- Was steckt dahinter? - GIGATRONIK-Gruppe
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‐ <strong>Was</strong> <strong>steckt</strong> <strong>dahinter</strong>?<br />
Einblick in Technologie und Anwendung<br />
Folie 1 Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
Überblick<br />
Einleitung<br />
Busysteme und ihre Anforderungen<br />
Technologie FlexRay<br />
FlexRay in der Anwendung<br />
Einblick in eine Bachelorarbeit bei<br />
Gigatronik<br />
Gigatronik Unternehmensgruppe<br />
Folie 2<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
Einleitung<br />
Anzahl vernetzter Steuergeräte in Fahrzeugen nimmt stetig zu<br />
Steuergeräte werden derzeit mit bis zu einem dutzend einzelner Busse über<br />
Gateways vernetzt.<br />
(Quelle der Grafik: Prof. Dr.‐Ing. T. Form, Skript Datenbussysteme in Straßenfahrzeugen , Lehrstuhl für elektronische Fahrzeugsysteme, Institut für Regelungstechnik, TU Braunschweig)<br />
Folie 3<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
Einleitung<br />
Innovationen durch SW<br />
Innovationen in modernen Fahrzeugen werden in der Mehrheit durch komplexe (verteilte)<br />
Software in elektronischen Steuergeräten geprägt. (Quelle:www.tpiautomotive.de)<br />
Einsatz von Fahrerassistenzsystemem<br />
Einsatz von sicherheitskritischen Systemen (By-wire-Systeme)<br />
(Quelle der Grafik: Prof. Dr.‐Ing. T. Form, Skript Datenbussysteme in Straßenfahrzeugen , Lehrstuhl für elektronische Fahrzeugsysteme, Institut für Regelungstechnik, TU Braunschweig)<br />
Folie 4<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
Einleitung<br />
Anforderungen an die automotive Bussysteme haben sich geändert:<br />
Bei der Analyse der aktuellen Bussysteme stellt man fest,<br />
dass der hohe Vernetzungsgrad zukünftiger X-by-Wire Systeme den<br />
Einsatz von neuen Bussystemen zur Kommunikation zwischen den Systembestandteilen<br />
nicht nur bezüglich höherer Datenraten<br />
sondern vor allem in Hinblick auf Verfügbarkeit bzw. Redundanz zur Erfüllung von<br />
Sicherheitsanforderungen notwendig macht.<br />
Folie 5<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
Übersicht – Automotive Bussysteme<br />
LIN (Local Interconnect Network)<br />
„Low Cost“ System<br />
Master-Slave-Zugriffssteuerung<br />
Wird eingesetzt, wenn CAN o. a überdimensioniert und/oder zu teuer<br />
Geringe Datenrate: bis 20kBit/s über Single Wire<br />
Verfügbarkeit hängt voll vom Master ab.<br />
MOST (Media Oriented Systems Transport)<br />
Datenübertragung: bis 22,5MBit/s optisch (für nahe Zukunft werden 150MBit/s angepeilt)<br />
Zeitgesteuerte und ereignisgesteuerte Datenübertragung<br />
Speziell für multimediale Bedürfnisse entwickelt<br />
geringe Echtzeitfähigkeit<br />
Folie 6<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
Übersicht – Automotive Bussysteme<br />
CAN (Controller Area Network)<br />
Universell einsetzbare Busanbindung<br />
Datenübertragung: bis 1MBit/s über Twisted Pair<br />
Ereignisgesteuerte Kommunikation<br />
Momentan das beste Bussystem bezüglich Echtzeitfähigkeit und Fehlersicherheit.<br />
Bedingt Echtzeitfähig - Worst-Case nicht deterministisch.<br />
Ein hochpriorer Sender kann alle anderen blockieren (babbling idiot).<br />
Folie 7<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
CAN-Kommunikation unter Höchstlast<br />
- Peak Load Scenario<br />
Wie reagiert ein Netzwerk auf ansteigende Belastung?<br />
Ab einem gewissen Punkt wird es nicht mehr Datendurchsatz geben sondern weniger.<br />
�Timeouts resultieren in error messages bzw. retransmission requests.<br />
Das Netzwerk wird das spezifizierte und bereits getestete Verhalten nicht mehr aufzeigen.<br />
� Zeitverzögerungen für Echtzeitanwendungen<br />
Folie 8<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
Der „Babbling Idiot“ Fehler<br />
Der "Babbling Idiot Fehler", d. h. die Übertmittlung von unsinnigen Nachrichten zu<br />
zufälligen Zeitpunkten, gehört zu den schlimmsten Fehlern in einem Bussystem<br />
TT System: Verhinderung durch die Hardware ist möglich, wenn z.B. TDMA Schedule<br />
bekannt<br />
ET-System: kein apriori-Wissen vorhanden, wann ein Teilnehmer sendet<br />
Folie 9<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
Technologie FlexRay<br />
Gliederung Technologie<br />
FlexRay-Konsortium<br />
Zeitgesteuerte Kommunikation im<br />
Vergleich zu ereignisgesteuerter<br />
Kommunikation wie z.B. CAN.<br />
Funktion des FlexRay Protokolls:<br />
<strong>Was</strong> ist ein FlexRay Frame?<br />
Wie werden die Uhren synchronisiert?<br />
Wie werden Daten gesendet und<br />
empfangen?<br />
Eigenschaften des FlexRay Physical Layer<br />
Buspegel<br />
Knotenaufbau<br />
Topologien<br />
Folie 10<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
FlexRay Konsortium (1/2)<br />
Anfang 2000 schlossen sich die BMW AG,<br />
DaimlerChrysler, Philips und Motorola zu<br />
einem Konsortium zusammen, um ein<br />
neues Kommunikationsprotokoll zu<br />
entwickeln.<br />
Es entstand ein<br />
herstellerübergreifendes<br />
zeitgesteuertes Highspeed-Bussystem,<br />
welches mit seiner hohen echtzeitfähigen<br />
Datenübertragungsrate von bis zu<br />
10Mbits/s auf Applikationen wie X-by-<br />
Wire, Powertrain oder Chassis abzielt, die<br />
ein deterministisches und<br />
fehlertolerantes Kommunikationssystem<br />
mit einer flexiblen Nutzung der<br />
Bandbreite benötigen.<br />
Folie 11<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
FlexRay Konsortium (2/2)<br />
Consortium Members<br />
7 Core Members<br />
17 Premium Associated Members<br />
57 Associated Members<br />
Eckdaten (siehe auch � www.flexray.com )<br />
Erarbeitung der Anforderungsspezifikation<br />
in 1999<br />
Gründung des Konsortiums in 2000<br />
Ziel: Ende 2005 Serientauglichkeit<br />
Weiterbestehen des Konsortiums bis<br />
2009<br />
Zusammensetzung:<br />
Automobilhersteller<br />
Chiphersteller<br />
Zulieferer<br />
Toolhersteller<br />
Folie 12<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
<strong>Was</strong> bedeutet zeitgesteuert oder<br />
"time-triggered" überhaupt?<br />
Ein Echtzeitsystem ist zeitgesteuert/timetriggered TT, wenn die Aktivitäten welche von<br />
dem System ausgeführt werden, wie …<br />
Aktivieren und Beenden von Tasks,<br />
Empfangen und Senden von Nachrichten,<br />
Sensoren auslesen und Aktuatoren kommandieren, …<br />
von der Zeit und entsprechendem Zeitplan bestimmt werden.<br />
Interrupts, etc. dürfen das Zeitverhalten des System nicht beeinflussen<br />
Übertragungen geschehen gemäß eines vordefinierten Kommunikationszeitplans, welcher nach<br />
einer globalen Zeitbasis ausgeführt wird.<br />
Erstellung des Kommunikationszeitplan offline (Designphase)<br />
Kommunikationszeitplan wird nicht von Laufzeitverhalten der Applikationen bestimmt.<br />
Globale Zeitbasis wird zur Laufzeit durch einen Uhrensynchronisationsmechanismus erzeugt<br />
Folie 13<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
Beispiele für zeitgesteuerte Systeme<br />
Beförderung<br />
Auto oder Taxi: Ereignisgesteuert(ET)<br />
� wenn ich irgendwo hin möchte, steige ich ein und fahre<br />
Bus oder Zug: Zeitgesteuert (TT)<br />
� fährt nach Fahrplan und ich muss auf nächsten Bus/Zug warten<br />
Ereignisgesteuerte Mittel zur Fortbewegung<br />
sind sehr flexibel,<br />
Ankunftszeit schwer abschätzbar aufgrund von Verkehrstaus<br />
(Peak Load),<br />
Zeitgesteuerte Mittel zur Fortbewegung<br />
sind nicht sehr flexibel, aber gewöhnlich ist deren Ankunftszeit<br />
vorhersagbar,<br />
sollten sinnvoll ausgelegte Zeitpläne haben (Design Job!),<br />
Folie 14<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
Zeitgesteuert vs. Ereignisgesteuert<br />
Charakteristika ereignisgesteuerter Bus:<br />
Änderung des Zeitverhaltens aller Botschaften, durch Hinzufügen oder weglassen einer<br />
Botschaft<br />
Ereignisgesteuerter Bus � eine ver<strong>steckt</strong>e Systemschnittstelle<br />
Komplexe Systeme können nur mit begrenzter Abdeckung getestet werden<br />
Charakteristika deterministischer/zeitgesteuerter Bus:<br />
Exklusivität der Reservierung von Zeitschlitzen<br />
– Knoten wird vom Netzwerk getrennt � keine Busaktivität in diesem Sendeslot<br />
– Knoten integriert sich in ein laufendes System genau in seine freie Zeitscheibe<br />
Laufzeitverhalten eines zeitgesteuerten Busses bereits zur Zeit seiner Entwicklung<br />
bekannt - Auslastung des Bussystems ist eine Designgröße<br />
Keine Szenarien wie Peak-Load im zeitgesteuerten System<br />
Folie 15<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
FlexRay Kommunikationszyklus<br />
Folie 16<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
FlexRay – Frame Format<br />
FlexRay Frame<br />
Frame ist Grundstruktur für Datenübertragung<br />
In jedem statischen und dynamischen Slot gilt identische Frame-Struktur<br />
Folie 17<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
Statisches Segment –<br />
1. Zyklusabschnitt<br />
Statisches Segment<br />
Definierten Anzahl von statischen Slots<br />
Länge der statischen Slots und somit die FlexRay Frames sind gleich groß<br />
Ein FlexRay Knoten kann mehrere statische Slots belegen<br />
Sendebeginn, wenn Slot Counter der Frame ID entspricht<br />
Busguardian „überwacht“ nur das static Segment.<br />
Statischer Slot<br />
Statische Slots werden von den Macroticks abgeleitet<br />
Anzahl der Macroticks pro statischem Slot ist konstant<br />
Alle statischen Slots haben identische Länge<br />
Statischer Slot = Sende-Zeitfenster für ein FlexRay-Frame<br />
Ein Knoten sendet in einem Slot � viele Empfänger (Broadcast)<br />
maximale Anzahl an statischen Slots = 1023<br />
Folie 18<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
Dynamisches Segment –<br />
2. Zyklusabschnitt<br />
dynamisches Segment<br />
Besteht aus dynamischen Slots und diese aus mindestens einem Minislot<br />
Slot Counter für Kanäle A und B sind unabhängig voneinander<br />
Bandbreite kann dynamisch genutzt werden z.B. Diagnose<br />
Keine Bus Guardian Überwachung<br />
Flexible Time Division Multiple Access (FTDMA) Zugriff<br />
� Priorisierter Zugriff basierend auf Datenaufkommen<br />
Dynamisches Segment ist optional<br />
dynamischer Slot<br />
Sende Fenster für Botschaften im dynamischen Segment.<br />
Pro dynamischem Slot kann nur ein Frame übertragen werden.<br />
Slotlänge ist variabel und abhängig vom enthaltenen Frame.<br />
Übertragung muss im dynamischen Segment beendet sein.<br />
“Arbitrierung“ der Nachrichten anhand der Minislot ID.<br />
Folie 19<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
Symbol Window–<br />
3. Zyklusabschnitt<br />
Dient zum Senden der Symbole:<br />
Collision Avoidance Symbol (CAS)<br />
Media Access Test Symbol (MTS)<br />
Wakeup Symbol (WUS)<br />
Anzahl der Macroticks ist konstant<br />
Übertragung definierter Symbole<br />
Im Protokoll festgelegte Symbole<br />
Nur ein Symbol pro Cycle<br />
Symbol Window ist optional<br />
Folie 20<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
Network Idle Time NIT-<br />
4. Zyklusabschnitt<br />
Definiertes Zeitfenster für die Berechnung der<br />
Uhrensynchronisation<br />
Offset-Korrektur durch die Änderung der Zykluslänge<br />
Zeitraum, in dem keine Daten auf dem Bus übertragen werden<br />
Folie 21<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
FlexRay Kommunikationszyklus<br />
Beispiel für Zugriffsstrukturen im statischen/dynamischen Segment<br />
Folie 22<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
In-Cycle-Response<br />
Folie 23<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
FlexRay Globale Zeit -<br />
Synchronisierung<br />
Globale Zeit – eine Hauptvoraussetzung für<br />
ein zeitgesteuertes System!<br />
Abweichung lokaler Uhren bedingt durch<br />
Temperatur-, Spannungs- und<br />
Fertigungstoleranzen<br />
Anpassung durch<br />
Uhrensynchronisationsmechanismen an<br />
globale Zeit:<br />
Steigungskorrektur � gleiche Länge<br />
des Kommunikationszyklus<br />
Offsetkorrektur � gleicher Start des<br />
Kommunikationszyklus<br />
Folie 24<br />
Lokale Zeit<br />
Globale Zeit<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
Uhrenkorrektur<br />
Folie 25<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
Frame Coding<br />
CAN‐Botschaft<br />
FlexRay‐Frame<br />
Folie 26<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
Physical Layer Grundlagen<br />
Folie 27<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
FlexRay Knotenaufbau<br />
Anbindung des FlexRay Knotens an<br />
permanenter Energieversorgung – Klemme<br />
30<br />
Powermanagement des Knotens<br />
Wake-up über Bus möglich<br />
Anbindung an Host über definierte<br />
Schnittstelle<br />
Keine Veränderung der<br />
Kommunikationsparameter nach der<br />
Initialisierung<br />
Getrennte Hardwarekomponenten:<br />
Kommunikationskontroller (evtl. in<br />
den Host integriert),<br />
Buswächter und<br />
Bustreiber<br />
Folie 28<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
FlexRay Topologie<br />
Punkt zu Punkt<br />
Verbindung<br />
passiver<br />
Stern<br />
Folie 29<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong><br />
passiver<br />
Bus<br />
aktiver<br />
Stern<br />
terminierter Knoten<br />
nicht terminierter Knoten
FlexRay Topologie<br />
Hybride Netzwerktopologien<br />
Folie 30<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong><br />
terminierter Knoten<br />
nicht terminierter Knoten
FlexRay Anwendungen<br />
Applikationen<br />
BMW mit X5 und 7er in Serie<br />
AUDI A8 und A6 in Serie<br />
Inoffizielle Ankündigungen von Daimler, VW,<br />
Toyota, Nissan, Honda, Opel …<br />
Communication Controller<br />
Bosch Eray Core lizenziert von<br />
Infineon, Fujitsu, NEC, Renesas …<br />
Freescale FlexRay IP<br />
…<br />
Physical Layer<br />
NXP<br />
AMS<br />
ELMOS<br />
…<br />
Lizenziert von NXP<br />
Folie 31<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
Beispiel einer Bachelorarbeit<br />
Der FlexRay Physical Layer<br />
Beschreibung des Testaufbaus<br />
Terminierung und Messabgriff<br />
Aufbau der möglichen Topologien<br />
Messungen und Ergebnisse<br />
Zusammenfassung<br />
Folie 32<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
Beschreibung des Testaufbaus<br />
Komponenten – GIGABOX-gate<br />
Grundstruktur besteht aus fünf GIGABOX-gate als<br />
FR-Knoten<br />
Zwei GIGABOX-gate als Start-Up konfiguriert<br />
Drei festgelegte Empfänger<br />
Einer der Start-Up Knoten sendet zusätzlich die<br />
Bitfolge „1-0-1-0-1-0“<br />
Genaue Festlegung des Senders<br />
Signalisierung des Status und des korrekten<br />
Empfangs über LEDs<br />
GIGABOX-gate<br />
Folie 33<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
Beschreibung des Testaufbaus<br />
Komponenten – Dummy-Knoten<br />
Fünf Dummy-Knoten zur Erweiterung des Netzwerkes<br />
Dummy-Knoten besteht aus beschaltetem TJA1082TT FlexRay Node Transceiver<br />
Untersuchung des empfangenen Signals ist an RxD möglich<br />
Über TxD kann eine Bitfolge über einen Signalgenerator auf den Bus gelegt werden<br />
Dummy‐Knoten TTL‐Pegel an RxD<br />
Folie 34<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
Beschreibung des Testaufbaus<br />
FlexRay Vernetzungsbrett<br />
Der FlexRay-Channel A ist bei allen Knoten an einen 9-poligen SUB-D angeschlossen<br />
Dummy-Knoten können variabel an die Spannungsversorgung angeschlossen werden<br />
Drei unterschiedliche 1m lange Leitungen fest angeschlossen<br />
1m FlexRay Leitung<br />
1m FlexRay Leitung mit doppelt so langer Ader für Bus-Plus<br />
1m nicht spezifizierte Leitung ohne Twisted-Pair<br />
Brettaufbau mit Daisy-Chaining<br />
Folie 35<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
Aufbau der Topologien<br />
Variabler Aufbau der Topologien<br />
Punkt-zu-Punkt Topologie<br />
Passive Stern Topologie<br />
Passive Stern Topologie<br />
Folie 36<br />
Punkt-zu-Punkt Topologie<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
Aufbau der Topologien<br />
Variabler Aufbau der Topologien<br />
Passive Bus Topologie<br />
Passive Bus Topologie – Daisy Chain<br />
Passive Bus Topologie – Daisy Chain<br />
Folie 37<br />
Passive Bus Topologie<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
Messungen und Fehlerfälle<br />
Untersuchung der Punkt-zu-Punkt Topologie<br />
Leitungslänge 1m<br />
Eye-Diagramm wird eingehalten<br />
Eindeutiges Rechtecksignal<br />
Bessere Ergebnisse bei Split-Term.<br />
Pegel nach 1m FRL mit Split-Terminierung<br />
Pegel nach 1m FRL mit Widerstandsterminierung<br />
Folie 38<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
Messungen und Fehlerfälle<br />
Untersuchung der Punkt-zu-Punkt Topologie<br />
Leitungslänge 24m<br />
Verletzung des Eye-Diagramm<br />
Kein eindeutiges Rechtecksignal<br />
Bessere Ergebnisse bei Split-Term.<br />
Kommunikation noch möglich<br />
Pegel nach 24m FRL mit Split‐Terminierung<br />
Pegel nach 24m FRL mit Widerstandsterminierung<br />
Folie 39<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
Unternehmenspräsentation<br />
Wegweisend Elektronik<br />
Informationstechnologie<br />
Consulting<br />
Folie 40<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
Die <strong>GIGATRONIK</strong>-<strong>Gruppe</strong><br />
Unternehmensdaten<br />
Die <strong>GIGATRONIK</strong>-<strong>Gruppe</strong> ist der spezialisierte<br />
Entwicklungspartner in den Bereichen Elektronik,<br />
Informationstechnologie und Consulting<br />
7 Standorte in Deutschland, Österreich und der<br />
Schweiz<br />
Hauptsitz der <strong>GIGATRONIK</strong>-<strong>Gruppe</strong>: Stuttgart<br />
Gründungsjahr: 2001<br />
Standortübergreifend ca. 500 Mitarbeiter<br />
Mehr als 60 Kunden aus der Automobilbranche und der<br />
Automobilzuliefererbranche<br />
Folie 41<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
Die <strong>GIGATRONIK</strong>-<strong>Gruppe</strong><br />
Standorte<br />
Köln<br />
Kerns<br />
CH<br />
D<br />
Stuttgart Ingolstadt<br />
Ulm<br />
München<br />
A<br />
Graz<br />
Folie 42<br />
Stuttgart<br />
Ingolstadt<br />
München<br />
Köln<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong><br />
Graz<br />
Kerns<br />
Ulm
Karriere bei <strong>GIGATRONIK</strong><br />
Praktikum<br />
HIWi<br />
Bachelor-/Masterarbeiten<br />
Direkteinstieg<br />
…<br />
http://www.gigatronik.com/karriere/<br />
Folie 43<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!<br />
<strong>GIGATRONIK</strong> Stuttgart GmbH | Ein Unternehmen der <strong>GIGATRONIK</strong>-<strong>Gruppe</strong><br />
Hortensienweg 21<br />
D-70374 Stuttgart<br />
Telefon: +49 711 849609-0 | Fax: +49 711 849609-99<br />
E-Mail: info@gigatronik.com<br />
www.gigatronik.com<br />
Folie 44<br />
Okt. 2011 © 2011, <strong>GIGATRONIK</strong>
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