Physical Layer Modellierung der Bussysteme CAN und FlexRay im Kraftfahrzeug

Die elektronische Vernetzungsstruktur moderner Autos hat eine Komplexität erreicht, die besonders bei ihrer Integration ins Kfz-Gesamtsystem einen hohen Aufwand bedingt. In aktuellen Fahrzeugen der Oberklasse werden bis zu 70 Steuergeräte an verschiedene Kommunikationsbusse angeschlossen, die wiederum über Gateways miteinander verbunden sind. Der CAN-Bus (Controller Area Network) ist dabei eine Standardbussystem, der mit Datenübertragungsraten von 500 Kbit/s und Buslasten bis zu 60% eingesetzt wird. Da die Steuergeräte von verschiedenen Zulieferern kommen, haben die elektrischen Bauteile innerhalb der spezifizierten Grenzen unterschiedliche Toleranzen. Die Auswirkung auf Systemebene hängt dabei ganz entscheidend von der vorliegenden Topologie und der Vernetzungsarchitektur ab. Da für die entsprechenden Fahrzeugplattformen viele verschiedene Ausstattungsvarianten angeboten werden, steigt die Komplexität der Vernetzungsstruktur um eine weitere Dimension und kann daher nicht mehr vollständig getestet werden. Dies gilt besonders für die physikalische Ebene bei der Integration verschiedener Steuergeräte. Dadurch können in den späteren Entwicklungsphasen Probleme auftreten, welche im Nachhinein sehr schwer zu beheben sind.

Mit Hinblick auf die bevorstehenden X by Wire Systeme, die mit FlexRay vernetzt werden sollen, steigen die Anforderungen an die entsprechende Funktionssicherheit. Eine höhere Ausfallsicherheit lässt sich unter anderem auch durch weniger Bussysteme mit einer höheren Datenübertragungsrate erzielen (Backbone - Prinzip). Allerdings ist dann auch ein gutes Design der physikalischen Schicht wichtig für eine sichere Übertragung bei hoher Datenrate.

Die numerische Berechnung ist eine gute Entwicklungsmethode, mögliche Probleme schon während der Designphase zu erkennen, zu analysieren und zu lösen. Dies spart Zeit und Kosten in den späteren Entwicklungsphasen, insbesondere bei Systemen mit hoher Komplexität wie FlexRay. Eine wichtige Voraussetzung für die numerische Berechnung ist die exakte Modellierung des Systems. Mittels einer modularen und parametrierbaren Modellierung des CAN- und FlexRay-Systems erhöht man die Wiederverwendbarkeit der Modelle. Aus diesem Grund werden zuerst die Buskomponenten der physikalischen Schicht der Bussysteme CAN und FlexRay modelliert. Beide Kommunikationsbusse besitzen die gleiche allgemeine Steuergeräte-Architektur, welche aus einem Transceiver, einer Entstördrossel und einem Stütznetzwerk-Busabschluss besteht. Dabei liegt das wesentliche Augenmerk bei der Signalintegrität (SI) und der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV). Einerseits geht es um die möglichst fehlerfreie Übertragung der Nutzsignale und andererseits um Störemissionen und die Auswirkungen eingekoppelter Störsignale. Um diese Vorgänge möglichst genau zu simulieren, wird auch das Zusammenspiel der parametrierbaren Modelle untersucht. Die Verwendbarkeit der modellierten Komponenten für eine Simulation im Zeit- (SI) und Frequenzbereich (EMV) erfordert eine Betrachtung der Komponentenfunktionalität sowie die Charakterisierung der parasitären Effekte bei hohen Frequenzen. Eine erfolgreiche Modellierung und Simulation ermöglicht präventive Maßnahmen zur Vermeidung von möglichen Problemen, welche in der vernetzten Elektronik moderner Kraftfahrzeuge auftreten können.

Mit dieser Zielsetzung wurde die entsprechende Arbeit „Physical Layer Modellierung der Bussysteme CAN und FlexRay im Kfz.“ durchgeführt.