Kurzeinführung in FlexRay
Was ist FlexRay?
FlexRay ist ein schnelles, deterministisches und fehlertolerantes Bussystem für den Automobileinsatz, basierend auf den Erfahrungen von namhaften Automobilherstellern bei der Entwicklung von Prototypen-Anwendungen und dem byteflight Kommunikationssystem. Byteflight wurde speziell für den Einsatz in passiven Sicherheitssystemen (Airbags) entwickelt. Um auch die Anforderungen an aktive Sicherheitssysteme zu erfüllen, wurde byteflight vom FlexRay-Konsortium weiterentwickelt, besonders in Bezug auf Zeitsteuerung und Fehlertoleranz. Heute sind die Automobilhersteller BMW, DaimlerChrysler, General Motors, Ford und Volkswagen, sowie die Unternehmen Bosch, Motorola und Philips Semiconductors im FlexRay-Konsortium als Core-Partner vertreten.
Der Datenaustausch zwischen der Vielzahl an Steuergeräten, Sensoren und Aktoren in Automobilen wird heute hauptsächlich über ein CAN-Netzwerk durchgeführt. Die Einführung von neuen x-by-wire-Systemen führt jedoch zu steigenden Anforderungen, insbesondere in Bezug auf die Fehlertoleranz und die Zeitsteuerung bei der Nachrichtenübertragung. FlexRay erfüllt diese erhöhten Anforderungen durch eine Nachrichtenübertragung in festen Zeitfenstern und durch eine fehlertolerante und redundante Übertragung auf zwei Kanälen.
Der Physical Layer
FlexRay arbeitet nach dem Prinzip von TDMA, bei dem die Komponenten oder Nachrichten feste Zeitfenster zugeteilt bekommen, in denen sie einen exklusiven Buszugang haben. Diese Zeitfenster wiederholen sich in einem bestimmten Zyklus. Die Zeit, während der sich eine Nachricht auf dem Bus befindet, kann dadurch exakt vorausgesagt werden.
Abb. 1: Mögliche FlexRay-Topologie mit 2 Kanälen
Die feste Zuordnung der Komponenten oder Nachrichten zu festen Zeitfenstern hat jedoch den Nachteil, dass die Bandbreite nicht voll ausgeschöpft wird. Aus diesem Grund unterteilt FlexRay den Zyklus in statische und dynamische Abschnitte. Am Anfang eines Kommunikationszyklus' befindet sich das statische Segment, in dem jeder Botschaft ein fixes Zeitfenster zugeteilt ist. Im nachfolgenden dynamischen Abschnitt werden die Zeitfenster dynamisch zugeteilt. Ein exklusiver Buszugang ist immer nur für eine kurze Zeit möglich (sogenannte "Minislots"). Dieses Zeitfenster wird nur um die benötigte Zeit erweitert, wenn die entsprechende Nachricht in diesem Zyklus versendet werden soll. Nicht versendete Nachrichten blockieren den nachfolgenden Datenaustausch im dynamischen Segment nur minimal (Minislot-Dauer).
Abb. 2: Typischer FlexRay-Kommunikationszyklus
Datenübertragungsgeschwindigkeit von FlexRay
FlexRay kommuniziert über zwei physikalisch getrennte Kanäle mit einer Datenübertragungsgeschwindigkeit von jeweils 10 Mbits/s. Die beiden Kanäle werden hauptsächlich für die redundante und daher fehlertolerante Nachrichtenübertragung verwendet. Sie können aber auch unterschiedliche Nachrichteninhalte übertragen; in diesem Fall verdoppelt sich der Datendurchsatz. FlexRay kann allerdings auch mit niedrigeren Datenübertragungsgeschwindigkeiten betrieben werden.
Knoten-Synchronisation
Um synchrone Funktionen durchführen und die Bandbreite durch kleine Abstände zwischen den Nachrichten optimieren zu können, benötigen die im Kommunikationsnetzwerk verteilten Komponenten eine gemeinsame Zeitbasis (global time). Zur Uhrensynchronisation werden die Synchronisationsnachrichten im statischen Teil des Zyklus' übertragen. Mit Hilfe eines speziellen Algorythmus' wird die lokale Uhrzeit einer Komponente dadurch korrigiert, dass sich alle lokalen Uhren synchron zur globalen Uhr verhalten.
Struktur eines FlexRay-Knotens
Ein FlexRay-Knoten besteht aus einem Host-Prozessor, dem FlexRay Communication Controller (CC) und dem Bus Guardian (BG). Der Host-Prozessor unterstützt und verarbeitet die Daten, welche über den FlexRay Controller übertragen werden.
Der BG überwacht den Buszugang. Der Host-Prozessor informiert den BG, welche Zeitfenster dem FlexRay CC zugeteilt sind. Zur Laufzeit erlaubt der BG dem FlexRay CC, nur in diesen Zeitfenstern Daten zu versenden (durch Aktivierung des Bustreibers). Daten können zu jeder Zeit empfangen werden.
Abb.3: Beispiel eines FlexRay-Knotens
