XCP on FlexRay - HANSER automotive

ENGINEERING TOOLSl AUTOMOTIVE
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© Carl Hanser Verlag, München www.hanser-automotive.de Nicht zur Verfügung im Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern
<strong>XCP</strong> on FlexRay
AUTOSAR-KOMPATIBLE
<strong>XCP</strong>-SOFTWAREMODULE FÜR
FLEXRAY-STEUERGERÄTE
bei Audi
Um die Parameter der FlexRay-Steuergeräte abzustimmen,
kalibriert Audi diese über <strong>XCP</strong> on FlexRay. Eine
Anforderung war dabei die AUTOSAR-Kompatibilität der
<strong>XCP</strong> Embedded Softwaremodule im Steuergerät. Vector
Informatik passte dazu sowohl die <strong>XCP</strong>-Master- als
auch die Slave-Software an und ermöglichte den Ingolstädter
Elektronikentwicklern die effiziente Messung
und Kalibrierung dank einer dynamischen Zuordnung der
<strong>XCP</strong>-Bandbreite für FlexRay.
Ab 2009 setzt Audi in der nächsten Generation
sportlicher Luxuslimousinen den FlexRay-Kommunikationsbus
ein, da dieser im Vergleich zu
CAN eine wesentlich höhere Bandbreite von 10 Mbit/s
bietet. Viele elektronische Fahrwerks- und Fahrerassistenzsysteme
werden an das deterministische und zeitgesteuerte
Bussystem angeschlossen. Für die Audi Entwickler
bedeutet diese Entscheidung die direkte Parametrierung
mehrerer tausend Parameter verschiedener
Steuergeräte über einen AUTOSAR FlexRay-Stack.
Gegenüber CAN lassen sich mit <strong>XCP</strong> on FlexRay mehr
als doppelt so viele Messwerte gleichzeitig erfassen.
Außerdem können große Datenmengen schneller übertragen
werden.
<strong>XCP</strong> on FlexRay
Die Parameter eines Regelalgorithmus lassen sich nur bedingt
mit einem Labormodell bestimmen. Während die Algorithmen
der Funktionen fest im Steuergeräteprogramm
enthalten sind, werden Parameterwerte wie Kennfelder, -linien
und -werte erst durch Messungen am Prüfstand und in
Fahrerprobungen erfasst und optimiert. Die Audi Ingenieure
stimmen im Rahmen der Steuergeräte-Kalibrierung die Fahrwerksysteme
und Assistenzsysteme ab und laden die Parametersatzdateien
dann in den Applikationsspeicher der Steuergeräte.
Um Steuergeräte über den gesamten Entwicklungsverlauf –
unabhängig von Hersteller oder eingesetztem Bussystem –
von einem einzigen Master aus zentral und über eine ein-

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heitliche Schnittstelle zu kalibrieren, ist ein standardisiertes
Mess- und Kalibrierprotokoll erforderlich. ASAM (Association
for Standardisation of Automation and Measuring Systems)
hat hierfür als konsequente Weiterentwicklung von CCP
(CAN Calibration Protocol) im Jahr 2003 das universelle
Mess- und Kalibrierprotokoll <strong>XCP</strong> definiert [1]. Die Kommunikation
durch <strong>XCP</strong> erfolgt nach dem Master-Slave-Prinzip.
Als Slave dient ein <strong>XCP</strong>-Softwaremodul, das in jedem zu kalibrierenden
Steuergerät integriert wird. Größter Vorteil des
<strong>XCP</strong>-Protokolls ist eine Trennung von Transport- und Protokollschicht.
Die Protokollschicht ist bei allen Bussystemen,
egal ob CAN, FlexRay, Ethernet oder SPI/SCI, gleich. Seit Februar
2006 ist die Version 1.0 der Transport-Layer-Spezifikation
für „<strong>XCP</strong> on FlexRay“ von ASAM offiziell freigegeben.
Das Audi Entwicklungsteam arbeitete bereits in früheren
CAN-Projekten mit <strong>XCP</strong> und CANape, dem Allround-Tool der
Vector Informatik GmbH für Messen, Kalibrieren und Diagnose
von Steuergeräten (Bild 1). Seit 2005 verfügt das MCD
(Measurement Calibration and Diagnostics) -Tool über eine
<strong>XCP</strong> on FlexRay-Schnittstelle. Audi legte Wert darauf <strong>XCP</strong>-
Master (CANape) sowie die Protokoll- und Transport-Layer
Softwaremodule für <strong>XCP</strong> on FlexRay von einem Lieferanten
zu beziehen.
<strong>XCP</strong>-Einbindung im AUTOSAR-Modell
Die <strong>XCP</strong>-Softwaremodule wurden von Audi in Steuergeräte
unterschiedlichster Zulieferer integriert. Auch nach der
Kalibrierung sollen die <strong>XCP</strong>-Softwaremodule in den Steuergeräten
weiter verfügbar bleiben. Daher sind für die Softwaremodule
eine effiziente Speichernutzung und geringe
Laufzeit unabdingbar; zudem sollten sie AUTOSAR-kompatibel
sein. Diese Anforderung setzte Vector beim <strong>XCP</strong> Transport
Layer um, damit er direkt über den PDU-Router auf den
AUTOSAR Kommunikations-Stack (FlexRay oder CAN) aufsetzt
(Bild 2). Bei der Integration erfolgt die Konfiguration
der beiden <strong>XCP</strong>-Softwaremodule mithilfe des Konfigurationswerkzeugs
GENy und einer Netzwerkbeschreibungsdatei
im FIBEX-Format.
Bild 2: Integration der Vector <strong>XCP</strong>-Softwaremodule in einer AUTOSAR 3.0
kompatiblen Anwendung.
Bild 1: Als <strong>XCP</strong> on FlexRay Master misst und verstellt CANape
einzelne Knoten direkt über FlexRay.
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Dynamische Verwaltung der FlexRay-
Bandbreite
Aus der geforderten AUTOSAR-Kompatibilität der <strong>XCP</strong> on
FlexRay Softwaremodule ergeben sich spezielle Aufgaben
für den PC-gestützten Master. Während der Steuergeräte-
Kalibrierung über FlexRay tauschen <strong>XCP</strong> Master und Slaves
FlexRay-Botschaften (Frames) aus. Diese enthalten Command
Transfer Objects (CTO), die nur Steuerbefehle enthalten
oder Data Transfer Objects (DTO) mit Mess- oder Stimuli-Daten.
Wird ein solches <strong>XCP</strong>-Objekt zum Master übertragen
(Bild 3), übergibt der „<strong>XCP</strong> Transport Layer“ die
Daten an den PDU-Router und somit an das „FlexRay Interface“.
Auf Grund der AUTOSAR-Kompatibilität muss diese
Übergabe in der Form eines AUTOSAR-konformen PDUs
(Protocol Data Unit) erfolgen. Weil der PDU aus dem <strong>XCP</strong>-
Modul stammt, wird er <strong>XCP</strong>-PDU genannt. Das FlexRay
Interface vervollständigt das empfangene
<strong>XCP</strong>-PDU mit eigenen spezifischen
Informationen in der Form
eines PCI Headers (Protocol Control
Information) und bildet somit ein L-
PDU (Data Link Layer PDU), der
wiederum dem „FlexRay Driver“
weitergeleitet wird. Auf diese Art
und Weise vervollständigt jedes beteiligte
Softwaremodul die ihm
übergegebenen Daten mit modulspezifischen
Informationen, die der
Rekonstruktion der Daten beim
Empfänger dienen. Am Ende der
Kette überträgt der FlexRay-Controller
innerhalb eines FlexRay Slots
(Zeitfenster) die <strong>XCP</strong>-Daten als
Frame. Gemäß der <strong>XCP</strong>-Spezifikation
dürfen diese Frames ausschließlich
<strong>XCP</strong>-Daten enthalten.
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Deshalb werden in der systemüber-

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Bild 3: Übertragung der <strong>XCP</strong>-Daten über die verschiedenen Softwaremodule.
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greifenden FIBEX-Netzwerkbeschreibungsdatei einige Slots im FlexRay Schedule
ausschließlich für <strong>XCP</strong>-PDUs reserviert und nicht mit Applikations-PDUs
kombiniert.
Für die Steuerbefehle (CTOs) reichen dank der Slave-bezogenen Knotenadresse
(Node Adress for <strong>XCP</strong>, NAX) zwei einzelne <strong>XCP</strong> Slots für alle Steuergeräte
aus. Der genaue Umfang der für die Mess- oder Stimulidaten benötigten
DTOs hängt von der aktuell durchgeführten Messung ab und kann im gesamten
Verlauf einer Kalibrierung stark variieren. Damit variiert auch für jedes
Steuergerät der Bedarf an <strong>XCP</strong> Slots.
Damit die Audi Ingenieure die <strong>XCP</strong>-Daten mehrerer Steuergeräte mit der limitierten
Anzahl an verfügbaren <strong>XCP</strong> Slots effizient übertragen können, ist es erforderlich,
die verfügbare Bandbreite zur Laufzeit flexibel allen betroffenen
Steuergeräten zuzuteilen. AUTOSAR erlaubt es allerdings nicht, den „FlexRay
Driver“ zur Laufzeit umzukonfigurieren. Daher werden in der Integrationsphase
die „FlexRay Driver“ so konfiguriert, dass alle <strong>XCP</strong> Slots allen Steuergeräten
zugewiesen sind. Gleichzeitig wird die <strong>XCP</strong>-PDU/L-PDU/<strong>XCP</strong> Slot Zuordnung
im Slave festgelegt (Bild 3). Als Resultat steht am Ende der Konfiguration
für jeden einzelnen <strong>XCP</strong>-Puffer ein eindeutiger <strong>XCP</strong> Slot im FlexRay Schedule
zur Verfügung. Um die erforderliche Flexibilität zu erreichen, wird auf <strong>XCP</strong>-
Ebene durch den <strong>XCP</strong>-Transport-Layer-Befehl „FLX_ASSIGN“ vor jeder Messung
die Zuordnung der <strong>XCP</strong>-Puffer zu den L-PDUs (bzw. FlexRay Slots) angepasst
(Bild 4). Wichtig ist dabei, dass alle betroffenen Steuergeräte bei der
Softwareintegration mit den maximal verfügbaren <strong>XCP</strong> Slots konfiguriert sind.
Dies führt zu der gleichen Zuteilung der <strong>XCP</strong> Slots auf jedem Steuergerät. Vor
jeder Messung werden dann nur die <strong>XCP</strong>-Puffer markiert, die tatsächlich benötigt
werden. Ein zentrales „dynamisches Bandbreitenmanagement“ stellt
dabei sicher, dass die <strong>XCP</strong>-Slot-Zuordnung über alle Slaves eindeutig ist. CA-
Nape übernimmt diese Rolle mithilfe der steuergerätespezifischen A2L-Beschreibungsdateien,
die Informationen über die steuergeräteinternen Puffer
liefern.
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Bild 4: Vor einer Messung erfolgt die dynamische Konfiguration
der <strong>XCP</strong>-Objekte im dynamischen Segment.
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Optimierter <strong>XCP</strong>-Einsatz dank FlexRay
Das neue dynamische Bandbreitenmanagement ist nur eine
der FlexRay-spezifischen CANape Funktionen, die Audi eine
effiziente Steuergeräte-Kalibrierung ermöglicht. Die Tatsache,
dass FlexRay mit bis zu 254 Byte um ein vielfaches längere
<strong>XCP</strong> Frames bietet als CAN (8 Byte), nutzt Vector gezielt
in drei weiteren Funktionen.
Mit dem „Short Download“ werden in einem einzigen L-
PDU gleichzeitig Adresse und Inhalt kodiert, um viel schneller
als bei CAN Speicherbereiche zwischen Master und Slave
auszutauschen.
Außerdem ermöglicht <strong>XCP</strong> eine vom FlexRay-Zyklus unabhängige
Überabtastung, um sehr dynamische Signalverläufe
zu erfassen (Bild 5). Mit der so genannten „Incycle Multiple
DAQ-List Transmission“-Funktion erfasst CANape
Messsignale einer vordefinierten DAQ-Liste und den dazugehörenden
Zeitstempeln mehrfach pro FlexRay-Grundzyklus
(in der Regel 5 ms lang).
Um den Messungsstart deutlich zu beschleunigen, musste
auch die dazu erforderliche Initialisierung vor jeder Messung
optimiert werden. Mit dem Befehl „WRITE-DAQ-MULTI-
PLE“ – eine Erweiterung des bisherigen einfachen „WRITE-
DAQ“-Befehls – aus dem noch nicht verabschiedeten <strong>XCP</strong>-
Protocol-Layer 1.1, kann die Konfiguration mehrerer Signale
durch ein einziges Kommando erfolgen.
Bild 5: Mit der „Incycle Multiple DAQ List Transmission“ erfasst
der Slave die Messsignale aus einer DAQ-Liste schneller als der
FlexRay-Grundzyklus.
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Zusammenfassung
Die Audi Ingenieure setzen während der Entwicklung neuer
Modelle im Rahmen von Erprobungs- und Applikationsfahrten
das MCD-Tool CANape ein, um steuergeräteinterne Größen
mit <strong>XCP</strong> on FlexRay zu messen und zu verstellen. Dazu
erweiterte Vector CANape und die <strong>XCP</strong>-Softwaremodule.
Die Hauptaufgabe bestand darin, neben der Erweiterung der
<strong>XCP</strong>-Softwaremodule um die AUTOSAR-Kompatibilität auch
eine dynamische Bandbreitenverwaltung für FlexRay umzusetzen.
Da bei Vector sowohl die <strong>XCP</strong>-Softwaremodule für
die Slaves als auch der <strong>XCP</strong>-Master CANape aus einer Hand
kommen und perfekt aufeinander abgestimmt sind, fiel Audi
die Wahl des Softwarelieferanten als Entwicklungspartner
leicht. Alle Erweiterungen sind in der aktuellen Version von
CANape und der <strong>XCP</strong> on FlexRay Softwaremodule erhältlich.
(oe)
Literaturhinweis:
[1] www.asam.org
Dipl.-Ing (FH) Christian Braun ist seit
2006 bei Audi im Bereich Entwicklung
Fahrwerkselektronik zuständig für Messtools
und die Vernetzung der Systeme.
E-Mail: christian.braun@audi.de
Dipl.-Ing. Pascale Morizur arbeitete nach
Ihrem Abschluss 1986 10 Jahre bei MAN-
Nutzfahrzeuge in der Vorentwicklung im
Bereich CAN, J1939 und Diagnose. Seit
2005 ist sie bei Vector als Product Management
Engineer im Bereich Embedded-Softwarekomponenten
tätig. E-Mail:
pascale.morizur@vector-informatik.de
Vector Informatik
@ www.vector-informatik.de