Was ist FlexRay?

FlexRay ist ein schnelles, deterministisches und fehlertolerantes Bussystem für den Automobileinsatz. Seit dem Jahre 2000 wurde von den Core-Partnern des FlexRay-Konsortiums - BMW, DaimlerChrysler, Motorola (Freescale), Philips Semiconductors (NXP), Bosch, General Motors und Volkswagen - die FlexRay-Spezifikation vorangetrieben, welche derzeit in einen ISO-Standard überführt wird.

Der Datenaustausch zwischen den verbauten Steuergeräten im Fahrzeug wird heute hauptsächlich über ein CAN-Netzwerk durchgeführt. Die Einführung neuer Technologien sowie stets wachsende Datenaufkommen führen jedoch zu steigenden Anforderungen, insbesondere in Bezug auf die Fehlertoleranz und die Zeitsteuerung bei der Nachrichtenübertragung. FlexRay erfüllt diese erhöhten Anforderungen durch eine Nachrichtenübertragung in festen Zeitfenstern und durch eine fehlertolerante und redundante Übertragung auf zwei Kanälen.

Der Physical Layer

FlexRay arbeitet nach dem Prinzip von TDMA, bei dem die Knoten oder Nachrichten feste Zeitfenster ("Slots") zugeteilt bekommen, in denen sie einen exklusiven Buszugang haben. Diese Zeitfenster wiederholen sich in einem bestimmten Zyklus. Der Zeitpunkt, an dem sich eine Nachricht auf dem Bus befindet, kann dadurch exakt vorausgesagt werden. 

Die feste Zuordnung der Knoten oder Nachrichten zu festen Zeitfenstern hat jedoch den Nachteil, dass die Bandbreite nicht voll ausgeschöpft wird. Aus diesem Grund unterteilt FlexRay den Zyklus in statische und dynamische Abschnitte. Am Anfang eines Kommunikationszyklus' befindet sich das statische Segment, in dem jeder Botschaft ein fixes Zeitfenster zugeteilt ist, in dem ein Knoten immer senden muss. Wenn keine Daten vorliegen, wird in diesem Zeitfenster eine leere Nachricht (sogenannter „Nullframe“) gesendet.

Im nachfolgenden dynamischen Abschnitt werden die Zeitfenster dynamisch zugeteilt. Ein exklusiver Buszugang ist immer nur für eine kurze Zeit möglich (sogenannte "Minislots"). Dieses Zeitfenster wird dann zum Senden einer Nachricht um die dazu benötigte Zeit erweitert. Darauf folgende Nachrichten verschieben sich dadurch nach hinten. Nicht versendete Nachrichten blockieren damit nicht den nachfolgenden Datenaustausch, weil kein Zeitfenster dafür reserviert wird und die weiteren Nachrichten dementsprechend vorrücken.

Datenübertragungsgeschwindigkeit von FlexRay

FlexRay kann über zwei physikalisch getrennte Kanäle (A + B) mit einer Datenübertragungsgeschwindigkeit von jeweils 10 Mbit/s kommunizieren. Heute wird in der Praxis allerdings lediglich der Kanal A genutzt. Beide Kanäle sind hauptsächlich für eine redundante und daher fehlertolerante Nachrichtenübertragung geplant. Sie können aber auch unterschiedliche Nachrichteninhalte übertragen; in diesem Fall verdoppelt sich der Datendurchsatz.

FlexRay kann mit unterschiedlichen Datenübertragungsgeschwindigkeiten betrieben werden: 2,5 Mbit/s, 5 Mbit/s sowie 10 Mbit/s.

Knoten-Synchronisation

Zur Umsetzung des Buszugriffsverfahrens benötigen die im Kommunikationsnetzwerk verteilten Knoten eine gemeinsame Zeitbasis. Um die lokalen Uhren der einzelnen Knoten aufeinander abzustimmen, und damit eine globale Zeitbasis zu gewinnen, werden Synchronisationsnachrichten im statischen Teil des Kommunikationszyklus übertragen.

Struktur eines FlexRay-Knotens

Ein FlexRay-Knoten besteht aus einem Host-Prozessor, dem FlexRay Communication Controller (CC), dem Bus Guardian (BG) und je Kanal einem Bustreiber (BD).

Der Communication Controller ist für die Synchronisierung des Knotens mit dem Restnetzwerk zuständig. Empfangene Nachrichten werden dem Host-Prozessor zur Verfügung gestellt; Daten vom Host-Prozessor werden im entsprechenden Zeitslot vom Communication Controller versendet. Der Bustreiber hat dabei die Aufgabe aus den Daten des Communication Controllers die physikalischen Bussignale zu generieren und umgekehrt.

Der Bus Guardian überwacht den Buszugang des CC’s durch Aktivierung des Bustreibers zum Senden. Der Datenempfang ist zu jeder Zeit möglich. Der Bus Guardian findet in der Praxis derzeit jedoch keine Verwendung.