Grundlagen der physikalischen Schicht und deren Modellbildung FlexRay frühzeitig im Griff (Teil 1)

Dieser Artikel beschreibt eine simulationsbasierte Methodik für die Entwicklung von FlexRay-Topologien im Rahmen der physikalischen Schicht. Dieser erste Teil beschäftigt sich mit den Grundlagen der physikalischen Schicht von FlexRay, insbesondere der Signalintegrität....

Teil 1: Grundlagen der physikalischen Schicht und deren Modellbildung

Dieser Artikel beschreibt eine simulationsbasierte Methodik für die Entwicklung von FlexRay-Topologien im Rahmen der physikalischen Schicht. Dieser erste Teil beschäftigt sich mit den Grundlagen der physikalischen Schicht von FlexRay, insbesondere der Signalintegrität. Sie sind die Basis für die Entwicklung entsprechender Modelle und die Auswertung der Gütekriterien von Topologien.

Die Entwicklung und Standardisierung von FlexRay ist mittlerweile so weit fortgeschritten, dass FlexRay auch in Serienfahrzeugen Einzug gehalten hat. Die Praxiserfahrung mit FlexRay befindet sich bei den meisten Automobilfirmen noch in den Anfängen, speziell im Bereich der physikalischen Schicht sind Erfahrungen kaum vorhanden. Obwohl FlexRay und CAN sich an vielen Stellen in der physikalischen Schicht ähneln, gibt es hier gravierende Unterschiede, und Kenntnisse aus dem CAN-Bereich können nicht unmittelbar auf die Entwicklung von FlexRay-Topologien übertragen werden. Hinzu kommt, dass weder die FlexRay-Spezifikation noch die zugehörigen Applikationsschriften eindeutige Grenzen für Topologien definieren, innerhalb derer die Kommunikation einwandfrei funktioniert. Es werden lediglich Kriterien und Randbedingungen formuliert, die vom Systementwickler für jede potentielle Topologie zu prüfen sind.

Ein weiteres Problem besteht darin, dass in der Konzeptphase die gewünschte Topologie noch nicht in Form eines realen Netzwerkaufbaus vorliegt, an dem die Kriterien überprüft werden könnten. Um frühzeitig zu wissen, wie eine Netzwerktopologie sich später im Fahrzeug verhalten wird, ist es erforderlich, auf simulationsbasierte Entwicklungsmethoden zurückzugreifen. Diese erlauben ein Evaluieren der FlexRay-Kriterien in einer frühen Phase der Entwicklung nicht nur unter Nominal-, sondern auch unter Worst-Case-Bedingungen und helfen somit, Schwachpunkte im System frühzeitig aufzudecken und zu beseitigen. Die erhöhten zeitlichen Anforderungen von FlexRay im Vergleich zu CAN durch die höhere Datenübertragungsrate spiegeln sich auch in erhöhten Anforderungen an die Modellierung der physikalischen Schicht von FlexRay wider.

FlexRay wurde als flexible Vernetzungslösung konzipiert, die eine hohe Übertragungsrate und ein deterministisches Kommunikationsschema unterstützt. Darüber hinaus wird dem Sicherheitsaspekt durch verschiedene Funktionen Rechnung getragen, z.B. durch einen weiteren, redundanten Kommunikationskanal. Der Aufbau eines „FlexRay Communication Cycle“ ist exemplarisch in Bild 1 dargestellt. Dieser besteht aus vier Anteilen:

  • Static Segment.
  • Dynamic Segment.
  • Symbol Segment.
  • Idle Segment.

Die Zeitschlitze (Slots) im statischen Segment sind von definierter Länge, wohingegen die Länge im dynamischen Segment variieren kann – gemäß der benötigten Länge des jeweiligen Nachrichtenrahmens.

Der Aufbau eines FlexRay-Rahmens ist in Bild 2 dargestellt. Jeder Nachrichtenrahmen startet mit der Transmission Start Sequence (TSS), die aus einer vom Nutzer zu definierenden Anzahl von Logical Low Bits (logisch 0) besteht. Durch die TSS wird dem Netzwerk der Start einer Kommunikation signalisiert und es werden beispielsweise die Gates im aktiven Stern für die Kommunikation geöffnet. Die eigentliche Nutzinformation (Payload) wird durch eine konfigurierbare Anzahl von einzelnen Bytes im Nachrichtenrahmen abgebildet. Jedes Byte startet mit der Byte Start Sequence (BSS). Die fallende Flanke der BSS dient zur Synchronisation der lokalen Uhr jedes FlexRay-Knotens mit der globalen Uhr, um Timing-Toleranzen im System auszugleichen. Um das Ende eines FlexRay-Rahmens zu signalisieren, wird dieser mit einer Frame End Sequence (FES) terminiert. Im dynamischen Segment folgt nach der FES noch eine Dynamic Trailing Sequence (DTS), die zum Auffüllen des Zeitraums bis zum nächsten Minislot dient.

Um die logischen Daten zwischen den FlexRay-Knoten austauschen zu können, wird neben dem eigentlichen Kommunikationsprotokoll eine Schicht benötigt, welche die physikalischen Signale überträgt. Die „Electrical Physical Layer Spezification“ (EPLS) des FlexRay-Konsortiums beschreibt die Anforderungen an die Hardware und mögliche Topologien. Hinsichtlich möglicher Topologien ist FlexRay sehr flexibel definiert worden. Abhängig von der Netzwerkphilosophie des OEM können fünf verschiedene Topologietypen zur Anwendung kommen:

  • Linear.
  • Punkt-zu-Punkt.
  • Passiver Stern.
  • Aktiver Stern.
  • Hybrid (Aktiver Stern kombiniert mit passivem Stern oder linearem Bus; Bild 3).

Des Weiteren geben die zur Spezifikation gehörigen Applikationsschriften Hinweise zur Verwendung von Filterelementen wie Gleichtaktdrosseln bzw. ESD-Schutzelementen. Es werden aber keine Vorgaben für bestimmte Komponenten gemacht; weder die Spezifikation noch Applikationsschriften geben vor, wie ein lauffähiges System zusammenzufügen ist. Insbesondere wird offen gelassen, welche konkreten Grenzen für eine Topologie zu berücksichtigen sind. Dies bedeutet, dass zu einem konkreten Topologietyp und einer dedizierten Komponentenauswahl keine Hinweise vorliegen, ob diese Topologie einwandfrei funktionieren wird oder ob Probleme seitens der Signalintegrität zu erwarten sind und wo diese sich bemerkbar machen könnten. Die EPLS definiert aber die einzuhaltenden Randbedingungen der physikalischen Signalparameter, welche vom Systementwickler für jede einzelne Topologie-Implementierung sorgfältig zu prüfen sind (Bild 4). Im Folgenden werden die wichtigsten auszuwertenden Kriterien kurz erläutert.