Schaltungsparameter beim Übertragungssystem FlexRay Mit 10 Mbit/s über den FlexRay-Bus

Für das neue zeitgesteuerte Übertragungssystem FlexRay mit einer erhöhten Datenrate im automobilen Umfeld werden umfangreiche Anforderungen an die physikalische Schicht gestellt. Kann der FlexRay-Transceiver unter den Randbedingungen, die in einer Fahrzeugkarosserie herrschen, eine Datenrate von 10 Mbit/s erreichen? Eine Untersuchung dazu liefert die Antwort.

Schaltungsparameter beim Übertragungssystem FlexRay 

Für das neue zeitgesteuerte Übertragungssystem FlexRay mit einer erhöhten Datenrate im automobilen Umfeld werden umfangreiche Anforderungen an die physikalische Schicht gestellt. Kann der FlexRay-Transceiver unter den Randbedingungen, die in einer Fahrzeugkarosserie herrschen, eine Datenrate von 10 Mbit/s erreichen? Eine Untersuchung dazu liefert die Antwort.

Die elektronische Vernetzungsstruktur moderner Autos hat eine Komplexität erreicht, die besonders bei ihrer Integration ins Kfz-Gesamtsystem einen hohen Aufwand bedingt. In aktuellen Fahrzeugen der Oberklasse werden bis zu 70 Steuergeräte an verschiedene Kommunikationsbusse angeschlossen, die wiederum über Gateways miteinander verbunden sind. Da die Steuergeräte von verschiedenen Zulieferern kommen, haben die elektrischen Bauteile innerhalb der spezifizierten Grenzen unterschiedliche Toleranzen. Die Auswirkung auf Systemebene hängt dabei ganz entscheidend von der vorliegenden Topologie und Vernetzungsarchitektur ab. Im Hinblick auf die bevorstehenden X-by-Wire-Systeme, die mit FlexRay vernetzt werden sollen, steigen die Anforderungen an die entsprechende Funktionssicherheit.

Eine höhere Ausfallsicherheit lässt sich unter anderem auch durch weniger Bussysteme mit einer höheren Datenübertragungsrate erzielen (Backbone-Prinzip). Allerdings ist dann ein gutes Design der physikalischen Schicht wichtig. Die numerische Berechnung stellt eine gute Entwicklungsmethode dar, mögliche Probleme schon während der Designphase zu erkennen, zu analysieren und zu lösen. Dies spart Zeit und Kosten in den späteren Entwicklungsphasen, insbesondere bei Systemen mit hoher Komplexität wie FlexRay. Das wesentliche Augenmerk der Simulation liegt auf der Signalintegrität (SI) und der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV). Einerseits geht es um die möglichst fehlerfreie Übertragung der Nutzsignale und andererseits um Störemissionen und Auswirkungen eingekoppelter Störsignale.

Eine wichtige Voraussetzung für die Simulation ist die praxisgerechte Modellierung des Systems. Mittels einer modularen und parametrierbaren Modellierung des FlexRay-Systems erhöht man die Wiederverwendbarkeit der Modelle. Aus diesem Grund werden zuerst die Buskomponenten der physikalischen Schicht des FlexRay-Bussystems modelliert. Abschließend werden die Modelle in Anwendungsszenarien unterschiedlicher Simulationen verwendet. Die Simulationen werden mit dem Netzwerkanalyse-Programm PSpice durchgeführt. Dabei werden Aspekte wie die Auswirkung der Transceiver-Unsymmetrien auf die Störaussendung und auf die Störfestigkeit sowie der Einfluss von Entstördrosseln auf die Bussignale untersucht.

FlexRay benutzt eine differenzielle Signalübertragung mit einer spezifizierten Datenrate von 10 Mbit/s, die über zwei Busleiter (BUs_Plus und BUs_Minus) umgesetzt wird (zum Vergleich: Beim CAN-Bus sind es maximal 500 kbit/s). Dabei werden zwei Betriebszustände definiert: Dominant- und Rezessivzustand. Flex-Ray überträgt sowohl die logische Null als auch die logische Eins mit dem Dominantzustand. Im Rezessivzustand (Idle Mode) ist die Spannungsdifferenz auf dem Bus gleich Null. Die prinzipielle Form der Bussignale ist in Bild 1 dargestellt.

In der Praxis wird bei jedem FlexRay-Transceiver eine LC-Entstörschaltung eingesetzt, um eine Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit zu erreichen. Damit wird die Gleichtaktstörung unterdrückt und die elektromagnetische Abstrahlung verringert (Bild 4). Die Gleichtaktdrossel unterdrückt die Störströme durch ihre relativ hohe Impedanz im Gleichtaktbetrieb. Im Hinblick auf die Signalintegrität spielt die Streuinduktivität (wirksame Induktivität im Gegentaktbetrieb Lg = 2 (L – M) = 2 L (1 – k)) eine maßgebliche Rolle. Die Split-Terminierung entsteht über einen Kopplungskondensator, der bei einem geteilten Busabschluss in der Mitte auf Masse gelegt wird. Sie bildet mit der Entstördrossel ein Tiefpassfilter, um die hochfrequente Gleichtaktstörung gegen Masse kurzzuschließen. Exemplarisch wird als EMV-Schutzmaßnahme die Kombination von Gleichtaktdrossel und Split-Terminierung benutzt.

Aufgrund der Anforderung nach einer differenziellen Signalübertragung erfordert das Busmedium eine Zweidraht-Verbindung mit Differenzsignalen gegen Masse, die sich als dritter Leiter durch die gesamte Fahrzeugkarosserie zieht. Als Resultat ergibt sich ein 3-Leiter-System, welches mit gekoppelten Leitungen modelliert werden kann. Die Leitungssymmetrie spielt im Störungsfall eine wichtige Rolle. Sofern die Leitungen dicht und mit einem konstanten Abstand über die Massefläche geführt werden, erreicht man eine gute Symmetrie und damit eine gute Maßnahme gegen Abstrahlungen und gegen Empfang unerwünschter Störsignale. Eine Verbesserung der EMV-Eigenschaften des Übertragungskanals wird durch Verdrillung und Abschirmung der Zweidrahtleitung erreicht. Ein relevanter Aspekt der verdrillten Leitungen ist die Schlaglänge: Bei kleiner Schlaglänge (große Verdrillungszahl) verringert sich der induzierte Störstrom. Andererseits geht durch die Anbringung einer schlechten Schirmung oder einer ungeeigneten Erdung des Schirms die Leitungssymmetrie verloren, da die Übertragungseigenschaften der beiden verdrillten Adern gegenüber der erdbezogenen Schirmung nicht identisch sind. Es ist noch zu berücksichtigen, dass Unsymmetrien bei z.B. unterschiedlicher Kabellänge der Litzen in einer verdrillten Zweidrahtleitung oder durch unsymmetrische Stecker entstehen können.

Grundsätzlich heben sich in einem symmetrischen System bei einer exakten Symmetrie die Wirkungen der Ströme im Hin- und Rückleiter auf, d.h., die Stromdifferenz zwischen beiden Busleitern ist gleich Null. Zur Betrachtung der Störauswirkung bei unsymmetrischem Ausgangsverhalten des Transceivers  werden die zwei FlexRay-Transceiver-Typen durch die Punkt-zu-Punkt-Verbindung einer Streifenleitung simuliert (Bild 5). Eine Beschreibung der Simulationsmodelle findet man in [5]. Der Fall, dass Sender und Empfänger ohne Entstördrossel eingesetzt werden, ist in der Bild 6 mit Simulationsergebnissen zu sehen. Das abgestrahlte Feld ist bei Typ A viel größer als bei Typ B.

Zur Störfestigkeitssimulation wird durch die Streifenleitung das Feld auf den Kabelbaum des Systems eingekoppelt (Bild 7). Auch in diesem Fall spielen die Unsymmetrien eine maßgebliche Rolle, da die Wirkungen auf die beiden Busleiter nicht gleich sind und sich nicht aufheben. Dabei wird die Punkt-zu-Punkt-Verbindung passiv betrachtet, d.h., der Sender wird durch einen unsymmetrischen Empfänger ersetzt.

Daneben wird die Entstörwirkung einer idealen Gleichtaktdrossel bei verschiedenen Induktivitätswerten (22, 51 und 100 µH mit einem Kopplungsfaktor von k = 0,99) untersucht. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Entstördrossel mit 100 µH die eingekoppelte Störung am stärksten unterdrückt, gefolgt von den Entstördrosseln mit 51 und 22 µH (Bild 8). Zu beachten sind auch die Resonanzstellen. Anderseits wird auch der Einfluss der Streuinduktivität der Gleich-taktdrossel auf die Bussignalform simuliert. Bild 9 zeigt das Bussignal bei einer Entstördrossel von 100 µH mit k = 0,98 bzw. k = 0,99, gemes-sen am Senderausgang (siehe dazu Bild 5). Man sieht in beiden Fällen einen Überschwinger beim Übergang vom Dominant- in den Rezessivzustand. Die Kombination der Streuinduktivität mit einer Kapazität bildet einen Schwingkreis, was im Zusammenhang mit den Schaltvorgängen des Transceivers zu einem Überschwingen der Bussignale führt.

10 Mbit/s werden erreicht

Bisher wurde eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung untersucht. Dies entspricht der idealen Verbindungsart und stellt im Prinzip einen aktiven Stern für eine Erweiterung der Teilnehmerzahl des Netzes dar. Weitere Vernetzungstopologien, die ebenfalls einen erfolgreichen Betrieb garantieren und die Wirtschaftlichkeit verbessern, sind die so genannten passiven Bustopologien. In diesem Fall sind Stichleitungen, die von einer Stammleitung abzweigen, zu berücksichtigen. Sowohl aus Sicht der Signalintegrität als auch aufgrund zu erwartender erheblicher EMV-Probleme sind Anzahl und Länge der Stichleitungen zu begrenzen.

Durch weitere systematische Untersuchungen kann die Frage nach einer praxisgerechten Dimensionierung beantwortet werden, so dass die angestrebte Datenrate von 10 Mbit/s mit Beachtung der angesprochenen komplexen Randbedingungen tatsächlich auch erreicht wird.