einfachen Realisierbarkeit stehen folgende Nachteile gegenüber:
-
geringe Datenübertragung, 9600 Bit/s
-
nur ein Sender kann Daten zu einem Zeitpunkt liefern – Kollision
-
Broadcasts und andere häufige Übertragungen führen zu spürbaren Verzögerungen auf dem Bus
Echtzeitfähigkeit
Gerade die Verzögerung auf dem Bus ist für unsere menschliche Wahrnehmung sehr irritierend, wenn beispielsweise der Fahrer einen Schalter betätigt und die Reaktion darauf erst eine Sekunde später erfolgt. Im ungünstigsten Fall führt dies dazu, dass der Fahrer seine Audioanlage von CD auf Radio wechseln möchte und die Taste dafür betätigt, die Anzeige bleibt auf CD stehen, der Fahrer betätigt die Taste erneut, weil bisher scheinbar keine Reaktion erfolgte, und nun springen die Anzeige und der Empfang auf Radio um, und die zweite Tastenreaktion des Fahrers wird ausgeführt, und der Empfang springt wieder auf CD zurück. Der Instrumentenbus (I-BUS) eines bekannten Fahrzeugherstellers scheint dafür bekannt zu sein.
Dieser Bus ist für zeit- und sicherheitskritische Geräte (ABS, Airbag) nicht tauglich. Man setzt daher bereits heute unterschiedliche Busse für die verschiedenen Anwendungsbereiche ein. So gibt es oft einen Multimediabus für Audio-, Video- und Navigationsgeräte, einen Bus für Aktoren, wie beispielsweise Sonnendach, Fensterheber, Licht, Regensensor und den wichtigen Steuerbus für den Motor mit all seinen Aktoren und Sensoren, dessen Fehlerspeicher über den Diagnosestecker (On-Board-Diagnose OBD) zugänglich ist.
Motoren und Sensoren
Der heutige Komfort in modernen Fahrzeugen wäre ohne elektrische Motoren kaum realisierbar. Bekannte Vertreter dieser Gattung sind unter anderem Sitz-, Lenkrad- und Pedalverstellung, Schiebedach, Fenster, Scheinwerfer, Sonnenrollo, Tür- und Kofferraumschließung oder adaptives Kurvenlicht.
Als Sensoren sind zu nennen: Neigungssensor, Regensensor, Lichtstärke, Beschleunigungs- beziehungsweise Verzögerungssensor, Fensterheberkontakt, Sitzbelegungssensoren für Airbag-Auslösung. Im Motor befinden sich Sensoren wie Luftmassenmesser, Klopfsensor, Lambdasonde, Temperaturfühler und Drosselklappensensor.
Bisherige Bussysteme
Für Feldbusse gilt seit 1999 eine weltweite Standardisierung durch die Norm IEC 61158 ("Digital data communication for measurement and control – Fieldbus for use in industrial control systems").
Die verwendeten Bussysteme in der Automobilwelt sind vielfältig und erfüllen unterschiedliche Anforderungen. Nachfolgend sind die wichtigsten aufgeführt:
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LIN |
CAN-B/ C |
MOST |
FlexRay | |
|
Max. Datenrate |
20Kbit/s |
125 Kbit/s Low-Speed, 1 Mbit/s High-Speed |
24,8 Mbit/s, 768 Kbit/s Kontrollkanal |
2x 10 Mbit/s |
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# Kanäle |
1 |
1 |
60 |
2 |
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Kanalbündelung |
nein |
nein |
nein |
ja |
|
Fehlererkennung |
Parity u. Checksumme |
CRC |
ja |
ja |
|
Kodierung |
- |
NRZ-L |
- |
- |
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Zugriffsverfahren |
gesteuert durch Master |
Multi-Master, CSMA, Event getriggert |
Bus-Master |
CA |
|
Topologie |
Bus |
Bus |
Ring |
Bus, Stern, gemischt |
|
Max. Teilnehmer |
64 |
- |
64 |
- |
|
Max. Nutzdaten / Frame [Byte] |
8 |
8 |
60 Cu/ 117 FC |
254 |
|
Power-Management |
ja |
nein |
nein |
ja |
|
Medium |
Eindraht 12V |
Ein- und Zweidraht |
Fiber (MOST25), Cu (MOST50) |
Zweidraht geschirmt oder ungeschirmt |
|
Version |
2.0 |
n/a |
n/a |
V2.1 |
LIN: Local Interconnect Network
Als Standard wurde der Feldbus „LIN“ speziell für die kostengünstige Vernetzung, daher auch Eindrahtbus, von (aktiven) Sensoren und Aktoren im Fahrzeugbau entwickelt. Das serielle Protokoll basiert auf dem der weitverbreiteten seriellen Transceiver-Chips (UART), die in den meisten Mikro-Controllern integriert und damit kostengünstig sind.
Ein LIN-Master koordiniert den Datenverkehr zu den LIN-Slaves, indem dieser mittels eines speziellen Datenheaders Daten von den Slaves anfordert (Polling) und die Slaves die Nutzdaten an den Header anhängen. Die Bruttodatenrate beträgt in Stufen 2400, 9600, 19.200 und 20.000 Bit/s, die das obere Limit aufgrund von EMC-Anforderungen und der Taktrückgewinnung aus dem Datenstrom bilden. Eine Kollisionserkennung ist durch die Steuerung durch den Master nicht notwendig.
Zwei Zustände der Busteilnehmer sind definiert:
-
Normaler Modus
-
Sleep Modus
Die Protokollspezifikation 2.0 des LIN-Konsortiums sieht eigentlich keine Fehlersignalisierung an den Sender vor, und damit werden fehlerhafte Daten in der Regel beim Empfänger verworfen. Jedoch erlauben die zwei Fehlererkennungsverfahren „Checksumme“ und „Parity“ eine Erkennung von Übertragungsfehlern. Falls nötig könnte der Master über das „Response-Error-Bit“ über die fehlerhafte Datenübertragung informiert werden.
Ein typisches LIN besteht aus 12 Teilnehmern (Nodes) von maximal 64 eindeutigen Adressen der Slaves – begrenzt durch die niedrige Datenrate. Nodes sind beispielsweise Regensensor, Fensterheber oder Sitzverstellung.
Charakteristisch sind die niedrigen Kosten, garantierte Antwortzeit und die geringe Datenrate und damit fehlende Echtzeitfähigkeit. Im Steuerungsausschuss des LIN-Konsortiums finden sich Firmen wie Audi AG, BMW AG, DaimlerChrysler AG, Freescale Halbleiter Deutschland GmbH, Mentor Graphics Corporation, Volkswagen AG und die Volvo Car Corporation.
BMW X-BUS
Der Fahrzeughersteller BMW setzt neben dem Instrumentenbus (I-Bus) einen Karosserie- (K-Bus) und einen Diagnose- (D-Bus) Bus basierend auf dem LIN ein. Der Master beim I-Bus ist die Instrumentenkombination (IKE), und alle anderen Teilnehmer sind die Slaves. Die drei Busse sind untereinander logisch verbunden. Auf dem I-Bus (wie auch den anderen Bussystemen) können bei hoher Buslast Kollisionen als Tribut an die Flexibilität auftreten. Daher verwendet BMW je nach Ausstattung mehrere Busse.
Sicherheitskritische Steuergeräte wie ABS-, Motor- und Getriebesteuerung sind dabei über den CAN-BUS vernetzt und haben Priorität gegenüber den anderen Bussen. Jedes Netzwerk (K-Bus, I-Bus und D-Bus) überträgt Daten mit einer Baudrate von 9600 Bit pro Sekunde. Das Kommunikationsprotokoll hat 8 Datenbits, 1 Stoppbit und gerade Parität (even).
Ein Datenpaket beim X-Bus besteht aus der Quell-ID, Länge der Nachricht, Ziel-ID, den Daten und einer XOR-Prüfsumme.
CAN: Controller Area Network
Das CAN – Type B und Type C – ist ein asynchrones, serielles Bussystem, welches 1983 von der Firma Bosch zur Vernetzung von Steuergeräten in Kraftfahrzeugen entwickelt wurde. Zusammen mit Intel wurde es 1987 dem Markt vorgestellt und sollte die bis zu zwei Kilometer langen Kabelbäume ersetzen und damit das Fahrzeuggewicht reduzieren helfen.
CAN bietet eine hohe Datensicherheit, da die Signalübertragung in differenzieller Form über die Zweidrahtleitung erfolgt, und sich Gleichtaktstörungen so gegenseitig kompensieren. Der Bus selbst nutzt drei Leitungen (CAN+, CAN- und GND/Masse).
Der Zugriff auf den Bus erfolgt mittels "Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance" (CSMA/CA), bietet jedoch keine garantierte Latenzzeit, also nur eine "weiche" Echtzeitfähigkeit.
Geräte am Bus müssen innerhalb eines Zeitfensters mittels einer Antwort reagieren, um erkannt zu werden, daher ist ein möglichst schneller Start der embedded Firmware wichtig. Reaktionszeiten von weniger als 40 Millisekunden sind möglich. Im Flugzeug- und Satellitenbau ist der MIL-Bus das Gegenstück zum CAN-Bus.
MOST: Media Oriented Systems Transport
Der "Media Oriented Systems Transport" (MOST) ist kein Feldbus und ist für Multimediadaten optimiert. Er basiert auf synchroner Datenkommunikation mit maximal 64 Teilnehmern und kann mit Kupfer oder Glasfaser auf dem physikalischen Layer realisiert werden. Analog zum LIN steuert der Master den Bustraffic, und die Teilnehmer synchronisieren sich mittels der Frames, die der Master in den Ring sendet.
Im Audi A8 wird beispielsweise das Enter- und Infotainment noch über Glasfaser (MOST25) vernetzt. Aufgrund der Streuverluste bei engen Biegeradien und der hohen Empfindlichkeit der Fibre, wird man aber der Version mit Kupfer (MOST50) in diesem Segment den Vorzug geben.
Durch die MOST Cooperation, die 1998 gegründet wurde, ist die MOST-Technologie zum Standard für gegenwärtige und zukünftige Anforderungen in der Multimedia-Vernetzung im Kfz geworden.
MOST25 unterstützt bis zu 15 unkomprimierte Stereo-Audio-Kanäle in CD-Qualität oder bis zu 15 MPEG1-Kanäle zur Audio-Video-Übertragung und daneben noch einen Kontrollkanal. Die Übertragung von hochauflösenden, unkomprimierten Videodatenströmen ist mit MOST allerdings noch nicht möglich.
FlexRay
Mit der geringen Datenrate und den nicht-deterministischen Übertragungen stoßen die bisherigen Bussysteme technisch an ihre Grenzen und sind für große Datenmengen im Multimediabereich und sicherheitskritische Anwendungen (Echtzeitfähigkeit) der heutigen Fahrzeuge nicht geeignet. Als erster Fahrzeughersteller setzt BMW daher im aktuellen Modell X5 2007 (Code E70) auf das neue Bussystem „FlexRay“, welches sie als Mitglied im Konsortium mit entwickeln. Neben BMW gibt es noch weitere sechs Kernmitglieder (Bosch, DaimlerChrysler, Freescale, General Motors, NXP Semiconductors, Volkswagen), welche die Entwicklung von FlexRay mit einer Vereinbarung von 2006 bis Ende 2008 vorantreiben. Der Fokus in diesem Zeitrahmen liegt dabei auf:
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Gewährleistung der Konformität der FlexRay-Geräte
-
Publikation des Systems auf dem Markt
-
Erweiterung der technischen Spezifikation
Eine ausführliche Mitgliederliste findet sich auf der FlexRay-Webseite.
FlexRay soll mit den garantierten Latenzzeiten auf der Zweidrahtleitung das Bussystem der Zukunft sein, und so Steer-by-Wire oder Brake-by-Wire ermöglichen. Der FlexRay-Cluster im BMW X5 basiert auf der Protokollversion v1.1 und bietet mit dynamischen Dämpfungselementen (elektrisches Bypassventil am Dämpfer), mit je einem FlexRay-Knoten pro Rad und einem Steuergerät – 5 FlexRay Knoten – eine adaptive Fahrwerksabstimmung, welche auch die Seitenneigung in Kurven reduziert.
Unterschiede: FlexRay vs. andere Bussysteme
FlexRay bietet zwei Kanäle A und B mit einer effektiven Datenrate von je maximal 10 Mbit/s, die zwei Betriebsmodi unterstützen:
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Kanalbündelung, das heißt effektive Datenrate von maximal 20 Mbit/s
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Redundante Übertragung auf dem zweiten Kanal, das heißt erhöhte Fehlersicherheit
Niedrigere Datenraten als 10 Mbit/s sind als Option von 2,5 und 5 Mbit/s geplant. Ein Bit benötigt bei der aktuellen Datenrate daher 100 ns für die Übertragung auf dem Medium. So können also zum einen die Datenrate auf 20 Mbit/s verdoppelt oder zugunsten der Sicherheit die Daten redundant auf dem zweiten Kanal übertragen werden.
Vier Faktoren auf der physikalischen Schicht bilden das Fundament von FlexRay:
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hohe Datenrate, Echtzeitfähigkeit, geringe Latenzzeit
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einfache Vernetzung
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Flexibilität
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Funktionssicherheit und Zuverlässigkeit
Der bestehende Industriestandard RS485, der auch auf Kupferdraht eine Datenrate von 10 Mbit/s erreicht, ist aufgrund der hohen elektromagnetischen Emissionen (EMI) daher im Fahrzeug nicht einsetzbar.
Ein weiteres wichtiges Merkmal ist die garantierte Latenzzeit, das heißt die Übertragung ist deterministisch und erreicht den oder die Empfänger zu einem definierten Zeitpunkt (Echtzeitfähigkeit). Damit dies gewährleistet werden kann, senden die Teilnehmer nicht beliebig (Event-gesteuert), sondern nach Vorgabe (Zeitschlitz). Die Übertragung erfolgt mit einem definierten Bustakt und damit auch mit definierten Zeitschlitzen, welches eine Zeitsynchronisation aller Busteilnehmer voraussetzt. Jedem Gerät ist ein Zeitschlitz zugeordnet, in diesem es seine Daten senden kann. Daneben unterstützt dieser Bus aber auch den ereignisgesteuerten Datenversand. Mittels TDMA und dynamische Mini-Slots wird auf das Medium zugegriffen. Im Gegensatz der Kollisionserkennung, kommt die Kollisionsvermeidung zur Anwendung (CA).
Da jeder FlexRay-Knoten nur während seines definierten Zeitschlitzes im synchronen Modus des Busses diesen belegen darf (TDMA), erfordert die Zeitsynchronisation der Busteilnehmer eine hohe Beachtung und technische Anforderung.
Der FlexRay-Controller kann direkt in einen Mikro-Controller integriert werden und bietet ein Power-Management mit Schlaf- und Aufwachfunktionalität über den Bus über den im Automobilbereich üblichen Temperaturbereich von -40 bis +125°C.
Physikalische FlexRay-Schicht
Die FlexRay-Teilnehmer – hier Knoten genannt – verfügen über ein Kommunikationsmodul mit je einem Bustreiber (BD) für Kanal A und B. Die Übertragung über Kabel erfolgt bidirektional und differenziell über zwei Leitungen mit einer definierten Leitungsabschluss-Impedanz von 100 Ohm bei 10 MHz. Die Leitungen dürfen geschirmt oder ungeschirmt sein, eine Laufzeitverzögerung von höchstens 10 ns/m verursachen und eine Dämpfung bis zu 82 dB/m bei 5 MHz besitzen.
Im Gegensatz zur Busmaster-Steuerung bietet FlexRay auch eine dezentrale Zugriffskontrolle auf die Stern- und/oder Bus-Topologie – eine Kombination ist möglich. Übertragungsfehler werden erkannt und über die Fehlersignalisierung gemeldet. Die Topologie ist sehr flexibel, von der passiven Zwei-Kanal-Bus-Topologie, bis zur Zwei-Kanal-Kaskadierter-Stern-Konfiguration. Die Kopplung zwischen den Stern-Topologien erfolgt dabei mittels Stern-Koppler, wobei höchstens zwei aktive Sterne zwischen den Knoten existieren dürfen. Kanal A kann auch als Bus und Kanal B als Stern ausgeführt sein.
Intelligente FlexRay-Knoten
Ein FlexRay-Knoten ist eigentlich schon ein kleiner PC, mit Businterface, Speicher und Prozessor, der ein Programm bearbeitet. Die Rechenleistung und der Funktionsumfang in diesem kleinen IC sind sehr hoch.
Auch physikalische Größen werden in einem Knoten überwacht. Der Bustreiber als Teil des Knotens überwacht beispielsweise seine interne Temperatur und deaktiviert den Ausgangstreiber, hält aber den Empfang solange wie möglich aufrecht. Das Kommunikationsmodul überwacht die Spannungsversorgung.
Eine Überspannung wird als Fehler signalisiert, eine Unterspannung führt zum Übergang in den Low-Power-Modus, in dem das Modul nur auf das Wake-up-Signal reagiert. Letzteres setzt sich aus mindestens zwei Wake-up-Symbolen zusammen, bestehend aus einer definierten Anzahl an Low-, gefolgt von einer definierten Zahl an High-Bits. Wenn beide Treiberstufen B+ und B- im Bustreiber nicht aktiv sind, der Bus also auf nahe 0 V liegt, definiert dies den Zustand „Idle“ beziehungsweise Low-Power. Bei einer Versorgungsspannung von 5 V ist der Spannungshub für die Bitübertragung bei zirka +/-500 mV. Der Kurzschlussstrom darf höchstens 100 mA betragen. Die Busüberwachung (Guardian) ist bei FlexRay optional.
Die aktuelle Spezifikation von FlexRay liegt in Version V2.1 Rev. A und B vor und wurde 2006 in Silizium implementiert. Infineon Technologies bietet als ein Hersteller von vielen mit dem FlexRay-Controller CIC-310, der den Konformitätstest bestanden hat, einen Chip, der die FlexRay-Protokoll-Spezifikation V2.1 erfüllt und in hohen Stückzahlen gefertigt wird. Daneben ist der E-Ray Core der Firma Bosch weit verbreitet und lizenziert.
Aussicht
Mit FlexRay scheint man dem Ziel der Automobilhersteller, „X-by-Wire“ durchgängig zu etablieren, einem Stück näher gekommen zu sein. Es erfüllt deren hohe Anforderungen in Bezug auf die Technik und daneben auch auf die Wirtschaftlichkeit, die immer eine wichtige Rolle spielt. Der neue BMW X5 zeigt, was technisch machbar ist, wenn der Kunde bereit ist, dafür den Preis zu bezahlen. Sicherheit sollte jedoch keine Frage des Preises sein – hier sind die Hersteller gefordert.
Als Backbone in Kombination mit MOST und CAN kann FlexRay seine Stärken in zukünftigen Automobilen sicher ausspielen. Am hohen Anteil von 50 Prozent bei den Pannen aufgrund Elektronik- und Elektrikausfällen müssten die Hersteller aber zuvor noch dringend etwas tun. (cvi)