Feldbusse FlexRay - Vom Auto in die Industrie?

CAN und LIN sind in der Industrie sehr verbreitet. Insbesondere CAN ist auch schon etwas in die Jahre gekommen, und LIN eignet sich nur für sehr einfache Steuerungsaufgaben mit minimaler Brandbreite. FlexRay hingegen bietet mehr Bandbreite und ein deterministisches Übertragungsverhalten – eine in der Automatisierung sehr wichtige Eigenschaft.

Im Hinblick auf Fehlertoleranz, Geschwindigkeit der Datenübertragung und Komplexität der Anschlüsse gehört das Auto zu den anspruchsvollsten Anwendungsbereichen in der Elektronik. Insofern ist es keine Überraschung, wenn die zwei Feldbusse mit dem höchsten Verbreitungsgrad und der größten Robustheit in der Elektronik ursprünglich aus der Automobilindustrie stammen. Die beiden Busprotokolle CAN (Controller Area Network) und LIN (Local Interconnect Network) werden erfolgreich in Millionen von Fahrzeugen auf der Straße eingesetzt. Sie sind so zuverlässig und von den Komponentenherstellern so gut unterstützt, dass sie den Sprung vom Auto zu Anwendungen in der Industrie geschafft haben.

Angesichts der immer stärker zunehmenden Nachfrage nach Datenbandbreite hat die Automobilindustrie nun mit FlexRay (www.flexray.com) einen neuen, leistungsstärkeren Feldbus entwickelt. Kann FlexRay – genauso wie seine Vorgänger – auch außerhalb der Automobilindustrie zum Einsatz kommen? Ein Teil der Antwort auf diese Frage hängt von der Kenntnis der Eigenschaften von CAN und LIN ab. Für den Einsatz in der Industrie muss FlexRay Anforderungen erfüllen, die bisher weder von CAN noch von LIN abgedeckt werden. Was also sind die Einschränkungen dieser Busse?

FlexRay vs. CAN und LIN

Generell bietet ein CAN-Bus eine höhere Leistung, ist aber im Vergleich zu einem LIN-Bus kostspieliger in der Umsetzung. CAN wird in Autos für Hauptfunktionen wie Airbagsteuerung und ABS verwendet, bei denen ein zuverlässiges und schnelles Ansprechverhalten gefordert ist. Seine Hauptmerkmale sind:

  • schnelles Ansprechverhalten,
  • maximale Datenrate von 1 Mbit/s,
  • hohe Störfestigkeit (bei der Ausführung mit 125 Kbit/s),
  • Eignung für die Übertragung von kurzen Meldungen,
  • Anschluss von bis zu 50 Teilnehmern,
  • große Auswahl an kostengünstigen Komponenten (Herstellung in sehr großen Stückzahlen),
  • große Auswahl an dedizierten Software-und Debug-Tools.

Im Gegensatz dazu wird LIN für periphere Funktionen wie Klimaanlage und Steuerung der Zentralverriegelung eingesetzt. Er zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus:

  • garantierte Latenz für Übertragungen,
  • maximale Datenrate von 20 Kbit/s,
  • Single-Master-/Multiple-Slave-Topologie,
  • Anschluss von bis zu 16 Teilnehmern,
  • niedrige Hardware-Kosten, da der LIN-Bus einen Hardware-UART mit 1-Draht-Schnittstelle verwendet,
  • große Auswahl an Software und Tools,
  • große Auswahl an Halbleiter-Bauelementen mit LIN-Unterstützung. Einige Bauelementehersteller implementieren LIN bei universellen Mikrocontrollern in Software.

Diese Spezifikationen machen deutlich, dass CAN und LIN ein wirtschaftliches und robustes Kommunikationsverfahren für industrielle Netzwerke bieten können. Allerdings weisen sie auch mehrere Einschränkungen auf. Zu den wichtigsten und offensichtlichsten gehören Datenrate, Anzahl der unterstützten Knoten (bzw. Teilnehmer) und Fehlen eines redundanten Kommunikationskanals für größere Zuverlässigkeit.

FlexRay ist die Antwort der Automobilindustrie auf diese Einschränkungen. Entwickelt von einem Konsortium von Herstellern wie BMW, Bosch, Daimler, General Motors, Volkswagen, Freescale Semiconductor und NXP, wird FlexRay als „das Kommunikationssystem für erweiterte Kfz-Steuerungsanwendungen“ bezeichnet. Ein Blick auf die Hauptmerkmale zeigt ein deutlich verbessertes Leistungsprofil gegenüber CAN:

  • Determinismus – Daten mit hoher Priorität haben garantierte Latenz.
  • Maximale Datenrate von 10 Mbit/s bei einem Bus und 20 Mbit/s bei zwei unabhängigen Bussen.
  • Möglichkeit unterschiedlicher Konfigurationen auf demselben Bus (siehe Bild 1) für eine sehr flexible Netzwerktopologie.
  • Bus mit angemessener Störfestigkeit, obwohl der CAN-Bus wegen der geringeren Übertragungsgeschwindigkeiten eine höhere Störfestigkeit bietet.
  • Synchronisierung zwischen den Knoten ist Teil des Protokolls und erfordert keine speziellen Komponenten.
  • An jedem Bus maximal 22 Knoten mit einem maximalen Abstand von 24 m zwischen den Knoten.
  • Eliminierung von Kollisionen beim Buszugriff durch TDMA-Sequenzierung.

FlexRay bietet eine bis zu 20-fach höhere Datenrate als der CAN-Bus und erfüllt die strengsten Zuverlässigkeitstests, wenn die Netzwerkgeräte an zwei unabhängige Busse – einen Hauptbus und einen redundanten Bus – angeschlossen sind.