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FlexRay Zeitgesteuerte Systeme

| Autor / Redakteur: Alois Goller* / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Entwickler zeitgesteuerter Echtzeitsysteme in der Kfz-Elektronik stellt die nahtlose Integration elektronischer Systeme vor große Herausforderungen. Gefragt ist deshalb eine zusammensetzbare Netzwerkarchitektur auf der Basis von FlexRay und vor allem auch spezielle Tools, die den gesamten Entwicklungsprozess unterstützen.

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Bilder: TTAutomotive Software / PixelQuelle
Bilder: TTAutomotive Software / PixelQuelle
( Archiv: Vogel Business Media )

Wesentliche Aspekte des Verhaltens zeitgesteuerter Systeme lassen sich nicht über äußere Einflüsse, sondern nur von einer statisch vorgegebenen Ablaufplanung steuern. Diese Ablaufplanung wird nach einem strikten zeitlichen Raster abgearbeitet. In einem verteilten System ist die Ablaufplanung und die zu ihrer Abarbeitung notwendige Zeitbasis global. Wichtige Komponenten des Gesamtsystems wie Steuerungen, Mechanismen zum Systemmanagement oder Fehlererkennung basieren auf einer globalen Ablaufplanung.

Koordiniert einfacher integrieren

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Die Lieferanten der einzelnen Komponenten des verteilten Systems müssen wesentliche Punkte miteinander abstimmen. Aus Sicht der Systemverantwortlichen entsteht damit ein höherer Aufwand in der Koordination der einzelnen Lieferanten, wobei sich allerdings auch die Integration der Komponenten vereinfacht. Da wichtige Systemeigenschaften im Design vorab festgelegt werden müssen, ist sichergestellt, dass sich diese nicht erst im Zuge der Implementierung ergeben. Das betrifft in herkömmlichen Systemen vor allem Reihenfolgeabhängigkeiten, sowie das Zeitverhalten, wenn diese Systeme komplex und verteilt sind.

Idealerweise haben der gewählte Designansatz und die zugrunde gelegte Technologie die Eigenschaft der Zusammensetzbarkeit. Bei der Integration von Teilsystemen werden die Eigenschaften der Subsysteme also nicht verändert. Dies kann aber nur jene Aspekte betreffen, die nicht unmittelbar funktional vom Vorhandensein der anderen Teilsysteme abhängen: Erfährt das Powermanagement nichts vom Einschalten der Klimaanlage, kann es die Motorsteuerung nicht warnen, dass gleich mehr Leistung vom Generator benötigt wird.

Die Zeitsteuerung ermöglicht genau diese Zusammensetzbarkeit auf der Ebene des Kommunikationsprotokolls und der Ebene der verteilten Algorithmen wie Regelungen. Damit reduziert sich deutlich die enorme Komplexität, die aufgrund der Vielzahl miteinander kommunizierender Funktionen entsteht. Die Herausforderung, verschiedene Funktionen exakt zu koordinieren, kann und muss zur Designzeit gelöst werden – dafür ist zur Integrationszeit das Verhalten der einzelnen Funktionen und ihrer Koordination stabil.

Mehrere Busse erforderlich

Auf Grund der beschränkten Übertragungsbandbreite in heute eingesetzten Bussystemen werden im Fahrzeug mehrere Busse nebeneinander eingesetzt. Dazu zählen spezielle Busse für Multimediasysteme, welche die Übertragungsbandbreite für multimediale Anwendungen auf bis zu 25 Mbit/s erweitern. Die Grundvernetzung des Fahrzeuges wird heute in der Regel durch mehrere ereignisgesteuerte CAN-Busse durchgeführt. Im Zentrum der Vernetzung stehen leistungsfähige Gateways, welche die notwendige Protokollumsetzung zwischen den verschiedenen Bussen übernehmen. Bei einem jährlichen Wachstum der Datenraten von etwa 7 - 10% ist der Einsatz weiterer Busse und aufwändigerer Gateways unvermeidlich.

FlexRay nutzt Stärken der Zeitsteuerung

Die Exklusivität der Reservierung von Zeitschlitzen (Slots) ist eine der wichtigsten Eigenschaften rein zeitgesteuerter Systeme und bedingt die Zusammensetzbarkeit der Kommunikation am Bus. Wird ein Knoten vom Netzwerk getrennt, so finden in seinem Sendeslot keine weiteren Busaktivitäten statt. Umgekehrt besetzt der Knoten bei seiner Reintegration in ein laufendes System genau seinen freien Zeitschlitz.

In einem ereignisgesteuerten Bussystem stellt sich diese Situation anders dar. Hier wird das Zeitverhalten aller Botschaften auf dem Bus verändert, egal ob eine zusätzliche Botschaft in das Übertragungsschema einfließt, oder eine vorher vorhandene Botschaft nicht mehr gesendet wird. Damit bildet ein ereignisgesteuerter Bus eine versteckte Systemschnittstelle, die bei komplexen Systemen nur mit begrenzter Abdeckung getestet werden kann. Dagegen ist das Laufzeitverhalten eines zeitgesteuerten Busses bereits zur Zeit seiner Entwicklung bekannt. Szenarien wie Peak-Load sind zeitgesteuerten Systemen fremd, da diese Größen bereits in der Designphase festgelegt werden. Diese Stärken der Zeitsteuerung können mit FlexRay genutzt werden.

Schneller entwickeln mit speziellen Tools

Cluster-Spezifikationen werden in der Regel nicht händisch erstellt. Die Übersicht über die vielen zeitlichen Anforderungen für Knoten, Subsysteme und Signale zu bewahren, ist beinahe unmöglich. TTAutomotive hat TTX-Tools zur Ablaufplanung und zum Knotendesign entwickelt, um diese Erfordernisse zu bewältigen und den Ablaufplan des Netzwerks zu erzeugen. Der Ablaufplan bildet die Signale entsprechend den Anforderungen auf Datenrahmen und Zeitschlitze ab. Da die Tools die physikalischen Grenzen und die zum Einsatz bestimmte Hardware kennen, ist gewährleistet, dass der Ablaufplan auf echter Hardware ausgeführt werden kann.

Das Cluster-Design-Tool TTX-Plan verwaltet Cluster-Spezifikationen und erzeugt Ablaufpläne auf der Cluster-Ebene. Ein Verifikations-Tool übernimmt die unabhängige Prüfung bestimmter Eigenschaften im Ablaufplan. Ein Knoten-Design-Tool wie TTX-Build verwaltet die Knoten-Spezifikationen, erzeugt Ablaufpläne und verteilt die Softwarefunktionen auf die einzelnen Steuergeräte. Die Netzwerkdesigndaten werden von den TTX-Tools über eine FIBEX Schnittstelle anderen Validierungs-Tools zur Verfügung gestellt. So ist die schnelle und systematische Entwicklung mit nahtloser Integration in den bestehenden Prozess sichergestellt.

Zentrale Datenbank für Signalanforderungen

Ausgehend von den Anforderungen, die in den Entwicklungsabteilungen der einzelnen Fachbereiche entstehen, werden Signale und deren Eigenschaften definiert. Alle diese Anforderungen fließen in einer Signaldatenbank zusammen, die zugleich die Grundlage für den nächsten Schritt, das Scheduling bildet. Das Ergebnis wird verteilt und dient der Verifikation, als Basis für Online-Monitoring und als Ausgangspunkt für die Generierung der Konfigurationsdaten für die einzelnen Steuergeräte.

Je nach Organisation und Struktur werden Signalanforderungen als Formular oder elektronisch bearbeitet, dezentral oder zentral gesammelt und verwaltet, und meist in einer zentralen Datenbank gepflegt. Die Datenverwaltung muss ausserdem in der Lage sein, unterschiedliche Entwicklungsstände von Signalen zu verarbeiten und verschiedene Varianten zu unterstützen.

Die TTX-Tools sind aufgrund der umfangreichen Scripting-Schnittstelle und der Möglichkeit, die Tools im Batch-Modus zu starten, optimal dafür geeignet, an eine Datenbank des OEM angebunden zu werden. Dabei eignet sich FIBEX sehr gut als Datenaustauschformat.

Automatisch erstellter Ablaufplan

Ein weiterer wesentlicher Schritt ist, aus der Vielzahl von Anforderungen einen Ablaufplan (Schedule) zu erzeugen, der allen Randbedingungen gerecht wird. Dies gilt insbesondere für das statische Segment. Aber auch im dynamischen Segment müssen Zuordnungen erfolgen; insbesondere dann, wenn in einem Slot von mehreren Steuergeräten unterschiedliche Datenrahmen (Frames) gesendet werden sollen.

Eine automatische Erstellung dieses Schedule, ist insbesondere bei großen Datensätzen unabdingbar. TTX-Plan bietet hier einen komfortablen automatischen Scheduler, der diese Aufgabe in wenigen Minuten löst. Als Datenaustauschformat zwischen der Datenbank und einem Scheduling-Tool bietet sich FIBEX an. FIBEX wird seiner Rolle als Austauschformat gerecht, wenn nach dem Scheduling-Schritt eine FIBEX-Datei als Vorgabe des Kommunikationsplans an die Zulieferer verteilt werden soll. Auf Basis dieser Datei können die Konfigurationen für die Steuergeräte erstellt werden.

Alte Daten nicht ändern

Im Zuge fortschreitender Entwicklungstätigkeit kommen weitere Signalanforderungen hinzu. Ziel ist oft, dass die Signale und deren Position in den bereits bestehenden Schedule dadurch nicht geändert werden dürfen. Einerseits ist es wichtig die Konsistenz der alten Daten zu gewährleisten. Andererseits ist wichtig, dass die neuen Signale platzsparend in den Schedule eingefügt werden. TTX-Plan stellt beides sicher. Mit TTX-Plan können somit Änderungen des Schedule kostengünstig zu späteren Zeitpunkten durchgeführt werden, da die Test- und Integrationsaufwände niedrig gehalten werden können.

FIBEX ist ein XML-basiertes Datenaustauschformat für Tools, die mit nachrichtenorientierten Bus-Kommunikationssystemen arbeiten. Der FIBEX-Standard wurde von der ASAM (Association for Standardization of Automation and Measuring Systems) spezifiziert. Dieses Datenformat beinhaltet alle Informationen, um das komplette Netzwerk eines Autos hinsichtlich Topologie, Signalverhalten, Konfigurationsparameter bis zur Codierung auf Bit-Ebene detailliert zu beschreiben. Die aktuelle FIBEX-Spezifikation ist Version 2.0 und unterstützt FlexRay in der Version 2.1.

Vereinfachter Datenaustausch

Als standardisierte Beschreibungssprache für die Steuergeräte-Onboard-Kommunikation sorgt FIBEX für stark vereinfachten Datenaustausch. Trotzdem können sich FIBEX-Dateien höchst komplex darstellen, mehr als 200 Parameter umfassen und eine Größe von über 2 MByte aufweisen. Informationen, die in einer FIBEX-Datei enthalten sind, werden von Software-Werkzeugen generiert oder mittels XML-Editoren vom Benutzer eingegeben. FIBEX eignet sich besonders um den Schedule und sämtliche Kommunikationsanforderungen vom OEM an die Zulieferer zu kommunizieren.

Speziell bei der Eingabe von Daten in die FIBEX-Datei mittels einfacher XML-Editoren kann es zu Inkonsistenzen aufgrund von unterschiedlichen Anforderungen an die FlexRay-Kommunikation kommen. Eine laut XML-Schema (.xsd) gültige FIBEX-Datei kann inhaltliche Fehler und Inkonsistenzen enthalten. Der Einsatz von FIBEX-Checking-Tools zeigt solche Inkonsistenzen auf und erleichtert somit die Dateneingabe und -wartung. Die TTX-Tools verfügen über bereits integrierte Prüfmechanismen um derartige Fehler zu verhindern.

*Dr. Alois Goller ist Teamleiter Software-Tools bei der TTAutomotive Software GmbH, Wien

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