Echtzeit-Fähigkeit im verteilten Regler-Entwurf – Teil 1
Potential von FlexRay optimal nutzen
Fortsetzung des Artikels von Teil 3
Über- und Unterabtastung
Nur selten haben alle Komponenten dieselbe Frequenz – teilweise aus Kostengründen (Unter-Abtastung, um die CPUs zu entlasten), teilweise weil nicht alle Frequenzen auf allen Komponenten technisch möglich (oder sinnvoll) sind. Zur Aktivierung von Software-Funktionen werden fast ausschließlich ganzzahlige Vielfache eines „Basistaktes“ verwendet; typische Werte sind 10, 20, 50, 100, . . . ms. Für FlexRay-Frames stehen meist nur Zweierpotenzen, d.h. 1, 2, 4, 8, 16 etc., der „Cycle Time“ zur Verfügung. Das führt zwangsläufig zu Frequenzumsetzungen zwischen den Signalen der Anwendung (ECU-Software) und den Frames der Kommunikation (Flex-Ray).
Jobangebote+ passend zum Thema
Thermische und elektrische Schutzmaßnahmen integriert
LT3477 und LTC3783 schützen die LEDs vor übermäßiger elektrischer und thermischer Belastung. Jeder Schaltkreis bietet Schutz vor Überspannung und Überstrom. Die Softstart-Funktion ist mit einem kleinen Kondensator einstellbar und schützt die Eingangsspannungsquellen vor Einschaltströmen beim Anschalten. Beide ICs verwenden einen Strommodus, um eine exzellente Regelung der Spannung zu ermöglichen – selbst bei den starken Spannungsschwankungen, wie sie in der Elektrik von Automobilen auftreten.
Beide Bauelemente ermöglichen das Absenken des LED-Stroms im Falle einer Überhitzung der LED. LT3477 und LTC3783 bieten dem Entwickler Zugriff auf die interne Referenzspannung. Mit einer kleinen Schaltungsänderung können diese Treiber mit einem am LED-Gehäuse angebrachten Thermistor verbunden werden, der die Temperatur überwacht. Falls die Außentemperatur des LED-Gehäuses einen gefährlichen Wert erreicht, senken LTC3783 und LT3477 den Laststrom, um die Wärmeentwicklung in der LED zu verringern und diese vor Überhitzung und dauerhafter Beschädigung zu bewahren.
Als Resultat findet man Komponenten einer Gesamtfunktion, die z.B. im Idealfall in einem Raster von 33,33 ms laufen soll, oftmals in mehreren Rastern wieder, z.B. 20, 30 und 40 ms. Derartige Frequenzumsetzungen werden in der Regelungstechnik als Über- und Unter-Abtastungen gezielt für Filterfunktionen eingesetzt. Hier handelt es sich hingegen um einen unbeabsichtigten Effekt mit der Folge, dass einige Signale mehrfach übertragen werden, während andere „verloren“ gehen. Darüber hinaus implizieren Frequenzumsetzungen auch zusätzliche (und meist schwankende Verzögerungen) in den Puffern (in RTE und COM). Bild 4 zeigt die Auswirkungen von Frequenz-Umsetzungen. Diese Verzögerungen gilt es möglichst frühzeitig zu erkennen und in die Auslegung des Reglers einzubeziehen.
Bei FlexRay besteht die Möglichkeit, mittels einer speziellen Service-Funktion den Start der „OS Schedule Table“ auf einer ECU mit dem „Start of FlexRay Cycle“ auf dem Bus zu synchronisieren. Dadurch können die oben genannten Frequenzumsetzungen nicht gänzlich vermieden, deren dynamischer Einfluss (Schwankungen) jedoch eng begrenzt werden. Diese globale Synchronisation zwischen allen Software-Funktionen wird oft als besonderer Vorteil von FlexRay-Netzwerken propagiert. Ein Blick in die Entwicklungsprozesse der Automobilindustrie lässt jedoch erahnen, dass ein derartig radikaler Umstieg nicht über Nacht zu erwarten ist. Vielmehr wird er sukzessive angegangen, indem ausgewählte Steuergeräte vom CAN auf den FlexRay-Bus verschoben werden.
 | Afshin Odabaee schloss sein Studium an der Santa Clara Ubiversity mit einem BSEE ab und hat seither in der Industrie zwölf Jahre Berufserfahrung gesammelt. Derzeit arbeitet er als Product Marketing Engineer innerhalb der Power-Management-Products-Group der Firma Linear Technology Corp. |
Oftmals wird dabei lediglich der COM-Layer ausgetauscht, Funktions-Software sowie OS werden aus Kostengründen wiederbenutzt. Als Folge werden sowohl synchrone als auch asynchrone ECUs an einem FlexRay-Bus zu finden sein. In solchen asynchronen Systemen kommt es mangels einer globalen Zeitbasis zu Schwebungen, die in ihren Auswirkungen denen der Frequenzumsetzung gleich kommen (Bild 4).
Der dritte große Einfluss auf das Echtzeit-Verhalten ist das Betriebssystem-Scheduling (typisch OSEK, künftig auch AUTOSAR-OS), dem die Software-Komponenten (SW-C) unterliegen. Die Ausführung der enthaltenen Routinen (Runnables) innerhalb von Tasks wird durch höherpriore SWTasks oder durch Interrupts verzögert oder unterbrochen. In der Folge werden die Signale verzögert an die Laufzeitumgebung (Run-Time Environment, RTE) übergeben. Da die Verzögerungen in der Praxis kaum konstant sind, weisen die Signale einen Jitter auf, so dass es auch ohne die o.g. Frequenzumsetzung zu doppelten und verlorenen Signalen kommen kann (Bild 5). Dieser Effekt kann nur auf Kosten zusätzlicher „Sicherheits-Wartezeiten“ wirksam verhindert werden. Natürlich liegt dieser Effekt mehr in der Verantwortung des ECU-Zulieferers, aber auch ein OEM tut gut daran, diese zu kennen, um in der Spezifikation von Anforderungen an Zulieferer die Weichen richtig zu stellen.
Mit der Anbindung von Sensoren und Aktoren über das Netzwerk oder gar die Verteilung von Regelfunktionen auf mehrere ECUs kommt eine weitreichende Neuerung hinzu. Denn Kommunikation bedeutet zusätzliche Verzögerungen (Bild 2), die das Zeitverhalten der gesamten Regelung signifikant verändern können. Eine gemeinsame Taktbasis für alle ECUs ist bei FlexRay-Systemen zwar möglich, Kostengründe und Einschränkungen bei der Erweiterbarkeit sprechen aber häufig dagegen.
Herausforderung beim Systementwurf
Nach dem klassischen Ansatz wird oftmals die gesamte Regelfunktion inklusive der Echtzeit-Anforderungen vom OEM zur Implementierung an den Zulieferer übergeben (oder vom Zulieferer selbst entwickelt und dem OEM angeboten, z.B. ABS von Bosch). Der Zulieferer ist so für die Einhaltung der Vorgaben verantwortlich. Dies funktioniert, weil der Zulieferer über die Informations- und Entscheidungshoheit über das gesamte Regelsystem verfügt.
- Potential von FlexRay optimal nutzen
- Zukünftige FlexRay-Systeme
- Konstanter Strom und konstante Spannung für die LED
- Über- und Unterabtastung
- Potential von FlexRay optimal nutzen
