Zusammenfassung: CAN-Netzwerke werden derzeit in Automobilen weit verbreitet eingesetzt. Aufgrund der zunehmenden Anzahl elektronischer Geräte in Fahrzeugen und der Entwicklung des autonomen Fahrens stößt CAN jedoch an seine Grenzen. Mehrere große Automobilhersteller haben daher gemeinsam das neue FlexRay-Netzwerk entwickelt. Dieser Artikel beschreibt kurz die Eigenschaften und Anwendungsentwicklung von FlexRay. Schlüsselwörter: Netzwerk, Fahrzeugnetzwerk, FlexRay. 1 Allgemeine Situation: CAN-Netzwerke (Controller Area Network) werden derzeit in Automobilen weit verbreitet eingesetzt und ermöglichen die Kommunikation und das Zusammenwirken der angeschlossenen Geräte. Beispielsweise ist bei durchdrehenden Antriebsrädern die Kommunikation zwischen verschiedenen Komponenten erforderlich, um das Drehmoment zu reduzieren. CAN wird genutzt, um Informationen von verschiedenen Sensoren an Tachometer, Drehzahlmesser, Temperaturanzeige und Tankanzeige im Armaturenbrett zu übertragen. Darüber hinaus wird CAN verwendet, um die Fahrzeugumgebung anzupassen und so den Fahrkomfort zu erhöhen, beispielsweise durch die Steuerung von Klimaanlage, Beleuchtung und Rückspiegeln. Neben dem CAN-Netzwerk verwenden viele Fahrzeuge auch Subnetze zur Steuerung von Fahrzeugausstattungen wie Sitz- und Multimedia-Systemen, einschließlich DVD-Playern und Lautsprechern. Diese Subnetze sind als eine Komponente über ein Gateway mit dem Haupt-CAN-Netzwerk verbunden. Der aktuelle Trend in der Automobilentwicklung geht hin zu zunehmender Automatisierung, um Fahrzeuge sicherer, zuverlässiger und komfortabler zu machen. Der Einsatz von mehr Sensoren, Übertragungsgeräten und elektronischen Steuergeräten in Fahrzeugen erzeugt Informationen und Steuerbefehle, die von den bestehenden Kommunikationsbussen oft nicht verarbeitet werden können. Beispielsweise erfordert die Übertragung sicherheitsrelevanter Informationen absolute Echtzeitgenauigkeit; diese hochprioritären Informationen müssen innerhalb einer vorgegebenen Zeit übertragen werden. So ist beispielsweise die Informationsübertragung vom Betätigen des Bremspedals bis zum Bremsvorgang absolut entscheidend und muss unverzüglich und korrekt, ohne jegliche Unsicherheit, erfolgen. Diese sicherheitsrelevanten Systeme erfordern zudem absolute Zuverlässigkeit, d. h. hohe Fehlertoleranz. Sollte eine Leitung im Kommunikationsbus locker sein oder einen Kurzschluss aufweisen, können die Daten über einen alternativen Pfad an ihr Ziel übertragen werden. Die zunehmende Anzahl elektrischer und elektronischer Geräte im Fahrzeug hat die über den Kommunikationsbus übertragene Datenmenge erheblich erhöht und erfordert daher höhere Bandbreiten und Datenübertragungsraten. Die Datenübertragungsraten müssen deutlich über 1 Mbit/s liegen. Da die bestehenden Kommunikationsbusse den zukünftigen Anforderungen der Fahrzeugkommunikation nicht gerecht werden, gründeten BMW und Darmstadt im Jahr 2000 zusammen mit den Halbleitersparten von Philips und Motorola die FlexRay Association. Ihr gehören heute einige der größten und einflussreichsten Automobilhersteller wie GM, Ford und Bosch an. Die Association zählt aktuell über 100 Mitglieder, darunter Automobilhersteller, Systemlieferanten der Automobilindustrie, Halbleiterhersteller und Experten für Kommunikationstechnologie. Hauptaufgabe der Association ist die gemeinsame Entwicklung eines neuen Bussystemstandards, der den wachsenden Anforderungen der Fahrzeugsteuerung entspricht. Dieser Standard muss hohe Datenübertragungsraten, zuverlässige Informationsübertragung und Ausfallsicherheit gewährleisten. Im Sommer 2004 veröffentlichte die Association die FlexRay Communication System Specifications Version 2.0. 2. Einige Merkmale von FlexRay 2.1 Datenübertragungsrate und -struktur Die maximale Datenübertragungsrate beträgt 10 Mbit/s und kann sogar höher sein. FlexRay-Netzwerke können vier Strukturen aufweisen: Bus, Stern, hybrider Stern-Bus und mehrfach sternförmig verbundene Netzwerke. 2.2 Fehlertoleranz Ein fehlertolerantes System muss sicherstellen, dass Netzwerkmitglieder das System nicht stören können. Physikalische Fehler im Netzwerk, wie z. B. Kurzschlüsse, können den betroffenen Netzwerkzweig abschalten. Die Fehlerabschaltung wird durch unabhängige Ereignisse gesteuert. FlexRay bietet einen optionalen Monitor namens Bus Guardian, der den Kommunikationscontroller bei Bedarf vom Netzwerk trennen kann. 2.3 Deterministisches Kommunikationsverfahren Aktuelle Fahrzeugnetzwerke tauschen Informationen asynchron aus. Bestehende Kommunikationsprotokolle sind ereignisbasiert, und die Fehlerreaktion nimmt mit steigender Datenmenge auf dem Bus stark ab. In zeitgesteuerten Netzwerksystemen wie FlexRay wird jede Netzwerkaktivität innerhalb eines festgelegten Zeitfensters geplant und kann nach der Planung nicht mehr geändert werden. Daher wird FlexRay niemals eine Überlastung des Datenflusses erfahren. 2.4 Zeitsynchronisation Das gesamte Netzwerk verfügt über einen Gesamttakt, und jede Steuereinheit hat einen lokalen Takt. Das FlexRay-System verwendet einen speziellen Steuerungsalgorithmus, um den lokalen Takt jedes einzelnen Knotens im Netzwerk mit dem Gesamttakt zu synchronisieren. Dabei werden Offset- und Zeitkorrekturverfahren eingesetzt. 2.5 Konfiguration synchroner und asynchroner Übertragung Der Kommunikationszyklus ist die grundlegende Kommunikationseinheit in FlexRay. Das von der Kommunikationseinheit definierte Zeitfenster besteht aus einem obligatorischen festen und einem optionalen dynamischen Zeitfenster. Die Länge jedes Zeitfensters wird während der Netzwerkkonfiguration festgelegt. Das feste Zeitfenster dient der Planung der Zeitsynchronisationsinformationen für die synchrone Kommunikation. Informationen, die während des festen Zeitfensters übertragen werden, müssen zu Beginn der Kommunikation konfiguriert werden, und die maximal zu übertragende Datenmenge darf die Länge des festen Segments nicht überschreiten. Das dynamische Zeitfenster im Kommunikationszyklus wird für die Übertragung von Ereignisinformationen verwendet. Es kann während der Laufzeit auftreten und benötigt variable Bandbreite. Während des dynamischen Zeitfensters konkurrieren die Geräte um Bandbreite anhand einer Priorität, die in der ID des Informationsrahmens angegeben ist. Dieser Teil des Kommunikationsmodus ähnelt dem CAN-Bus. 2.6 Rahmenformat FlexRay-Rahmen sind in drei Segmente unterteilt: Header, Nutzdaten und Trailer. 2.6.1 Header-Segment Das Header-Segment besteht aus vier Teilen: Frame-ID (11 Bit), Nutzdatensegmentlängenanzeige (7 Bit), Header-CRC (11 Bit) und Zykluszähler (6 Bit). Die Frame-ID identifiziert den Frame und seine Priorität innerhalb der ereignisgesteuerten Frames. Die Nutzdatensegmentlängenanzeige gibt die Anzahl der Wörter an, die in einem Frame übertragen werden können. Die Header-CRC erkennt Übertragungsfehler. Der Zykluszähler wird zu Beginn jedes Kommunikationszyklus um 1 erhöht. Vor der Frame-ID befinden sich 5 Bits: Das erste Bit ist reserviert, das zweite Bit ist die Nutzdatensegment-Präfixanzeige, das dritte Bit ist die Null-Frame-Anzeige, das vierte Bit ist der Synchronisations-Frame und das fünfte Bit ist die Start-Frame-Anzeige. 2.6.2 Nutzdatensegment Das Nutzdatensegment ist der Teil des Frames, der zur Datenübertragung verwendet wird. FlexRay-Nutzdatensegmente können bis zu 127 Wörter (254 Byte) lang sein und sind damit 30-mal größer als CAN-Nutzdatensegmente. Seine Länge ist variabel (0 bis 254 Byte) und wird im Payload Segment Indicator im Header angezeigt. 2.6.3 Trailer-Segment Das Trailer-Segment besteht aus drei 8-Bit-CRC-Prüfsummen zur Fehlererkennung. Ein Frame ist [5 + (0…254) + 3] Byte lang. 3. Aktueller Stand der FlexRay-Anwendungsentwicklung Obwohl das FlexRay-Protokoll für die allgemeine Nutzung vorgesehen ist, hat es sich zum De-facto-Standard für zukünftige Fahrzeugnetzwerke entwickelt, und FlexRay-Produkte und -Anwendungstools finden zunehmend Anwendung in der Automobilindustrie. FreeScale Semiconductor war das erste Unternehmen, das Chips auf den Markt brachte. Das Unternehmen begann 2002 mit der Entwicklung des FlexRay-Controllers, und sein MFR 4200 FlexRay-Controller wird mittlerweile produziert. Fahrzeuge mit FlexRay werden voraussichtlich 2006 auf den Markt kommen. Komplexe Netzwerksysteme wie FlexRay benötigen Softwaretools, mit denen Ingenieure Netzwerkanwendungen entwickeln können. Derzeit sind einige Softwaretools verfügbar, jedoch bieten nur wenige benutzerfreundliche Oberflächen. Diese Tools dienen der Generierung von Konfigurationsdateien für die Hauptschnittstelle des Controllers, die zu Beginn in den FlexRay-Controller geladen werden müssen. FlexRay ist ein allgemeines Konfigurationstoolkit für FlexRay-Netzwerke von TZ-Mikroelektronik (TZM), mit dem Anwender alle Konfigurationsdateien für jeden Knoten generieren können. TZM bietet außerdem eine FlexCard an, die zur Netzwerküberwachung in Laptops und Desktop-PCs mit PCMCIA-Schnittstelle eingesetzt werden kann. Die FlexCard ermöglicht Hardwareentwicklern die Anbindung an das FlexRay-Netzwerk. Sie verfügt über 16 MB Pufferspeicher zum temporären Speichern von Eingabedaten und verhindert so Datenverlust, selbst bei kurzzeitiger Unterbrechung der PC-Verbindung. Darüber hinaus integriert die Karte eine physikalische Schicht für zwei Kanäle, wodurch der Bedarf an zahlreichen externen Verbindungen zur physikalischen Schicht deutlich reduziert und die Belastung der Schnittstelle erheblich verringert wird. National Instruments bietet mit der FlexRay Library ein LabVIEW-Programmierwerkzeug zum Testen von Geräten im FlexRay-Kommunikationsnetzwerk an. Die kostenlose FlexRay Library enthält 28 virtuelle Instrumenten-Funktionsblöcke (VIs), die gemäß dem FlexRay-Protokoll entwickelt wurden. Die meisten FlexRay-Anwendungssoftwareabläufe bestehen aus vier Sub-VIs: Flex Initialize.vi, Flex Read Data.vi, Flex Get Data.vi und Flex Terminate.vi. Das VI `FlexInitialize` öffnet, konfiguriert und startet einen FlexRay-Kanal. `FlexReadData.vi` liest Busdaten vom FlexRay-Kanal und schreibt sie in den internen Lesepuffer. `FlexGetData.vi` prüft die Daten im internen Puffer, wandelt sie in Gleitkommazahlen um und gibt diese als Ergebnis zurück. `FlexTerminate.vi` beendet die Kommunikation auf dem FlexRay-Kanal. 4. Zusammenfassung: Fahrzeuge mit FlexRay-Netzwerken werden voraussichtlich erst ab 2006 auf dem Markt sein. FlexRay übertrifft CAN in puncto Leistung deutlich: Es bietet Datenübertragungsraten von bis zu 10 Mbit/s, unterstützt synchrone und asynchrone Übertragung, überträgt Daten in vordefinierten Zeitschlitzen, macht Arbitrierung überflüssig, ermöglicht verschiedene Topologien, flexible Bandbreitenzuweisung zwischen den Knoten und verfügt über einen optionalen Netzwerkmonitor für einen effizienteren Netzwerkbetrieb. Besonders wichtig sind die Fehlertoleranz und die deterministische Kommunikation. Diese beiden Punkte sind entscheidend für die Sicherheit beim zukünftigen autonomen Fahren. Für eine erfolgreiche Einführung von FlexRay sind außerdem effektive Entwicklungswerkzeuge und hochwertige integrierte Schaltungen erforderlich. Quelle: *Foreign Electronic Measurement Technology* Supplement