Allgemeine Grundlagen Bussysteme

Im Teil Bus­sys­te­me wer­den wir die wich­tigs­ten heu­te im Fahr­zeug befind­li­chen Bus­sys­te­me CAN, LIN, Flex­Ray und im Info­tain­ment­be­reich das Bus­sys­tem MOST bespre­chen. Am Ende die­ses Kapi­tels wer­den wir noch ganz kurz einen Rück­blick auf die zwar inzwi­schen ver­al­te­ten aber immer noch häu­fig zu fin­den­den Sys­te­me K-Line und SAE 1850 geben.

Begin­nen wol­len wir mit einem Abschnitt von Grund­la­gen, die für das wei­te­re Ver­ständ­nis der fol­gen­den Kapi­tel wich­tig sind.

All­ge­mein

Wenn wir über Bus­sys­te­me spre­chen, so mei­nen wir im ISO/OSI-Schich­ten­mo­dell, das wir bereits aus der Ein­füh­rung ken­nen, die Ebe­nen 1 und 2 (Phy­si­cal- und Data-Link-Layer), also die Schich­ten des all­ge­mei­nen Kom­mu­ni­ka­ti­ons­mo­dells, sie­he Abbil­dung. Sie beschäf­ti­gen sich mit den Fra­gen, wel­che Signal­lei­tun­gen und Pegel ver­wen­det und wie die Bits auf den Lei­tun­gen kodiert wer­den. Wie aus den Bits Bot­schaf­ten zusam­men­ge­setzt und wie die­se Bot­schaf­ten adres­siert wer­den. Außer­dem wie gere­gelt wird, wer über den Kom­mu­ni­ka­ti­ons­bus kom­mu­ni­zie­ren darf, d. h. wer Bot­schaf­ten ver­sen­den kann und wie Feh­ler erkannt und gege­be­nen­falls kor­ri­giert wer­den.

ISO/OSI-Schich­ten­mo­dell für Bus­sys­te­me

Wenn wir die Elek­tro­ni­kar­chi­tek­tur eines moder­nen Fahr­zeugs ana­ly­sie­ren, so fin­den wir ver­schie­de­ne Anwen­dungs­be­rei­che, die soge­nann­ten Domä­nen vor. In jeder Domä­ne kommt ein eige­nes Bus­sys­tem zum Ein­satz. Die ver­schie­de­nen Bus­sys­te­me sind über ein zen­tra­les Gate­way mitein­an­der gekop­pelt, sie­he Abbil­dung. Zum einen haben wir im Bereich des Antriebss­trangs und der Fahr­werk­s­elek­tro­nik den soge­nann­ten Power­train. Hier kommt klas­sisch CAN und in einer Hoch­ge­schwin­dig­keits­va­ri­an­te zuneh­mend auch Flex­Ray zum Ein­satz.

Kom­mu­ni­ka­tion im Fahr­zeug

Zum ande­ren haben wir den Bereich der Kom­fort- und Karos­se­rie­elek­tro­nik. Hier domi­niert eben­falls CAN, aller­dings in einer Vari­an­te mit nied­ri­ge­rer Bus­ge­schwin­dig­keit und an vie­len Stel­len ergänzt durch Sub-Bus­sys­te­me auf Basis von LIN.

Für den Bereich des Info­tain­ments haben wir heu­te – jeden­falls in Ober­klas­se­fahr­zeu­gen – MOST im Ein­satz. In Mit­tel­klas­se­fahr­zeu­gen fin­det sich an die­ser Stel­le gele­gent­lich auch noch CAN.

Für die Dia­gno­se ist CAN der vom Gesetz­ge­ber heu­te vor­ge­schrie­be­ne Stan­dard. Vor eini­gen Jah­ren war es noch die K-Line bzw. J1850 in den USA. Zusätz­lich fin­den wir bei eini­gen Ober­klas­se­fahr­zeu­gen an die­ser Stel­le zuneh­mend auch einen Ether­net-Anschluss (DoIP = Dia­gno­stics over Inter­net Pro­to­col), um den Dow­n­load/Upda­te von Soft­wa­re inner­halb der Fer­ti­gung und in der Werk­statt zu beschleu­ni­gen.

Anfor­de­run­gen an Bus­sys­te­me

Wenn eine der­ar­ti­ge Elek­tro­ni­kar­chi­tek­tur für ein Fahr­zeug fest­ge­legt wird, müs­sen neben den gewünsch­ten Funk­tio­nen natür­lich auch eine Rei­he von wei­te­ren Anfor­de­run­gen erfüllt wer­den.

Da haben wir zum einen das The­ma Kos­ten, das durch die Anzahl der Steu­er­ge­rä­te, aber nicht zuletzt durch die Anzahl der Lei­tungs­ver­bin­dun­gen und der not­wen­di­gen Stecker und Steck­kon­tak­te bestimmt wird.

Da Fahr­zeu­ge heu­te zuneh­mend mit indi­vi­du­ell kom­bi­nier­ba­ren Son­deraus­stat­tun­gen ver­se­hen wer­den, besteht zum ande­ren der Wun­sch, um mög­lichst wenig Ände­rungs­auf­wand in der Fer­ti­gung. Damit, wenn unter­schied­li­che Gerä­te mit ver­schie­de­nen Funk­tio­nen kom­bi­niert wer­den, in den Steu­er­ge­rä­ten weder Hard- noch Soft­wa­re­än­de­run­gen not­wen­dig sind.

Das The­ma Zuver­läs­sig­keit elek­tro­ni­scher Sys­te­me ist eben­falls eines der „hei­ßen Eisen“ in der Gesamt­ent­wick­lung. Des­halb ist es beson­ders wich­tig, dass die­se Gerä­te unemp­find­lich gegen äuße­re Ein­wir­kun­gen sind, wie bei­spiels­wei­se den Betrieb eines Mobil­funk­te­le­fons und, falls es doch zu Stö­run­gen kommt, dass feh­ler­haf­te Daten­über­tra­gun­gen erkannt und in ihren Aus­wir­kun­gen beschränkt wer­den.

Wei­ter­hin soll­te die ver­füg­ba­re Daten­ra­te aus­rei­chend dimen­sio­niert wer­den, um noch zukünf­ti­ge Erwei­te­run­gen im sel­ben Sys­tem unter­brin­gen zu kön­nen.

Auf­ga­ben­fel­der

Wes­halb haben wir nun im Fahr­zeug unter­schied­li­che Bus­sys­te­me? Ein­fach des­halb, weil wir unter­schied­li­che Auf­ga­ben­fel­der abzu­de­cken haben und die Anfor­de­run­gen die­ser Auf­ga­ben­fel­der sich mit einem ein­zi­gen Bus­sys­tem nicht kos­ten­güns­tig rea­li­sie­ren las­sen. Wir haben zum einen in der On-Board Kom­mu­ni­ka­tion – also zwi­schen den Steu­er­ge­rä­ten im nor­ma­len Fahr­be­trieb – eine Kom­mu­ni­ka­tion, die Steu­er- und Rege­l­auf­ga­ben zu bedie­nen hat. Dort haben wir hohe bis sehr hohe Echt­zeitan­for­de­run­gen und die Sicher­heit die­ser Kom­mu­ni­ka­tion spielt eine große Rol­le. Die über­tra­ge­ne Daten­men­ge bei die­ser Kom­mu­ni­ka­tion von Steu­er­ge­rät zu Steu­er­ge­rät ist eher gering. Die Wie­der­hol­ra­te dage­gen – und vor allem die Anfor­de­rung an die zeit­li­che Genau­ig­keit der Wie­der­hol­ra­te ist aber hoch. Dies sind die Domä­nen für CAN, LIN und Flex­Ray.

Als zwei­te On-Board Kom­mu­ni­ka­ti­ons­ebe­ne haben wir das Info­tain­ment (Unter­hal­tungs­ebe­ne), eine Kom­mu­ni­ka­tion, die zwi­schen Steu­er­ge­rät und Fahr­gast statt­fin­det, also typi­scher­wei­se Radio-, Audio- oder Navi­ga­ti­ons­sys­tem. Dort haben wir durch­aus – gera­de wenn man an Navi­ga­ti­ons­da­ten denkt – sehr hohe Daten­ra­ten. Die Sicher­heits­a­spek­te spie­len dage­gen eine unter­ge­ord­ne­te Rol­le. Das ist eine Domä­ne des MOST-Sys­tems.

Auf­ga­ben­fel­der

Für die Off-Board Kom­mu­ni­ka­tion – also die Kom­mu­ni­ka­tion zwi­schen Fahr­zeug und exter­nen Tes­tern – geht es um das The­ma Feh­ler­spei­cher lesen, Para­me­ter ändern, Stell­glie­der ansteu­ern, Flash-Pro­gram­mie­rung etc. Die­se Schnitt­stel­le wird in der Werk­statt, der Fer­ti­gung und der Ent­wick­lung ein­ge­setzt.

Für die Werk­statt müs­sen gesetz­li­che Vor­ga­ben (z.B. OBD) ein­ge­hal­ten wer­den. Der Zugang zum Fahr­zeug soll­te ein­ge­schränkt und geschützt sein. In der Pro­duk­tion ist jede Sekun­de teu­er. Daher spielt hier der Daten­durch­satz eine wich­ti­ge Rol­le. In der Ent­wick­lung möch­te man im Gegen­satz zur Werk­statt sehr schnell und vor allem unge­schützt an jede Stel­le der Elek­tro­nik des Fahr­zeugs gelan­gen. Das heißt, Ein­schrän­kun­gen oder Zugriffs­schutz, die für die Werk­statt­dia­gno­se enorm wich­tig sind, spie­len hier über­haupt kei­ne Rol­le. Des­halb wer­den hier auch ande­re Pro­to­kol­le auf dem­sel­ben Bus­sys­tem ver­wen­det, sie­he CAN Kali­brier­pro­to­kol­le CCP und XCP.

Anwen­dungs­be­rei­che und Anfor­de­run­gen

In nach­fol­gen­der Tabel­le haben wird ver­sucht, die unter­schied­li­chen Anfor­de­run­gen für die ein­zel­nen Ein­satz­ge­bie­te etwas wei­ter zu detail­lie­ren. Wir bewer­ten die Ein­satz­ge­bie­te bezüg­lich der typi­scher­wei­se gefor­der­ten Bot­schafts­län­gen – also der Men­ge an Daten, die in einer ein­zel­nen Bot­schaft über­tra­gen wer­den müs­sen, anhand der Wie­der­hol­ra­te der Bot­schaf­ten – die im Wesent­li­chen die Bitra­te des Bus­sys­tems bestimmt und schließ­lich in Bezug auf die Sicher­heits­an­for­de­run­gen an die Daten­über­tra­gun­gen sowie den jewei­li­gen Kos­ten.

Anwen­dungs­be­rei­che und Anfor­de­run­gen

Begin­nen wir bei der On-Board Kom­mu­ni­ka­tion im Very-Low-Speed Bereich. Als Bei­spiel für eine typi­sche Karos­se­rie­elek­tro­ni­kan­wen­dung ist hier der Fens­ter­he­ber auf­ge­führt. Dort hat man weni­ge Bits zu über­tra­gen und die Über­tra­gung fin­det nur bei Bedarf und sel­ten statt. Es genügt hier­für ein Low-Cost-Bus­sys­tem wie LIN mit einer Daten­ra­te von ledig­lich 20 kbit/s.

Für Anwen­dun­gen im Karos­se­rie­be­reich, die etwas höhe­re Anfor­de­run­gen stel­len, gibt es den Low-Speed-CAN mit einer Daten­ra­te von 125 kbit/s. Ein Ein­satz­bei­spiel dafür wäre eine Kli­ma­an­la­ge, bei der auch Mess­da­ten aus­ge­tauscht wer­den, die einen gewis­sen Echt­zeita­spekt berück­sich­ti­gen müs­sen. Die typi­sche Motor­steue­rungs­an­wen­dung hin­ge­gen oder eine ABS- oder ESP-Anwen­dung kom­men mit die­sen nied­ri­gen Daten­ra­ten nicht mehr zurecht. Dort kommt ein High-Speed-CAN-Bus mit unge­fähr 500 kbit/s zum Ein­satz.

Im Bereich der Fahr­werk­steue­run­gen reicht selbst die­se Daten­ra­te nicht mehr aus und so haben die neues­ten Fahr­zeu­ge, ins­be­son­de­re die Fahr­zeu­ge, die eine sehr aus­ge­klü­gel­te Fahr­werk­steue­rung ver­wen­den, bereits das rela­tiv neue Bus­sys­tem Flex­Ray im Ein­satz.

Noch höhe­re Daten­ra­ten und -men­gen, aber gerin­ge­re Sicher­heits­an­for­de­run­gen fin­den wir im Info­tain­ment-Bereich. Dort hat sich MOST als Bus­sys­tem eta­bliert. Es hat Daten­ra­ten von 25, 50 und neues­ten auch 150 Mbit/s.

Bei der Off-Board Kom­mu­ni­ka­tion dage­gen hat die Daten­ra­te zumin­dest im Werk­statt­be­reich eine eher unter­ge­ord­ne­te Bedeu­tung. Auch die Kos­ten sind, min­des­tens für den Teil, der sich nicht im Fahr­zeug befin­det, nicht so ent­schei­dend. Dort fin­den wir heu­te CAN und ver­ein­zelt noch die bereits erwähn­ten ver­al­te­ten Bus­sys­te­me K-Line und J1850. In den nächs­ten Jah­ren wird hier Ether­net eine immer grö­ße­re Rol­le spie­len, da immer grö­ße­re Daten­men­gen zeit­nah in das Fahr­zeug über­tra­gen wer­den müs­sen.

Klas­si­fi­ka­tion nach Bitra­te

Wenn Sie sich mit Bus­sys­te­men im Fahr­zeug beschäf­ti­gen, hören Sie immer wie­der Bezeich­nun­gen wie Class-A oder Class-C Bus­sys­tem. Die­se Klas­si­fi­ka­tion stammt von der SAE und wur­de ein­ge­führt, um Bus­sys­te­me nach ihrer Bitra­te ein­ord­nen zu kön­nen. Die Gren­zen zwi­schen den ein­zel­nen Klas­sen sind aber flie­ßend. Ein typi­sches Class-A Bus­sys­tem liegt im Bereich von unter 25 kbit/s. LIN ist ein typi­scher Ver­tre­ter die­ser Bus­sys­te­me und reicht aus heu­ti­ger Sicht nur für ein­fa­che Auf­ga­ben in der Karos­se­rie­elek­tro­nik aus.

Klas­si­fi­ka­tion nach Bitra­te

Ein Class-B Bus­sys­tem für anspruchs­vol­le­re Auf­ga­ben in der Karos­se­rie­elek­tro­nik – die Domä­ne des Low-Speed-CAN – reicht unge­fähr bis 125 kbit/s. Die Class-C Bus­sys­te­me, wie sie im Antriebss­trang­be­reich und im Fahr­werks­be­reich heu­te auch für die Dia­gno­se üblich sind, rei­chen bis unge­fähr 1 Mbit/s. In die­sen Bereich fällt der High-Speed-CAN, der übli­cher­wei­se mit 500 kbit/s zum Ein­satz kommt.

Dar­über lie­gen die Class-C+ Bus­sys­te­me – eine Bezeich­nung, die nicht offi­zi­ell von der SAE stammt. In die­sen Bereich wird Flex­Ray mit heu­te 10 Mbit/s ein­ge­ord­net. Als letz­tes kom­men die Info­tain­ment-Sys­te­me. Der Haupt­ver­tre­ter die­ser Sys­te­me, MOST, hat eine Daten­ra­te von bis zu 150 Mbit/s.

Ent­wick­lung Bus­sys­te­me im Fahr­zeug

In der fol­gen­den Abbil­dung sehen Sie die his­to­ri­sche Ent­wick­lung der Bus­sys­te­me. Auf der hori­zon­ta­len Ach­se befin­det sich das Erschei­nungs­jahr, in dem ein bestimm­tes Bus­sys­tem zum ers­ten Mal im Seri­enein­satz zu sehen war. Auf der ver­ti­ka­len Ach­se sieht man die Bitra­te als Maß­stab für die tech­ni­sche Leis­tungs­fä­hig­keit eines Bus­sys­tems. Die Kreis­flä­chen reprä­sen­tie­ren eine gro­be Schät­zung der Kos­ten für einen Bus­kno­ten.

Ent­wick­lung Bus­sys­te­me im Fahr­zeug

Einer­seits sehen Sie hier eine gan­ze Rei­he von Bus­sys­te­men, die mitt­ler­wei­le ent­we­der bereits wie­der ver­al­tet sind, oder über­haupt nie wirk­lich im Seri­enein­satz waren, wie bei­spiels­wei­se der A-Bus. Ande­rer­seits sehen Sie die heu­te im Ein­satz befind­li­chen Bus­sys­te­me, und wo sie hier in die­ser Land­schaft ange­ord­net sind: CAN in der High- und Low-Speed-Vari­an­te, LIN, erst vor weni­gen Jah­ren erschie­nen und etwas kos­ten­güns­ti­ger als Low-Speed-CAN sowie Flex­Ray, natür­lich teu­rer aber auch deut­lich leis­tungs­fä­hi­ger als CAN ist. Noch wei­ter oben ange­sie­delt, lei­der auch bei den Kos­ten, ist das MOST-Bus­sys­tem.

Pro­to­koll­sta­pel (Pro­to­col Stack)

Zum Abschluss des Grund­la­gen­ka­pi­tels wol­len wir noch auf den Auf­bau eines Pro­to­koll­sta­pels ein­ge­hen. Neh­men wir an, eine Anwen­dung möch­te eine Rei­he von Infor­ma­tio­nen ver­schi­cken, z. B. Infor­ma­tio­nen über die aktu­el­le Motor­dreh­zahl, die Motor­tem­pe­ra­tur, den Zustand der Zün­dung etc. Dann über­gibt die Anwen­dung die­se Signa­le oder Infor­ma­tio­nen an den App­li­ca­tion-Layer des Pro­to­koll­sta­pels. Dies ist prak­tisch etwas Soft­wa­re im Steu­er­ge­rät, die für das Ver­sen­den und Emp­fan­gen von Bot­schaf­ten zustän­dig ist. Die­ser App­li­ca­tion Layer des Pro­to­koll­sta­pels packt jene Signa­le als Nutz­da­ten in eine Bot­schaft und ver­sieht sie mit einer Rei­he von wei­te­ren Infor­ma­tio­nen, z. B. dass es sich um Motor­dreh­zahl, Zün­dungs­zu­stand usw. han­delt. Even­tu­ell fügt er am Ende noch eine Prüf­sum­me hin­zu, die der Feh­ler­über­wa­chung dient. Anschlie­ßend über­gibt er die­se Gesamt­bot­schaft (PDU – Pro­to­col Data Unit) an den Trans­port-Layer.

Pro­to­koll­sta­pel (Pro­to­col Stack)

Ange­nom­men die Bot­schaft ist zu lang für einen Fra­me, dann ist es die Auf­ga­be des Trans­port-Layers die­se große Bot­schaft in meh­re­re klei­ne Bot­schaf­ten zu seg­men­tie­ren. Die­se klei­ne­ren Bot­schaf­ten bekom­men dann von der Trans­port­schicht einen zusätz­li­chen Hea­der und evtl. auch einen zusätz­li­chen Trai­ler. Die­ser gibt Aus­kunft, ob es der ers­te, der zwei­te, der drit­te Teil etc. einer grö­ße­ren Bot­schaft ist. Auf die­se Wei­se ist der Emp­fän­ger in der Lage, aus den vie­len klei­nen Bot­schaf­ten, die grö­ße­re Bot­schaft auch wie­der zusam­men­zu­set­zen. Der Trans­port Layer über­gibt die­se Bot­schaf­ten nun dem Data Link Layer.

Der Data Link Layer ergänzt sei­ner­seits einen Hea­der und einen Trai­ler, z. B. mit Adress­in­for­ma­tio­nen oder Steu­er­bits und sen­det die Bot­schaft an den Phy­si­cal-Layer. Die­ser sei­ner­seits seria­li­siert dann die Daten in der Regel inner­halb des Kom­mu­ni­ka­ti­ons­con­trol­lers, kodiert die Bits und fügt mög­li­cher­wei­se auch wei­te­re Bits am Anfang und am Ende hin­zu.

Erst jetzt wer­den tat­säch­lich Daten als Bot­schaft auf dem Bus ver­sen­det. Dort haben wir dann die eigent­li­chen Nutz­da­ten aus der Anwen­dung und davor sowie danach eine gan­ze Rei­he von Steue­r­in­for­ma­tio­nen aus den ein­zel­nen Pro­to­kol­le­be­nen.

Für die Fra­ge nach der ech­ten Daten­ra­te ist also nicht nur die Bitra­te inter­essant, son­dern auch das Ver­hält­nis von Nutz­da­ten zu Steu­er­da­ten. Dies zeigt, dass die Nutz­da­ten­ra­te immer deut­lich gerin­ger ist, als die Bitra­te. Bei CAN und Flex­Ray kann man so grob geschätzt nur 50 % der Bitra­te für die Nutz­da­ten­über­tra­gung ver­wen­den!