FlexRay (eBook)

Grundlagen, Funktionsweise, Anwendung

Mathias Rausch (Autor)

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2007 | 1. Auflage
369 Seiten
Carl Hanser Fachbuchverlag
978-3-446-41530-0 (ISBN)

Infos

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

Inhalt

Vorwort 6
Inhaltsverzeichnis 8
Abbildungsverzeichnis 16
Tabellenverzeichnis 24
Abkürzungsverzeichnis 26
1 Einleitung 28
1.1 Ziel des Buches 28
1.2 Begriffe und Notationen 29
2 Wissenswertes über FlexRay 32
2.1 Entwicklungsziele 32
2.1.1 Ökonomische Ziele 32
2.1.2 Technische Ziele 33
2.2 Eigenschaften von FlexRay 35
2.3 Einsatzgebiete 36
2.4 Einordnung des Protokolls 37
2.5 Netzwerkprotokolle im Automobil 38
2.5.1 CAN 39
2.5.2 LIN 39
2.5.3 Multimediaprotokolle 40
2.5.4 Kommunikationsnetzwerk im Automobil 40
2.6 Das FlexRay-Konsortium und die FlexRay-Historie 42
3 Prinzipielle Funktionsweise des Protokolls 48
3.1 Aufbau eines Kommunikationsknotens 48
3.2 Topologien 50
3.3 Das Zugriffsverfahren 54
3.3.1 Zugriffsverfahren im Überblick 54
3.3.2 Der Kommunikationszyklus in FlexRay 57
3.3.3 Das TDMA-Verfahren 57
3.3.4 Das Minislot-Verfahren 59
3.4 Die Zeitbasis 61
3.5 Die Protokollzustandsmaschine 63
3.6 Das Starten des Protokolls 65
3.7 Das Frame-Format 67
3.8 Das Coding 68
3.9 Der Physical Layer 69
4 Funktionsweise des Protokolls im Detail 70
4.1 Das Zugriffsverfahren 70
4.1.1 Der Kommunikationszyklus 70
4.1.2 Aufbau eines statischen Slots 72
4.1.3 Dynamische Slots 75
4.1.4 Das Symbol Window 79
4.1.5 Die Network Idle Time (NIT) 80
4.2 Uhrensynchronisation 80
4.2.1 Uhrenabweichungen und Korrekturmethoden 80
4.2.2 Die Messung der Zeitabweichung 83
4.2.3 Die Berechnung der Korrekturwerte 85
4.2.4 Die Verteilung der Korrekturwerte 88
4.2.5 Die Anwendung der Korrekturwerte 90
4.2.6 Externe Uhrensynchronisation 92
4.2.7 Präzision und Genauigkeit 94
4.3 Die Protokollmaschine 95
4.3.1 Besondere Zustandsübergänge in der Protokollmaschine 95
4.3.2 Single Slot Mode 98
4.4 Wecken eines Clusters 99
4.4.1 Betriebszustände eines Knotens 99
4.4.2 Das Wakeup Pattern 100
4.4.3 Überlagerung von zwei Wakeup Pattern 102
4.4.4 Gleichzeitiges Wecken mehrerer Knoten 103
4.4.5 Ablauf des Weckens in einem Cluster 104
4.5 Starten des Clusters 106
4.5.1 Clusterstart durch einen Knoten 106
4.5.2 Die Startup-Timer 112
4.5.3 Gleichzeitiger Clusterstart durch zwei Knoten 113
4.5.4 Start des Clusters bei einem fehlerhaften Knoten 115
4.6 Frame-Format 120
4.6.1 Der Header 120
4.6.2 Die Nutzdaten 123
4.6.3 Der Trailer 124
4.6.4 Nullframes 124
4.6.5 Der Netzwerk-Management-Vektor 126
4.6.6 Message Identi.er 127
4.7 Symbole 128
4.8 Die Frame-Übertragung 130
4.8.1 Die Frame-Codierung 130
4.8.2 Die Frame-Decodierung 132
4.8.3 Das Senden von Frames 134
4.8.4 Der Frame-Empfang 136
4.9 Cliquen und Cliquenbildung 140
5 Physical Layer 144
5.1 Signale 144
5.1.1 Signalde.nition 144
5.1.2 Kollisionen 146
5.2 Physikalische Effekte 147
5.2.1 Signallaufzeit 147
5.2.2 Asymmetrische Verzögerung 148
5.2.3 Signalverkürzung 148
5.2.4 Elektromagnetische Verträglichkeit 150
5.3 Netzwerkkomponenten 151
5.3.1 Kabel und Stecker 151
5.3.2 Terminierung 151
5.4 Topologien 154
5.4.1 Physikalische Topologie 154
5.4.2 Längen bei Bus- und Sterntopologien 156
5.4.3 Ungültige Topologien 159
5.5 Elektrischer Bustreiber 162
5.5.1 Aufbau und Funktion 162
5.5.2 Zustände und Übergänge 163
5.5.3 Schnittstellen und Ausgangsverhalten 166
5.5.4 Wakeup 168
5.6 Aufbau und Verhalten eines aktiven Sternkopplers 169
5.6.1 Funktion 169
5.6.2 Aufbau 171
5.6.3 Zustände und Übergänge 173
5.6.4 Zeitverhalten 176
5.6.5 Verhalten bei gleichzeitigem Signalempfang auf mehreren 179
Zweigen 179
5.7 Fehlerausbreitung 180
5.8 Asymmetrien 182
5.8.1 Wesen und Auswirkungen von Asymmetrien 182
5.8.2 Ursachen und Effekte von Asymmetrien 185
5.8.3 Auswirkungen von Asymmetrien auf den Cluster 189
5.9 Praktische Hinweise für eine robuste FlexRay- Topologie 193
6 Die Kon.gurierung eines Clusters 196
6.1 Berechnungsregeln 196
6.1.1 Zeitdiskretisierung 196
6.1.2 Bestimmen der Minimalzeit eines Signals 197
6.1.3 Bestimmen der Maximalzeit eines Signals 199
6.1.4 Notation der Formeln 200
6.2 Microtick und Macrotick 200
6.2.1 Der Microtick 200
6.2.2 Der Macrotick 202
6.3 Die Präzision 205
6.4 Startup-Parameter 207
6.4.1 Toleranzbereich beim Startup 207
6.4.2 Parameter zur Initialisierung der Uhr 208
6.4.3 Maximale Drift 210
6.4.4 pdListenTimeout 211
6.5 Der statische Slot 212
6.5.1 Der Actionpoint-Offset 212
6.5.2 Die statische Slotgröße 214
6.6 Das dynamische Segment 216
6.6.1 Der Minislot- Actionpoint-Offset 216
6.6.2 Der Minislot 217
6.6.3 Dynamic-Slot-Idle-Phase 219
6.6.4 Anzahl an Minislots 220
6.6.5 Spätester Frame-Beginn im dynamischen Segment 223
6.7 Symbol- Window und NIT 224
6.7.1 Das Symbol- Window 224
6.7.2 Network Idle Time 225
6.8 Uhrensynchronisation 230
6.8.1 Steigungskorrekturwert 230
6.8.2 Offset-Korrekturwerte 231
6.8.3 Dämpfungsparameter für die Uhrenkorrektur 232
6.8.4 Externe Uhrensynchronisation 233
6.9 Physical Layer abhängige Parameter 234
6.9.1 Maximale Signallaufzeit 234
6.9.2 Korrektur der Zeitmesswerte 235
6.9.3 Kompensation der Laufzeit 236
6.9.4 Transmission Start Sequence 237
6.10 Parametrierung der Symbole 238
6.10.1 Das Collision Avoidance Symbol 239
6.10.2 Kon.gurierung des Wakeup-Symbols beim Sender 241
6.10.3 Kon.gurierung des Wakeup-Symbols beim Empfänger 242
6.11 Clusterkon.gurierung 244
6.12 Zuordnung der Gleichungen zu den Kon . gurationsregeln der Protokollspezi.kation 248
7 Der Busguardian 250
7.1 Prinzip des Busguardians 250
7.2 Lokaler Busguardian 252
7.3 Zentraler Busguardian 255
7.4 Weitere Aspekte des Busguardians 257
7.4.1 Test des Busguardians 257
7.4.2 Weitere Funktionen 258
7.4.3 Vergleich der Konzepte 258
7.4.4 Auswirkung des Busguardians auf die Clusterkon.guration 259
8 Die Implementierung des FlexRay- Protokolls 262
8.1 Nachrichtenpufferkonzept 262
8.1.1 Aufteilung in Register und Speicher 262
8.1.2 Message Buffer-Typen 265
8.2 Message Buffer Kon.gurierung 266
8.2.1 Message Buffer Control Register 266
8.2.2 Frame-Header-Kon.gurierung 269
8.2.3 Beispiel für die Kon.gurierung eines Sendepuffers 271
8.2.4 Beispiel für die Kon.gurierung eines Empfangspuffers 272
8.2.5 Beispiel für die Kon.gurierung eines Receive Shadow Buffers 273
8.3 Protokollkon.gurationsregister 273
8.4 Filterkon.gurierung 276
8.5 Interrupts 279
8.5.1 Individuelle Interruptquellen 279
8.5.2 Kombinierte Interruptquellen 280
8.5.3 Protokoll-Interruptbits 281
8.5.4 CHI-Fehler-Interruptbits 284
8.6 FIFO-Puffer 286
9 Aspekte der Anwendung von FlexRay 290
9.1 Die Wahl der Frame-Größe 290
9.2 Die Gestaltung der Payload innerhalb von Frames 292
9.3 Das Prinzip der Sendezeitfenster 294
9.4 Ein Beispiel 296
9.4.1 Topologie 296
9.4.2 Sende-Schedule 297
9.4.3 Kommunikationsmatrix 298
9.4.4 Bestimmung der FlexRay-Protokollparameter 299
9.5 Realisierungsvarianten für das Multiplexen im dynamischen Segment 304
9.5.1 Aufgabenstellung 304
9.5.2 Steuerung des Sendezeitpunktes durch den Host 306
9.5.3 Verwendung von Zykluszähler.ltern 307
9.5.4 Pufferumkon.gurierung 309
9.5.5 Vergleich der Realisierungsvarianten 312
10 Ausblick 314
10.1 Protokollentwicklung 314
10.2 AUTOSAR 314
10.2.1 Motivation und Ziele von AUTOSAR 315
10.2.2 Technisches Konzept 316
10.2.3 FlexRay und AUTOSAR 318
10.3 Einsatz von FlexRay 319
Anhang A: Einführung in SDL 322
A. 1 Philosophie von SDL 322
A.2 Die gra.schen Elemente 323
A.3 Grundelemente 326
A.4 Austauschen von Signalen 326
A.5 Die Zeit in SDL 327
A.6 Einschränkungen von SDL 327
A.7 Beispiel 327
Anhang B: FlexRay Konstanten und Parameter 331
Anhang C: Beispielprogramm 338
C. 1 Das Header-File 338
C.2 Das FlexRay-Kon.gurations.le 341
Anhang D: Übersicht FlexRay-Schaltkreise 365
Literaturverzeichnis 366
Stichwortverzeichnis 368

Textauszug

8 Die Implementierung des FlexRay-Protokolls (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

8.1.1 Aufteilung in Register und Speicher

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.

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 1.1.2007
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Mathematik / Informatik ► Informatik
• Themenwelt: Technik ► Elektrotechnik / Energietechnik
• Themenwelt: Technik ► Nachrichtentechnik
• ISBN-10: 3-446-41530-0 / 3446415300
• ISBN-13: 978-3-446-41530-0 / 9783446415300