Roland Bacher, BMW Group München
Herbert Haas, BMW Group München
Martin Simons, IXXAT Automation Weingarten
Die Mess- und Steuerungstechnik in Fahrzeugprüfständen wird heute über CAN-Schnittstellen mit den Steuergeräten verbunden. Mit dem zunehmenden Einsatz von FlexRay müssen jedoch auch FlexRay-basierende Steuergeräte in Fahrzeugprüfstände integriert werden. Die BMW Group hat hierzu ein universelles Konzept entwickelt und erfolgreich in die Praxis umgesetzt. Nun kann die in zahlreichen Prüfständen investierte Mess- und Steuerungstechnik auch nach der Einführung von FlexRay weiter genutzt werden.
Die BMW Group hat als erster Fahrzeughersteller FlexRay als besonders leistungsfähiges und echtzeitfähiges Kommunikationssystem im BMW X5 eingeführt. Zukünftig geplante Fahrzeugbaureihen werden ebenfalls FlexRay enthalten. Das deterministische Kommunikationssystem FlexRay mit seiner 20-fachen Bandbreite gegenüber CAN ist geeignet, den wachsenden Anforderungen des Datenverkehrs zwischen Steuergeräten, Sensoren und Aktoren innerhalb von Fahrzeugen gerecht zu werden.
Die Einführung von FlexRay hat natürlich auch erhebliche Auswirkungen auf die Test- und Prüfstandstechnik in den verschiedenen Fachabteilungen der BMW Group. Die heutige Prüfstandsautomatisierung ist CAN-basierend, d. h. die elektrischen Systeme im Fahrzeug und das Automatisierungsgerät im Prüfstand kommunizieren über CAN-Schnittstellen. Im neuen BMW X5 zum Beispiel aber kommunizieren die Steuergeräte der variablen Stoßdämpferverstellung bereits über den FlexRay-Bus. Um auch diese Steuergeräte und die beteiligten Fahrzeugkomponenten auf den vorhandenen Prüfständen prüfen zu können, mussten die auf dem FlexRay-Netzwerk übertragenen Nachrichten auf die vorhandenen CAN-Schnittstellen der Prüfstände umgesetzt werden. Damit konnten die vorhandenen Prüfstände mit ihrer spezifischen Mess- und Steuerungstechnik weitergenutzt werden.
Hierzu wurde bei der BMW Group das Konzept eines frei konfigurierbaren Gateways entwickelt, welches FlexRay-Nachrichten auf CAN-Nachrichten und umgekehrt umsetzt.
Bild 1 zeigt ein Beispiel für die Integration des FlexRay-CAN-Gateways in einen Prüfstand. Das Automatisierungsgerät gibt z. B. die Sollwerte für die Servozylinder vor und regelt über die Messaufnehmer. Die Servozylinder simulieren die Belastung der beteiligten Fahrzeugkomponenten. Die Steuergeräte reagieren auf die Belastung, die ihre Sensoren erfassen, mit ihren Aktuatoren und senden Nachrichten auf dem FlexRay-Bus, die das Automatisierungsgerät - wie gewohnt - über den CAN-Bus erhält. Dies erfolgt über das FlexRay-CAN-Gateway, welches die Nachrichten des Steuergerätes auf dem FlexRay-Bus empfängt und über den CAN-Bus an das Automatisierungsgerät weiterleitet.
über Gateway an vorhandenen Prüfstand
Die wichtigsten Anforderungen an das zu entwickelnde FlexRay-CAN-Gateway waren:
- Integrierbarkeit in die mit CAN-Schnittstellen ausgerüstete Automatisierungstechnik
- Konfigurierbarkeit zur Anwendung auf verschiedene Steuergeräte
- Stand-alone-Betrieb, d. h. nach Konfiguration Betrieb ohne PC
- Selbstständiger Aufstart mit der zuletzt gespeicherten Konfiguration
- Erzeugung von Nachrichten mit der erforderlichen Datensicherungsinformation
- Zum Automatisierungsgerät kompatible Kommando/Status-Schnittstelle
- Definiertes Zeitverhalten bei der Umsetzung der Bussignale vom FlexRay- zum CAN-Bus und umgekehrt
- Konfiguration des Gerätes vom PC aus über die Ethernet-Schnittstelle
Über die grafische Oberfläche eines Konfigurationswerkzeugs soll die einfache Zuordnung von Signalen auf dem FlexRay-Bus zu Signalen auf dem CAN-Bus (und umgekehrt) möglich sein. Dazu soll das Werkzeug die Beschreibungsdateien des Nachrichtenaufkommens auf FlexRay-Bus (üblicherweise FIBEX) und CAN-Bus (FIBEX oder CANdb) einlesen. Für CAN-Busse ohne Beschreibungsdatei ist diese optional. Das Werkzeug soll alle Eingaben des Benutzers auf Konsistenz (z. B. Bitlänge, Datentyp) prüfen. Alle Dateien einer Konfiguration sollen in einem Projekt zusammengefasst werden.
Als Hard- und Softwareplattform wurde das FlexRay CCM der Firma IXXAT verwendet (Bild 2). Dieses Gerät erfüllt bereits einen großen Teil der an das Gateway zu stellenden Anforderungen. Durch das robuste Gehäuse, den großen Temperaturbereich und den weiten Bereich der Versorgungsspannung ist es für einen Einsatz im Prüfstand als auch im Fahrzeug besonders geeignet. Auf dem FlexRay CCM laufen bereits Analyse- und Diagnose-Werkzeuge verschiedener Firmen sowie die ursprünglich von der BMW Group entwickelte Restbussimulation. Bei allen diesen Anwendungen werden Funktionen auf der Hardware des FlexRay CCM über ladbare Software-Module realisiert. Deshalb konnte IXXAT das FlexRay-CAN-Gateway mit relativ geringem Entwicklungsaufwand durch ein weiteres ladbares Software-Modul und ein entsprechendes PC-basierendes Konfigurationswerkzeug realisieren.
Im Allgemeinen geht der Benutzer nicht mit FlexRay- und CAN-Nachrichten um, sondern mit den in den Nachrichten übertragenen Prozessgrößen ("Signalen"). Deshalb wird auf dem PC die Umsetzung von Nachrichten aus der Zuordnung von Signalen berechnet und als ladbare Tabelle bereitgestellt. Das Gateway-Konfigurationswerkzeug (Bild 3) erlaubt dabei die Zuordnung von Signalen über einfaches "Drag and Drop". Es unterstützt den Benutzer bei der Eingabe, indem es Signale mit entsprechenden Namen vorschlägt. Wenn keine Beschreibungsdatei für den CAN-Bus vorliegt, kann der Benutzer die Umsetzung von Nachrichten auch direkt angeben.
Das ladbare Gateway-Software-Modul setzt Nachrichten auf dem FlexRay-Bus in Nachrichten auf dem CAN-Bus um und umgekehrt.
Der FlexRay-Bus wird von einem automatisch generierten Code bedient, der die FlexRay-Nachrichten in den spezifizierten Zyklen mit der von den Steuergeräten erwarteten Datensicherungsinformation sendet. Wenn das FlexRay-CAN-Gateway entsprechend konfiguriert ist, startet es den FlexRay-Bus selbstständig auf.
Der CAN-Bus wird ereignisgesteuert oder zyklisch mit Nachrichten bedient. Die Zykluszeit wird bei der Konfiguration angegeben. Beide CAN-Busse des CCM können genutzt werden. Im Allgemeinen ist nur eine Teilmenge der Signale auf dem FlexRay-Bus relevant, sodass die Bandbreite auf dem CAN-Bus ausreicht. Eine evtl. Überschreitung der Bandbreite meldet das FlexRay-CAN-Gateway mit einer Nachricht.
Mit dem Download-Dialog lädt der Benutzer die notwendigen Dateien und den Code auf die Hardware des FlexRay CCM. Anschließend arbeitet das FlexRay-CAN-Gateway im Stand-alone-Betrieb. Eine Verbindung zum PC ist dann nicht mehr notwendig. Nach jedem Einschalten startet das FlexRay-CAN-Gateway mit der zuletzt gespeicherten Konfiguration. Nur für Änderungen muss der Benutzer das Gerät mit dem PC verbinden und das Konfigurationswerkzeug starten.
Die Kommando/Status-Schnittstelle zum Automatisierungsgerät ist über eine der beiden CAN-Schnittstellen des FlexRay-CAN-Gateways realisiert. Über diese empfängt es das Rücksetzkommando und sendet eine zyklische Statusnachricht.
Die BMW Group setzt das FlexRay-CAN-Gateway inzwischen bei den verschiedensten Prüftechnologien erfolgreich ein. Dabei handelt es sich um:
- Betriebsfestigkeits-Prüfstände (Bild 4),
- Motoren- und Getriebeprüfstände,
- Funktionsentwicklung Antrieb,
- Fahrzeugmesstechnik für Betriebslastenermittlung,
- Messtechnik Kundenverhalten.
Das universell einsetzbare Gateway findet zunehmend weitere Verbreitung und wird auch bei Zulieferern der BMW Group für BMW Group Projekte eingesetzt. Software-Lizenz und Support zum Gateway sind bei Interesse bei der Firma IXXAT erhältlich.
Mit der Entwicklung des FlexRay-CAN-Gateways wurde mit relativ geringem Entwicklungsaufwand eine Lösung realisiert, welche die Weiterverwendung umfangreicher, bereits vorhandener Testeinrichtungen ermöglicht und darüber hinaus eine schnelle Umrüstung von Prüfständen von CAN- auf FlexRay-basierende Systeme ermöglicht. Darüber hinaus wurde der bereits vielfältige Einsatz der IXXAT CCM Plattform um einen weiteren wichtigen Einsatzbereich erweitert.