Melexis Fahrzeug-Kommunikationsprotokolle und deren zukünftige Möglichkeiten

Die Zahl an Infotainment-, Sicherheits-, Komfort- und Antriebsstrang-Funktionen im Fahrzeug steigt immer mehr und damit auch der Kommunikationsbedarf der Steuergeräte. Dazu kommen die verschiedenen Bussysteme – angefangen von CAN (bald auch CAN FD) über LIN bis FlexRay, MOST und Ethernet zum Einsatz. Wie diese unterschiedlichen Standards in welcher Form implementiert werden, müssen die OEMs entscheiden.

Die Zahl elektronischer Steuergeräte (ECUs; Electronic Control Units), die in moderne Fahrzeuge verbaut werden, steigt immer weiter. Sie sind für die verschiedenen Infotainment-, Sicherheits-, Komfort- und Antriebsstrang-Funktionen vorgesehen. In einigen Fällen finden sich in bestimmten Fahrzeugen heute über 100 bis 120 ECUs. Der Datentransfer zu und von diesen Einheiten ist besonders kritisch; die Anforderungen an die Gesamt-Datenanbindung steigen daher weiter. Entscheidend ist die richtige Implementierung von Fahrzeugnetzwerken.

Bussysteme im Überblick

Derzeit gibt es eine Reihe von Kommunikationsprotokollen für Fahrzeuge (Bild 1). Vom unteren bis zum oberen Ende sind das:

  • Local Interconnect Network (LIN)
  • Controller Area Network (CAN)
  • FlexRay
  • Ethernet

LIN unterstützt die Kommunikation über 40 bis 50 Knoten (maximal 16 Knoten pro Netzwerksegment). Es ist ein kostengünstiger serieller Bus, allerdings mit niedriger Datenrate (20 kbit/s), der sich für Aufgaben eignet, bei denen Latenz keine Probleme verursacht. Darum eignet er sich für die Komfortelektronik, beispielsweise Sitzpositionierung, Spiegelverstellung, Klimaautomatik oder Anpassung der Innenraumbeleuchtung. Seit Kurzem kommt LIN für Diagnosesysteme zum Einsatz, die nicht echtzeitabhängig sind, wie die Reifendrucküberwachung. Einer der großen Vorteile ist neben den niedrigen Implementierungskosten auch die Erweiterbarkeit. Knoten lassen sich einfach zum Netzwerk hinzufügen, ohne Hardware- oder Software-Änderungen anderswo im Netzwerk vornehmen zu müssen. LIN ist darüber hinaus dazu konzipiert, mit Netzwerken auf Basis des CAN-Bus-Protokolls zusammenzuarbeiten.

CAN ist bereits weitläufig integriert in Fahrzeuge. Dieser Protokollstandard bietet eine relativ schnelle, asynchrone Vernetzung mit hoher Zuverlässigkeit aufgrund seiner automatischen Fehlererkennung und 2-Draht-Implementierung. Er eignet sich im Gegensatz zu LIN für zeitkritische Anwendungen, zum Beispiel für den Antriebsstrang, und lässt sich einfach über 100 oder mehr Knoten implementieren. Jüngst kam jedoch die Frage auf, ob CAN in Fahrzeugen langfristig eine Zukunft hat, weil die Buslasten in einem durchschnittlichen Fahrzeug immer mehr an die 100 Prozent heranreichen.

Im Blickpunkt: CAN FD

Die Branche bereitet sich daher auf CAN mit flexibler Datenrate (CAN FD) vor. Diese Variante wurde von Bosch und General Motors definiert, weil die Bandbreite des Original-Standards ihre Grenze erreicht. CAN FD weist die gleiche Architektur wie CAN auf, verfügt aber über eine wesentlich höhere Datenübertragungsgeschwindigkeit. Der Standard bietet Dual-Bit-Datenraten, längere Datenlängen und unterstützt 8 Mbit/s Bandbreite im Vergleich zu nur 1 Mbit/s bei CAN. Weil CAN FD kompatibel zu den gängigen CAN-Netzwerken ist, steht ein einfacherer Migrationspfad bereit, als das bei anderen Netzwerken der Fall wäre. Die weite Verbreitung von CAN FD wird dennoch mit Schwierigkeiten einhergehen, weil viele Chiphersteller mit der Einführung hochentwickelter ICs und der dazugehörigen Software kämpfen, die erforderlich ist, um die Technologie zu unterstützen. Die nächsten zwölf Monate werden darüber entscheiden, ob die Halbleiterhersteller entsprechende Bausteine anbieten, die die Erwartungen an dieses Netzwerkprotokoll erfüllen.

FlexRay kann als High-Speed-Protokoll eine Datenrate von 10 Mbit/s erreichen und enthält sicherheitskritische Funktionen, die es an die Spitze der x-by-Wire-Implementierung setzen. Dabei werden schwere mechanische Systeme durch schlankere Elektronik ersetzt, um das Gesamtgewicht und den Kraftstoffverbrauch von Fahrzeugen zu senken. Derzeit wird FlexRay nur begrenzt eingesetzt, weil es sich für den breiten Einsatz im Fahrzeug als kostenintensiv erweist. Zudem gibt es keine Möglichkeit, weitere Module zu einem späteren Zeitpunkt hinzuzufügen. Die Architektur ist damit unflexibel. Da CAN FD nahezu den gleichen Datendurchsatz bietet und zudem den Vorteil, günstiger und einfach implementierbar zu sein, wird es wohl auch für FlexRay vorgesehene Bereiche einnehmen.