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Über dieses Buch

Dieses Fachbuch gibt einen Überblick über die in der Kfz-Elektronik verbreiteten Bussysteme wie CAN, FlexRay, LIN oder MOST, deren Protokolle und die Softwarearchitektur moderner Steuergeräte. Die Beschreibung erfolgt aus der Sicht von Ingenieuren, die diese Systeme in der Praxis einsetzen und in Fahrzeuge integrieren müssen. Ausführlich wird auf die höheren Schichten der ISO, SAE und ASAM-Transport- und Diagnoseprotokolle sowie deren Anwendung eingegangen. Neben der Kommunikation wird die Softwarearchitektur der Steuergeräte mit Betriebssystem und Basissoftware vorgestellt, wie sie im Rahmen von AUTOSAR, OSEK/VDX und HIS definiert werden.

Neu in dieser Auflage wurden CAN FD, Automotive Ethernet, OTX und WWH-OBD aufgenommen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Anwendung von Bussystemen und Protokollen

Zusammenfassung
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.
Werner Zimmermann, Ralf Schmidgall

2. Grundkonzepte und einfache Kfz-Bussysteme

Zusammenfassung
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.
Werner Zimmermann, Ralf Schmidgall

3. Kfz-Bussysteme – Physical und Data Link Layer

Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden alle wichtigen Kfz-Bussysteme von CAN über LIN, FlexRay und MOST bis zur Zukunftslösung Automotive Ethernet detailliert beschrieben. Bei allen Systemen werden nicht nur der aktuelle Stand, sondern auch zukünftige Entwicklungen wie CAN FD (CAN Flexible Datarate) oder Cluster von FlexRay-Bussen mit mehreren Taktdomänen dargestellt. Die Darstellung erfolgt vorzugsweise aus Sicht des Anwendungsingenieurs, der Kommunikationslösungen über diese Bussysteme realisieren muss. Neben den qualitativen Eigenschaften werden die Systeme auch quantitativ beschrieben, so dass die Leser selbst die nutzbare Bandbreite eines Bussystems sowie die Latenzzeiten der Datenübertragung in konkreten Anwendungen abschätzen können.
Werner Zimmermann, Ralf Schmidgall

4. Transportprotokolle

Zusammenfassung
Die bekannten Bussysteme CAN, LIN oder FlexRay haben mit Rücksicht auf gute Echtzeiteigenschaften eine relativ kurze Botschaftslänge. Sobald größere Datenblöcke übertragen werden müssen, wie dies beispielsweise bei Diagnoseanwendungen oder beim Flash-Programmieren notwendig ist, muss ein Transportprotokoll eingesetzt werden. Dessen Aufgabe besteht darin, größere Datenblöcke so zu segmentieren und deren zuverlässige Übertragung zu organisieren, dass dies für die übergeordnete Anwendung transparent und ohne Zusatzaufwand gewährleistet ist. Das Kapitel beschreibt die bekanntesten Transportprotokolle ISO TP für CAN und FlexRay, VW TP und SAE J1939 für CAN sowie DoIP (Diagnostic over Ethernet), mit dem CAN und FlexRay-Datenpakete über Ethernet-Verbindungen geleitet werden können.
Werner Zimmermann, Ralf Schmidgall

5. Diagnoseprotokolle – Application Layer

Zusammenfassung
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.
Werner Zimmermann, Ralf Schmidgall

6. Anwendungen für Messen, Kalibrieren und Diagnose (ASAM AE MCD)

Zusammenfassung
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.
Werner Zimmermann, Ralf Schmidgall

7. Software-Standards: OSEK und HIS

Zusammenfassung
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.
Werner Zimmermann, Ralf Schmidgall

8. AUTOSAR-Softwarearchitektur für Kfz-Systeme

Zusammenfassung
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.
Werner Zimmermann, Ralf Schmidgall

9. Werkzeuge, Anwendungen und Einsatzgebiete

Zusammenfassung
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.
Werner Zimmermann, Ralf Schmidgall

10. Kommunikation zwischen Fahrzeugen

Zusammenfassung
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.
Werner Zimmermann, Ralf Schmidgall

Backmatter

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