Rausch FlexRay

Grundlagen, Funktionsweise, Anwendung
1. Auflage 2007
ISBN: 978-3-446-41530-0
Verlag: Carl Hanser Fachbuchverlag
Format: PDF
Kopierschutz: Adobe DRM (»Systemvoraussetzungen)

E-Book, Deutsch, 369 Seiten

FlexRay ist ein neues Kommunikationssystem für die Vernetzung von Steuergeräten v.a. im Automobil. FlexRay ermöglicht eine zuverlässige und echtzeitfähige Datenübertragung zwischen den elektrischen und mechatronischen Komponenten von Autos, Nutzfahrzeugen oder Flugzeugen.

Das Buch beinhaltet alle für den Anwender notwendigen Informationen zu Aufbau und Einsatz von FlexRay, wie Funktionsweise des Protokolls, Zugriffsverfahren, Uhrensynchronisation, Kodierung, Frameformat und Konfigurierung.

FlexRay unterstützt neben der höheren Bandbreite und schnelleren Datenübertragung eine fehlertolerante Konfiguration, d.h., auch nach Ausfall von einzelnen Komponenten wird der zuverlässige Weiterbetrieb des verbleibenden Kommunikationssystems ermöglicht.

Der Autor

Dr.-Ing. Mathias Rausch, seit 1998 bei Motorola bzw. Freescale, seit 2000 Entwicklung des FlexRay-Protokolls innerhalb des FlexRay-Konsortiums, Durchführung von Seminaren zum Thema FlexRay

Autoren/Hrsg.

Rausch, Mathias

Inhaltsverzeichnis

1;Vorwort;6
2;Inhaltsverzeichnis;8
3;Abbildungsverzeichnis;16
4;Tabellenverzeichnis;24
5;Abkürzungsverzeichnis;26
6;1 Einleitung;28
6.1;1.1 Ziel des Buches;28
6.2;1.2 Begriffe und Notationen;29
7;2 Wissenswertes über FlexRay;32
7.1;2.1 Entwicklungsziele;32
7.1.1;2.1.1 Ökonomische Ziele;32
7.1.2;2.1.2 Technische Ziele;33
7.2;2.2 Eigenschaften von FlexRay;35
7.3;2.3 Einsatzgebiete;36
7.4;2.4 Einordnung des Protokolls;37
7.5;2.5 Netzwerkprotokolle im Automobil;38
7.5.1;2.5.1 CAN;39
7.5.2;2.5.2 LIN;39
7.5.3;2.5.3 Multimediaprotokolle;40
7.5.4;2.5.4 Kommunikationsnetzwerk im Automobil;40
7.6;2.6 Das FlexRay-Konsortium und die FlexRay-Historie;42
8;3 Prinzipielle Funktionsweise des Protokolls;48
8.1;3.1 Aufbau eines Kommunikationsknotens;48
8.2;3.2 Topologien;50
8.3;3.3 Das Zugriffsverfahren;54
8.3.1;3.3.1 Zugriffsverfahren im Überblick;54
8.3.2;3.3.2 Der Kommunikationszyklus in FlexRay;57
8.3.3;3.3.3 Das TDMA-Verfahren;57
8.3.4;3.3.4 Das Minislot-Verfahren;59
8.4;3.4 Die Zeitbasis;61
8.5;3.5 Die Protokollzustandsmaschine;63
8.6;3.6 Das Starten des Protokolls;65
8.7;3.7 Das Frame-Format;67
8.8;3.8 Das Coding;68
8.9;3.9 Der Physical Layer;69
9;4 Funktionsweise des Protokolls im Detail;70
9.1;4.1 Das Zugriffsverfahren;70
9.1.1;4.1.1 Der Kommunikationszyklus;70
9.1.2;4.1.2 Aufbau eines statischen Slots;72
9.1.3;4.1.3 Dynamische Slots;75
9.1.4;4.1.4 Das Symbol Window;79
9.1.5;4.1.5 Die Network Idle Time (NIT);80
9.2;4.2 Uhrensynchronisation;80
9.2.1;4.2.1 Uhrenabweichungen und Korrekturmethoden;80
9.2.2;4.2.2 Die Messung der Zeitabweichung;83
9.2.3;4.2.3 Die Berechnung der Korrekturwerte;85
9.2.4;4.2.4 Die Verteilung der Korrekturwerte;88
9.2.5;4.2.5 Die Anwendung der Korrekturwerte;90
9.2.6;4.2.6 Externe Uhrensynchronisation;92
9.2.7;4.2.7 Präzision und Genauigkeit;94
9.3;4.3 Die Protokollmaschine;95
9.3.1;4.3.1 Besondere Zustandsübergänge in der Protokollmaschine;95
9.3.2;4.3.2 Single Slot Mode;98
9.4;4.4 Wecken eines Clusters;99
9.4.1;4.4.1 Betriebszustände eines Knotens;99
9.4.2;4.4.2 Das Wakeup Pattern;100
9.4.3;4.4.3 Überlagerung von zwei Wakeup Pattern;102
9.4.4;4.4.4 Gleichzeitiges Wecken mehrerer Knoten;103
9.4.5;4.4.5 Ablauf des Weckens in einem Cluster;104
9.5;4.5 Starten des Clusters;106
9.5.1;4.5.1 Clusterstart durch einen Knoten;106
9.5.2;4.5.2 Die Startup-Timer;112
9.5.3;4.5.3 Gleichzeitiger Clusterstart durch zwei Knoten;113
9.5.4;4.5.4 Start des Clusters bei einem fehlerhaften Knoten;115
9.6;4.6 Frame-Format;120
9.6.1;4.6.1 Der Header;120
9.6.2;4.6.2 Die Nutzdaten;123
9.6.3;4.6.3 Der Trailer;124
9.6.4;4.6.4 Nullframes;124
9.6.5;4.6.5 Der Netzwerk-Management-Vektor;126
9.6.6;4.6.6 Message Identi.er;127
9.7;4.7 Symbole;128
9.8;4.8 Die Frame-Übertragung;130
9.8.1;4.8.1 Die Frame-Codierung;130
9.8.2;4.8.2 Die Frame-Decodierung;132
9.8.3;4.8.3 Das Senden von Frames;134
9.8.4;4.8.4 Der Frame-Empfang;136
9.9;4.9 Cliquen und Cliquenbildung;140
10;5 Physical Layer;144
10.1;5.1 Signale;144
10.1.1;5.1.1 Signalde.nition;144
10.1.2;5.1.2 Kollisionen;146
10.2;5.2 Physikalische Effekte;147
10.2.1;5.2.1 Signallaufzeit;147
10.2.2;5.2.2 Asymmetrische Verzögerung;148
10.2.3;5.2.3 Signalverkürzung;148
10.2.4;5.2.4 Elektromagnetische Verträglichkeit;150
10.3;5.3 Netzwerkkomponenten;151
10.3.1;5.3.1 Kabel und Stecker;151
10.3.2;5.3.2 Terminierung;151
10.4;5.4 Topologien;154
10.4.1;5.4.1 Physikalische Topologie;154
10.4.2;5.4.2 Längen bei Bus- und Sterntopologien;156
10.4.3;5.4.3 Ungültige Topologien;159
10.5;5.5 Elektrischer Bustreiber;162
10.5.1;5.5.1 Aufbau und Funktion;162
10.5.2;5.5.2 Zustände und Übergänge;163
10.5.3;5.5.3 Schnittstellen und Ausgangsverhalten;166
10.5.4;5.5.4 Wakeup;168
10.6;5.6 Aufbau und Verhalten eines aktiven Sternkopplers;169
10.6.1;5.6.1 Funktion;169
10.6.2;5.6.2 Aufbau;171
10.6.3;5.6.3 Zustände und Übergänge;173
10.6.4;5.6.4 Zeitverhalten;176
10.6.5;5.6.5 Verhalten bei gleichzeitigem Signalempfang auf mehreren;179
10.6.6;Zweigen;179
10.7;5.7 Fehlerausbreitung;180
10.8;5.8 Asymmetrien;182
10.8.1;5.8.1 Wesen und Auswirkungen von Asymmetrien;182
10.8.2;5.8.2 Ursachen und Effekte von Asymmetrien;185
10.8.3;5.8.3 Auswirkungen von Asymmetrien auf den Cluster;189
10.9;5.9 Praktische Hinweise für eine robuste FlexRay- Topologie;193
11;6 Die Kon.gurierung eines Clusters;196
11.1;6.1 Berechnungsregeln;196
11.1.1;6.1.1 Zeitdiskretisierung;196
11.1.2;6.1.2 Bestimmen der Minimalzeit eines Signals;197
11.1.3;6.1.3 Bestimmen der Maximalzeit eines Signals;199
11.1.4;6.1.4 Notation der Formeln;200
11.2;6.2 Microtick und Macrotick;200
11.2.1;6.2.1 Der Microtick;200
11.2.2;6.2.2 Der Macrotick;202
11.3;6.3 Die Präzision;205
11.4;6.4 Startup-Parameter;207
11.4.1;6.4.1 Toleranzbereich beim Startup;207
11.4.2;6.4.2 Parameter zur Initialisierung der Uhr;208
11.4.3;6.4.3 Maximale Drift;210
11.4.4;6.4.4 pdListenTimeout;211
11.5;6.5 Der statische Slot;212
11.5.1;6.5.1 Der Actionpoint-Offset;212
11.5.2;6.5.2 Die statische Slotgröße;214
11.6;6.6 Das dynamische Segment;216
11.6.1;6.6.1 Der Minislot- Actionpoint-Offset;216
11.6.2;6.6.2 Der Minislot;217
11.6.3;6.6.3 Dynamic-Slot-Idle-Phase;219
11.6.4;6.6.4 Anzahl an Minislots;220
11.6.5;6.6.5 Spätester Frame-Beginn im dynamischen Segment;223
11.7;6.7 Symbol- Window und NIT;224
11.7.1;6.7.1 Das Symbol- Window;224
11.7.2;6.7.2 Network Idle Time;225
11.8;6.8 Uhrensynchronisation;230
11.8.1;6.8.1 Steigungskorrekturwert;230
11.8.2;6.8.2 Offset-Korrekturwerte;231
11.8.3;6.8.3 Dämpfungsparameter für die Uhrenkorrektur;232
11.8.4;6.8.4 Externe Uhrensynchronisation;233
11.9;6.9 Physical Layer abhängige Parameter;234
11.9.1;6.9.1 Maximale Signallaufzeit;234
11.9.2;6.9.2 Korrektur der Zeitmesswerte;235
11.9.3;6.9.3 Kompensation der Laufzeit;236
11.9.4;6.9.4 Transmission Start Sequence;237
11.10;6.10 Parametrierung der Symbole;238
11.10.1;6.10.1 Das Collision Avoidance Symbol;239
11.10.2;6.10.2 Kon.gurierung des Wakeup-Symbols beim Sender;241
11.10.3;6.10.3 Kon.gurierung des Wakeup-Symbols beim Empfänger;242
11.11;6.11 Clusterkon.gurierung;244
11.12;6.12 Zuordnung der Gleichungen zu den Kon . gurationsregeln der Protokollspezi.kation;248
12;7 Der Busguardian;250
12.1;7.1 Prinzip des Busguardians;250
12.2;7.2 Lokaler Busguardian;252
12.3;7.3 Zentraler Busguardian;255
12.4;7.4 Weitere Aspekte des Busguardians;257
12.4.1;7.4.1 Test des Busguardians;257
12.4.2;7.4.2 Weitere Funktionen;258
12.4.3;7.4.3 Vergleich der Konzepte;258
12.4.4;7.4.4 Auswirkung des Busguardians auf die Clusterkon.guration;259
13;8 Die Implementierung des FlexRay- Protokolls;262
13.1;8.1 Nachrichtenpufferkonzept;262
13.1.1;8.1.1 Aufteilung in Register und Speicher;262
13.1.2;8.1.2 Message Buffer-Typen;265
13.2;8.2 Message Buffer Kon.gurierung;266
13.2.1;8.2.1 Message Buffer Control Register;266
13.2.2;8.2.2 Frame-Header-Kon.gurierung;269
13.2.3;8.2.3 Beispiel für die Kon.gurierung eines Sendepuffers;271
13.2.4;8.2.4 Beispiel für die Kon.gurierung eines Empfangspuffers;272
13.2.5;8.2.5 Beispiel für die Kon.gurierung eines Receive Shadow Buffers;273
13.3;8.3 Protokollkon.gurationsregister;273
13.4;8.4 Filterkon.gurierung;276
13.5;8.5 Interrupts;279
13.5.1;8.5.1 Individuelle Interruptquellen;279
13.5.2;8.5.2 Kombinierte Interruptquellen;280
13.5.3;8.5.3 Protokoll-Interruptbits;281
13.5.4;8.5.4 CHI-Fehler-Interruptbits;284
13.6;8.6 FIFO-Puffer;286
14;9 Aspekte der Anwendung von FlexRay;290
14.1;9.1 Die Wahl der Frame-Größe;290
14.2;9.2 Die Gestaltung der Payload innerhalb von Frames;292
14.3;9.3 Das Prinzip der Sendezeitfenster;294
14.4;9.4 Ein Beispiel;296
14.4.1;9.4.1 Topologie;296
14.4.2;9.4.2 Sende-Schedule;297
14.4.3;9.4.3 Kommunikationsmatrix;298
14.4.4;9.4.4 Bestimmung der FlexRay-Protokollparameter;299
14.5;9.5 Realisierungsvarianten für das Multiplexen im dynamischen Segment;304
14.5.1;9.5.1 Aufgabenstellung;304
14.5.2;9.5.2 Steuerung des Sendezeitpunktes durch den Host;306
14.5.3;9.5.3 Verwendung von Zykluszähler.ltern;307
14.5.4;9.5.4 Pufferumkon.gurierung;309
14.5.5;9.5.5 Vergleich der Realisierungsvarianten;312
15;10 Ausblick;314
15.1;10.1 Protokollentwicklung;314
15.2;10.2 AUTOSAR;314
15.2.1;10.2.1 Motivation und Ziele von AUTOSAR;315
15.2.2;10.2.2 Technisches Konzept;316
15.2.3;10.2.3 FlexRay und AUTOSAR;318
15.3;10.3 Einsatz von FlexRay;319
16;Anhang A: Einführung in SDL;322
16.1;A. 1 Philosophie von SDL;322
16.2;A.2 Die gra.schen Elemente;323
16.3;A.3 Grundelemente;326
16.4;A.4 Austauschen von Signalen;326
16.5;A.5 Die Zeit in SDL;327
16.6;A.6 Einschränkungen von SDL;327
16.7;A.7 Beispiel;327
17;Anhang B: FlexRay Konstanten und Parameter;331
18;Anhang C: Beispielprogramm;338
18.1;C. 1 Das Header-File;338
18.2;C.2 Das FlexRay-Kon.gurations.le;341
19;Anhang D: Übersicht FlexRay-Schaltkreise;365
20;Literaturverzeichnis;366
21;Stichwortverzeichnis;368

Leseproben

(S. 235-236)

FlexRay bietet viele Möglichkeiten für den Anwender. Die FlexRay-Spezifikationen geben nur einen Rahmen vor, der an vielen Stellen gestaltet werden kann. Diese Gestaltung geschieht zuerst bei der Implementierung des Protokolls. Der größte Spielraum besteht dabei bei der Implementierung des Controller Host Interfaces (CHI), also der Schnittstelle zwischen Flex- Ray-Controller und Host-Controller [Bog06].

Um die für den Anwender sich ergebenden Gestaltungsmöglichkeiten zu skizzieren, werden zunächst einige Eigenschaften der Implementierung eines konkreten CHI vorgestellt. Darauf aufbauend wird gezeigt, wie sich mittels dieser Eigenschaften verschiedene Verhaltensweisen realisieren lassen. Als konkrete Implementierung wird der FlexRay-Controller MFR4310 der Firma Freescale beispielhaft vorgestellt [MFR4310]. Die Bezeichnungen der konkreten Puffer und Register wird ohne Veränderung aus der Dokumentation des MFR4310 übernommen.

Das heißt, dass diese Bezeichnungen ausschließlich in Englisch sind. Zum einen sind die meisten Bezeichnungen selbsterklärend und eine Übersetzung wäre wenig hilfreich, zum anderen erleichtert die Verwendung der orginalen Bezeichnungen die Wiedererkennung in den Handbüchern.

In diesem Buch wird nicht der gesamte FlexRay-Controller erläutert, sondern es wird nur auf einige ausgewählte Aspekte eingegangen. Insbesondere wird nicht auf die Werte der einzelnen Bits in den Konfigurationsregistern eingegangen. Hier sei auf das Handbuch des Controllers verwiesen.

Es sei auch darauf hingewiesen, dass diese Implementierung nur eine mögliche Variante darstellt. Andere Implementierungen können durchaus anders organisiert sein und damit auch anders konfiguriert und benutzt werden. Anhand einer konkreten Implementierung soll der Leser einen groben Überblick über die Möglichkeiten bekommen, die ein FlexRay- Controller bieten kann. Viele der dargestellten Eigenschaften finden sich bei anderen Implementierungen in ähnlicher Form wieder.

8.1 Nachrichtenpufferkonzept



Jeder Frame, der in FlexRay gesendet oder empfangen wird, stellt eine Nachricht (engl.: Message) dar. Diese Nachrichten werden in Message Buffers (MB) gespeichert. Die Organisation der Message Buffer kann unterschiedlich erfolgen. Bild 8.1 zeigt die Organisation, wie sie die Firma Freescale in ihren Produkten verwendet.

Es werden zwei grundsätzliche Bereiche unterschieden:

Message Buffer Control Register, die direkt im FlexRay-Modul liegen, und ein Speicherbereich im RAM, der Teil des Arbeitsspeichers des Controllers sein kann. Diese Unterteilung ermöglicht eine flexible Nutzung des verfügbaren RAM-Speichers und erlaubt einen sehr schnellen Zugriff auf die Message Buffer.

Jedes Message Buffer Control Register besteht aus vier 16-bit-Registern und enthält die Konfigurationsdaten für je einen Message Buffer. Die Anzahl der Message Buffer Control Register ist implementationsabhängig und kann durch den Anwender nicht verändert werden, sodass diese Anzahl auch die maximal nutzbare Anzahl an Message Buffers darstellt.