FlexRay und Safe-by-Wire auf Chip-Ebene Netzwerklösungen für sicherheitskritische Systeme

Autor / Redakteur: Len Arguello* / Kristin Rinortner

Komplexe elektronische Geräte machen heute auch einen normalen Pkw zum Hightech-Gebrauchsgegenstand. Zwei Netzwerktechniken stehen hinter diesen Elektronikanwendungen im Kraftfahrzeug: Safe-by-Wire und FlexRay. In diesen Konzepten sollen mechanische Komponenten durch fehlertolerante elektrische bzw. elektronische Systeme ersetzt weden.

Firmen zum Thema

( Archiv: Vogel Business Media )

Das Auto hat sich seit seiner Erfindung stetig verändert und diese Entwicklung wird sich in den nächsten fünf Jahren weiter beschleunigen. Die Grundlage dieser Veränderung sind Fortschritte in der Fahrzeugvernetzung, des so genannten In-Vehicle-Networking (IVN). Angesichts des Einsatzes von immer komplexeren Kommunikations- und Hightech-Einrichtungen in Kraftfahrzeugen kann In-Vehicle-Networking dazu beitragen, die Anzahl der Kabel im Fahrzeug und dessen Abhängigkeit von mechanischen Verbindungen zu verringern. Unter dem Sicherheitsaspekt bedeutet eine stärkere Konzentration auf intelligente Elektronik anstelle von mechanischen Funktionen, dass das Fahrzeug weniger anfällig für Bedienfehler des Fahrers bzw. Benutzers wird.

Zuverlässig und fehlertolerant: Netzwerke im Kraftfahrzeug

Im Auto gibt es mehrere große Netzwerkbereiche, die eigenständig arbeiten, aber auf gemeinsame Informationen zugreifen. Diese Fahrzeugnetze bilden die Integrationsbasis der elektronischen Systeme. Dadurch erreicht man eine Vereinfachung des Designs und erhöht die Sicherheit. Auch die Kosten werden auf diese Weise reduziert und neue, zukünftige Services unterstützt.

Sicherheitskritische Systeme erfordern ausgefeilte Netzwerklösungen, die eine hohe Zuverlässigkeit und Fehlertoleranz bieten. So wird ein Weiterbetrieb auch bei ernsthaften Schäden an den Leitungen im Falle eines Unfalls möglich. Automobilhersteller und -zulieferer haben dieser Tatsache Rechnung getragen und sich zu Konsortien zusammengeschlossen, die weltweite Technologiestandards für die Automobilindustrie entwickeln. Eines dieser Ausschüsse ist das Safe-by-Wire-Plus-Konsortium, das einen internationalen Standard für die Vernetzung von Insassen-Sicherheitssystemen im Kraftfahrzeug definieren will.

Das Safe-by-Wire-Plus-Konsortium wurde von Herstellern von Systemen und Komponenten für die Automobilindustrie gebildet – u.a. von Analog Devices, Autoliv, Delphi, Key Safety Systems, Philips, Special Devices, TRW Automotive sowie Bosch, Siemens VDO Automotive and Continental Temic (BST). Ziel ist es, die von beiden Gruppen entwickelten Technologien so miteinander zu verknüpfen, dass ein gemeinsamer weltweiter Standard für verbesserte Insassen-Sicherheitssysteme entsteht, der Airbags, Sitzrückhaltesysteme und zugehörige Sensoren umfasst. Um die Entwicklungskosten für derartige Systeme zu reduzieren, soll die Standardisierung den Autoherstellern auch die Integration fortschrittlicher Sicherheitsmerkmale in das Fahrzeug erleichtern, damit alle Fahrzeuginsassen bei einem Unfall besser geschützt werden können.

In Richtung eines durchgängig intelligenten Kraftfahrzeugsystems geht das Konzept X-by-Wire. Bei den heute bereits verfügbaren sicherheitsrelevanten Fahrerassistenzsystemen liegen die Grenzen in der Verwendung kostspieliger und komplexer mechanischer bzw. hydraulischer Komponenten. Im Wesentlichen strebt X-by-Wire an, mechanische Komponenten im Fahrzeug durch fehlertolerante elektrische bzw. elektronische Systeme zu ersetzen, die keine konventionellen Reserve-Einrichtungen erfordern.

Schnelle Chips für das sicherheitsrelevante X-by-Wire-Netzwerk

Das X-by-Wire-Netzwerk leitet Eingangssignale und Ausgangs-Steuersignale mit einer Präzision und Geschwindigkeit weiter, die mit der bisherigen Technologie unter den bestehenden Kostenzwängen nicht erreicht werden könnte. Der Autofahrer erhält in allen Situationen Hilfestellung innerhalb von Millisekunden – oft noch bevor ihm bewusst wird, dass er Hilfe benötigt. Das Ergebnis ist, dass man sich auf die kritischen „strategischen“ Aspekte des Fahrens konzentrieren kann; unbelastet von den zahlreichen Routineabläufen, um die sich der Fahrer bisher kümmern musste. Darüber hinaus kann X-by-Wire das Gesamtgewicht des Kraftfahrzeugs erheblich reduzieren. Dies macht das Fahrzeug wiederum effizienter, kostengünstiger im Betrieb und umweltfreundlicher dank verringerter Abgasemission.

Der Trend in Richtung auf ein komplettes intelligentes Fahrzeugkonzept mit fehlertoleranten X-by-Wire-Systemen, die keine konventionelle Rückfallebene mehr erfordern, wird auch von Philips unterstützt. Im Rahmen seiner Mitarbeit im FlexRay-Konsortium entwickelt das Unternehmen Halbleiterlösungen für einen geeigneten Physical Layer. Hierzu gehört der FlexRay-Transceiver TJA1080.

Fahrzeugsystemverhalten präzise überwachen

Dieser Transceiver-Chip zeichnet sich durch ein gutes EMV-Verhalten aus und lässt sich in aktiven Sternkopplern einsetzen, wobei die volle FlexRay-Bandbreite bis 10 MBit/s unterstützt wird. Weitere Merkmale sind eine integrierte Spannungs- und Temperaturüberwachung, die Busfehlererkennung und ein Sicherheits-Time-out. Dedizierte Fehler- und Statusinformationen, die vom Mik-rocontroller ausgelesen werden können, ermöglichen eine präzise Überwachung des gesamten Fahrzeugsystemverhaltens.

Der Chip bietet die gleichen Mode-Control-Funktionen wie die CAN-Transceiver TJA1041 und TJA1054. Der Baustein unterstützt ein breites Sortiment von Mikrocontrollern und ermöglicht eine flexible und kostengünstige Auslegung der Netzwerkknoten. Die Entwicklung robuster und vollständig fehlerindifferenter Kommunikationsknoten lässt sich vereinfachen und es wird der Aufbau autonomer aktiver Sternkoppler ohne Mikrocontroller möglich. Eine Bus-Guardian-Schnittstelle erlaubt den Einsatz des Transceiver-Chips in Systemen, die zusätzliche Überwachungsfunktionen erfordern.

Das FlexRay-Konsortium spielt eine führende Rolle in der Entwicklung eines De-facto-Standards für diese X-by-Wire-Steuerungsanwendungen im Kraftfahrzeug. Die FlexRay-Technologie ist dafür ausgelegt, die veränderlichen Anforderungen der Industrie an deterministische und fehlertolerante Hochgeschwindigkeits-Bussysteme zu erfüllen, die als Grundlage für dezentrale Steuerungssystemen dienen und die gebräuchlichen Fahrzeug-Netzwerkstandards wie CAN und LIN ergänzen können.

*Len Arguello ist weltweiter Manager für Safety-Bus-Systeme bei Philips Semiconductors in San Jose, Kalifornien, USA.

(ID:214285)