Schnell und echtzeitfähig - so sollen die neuen Flex- Ray Bussysteme für Fahrzeuge auch in der Telekommunikation sein. Aus diesem Grund vergleicht das Stuttgarter Steinbeis-Transferzentrum ExpertCom in einem FlexRay-Projekt mit der Technischen Akademie Esslingen die zwei Bussysteme und untersucht ihre Ähnlichkeiten und Unterschiede. Die Projektergebnisse wurden bei einer zweitägigen öffentlichen Veranstaltung im Dezember 2008 präsentiert und diskutiert.
Voraussetzung für die zunehmende Komplexität der Steuerungssysteme in Kraftfahrzeugen ist ein leistungsfähiges Bussystem, das die schnelle und zuverlässige Kommunikation ermöglicht, indem es elektronische und mechatronische Steuergeräte mit einer Vielzahl von Fahrzeugsensoren und -Aktoren verbindet. Vergleicht man die Systeme Ethernet und FlexRay, die für die nahe Zukunft als wesentliche Konkurrenten zu sehen sind, so besitzen beide einen hierarchischen Funktionsaufbau: Eine Schicht, der Physical Layer, behandelt die gerätenahen Funktionen. Darauf aufbauend befasst sich die folgende Schicht, der MAC-Layer, mit den Funktionen der Zugangssteuerung zum Bus.
Betrachtet man die physikalische Schicht, so zeichnet sich das Ethernet-Konzept durch eine Vielzahl von optionalen und hardwareabhängigen Unterfunktionen („Sublayers“) aus und deckt damit ein äußerst breites Spektrum an Anwendungen in der Kommunikations- und Informationstechnik ab. Im FlexRay-Protokoll mit seiner Konzentration auf Anwendungen der Steuerungstechnik ist diese Vielfalt nicht erforderlich und wird daher auch nicht unterstützt. Allerdings gibt es die physikalische Schicht im FlexRay-Bus sowohl in einer Glasfaser- als auch in einer Kupfer-Implementierung. Diese unterschiedliche Übertragungstechnik wird durch verschiedene Bustreiber unterstützt.
Der FlexRay-Bus stellt ein deterministisches System dar, in dem die Datenübertragung zwischen Steuergerät und den angeschlossenen Sensoren synchron erfolgt und durch ein Zeitschlitz-Verfahren implementiert wird. Der Ethernet-Bus verwendet demgegenüber ein ereignisgesteuertes Verfahren.
Vergleicht man das FlexRay-Konzept mit einem Ethernet-LAN, so werden dort ähnliche Anforderungen, wie z.B. Duplex-Verbindung ohne Kollision, Prioritätssteuerung, flexibler Bandbreitenbedarf, jedoch nicht auf der physikalischen, sondern auf der MACSchicht behandelt: Voll-Duplex Punkt-zu- Punkt-Verbindungen werden durch ein zusätzliches Netzelement, als Switch realisiert, hergestellt.
Die MAC-Schicht bei FlexRay stellt eine Rahmenstruktur bestehend aus Header, Nutzdaten und einer Prüfsumme als Trailer bereit. Der Header enthält Rahmeninformationen, wie Rahmenart, Nummer und Länge. Die Nutzdaten (max. 254 Bytes) enthalten keine weiteren FlexRay-Protokolldaten. Die Ethernet MAC-Schicht arbeitet mit einem ähnlichen Rahmenschema jedoch mit Empfänger- und Senderadressen – letztere wird bei FlexRay implizit durch das Zeitschlitz- Schema für die bi-direktionale Datenübertragung ersetzt.
Die Auswahl zwischen den konkurrierenden Bussystemen wird in jedem Projekt anhand technischer, betrieblicher und wirtschaftlicher Kriterien erfolgen. So bietet das Ethernet für die Fahrzeugtechnik und die allgemeine Steuerungstechnik insbesondere dort Vorteile, wo steuerungstechnische und kommunikationstechnische Anwendungen zu kombinieren sind. FlexRay dagegen kann seine Stärken dort ausspielen, wo in der Steuerungstechnik und Mechatronik hohe Ansprüche an Sicherheit, Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit gestellt werden. Auch ein Szenario, in dem beide Bussysteme nebeneinander eingesetzt werden und jedes seine Vorteile bei bestimmten Anwendungen ausspielt, ist denkbar.
Dr. Leonhard Stiegler
Steinbeis-Transferzentrum ExpertCom (Stuttgart)
su0634@stw.de