FlexRay, Standards, Eigenschaften

Im Jahr 1999 wurde das FlexRay-Konsortium gegründet. Anlass für diesen Zusammenschluss gaben die wachsenden Anforderungen der Automobilhersteller an die Bandbreite und Übertragungssicherheit bei der Vernetzung im Fahrzeug. Diese werden durch den ständigen Anstieg an Fahrerassistenzsystemen im Bereich des Antriebs und der Fahrwerke in höherklassigen Fahrzeugen benötigt.

Die Erwartungen an das zu schaffende FlexRay-System waren hoch. Dieser sollte höhere Datenübertragungsraten bieten, in Echtzeit kommunizieren und eine große Ausfallsicherheit gewährleisten. In diesem Beitrag wird ein Überblick zur Entwicklung des FlexRay-Kommunikationssystems und seinen grundsätzlichen Eigenschaften gegeben.

Entwicklung des FlexRay-Systems

Das FlexRay-Konsortium wurde von den Automobilherstellern BMW, Daimler, Motorola und Philips ins Leben gerufen. Bis 2004 schlossen sich auch Bosch, General Motors und VW an, um ein serielles FlexRay-System zu entwickeln. Das Ziel des neugegründeten Konsortiums war es, ein deterministisches, fehlertolerantes Kommunikationssystem mit Übertragungsraten von bis zu 10 MBit/s zu entwickeln.

Im Jahr 2006 erschien schließlich mit dem BMW X5 das erste Fahrzeug, in dem die Steuergeräte über das FlexRay-System vernetzt waren. Das Konsortium löste sich 2010 schließlich auf, wobei der FlexRay Standard immer noch über die Website erhältlich ist. Die aktuelle Version des FlexRay-Systems, die derzeit in einen ISO-Standard überführt wird, besteht aus drei Teilen:

  • Protokoll-Spezifikation
  • Spezifikation der physikalischen Schicht (Layer 1)
  • Spezifikation des Bus Guardian (Layer 2)

Damit nutzt das FlexRay-System, ähnlich wie CAN und LIN, die ersten beiden Schichten des ISO/OSI-Referenzmodells, wobei die Sicherheitsschicht mit dem Bus Guardian überarbeitet wurde. Weitere neue Konzepte, die im FlexRay Anwendung finden, sind ByteFlight und das Minislotting-Protokoll, welche einen kollisionsfreien, priorisierten und dynamischen Kommunikationskanal bieten.

Eigenschaften des FlexRay-Systems

Um den wachsenden Anforderungen in der Automobilindustrie gerecht zu werden, beinhaltet das FlexRay eine ganze Reihe von vorteilhaften Eigenschaften. Das System erlaubt neben der Stern-Topologie auch die Realisierung von Linien- bzw. Bus-Topologien. Dies wird durch den Einsatz eines Multimaster-Systems ermöglicht. Durch die Umsetzung eines Einkanal- oder Zweikanal-Systems, besteht weiterhin die Möglichkeit, Botschaften redundant zu übertragen.

Aufgrund erweiterter Mechanismen zur Erkennung von Fehlern wird im FlexRay-System eine hohe Fehlertoleranz erreicht. Diese sind in der Lage, Teilbereiche des Netzwerks zu deaktivieren, sobald physikalische Fehler auftreten. Durch den Einbau des Bus Guardian, der eine zusätzliche Überwachungseinheit im FlexRay-Knoten darstellt, werden Fehler in der Kommunikation und Synchronisation sofort erkannt und entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet. Der Bus Guardian ist zwischen den Communication Controller und den Bus Driver geschaltet und kann dadurch mit entsprechenden Steuersignalen auf den Bus Driver einwirken.

Der Bus Driver realisiert die Ankopplung an das Busmedium, ähnlich wie dies auch beim CAN- und LIN-System der Fall ist. Seinen Status und zusätzliche Steuerungsinformationen tauscht der Bus Driver mit dem Host aus, welcher die eigentlichen Anwendungen beinhaltet. Der Host koordiniert auch die Übertragung der Daten an den Communication Controller, bis hin zum Bus Driver. Auf diesem Weg werden zwischen dem Communication Controller und dem Bus Guardian verschiedene Synchronisierungsinformationen ausgetauscht. Basierend auf diesen Informationen kann der Bus Guardian seine Aufgabe zur Überwachung der Teilnehmer wahrnehmen und seine Zeitbasis mit der globalen Zeitbasis abgleichen.

Zusammenfassend werden die Bausteine der Systemstruktur eines FlexRay-Knotens noch einmal dargestellt:

 

  • Host: Dieser Baustein enthält die eigentlichen Anwendungen und tauscht Informationen mit allen anderen Teilnehmern aus. Der Host ist für die Koordination sämtlicher Übertragungsdaten verantwortlich, wozu Informationen zum Status, sowie Daten zur Konfiguration und Kommunikation gehören.
  • Communication Controller: Der Controller tauscht Synchronisierungsdaten mit dem Bus Guardian und andere Communication Data mit dem Host und dem Bus Driver aus.
  • Bus Guardian: Die zusätzliche Überwachungseinheit erhält Daten von allen anderen Teilnehmern und kann bei der Erkennung von Fehlern direkt auf den Bus Driver einwirken.
  • Bus Driver: Neben der Kommunikation ist der Bus Driver für die Ankopplung des FlexRay-Knotens an das Busmedium verantwortlich.

 

Kommunikation im FlexRay-System

Die Kommunikation im FlexRay-System wird in Zyklen abgewickelt. Dies ist nötig, um die unterschiedlichen Anforderungen verteilter Systeme zu erfüllen und eine deterministische Übertragung zu ermöglichen. Der Kommunikationszyklus wird in ein statisches und ein dynamisches Segment unterteilt. Ersteres teilt den Knoten feste Zeitschlitze zu, in denen eine kontrollierte Übertragung der Daten erlaubt ist.

Das dynamische Segment erlaubt eine Zuteilung, die durch Prioritäten gesteuert wird. Die Anwendung der Segmente ist flexibel konfigurierbar, wodurch auch eine kurbelwellensynchrone Übertragung der Daten möglich wird. Diese wird besonders im Antriebsstrang benötigt.

Realisierung des FlexRay-Systems

Um die deterministische Datenübertragung in Fahrzeugen zu realisieren, benötigt es einer Grundvoraussetzung. Dabei handelt es sich um eine globale Zeitbasis, die in verteilten Systemen gültig ist. Im FlexRay-System wird dieser Anforderung, mit Hilfe von zwei verschiedenen Korrekturverfahren, genüge getan.

Die Korrekturverfahren sorgen für eine Anpassung von Abweichungen in den einzelnen Knoten, die sich mit der Lebensdauer des Fahrzeugs einstellen können. Damit werden beispielsweise Bauteiltoleranzen korrigiert und eine deterministische Übertragung der Daten gewährleistet.