Mixed-Signal-Oszilloskope können den FlexRay-Bus praxisgerecht untersuchen FlexRay auf dem Prüfstand

Entwickler von FlexRay-Systemen benötigen erweiterte Oszilloskop-Messfunktionen, die über das hinausgehen, was herkömmliche Oszilloskope oder Protokollanalysatoren zu leisten vermögen.

Mixed-Signal-Oszilloskope können den FlexRay-Bus praxisgerecht untersuchen

Entwickler von FlexRay-Systemen benötigen erweiterte Oszilloskop-Messfunktionen, die über das hinausgehen, was herkömmliche Oszilloskope oder Protokollanalysatoren zu leisten vermögen.

In den vergangenen Jahren hat sich in der Automobilelektronik der ereignisgesteuerte serielle CAN-Bus als Kommunikations-Backbone bekanntermaßen etabliert. Über diesen Bus laufen die Interaktionen zwischen den zahlreichen Sensoren, Aktoren und der ECU ab. Die Anforderungen an die Kommunikationsgeschwindigkeit sind jedoch gestiegen, und außerdem ist die Elektronik in immer mehr sicherheitskritische Bereiche vorgedrungen. Das hat dazu geführt, dass man in besonders anspruchsvollen Anwendungsbereichen der Automobilelektronik vom CAN-Bus, der mit 500 kbit/s arbeitet, auf die FlexRay-Technologie umstellt, die Datenraten von 10 Mbit/s erlaubt.

Sicherheitskritische Systeme stellen hohe Mess-Anforderungen

In sicherheitskritischen Anwendungen wie Kollisionsvermeidung, Steuerung und Bremsen ist die Integrität automobiler Kommunikationssysteme von entscheidender Bedeutung. FlexRay ist auf die spezifischen Anforderungen solcher „drive-by-wire“-Umgebungen zugeschnitten. Bei der Implementierung dieser Systeme muss jedoch gewährleistet sein, dass die Kommunikation deterministisch und fehlerfrei ist.

FlexRay ist vom Konzept her zeitgetriggert und deterministisch. Die informationstragenden digitalen Datenpakete werden gemäß eines globalen Timing-Plans stets innerhalb der ihnen zugewiesenen Zeitschlitze übertragen. Genau das ist in diesem Zusammenhang mit „fehlerfrei“ gemeint. Anders als bei Computersystemen, wo Bit-Fehlerraten in einem gewissen Ausmaß tolerierbar sind, sind Fehler in automobilen Systemen inakzeptabel, weil sie fatale Folgen haben können.

Die hohe Baudrate, die zeitgetriggerte, deterministische Architektur und die Forderung nach fehlerfreiem Betrieb stellen hohe Anforderungen sowohl an das Design dieser Systeme als auch an die Testverfahren. Erschwerend kommt hinzu, dass es sich bei den meisten Automobilelektronik-Baugruppen um Mixed-Signal-Systeme handelt, die überdies unter widrigen Umgebungsbedingungen eingesetzt werden.

Zur Analyse der Signalintegrität von differenziellen Signalen in Automobilelektronik-Baugruppen – beispielsweise auf der Bit-Übertragungsschicht des seriellen FlexRay-Busses – benötigt man aktive differenzielle Tastköpfe. FlexRay-Entwickler müssen ihre Embedded-Designs außerdem oft unter extremen Umgebungsbedingungen in einer Klimakammer testen, u.U. bei Temperaturen von über 150 °C. Leider sind die Verstärker in typischen aktiven Tastköpfen nur für Temperaturen bis maximal 55 °C ausgelegt. Dieses Problem kann man lösen, indem man den Tastkopf außerhalb der Klimakammer belässt und das Messsignal über ein temperaturfestes Verlängerungskabel vom Testobjekt abgreift (Bild 3). Die passive Kopfeinheit des Verlängerungskabels ist für den Temperaturbereich von –55 bis +155 °C ausgelegt und lässt sich dadurch problemlos an Testpunkte innerhalb der Klimakammer anschließen.

Unabdingbar: Augendiagramm-Messungen

Die Messung eines Augendiagramms mit einem Oszilloskop ergibt ein Gesamtbild der Signalintegrität und des Jitters. Bei seriellen Signalen, bei denen der Takt im Datensignal steckt wie etwa bei FlexRay, werden Augendiagramme mit Oszilloskopen gemessen, die mithilfe einer speziellen Software den Takt aus dem Datensignal rekonstruieren. Mit Hilfe des rekonstruierten Takts wird die digitalisierte Kurve dann in Bit-Segmente zerlegt, die man zu einem Augendiagramm übereinanderprojiziert (oder „übereinanderfaltet“). Man nennt diese Art der Messung „Echtzeit-Auge“. Mit diesem Ansatz kann man nun Augendiagramme, die man früher über wiederholte Triggerung auf ein Taktsignal erzeugt hat, auch aus Einzelmessungen eines Oszilloskops erstellen.

Will man genaue Echtzeit-„Augen“ ermitteln, ist die entscheidende Komponente der Programmteil in der Betriebs-Software des Oszilloskops, der den Takt wiedergewinnt. Üblicherweise arbeiten derartige Algorithmen so, dass sie die Taktrekonstruktions-Hardware des Empfängers emulieren. FlexRay-Empfänger synchronisieren in einem FlexRay-Frame ihr Sampling jeweils mit jeder Byte-Startsequenz (BSS). Will ein Oszilloskop dieses Verfahren software-mäßig emulieren, erfasst es dazu einen oder mehrere FleyRay-Frames in Echtzeit. Das Taktrekonstruktionsprogramm lokalisiert dann zunächst die erste Übertragungsstartsequenz (TSS, Transmission Start Sequence). Ausgehend von diesem Punkt kann die Software die erste BSS dadurch finden, dass sie nach der ersten fallenden Flanke nach der TSS sucht. Wenn sie die BSS gefunden hat, erzeugt die Software aus der Zeitbasis des Oszilloskops acht ideale Taktimpulse (Bild 4).

Bei 10-Mbit/s-FlexRay sollte die fallende Flanke der zweiten BSS genau 1 μs nach der ersten BSS erscheinen. Das Oszilloskop sucht jeweils 10 ±1/2 Bitzeiten nach einer BSS nach der folgenden BSS. Wenn es sie gefunden hat, erzeugt es wieder acht ideale Taktimpulse, die zu dieser zweiten BSS synchron sind. Dieser Ablauf wiederholt sich, bis das Oszilloskop eine Endsequenz (FES, Frame-End Sequence) erkennt. Wenn das Oszilloskop in seinem Erfassungsspeicher viele statische und dynamische Frames erfasst hat, wiederholt sich dieser Ablauf (nämlich das Erzeugen von acht idealen Taktimpulsen nach jeder BSS) für alle gespeicherten Frames. Wenn das Oszilloskop allerdings die fallende Flanke einer BSS nicht innerhalb einer Toleranz von ± einer halben Bit-Zeit von ihrer idealen Position findet, wird die Taktrückgewinnung bis zur nächsten TSS ausgesetzt.