Topologien, Kommunikations- und Buszugriffsrecht

Mit der Entwicklung des FlexRay-Systems wurde auf die wachsenden Anforderungen in der Automobilindustrie eingegangen. Neben dem Wunsch nach höheren Bandbreiten und mehr Ausfallsicherheit, wurde ein flexibles System benötigt, das deterministisch und fehlertolerant Daten überträgt. Ein Konsortium von Automobilherstellern entwickelte mit dem FlexRay ein solches System.

Der Standard wurde erstmals im Jahr 2006 seriell in ein Kraftfahrzeug eingebaut. Ein großer Vorteil besteht in der Ausführung als Multimaster-System, was den Einsatz verschiedener Topologien ermöglicht. Auf die einzelnen Topologien, sowie die Verfahren zur Kommunikation und dem Buszugriff, geht dieser Beitrag ausführlich ein.

Mögliche Topologien im FlexRay-System

Als Grundtopologie für das FlexRay wurde der Stern festgelegt. Damit werden maximale Übertragungsraten ermöglicht. Die Anordnung mit den Punkt-zu-Punkt-Verbindungen hat zum Vorteil, dass Probleme mit dem Busabschluss vermieden werden. Bei dieser Topologie treibt der zentrale Stern-Koppler die Signale aktiv zu den angekoppelten Knoten, weshalb auch oft der Name der „aktiven Stern-Topologie“ Verwendung findet.Mit dem FlexRay-System ist eine Ausführung der Stern-Topologie in der einkanaligen oder zweikanaligen Variante möglich. Bei der letzteren Variante gibt es zwei Stern-Koppler im Bus-System, die jeweils mit allen anderen Teilnehmern, jedoch nicht untereinander, vernetzt sind.Um eine höhere Flexibilität und Konfigurierbarkeit zu erreichen, ist im FlexRay-System aber auch die Anordnung in der Bus-Topologie möglich. Auch bei der Realisierung der Busstruktur ist der Einsatz einer zweikanaligen Lösung möglich. Weiterhin wird eine Kombination beider Topologien geboten. Der Zusammenschluss von Stern- und Busstruktur wird als hybride Topologie bezeichnet.

Kommunikations- und Buszugriffsverfahren im FlexRay-System

Das FlexRay-System basiert auf einem Kommunikationszyklus, welcher in ein statisches und ein dynamisches Segment unterteilt wird. Der Buszugriff im statischen Segment folgt dem TDMA-Verfahren, bei dem jeder Botschaft ein festgelegter Zeitschlitz zugeordnet wird. Jede Nachricht wird zu einem zugeordneten Zeitpunkt übertragen, wodurch eine Realisierung der Echtzeiteigenschaften gewährleistet wird. Das deterministische Verfahren, das beispielsweise für die Umsetzung verteilter Regelsysteme benötigt wird, kann durch die definierten Zeitpunkte für die Datenübertragung umgesetzt werden.

In dem dynamischen Segment nutzt das FlexRay-System das FTDMA-Verfahren. Dieses ist auch unter dem Namen Mini-Slotting bekannt und ist besonders für Botschaften empfehlenswert, die nur geringe Anforderungen hinsichtlich der Latenzzeiten haben. Der Buszugriff erfolgt über einen Slotzähler, der folgenden Regeln folgt:

• Sobald ein Minislot nicht benutzt wird, inkrementiert der Slotzähler und der Minislot bleibt ungenutzt
• Sobald der Slot-Zähler mit der Frame-ID übereinstimmt, werden Minislots mit einer Botschaft belegt
• Sobald der nächste freie Minislot auftaucht, wird der Slotzähler inkrementiert,

Durch die Befolgung dieser Regeln kann der Platz im dynamischen Segment optimal ausgenutzt werden. Die Nachrichten, die eine hohe Frame-ID haben, müssen mit ihrer Übertragung gegebenenfalls lange warten, bis genügend Minislots frei werden.

Das statische Segment weist eine minimale Länge von zwei Zeitschlitzen auf, die bei dem TDMA-Verfahren für die Übertragung von Sync-Frames benötigt werden. Diese Frames sind für die Uhrensynchronisation zuständig. Der nachgeschaltete Abschnitt, Network Idle Time, muss aus diesem Grund bei dem statischen Segment immer vorhanden sein. Zur Veranschaulichung werden die vier Bestandteile des FlexRay-Kommunikationszyklus in der zeitlichen Abfolge aufgezählt:

• Statisches Segment
• Dynamisches Segment (optional)
• Symbol-Fenster (optional)
• Network Idle Time

Das dynamische Segment und das Symbol-Fenster sind im Kommunikationszyklus optional. Dadurch wird eine flexible Anpassung des Zyklus an unterschiedliche Anforderungen möglich. Einerseits gibt es die Möglichkeit, eine reine TDMA-Kommunikation herzustellen. Andererseits kann das statische Segment für die Uhrensynchronisation genutzt und das dynamische Segment zur ereignisgesteuerten Kommunikation eingesetzt werden. Letzteres bietet eine Priorisierung der Datenübertragung und eine Verwendung von hohen Datenraten.

Beide Kommunikationsarten folgen dem Grundprinzip eines zweikanaligen Systems mit einer Bus-Topologie. Der Kommunikationsablauf sieht vor, dass die Netzknoten im statischen Segment einem festen Zeitschlitz zugeordnet sind, zu dem diese ihre Botschaften übermitteln können. Durch die zweikanalige Lösung können die Nachrichten redundant übertragen werden.

Im darauf folgenden dynamischen Segment, legt die Priorität der Botschaften den Buszugriff fest. Dabei werden Knoten, die nicht schnell genug reagieren oder nicht senden möchten, ausgelassen und im nächsten Kommunikationszyklus wieder berücksichtigt.

Flexibilität und zuverlässige Übertragung durch FlexRay

Als das Konsortium von Automobilherstellern im Jahr 1999 damit begann, das FlexRay-System zu entwickeln, bestand das Ziel vor allem darin, die Übertragungsraten zu erhöhen und für eine große Ausfallsicherheit zu sorgen. Dies ist am Ende gelungen und FlexRay ist heutzutage ein serielles, deterministisches und fehlertolerantes System für den Einsatz im Kraftfahrzeug.

Neben einer schnellen und äußerst sicheren Übertragung von Daten, weist das FlexRay-System eine große Flexibilität auf. Durch die Anordnung in Stern- oder Bus-Topologie, sowie eine Kombination der beiden Strukturen, ist die Realisierung des Systems für unterschiedliche Anwendungsfälle möglich.

Weitere Leistungsmerkmale des FlexRay-Protokolls beinhaltet die Zweikanaligkeit, wobei je Kanal eine Bitrate von bis zu 10 MBit/s übertragen werden kann. Die dezentrale Uhrensynchronisation und die garantierten Latenzzeiten sorgen außerdem für eine hohe Sicherheit bei der Datenübertragung.