Bussysteme in der Fahrzeugtechnik

Moderne Kraftfahrzeuge sind rollende Rechner, die aus Dutzenden von elektronischen Steuergeräten bestehen, die über ein komplexes Computernetz miteinander Daten und Befehle austauschen. Sensoren liefern die notwendigen Informationen an die Software. Aktoren setzen die Resultate der Regel- und Steueralgorithmen in die notwendigen Stellsignale um. Aufwand und Zuverlässigkeit des Gesamtsystems hängen entscheidend von der Verlässlichkeit der Datenübertragung über die Bussysteme und der effizienten Struktur der Software ab. Das erste Kapitel dieses Buchs gibt einen Überblick über die Entwicklung der Kfz-Elektronikarchitekturen und schlägt den Bogen von den Anforderungen und Konzepten von CAN, LIN, FlexRay, MOST und Ethernet bis zu OSEK/VDX und AUTOSAR. Um die Vielzahl der Lösungen besser einordnen zu können, werden die Anforderungen und Lösungen vor dem Hintergrund der verschiedenen Anwendungsdomänen Triebstrang (Power Train), Fahrwerk (Chassis), Karosserie (Body) und Unterhaltungselektronik (Infotainment) sowie der domänenübergreifenden Fahrerassistenzsysteme dargestellt.

Auch wenn die heute verbreiteten Bussysteme teilweise komplex sind und große Unterschiede im Detail aufweisen, basieren alle auf einigen wenigen Grundkonzepten, die in diesem Kapitel dargestellt werden. Beschrieben werden die bei Kfz-Bussystemen üblichen Methoden der Bitübertragung, der Bildung von Datenbotschaften, der Fehlererkennung und Fehlerbehandlung, des Buszugriffs sowie der Organisation des Kommunikationsablaufs. Am Beispiel der K-Line- und SAE J1850-Diagnoseschnittstellen sowie der Sensor-Aktor-Bussysteme SENT und PSI5 wird gezeigt, wie die einfacheren dieser Konzepte praktisch umgesetzt werden.

Automobilkunden erwarten, dass ihre Fahrzeuge über das gesamte Fahrzeugleben hinweg praktisch weltweit in allen Werkstätten zuverlässig diagnostiziert und gewartet werden können. Aus diesem Grund sind nur wenige Bereiche in Kfz-Systemen derart intensiv und herstellerübergreifend standardisiert wie die Diagnosekommunikation. Die Standards sind einerseits außerordentlich langlebig, müssen wegen der zunehmend komplexeren Elektronikarchitekturen sowie der immer höheren gesetzlichen Anforderungen an die Qualität der Diagnose aber trotzdem ständig so weiterentwickelt werden, dass ältere Fahrzeuge und die in Zehntausenden von Werkstätten weltweit vorhandenen Diagnosetester nicht schlagartig unbrauchbar werden. Dieses Kapitel beschreibt die besonders stark regulierte Diagnosekommunikation für die Diagnose abgasrelevanter Systeme OBD (On Board Diagnose), die klassische Werkstattdiagnose, die mit KWP 2000 in Europa sowie SAE-Standards für Nordamerika lange Zeit segmentiert war, sowie UDS (Unified Diagnostic System), mit dem die Diagnosekommunikation für Werkstätten weltweit vereinheitlicht werden kann.

Weit mehr noch als die Diagnosekommunikation verursacht die konsistente Haltung und Pflege der Diagnosedaten sowie die Entwicklung von Diagnosetestern einen erheblichen Aufwand bei den Fahrzeugherstellern. Nahezu alle Hersteller haben eine breite Modellpalette, bei der viele Komponenten in unterschiedlichen Modellen und oft auch bei verschiedenen Fahrzeugherstellern eingesetzt werden. Die Komponenten stammen von einer großen Zahl von beteiligten Zulieferern und müssen über eine häufig äußerst komplexe Fertigungs- und Werkstattorganisation mit Herstellerwerkstätten, Vertragswerkstätten und freien Werkstätten verteilt werden. Die Datensätze werden daher nicht nur aus verschiedensten Quellen zusammengesetzt, sondern auch mit sehr vielen Stellen ausgetauscht, wobei die Konsistenz der Daten, aber auch ihre Vertraulichkeit gewährleistet sein muss. Um diese Probleme herstellerübergreifend in den Griff zu bekommen, wurden Standardisierungsgremien und Normen wie ASAM, CCP/XCP (CAN/Extended Calibration Protocol), ODX (Open Diagnostic Data Exchange), MVCI oder OTX geschaffen.

Softwareentwickler sind oft mehr Künstler als Ingenieure. So jedenfalls die Einschätzung mancher Kfz-Entwickler, die die zunehmende Bedeutung der Software in Fahrzeugen nicht ganz zu Unrecht mit Argwohn betrachten, wenn die Zuverlässigkeit der Systeme diskutiert wird. Im Hardwarebereich sind ingenieurwissenschaftliche Konstruktions- und Testprinzipien seit langem etabliert und bewährt, machen Mechanik-, aber auch Elektronikhardware teilweise aber teuer und schränken bei Änderungen deren Flexibilität ein. Der Vorzug von Software, extrem flexibel und leicht anpassbar zu sein, bedingt andererseits, dass ihre Zuverlässigkeit viel schwerer in der Entwurfsphase verlässlich konstruiert und fast noch schwerer in der Testphase umfassend nachgewiesen werden kann. Schon in den 1990er Jahren hat die Kfz-Industrie daher begonnen, die Zuverlässigkeit der Kfz-Software nach ingenieurmäßigen Methoden sicher zu stellen und den Enwicklungsaufwand zu reduzieren. Erstes Ergebnis waren das bis heute weit verbreitete Betriebssystem für elektronische Steuergeräte OSEK/VDX sowie die erstmals in der Herstellerinitiative Software HIS entwickelten Konzepte für standardisierte Ein-/Ausgabe-Treiber sowie die Flash-Programmierung.

Mit AUTOSAR ist ein Konzept für die gesamte Softwarearchitektur von Kfz- Steuergeräten entstanden. OSEK/VDX wurde zu einem vollwertigen Betriebssystem weiterentwickelt, der AUTOSAR-Basissoftware, die das komplette Steuergerät sowie sämtliche Kommunikationskanäle zu anderen Geräten verwalten kann. Darüber hinaus definiert AUTOSAR Schnittstellen für und zwischen der Anwendungssoftware gesamter Systeme, so dass diese in Komponenten aufgeteilt und fast wie im PCBereich zwischen verschiedenen Steuergeräten ausgetauscht werden kann. Ein derartiger Standard ist natürlich selbst sehr komplex, so dass der Darstellung des Konzepts ein ganzes Kapitel gewidmet wird.

Der Schwerpunkt der vorigen Kapitel liegt bei den vielfältigen Konzepten und zugehörigen Standards, die in produktunabhängiger und herstellerneutraler Form dargestellt werden. Dabei wird allerdings klar, dass diese in der Praxis selten ohne Werkzeugunterstützung eingesetzt werden können. In diesem Kapitel werden daher einige wichtige Werkzeuge vorgestellt, die in ihrem jeweiligen Bereich teilweise als Industriestandard gelten. Als konkrete Anwendungsbeispiele dienen der Entwurf und das Überwachen der Buskommunikation in der Entwicklungs- und Applikationsphase sowie die Analyse des Echtzeitverhaltens, das Design der Diagnosekommunikation und der Diagnosetests sowie die Flash-Programmierung.

Neben der Elektromobilität geht der nächste große Trend der Automobilindustrie zum autonomen Fahren, mit dem das Autofahren nicht nur bequemer sondern auch noch sicherer werden soll. Ein Baustein dafür ist die Kommunikation der Fahrzeuge mit anderen Verkehrsteilnehmern (Car to Car/Vehicle to Vehicle bzw. Vehicle to Infrastructure Communication). Mittlerweile sind zumindest die Basisstandards für diese Anwendung ausgearbeitet.