Nachdem vor wenigen Jahren Flexray erfolgreich in Fahrzeugen Einzug hielt, befindet sich nun Ethernet als automobiler Kommunikationsbus an der Schwelle zum Serieneinsatz. Aufgrund seines flexiblen Schichtenmodells, der hohen Bandbreite sowie der kostengünstigen und unabhängigen Implementierungen bietet Ethernet viele Einsatzmöglichkeiten im Fahrzeug. Ethernet-Netzwerke werden daher eine entscheidende Rolle in modernen Fahrerassistenzsystemen, neuen Komfort- und Unterhaltungsfunktionen, beim Flashen von Steuergeräten sowie für weitere Funktionen spielen.

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dSPACE

Da es sich vielfach um automotive-optimierte Ethernet-Netzwerke handelt, stehen viele Punkte des Kommunikationssystems im Fokus der Entwicklung. So fördert die OPEN Alliance Special Interest Group (SIG), zu deren Mitgliedern auch dSPACE zählt, die flächendeckende Einführung Ethernet-basierter Netzwerke mit ungeschirmten Zweidrahtkabeln. Aktivitäten im ASAM-MCD-2-NET (FIBEX)- und Autosar-Umfeld befassen sich unter anderem mit der Standardisierung von Kommunikationsbeschreibungen und der Harmonisierung von Middleware-Schichten. Bereits jetzt zeichnet sich eine breite Basis von Anwendern und Interessenten ab, die eine Einführung von automotivem Ethernet planen. dSPACE unterstützt diese Kunden mit dem neuen Ethernet Configuration Package.

dSPACE und Ethernet

Seit vielen Jahren bietet dSPACE Produkte und Lösungen für die Anbindung von Ethernet an Echtzeitsysteme an, darunter das DS1006 Processor Board für die Hardware-in-the-Loop-Simulation oder die MicroAutoBox für Rapid Control Prototyping mit den entsprechenden Blocksets für MATLAB/Simulink. Bei diesen Produkten liegt der Schwerpunkt auf UDP (User Datagram Protocol) und TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) über Ethernet.

Mit dem Ziel einer servicebasierten Kommunikation spricht die aktuelle Ethernet/IP-Diskussion derzeit Schichten oberhalb von UDP und TCP/IP an. Hierbei spielen das Serialisierungsprotokoll SOME/IP für die servicebasierte Kommunikation und das Service Discovery Protokoll SOME/IP-SD eine wichtige Rolle. Um notwendige zusätzliche Elemente für eine servicebasierte Kommunikation über Ethernet beschreiben zu können, hat ASAM [www.asam.net] bereits im September 2011 eine Version des FIBEX-Standards veröffentlicht, die den Namen FIBEX 4 trägt. Die im Rahmen einer ersten Anwendungsphase gesammelten Erfahrungen werden zu der Version FIBEX 4.1 führen, deren Release kurz bevorsteht. FIBEX 4 ist der erste Schritt in Richtung Datenaustauschformat für Ethernet-basierte Kommunikationsnetzwerke im Fahrzeug. Weitere Kommunikationsbeschreibungen für die servicebasierte Kommunikation über Ethernet werden folgen, insbesondere auch im Rahmen von Autosar 4. Der Grundgedanke dieser IP- und servicebasierten Kommunikation wird nachfolgend anhand von Auszügen des FIBEX-4-Formats erläutert.

Bild 1: Beispiel einer servicebasierten Steuergeräte-Kommunikation.

Bild 1: Beispiel einer servicebasierten Steuergeräte-Kommunikation.dSPACE

Servicebasierte Kommunikation im FIBEX-4-Kontext

Ethernet ist in der IEEE 802.3 spezifiziert und deckt die ersten beiden Schichten des ISO/OSI-Modells ab. Da sich die Netzwerkteilnehmer das physikalische Übertragungsmedium teilen, kann es zu Kollisionen kommen. Diese lassen sich durch Punkt-zu-Punkt-Verbindungen realisieren und mit Hilfe von Switches als Koppelelemente reduzieren.

Das fibex4ethernet-Schema erweitert die FIBEX-Topologie durch Elemente, die für die Beschreibung von Ethernet im Data Link Layer und im Physical Layer notwendig sind. Network Endpoints und Application Endpoints sind im fibex4it-Schema integriert. Dazu wurden Elemente für die IP- und die Transportadresse, zum Beispiel Ports, hinzugefügt.

Die FIBEX-Spezifikation wurde um zwei Basiskonzepte für die Kommunikation über Ethernet erweitert. Das erste Basiskonzept ist die typische signalbasierte Kommunikation, beispielsweise wie bei CAN. Dazu müssen PDUs (Protocol Data Units) auf Ethernet abgebildet werden. In FIBEX sind zu den PDUs dann die Network und Application Endpoints modelliert.

Ethernet bietet mehr Möglichkeiten als die Übertragung einfacher Signale beispielsweise über UDP. Im Rahmen des zweiten Basiskonzeptes lassen sich auch komplexe Serviceschnittstellen spezifizieren, die Methoden und Events enthalten, um die Kommunikation auf höheren Schichten zu beschreiben. Mit generischen Datentypen für die Parameter der Methoden ist es möglich, strukturiertere Informationen zu übertragen als mit einfachen Signalen. Das fibex4services-Schema enthält die Elemente für die Modellierung der servicebasierten Kommunikation. Unterhalb der Application Endpoints befinden sich die Service Interfaces, die als Provided Services beziehungsweise als Consumed Services instantiiert werden.

Bild 2: Architektur des Ethernet Configuration Packages.

Bild 2: Architektur des Ethernet Configuration Packages.dSPACE

Tool-Unterstützung

Das dSPACE Ethernet Configuration Package unterstützt die Simulation von service- und ereignisbasierter Kommunikation, wie in FIBEX 4 beschrieben. Die aktuelle Version des dSPACE Ethernet Configuration Packages ist für Systeme mit DS1006 Quad-Core Processor Boards erhältlich.

Wie schon die Flexray-Unterstützung von dSPACE besteht auch das dSPACE Ethernet Configuration Package aus zwei Teilen: zum einen aus dem dSPACE Ethernet Configuration Tool, um ein dSPACE-System als Simulationsknoten in einem servicebasierten Ethernet-Netzwerk zu konfigurieren, zum anderen aus dem RTI Ethernet Configuration Blockset für die Modellierung der servicebasierten Kommunikation in MATLAB/Simulink (Bild 2).

Das Ethernet Configuration Tool

Mit dem dSPACE Ethernet Configuration Tool lassen sich die FIBEX-4-Dateien importieren und visualisieren. Die FIBEX-Elemente wie Cluster, ECUs, Services und Events stellt das Tool in einem übersichtlichen Baum dar. Der Anwender kann ganze ECUs und Services oder auch nur einzelne Events für die Simulation direkt per Drag & Drop auswählen. Dabei zeigt das Tool die wichtigsten Attribute der FIBEX-Elemente in einer strukturierten Ansicht an.

Die ausgewählten Services und Events dienen als Eingabe für die automatische Kommunikationscode-Generierung. Eine generierte Übertragungsdatei ist Grundlage für die servicebasierte Modell-Frame-Generierung in MATLAB/Simulink. Das Ergebnis ist ein Simulink-Interface-Modell mit vorkonfigurierten Service- und Event-Blöcken, die auf dem RTI Ethernet Configuration Blockset aufsetzen. Das Simulink-Interface-Modell liefert dem Anwender Subsysteme für die simulierten Steuergeräte mit den relevanten Service-Instanz-Schnittstellen. Mit Hilfe der parametrierten Event-Blöcke kann der Anwender in seinem Funktionsmodell eigene Funktionen entwerfen, um beispielsweise die neue Kommunikation über Ethernet/IP auszuprobieren oder eine Restbussimulation durchzuführen.

Das dSPACE Ethernet Configuration Package ist das erste Tool für die Restbussimulation auf Echtzeitsystemen zur servicebasierten Ethernet-Kommunikation im Fahrzeug. Die neue, seit Juni verfügbare Version 1.1 des Ethernet Configuration Packages unterstützt auch ein dynamisches Service Discovery. Weitere Versionen werden folgen.