Autos werden heute mit immer mehr Fahrerassistenzfunktionen verkauft. Die Kommunikation der dazu notwendigen Sensoren und Aktoren erfolgt in aller Regel über Bussysteme, wie LIN, CAN oder FlexRay. Oszilloskope mit der Fähigkeit der Busdekodierung unterstützen hierbei die Entwickler.

Heutzutage bieten Autos auch bei einem geringen Verbrauch ein hohes Fahrvergnügen, sie können automatisiert einparken und sogar selbst fahren. Das wird dadurch erreicht, dass in den Autos mehr und mehr Sensoren verbaut werden, welche wiederum vernetzt sein müssen. Die Sensoren produzieren Daten, was sich auch auf die Komplexität der Kommunikation auswirkt. Das Datenvolumen, das dabei entsteht, steigt überproportional an. So werden beispielsweise beim automatischen Einparken nicht nur einmalig Sensordaten gelesen, es werden auch Lenkung, Gas und Bremse gesteuert und ständig mit neu erfassten Sensordaten abgeglichen und geregelt. Hinzu kommt, dass die Steuerung von Lenkung, Gas und Bremse hochkritische Funktionen sind und die Kommunikation schnell, sicher und zuverlässig ablaufen muss.

Bussysteme erleichtern die Kommunikation

Durch die angestiegene Zahl der Funktionen wurde es im Laufe der Jahre immer schwieriger, jeden Steuer- oder Regelkreis separat zu verkabeln. Um den Kabelbaum zu vereinfachen, bieten sich Bussysteme an. Neben der Reduzierung des Verkabelungsaufwandes und der damit einhergehenden Gewichtsreduktion ergeben sich weitere Vorteile: eine einfache Erweiterbarkeit, die Priorisierung von Funktionen oder die Kombination verschiedener Systeme. Im Laufe der Zeit haben sich verschiedene Busse durchgesetzt. LIN (Local Interconnect Network), CAN (Controller Area Network) und FlexRay. Sie unterscheiden sich hinsichtlich Kosten, Aufbau, Bandbreite beziehungsweise Datenrate sowie Sicherheitslevel / Redundanz, elektromagnetische Abstrahlung / Verträglichkeit und Echtzeit-Fähigkeit.

Der LIN-Bus hat die kleinste Bandbreite und das niedrigste Sicherheitslevel der oben aufgeführten Busse, dafür ist der Aufbau einfach (Master-Slave, Einzeldraht) und somit günstig. Typischerweise wird der LIN-Bus in sicherheitsunkritischen Anwendungen im Auto verwendet. Der LIN-Bus besteht aus einem Master und einigen Slaves, die zu einem Sub-Bus zusammengeschaltet sind. Ein Beispiel ist der Türbereich mit Schaltermodul, Fensterheber mit Stoppsensor und Seitenspiegelverstellung – zu sehen in Abbildung 1. Alle Sensoren und Aktoren werden über den LIN-Bus und das Steuergerät-Tür-Links gesteuert. Wenn der Fahrer nun den Seitenspiegel rechts einstellen will, kommuniziert Steuergerät-Tür-Links nicht mehr nur über den LIN-Bus sondern über den CAN-Bus mit Steuergerät-Tür-Rechts. Das heißt, die Steuergeräte der Türen bilden auf der einen Seite den LIN-Masterknoten, auf der anderen Seite sind diese das Gateway zwischen dem LIN- und CAN-Bus.

Der CAN-Bus wird hauptsächlich in den Bereichen Antrieb, Fahrwerk und E-Mobility eingesetzt. So ist der Batterie-Controller mit dem CAN-Bus ausgerüstet, um Statusmeldungen wie den Ladezustand direkt ins System übergeben zu können. CAN ist im Gegensatz zu LIN ereignisgesteuert: Falls ein Knoten etwas zu melden hat, versucht er, den Bus zu belegen. Ist der Bus bereits belegt, können Kollisionen entstehen und Nachrichten verloren gehen. Um die Sicherheit der Datenübertragung zu gewährleisten, hat der CAN-Bus Mechanismen implementiert, sodass Kollisionen vermieden werden und dadurch kein Datenverlust entsteht. Das heißt aber auch, dass Nachrichten nicht immer in Echtzeit verschickt werden und Latenzzeiten entstehen. Im obigen Beispiel mit den Seitenspiegeln ist eine minimale Verzögerung technisch unkritisch und wird auf Grund der Kürze der Verzögerung vom Fahrer gar nicht wahrgenommen. Der etwas aufwändigere, differentielle Aufbau des Busses macht diesen gegenüber Einflüsse von außen robuster und zuverlässiger gegenüber beispielsweise dem LIN-Bus.

Auch die Sensorik entwickelt sich weiter und spart Platz, Energie und vereinfacht die Integration. Anfangs lieferten Sensoren ausschließlich einen Spannungs- oder Strompegel. Diese Signale sind allerdings störanfällig. So wurden erste serielle Busse wie I²C als Schnittstelle zum µ-Controller entwickelt und eingesetzt. Heute wird schrittweise dazu übergegangen, den Sensor direkt als LIN- oder CAN-Knoten aufzubauen.

Bus-Charakterisierung mit dem Oszilloskop

Als Werkzeug für den Entwickler bieten sich Oszilloskope mit der Fähigkeit der Busdekodierung an. Es werden von fast allen Herstellern entsprechende Automotive-Pakete angeboten. In der MSO/DS4000er-Serie von Rigol ist neben dem bestehenden CAN-Bus Decoder auch der LIN-Bus Decoder integriert und erscheint ohne Aufpreis zusammen mit der CAN-Bus-Option. FlexRay, I²C und SPI-Decoder sind ebenfalls verfügbar. Neben der Fähigkeit die erfassten Kurven richtig interpretieren zu können, kommt dem Trigger beim Dekodieren eine besondere Rolle zu. Für exakte Analysen muss die Möglichkeit bestehen, einzelne Nachrichten von bestimmten Knoten (Adressen) herauszufiltern. Die MSO/DS4000-Serie ermöglicht die Kombination der Speichersegmentierung (Rekord-Funktion) und einer Adress-Triggerung, sodass Nachrichten von bestimmten Adressen über einen größeren Zeitraum aufgezeichnet und analysiert werden können. Diese Signale können nach der Aufnahme nicht nur abgespielt werden, der Entwickler kann auch für einen Pass/Fail-Test eine Maske erstellen. Mit der Curser-Funktion kann zum Beispiel das Überschwingen eines Pulses ausgemessen werden.

Beim Analysieren der Funktionalität (zum Beispiel eines LIN-Slaves) ist es hilfreich, wenn das Oszilloskop zwei verschiedene Busse gleichzeitig dekodieren kann. Ein Beispiel hierfür könnte sein, dass I²C-kodierte Sensordaten und die daraus im LIN-Slave erzeugte LIN-Bus Nachricht verglichen werden sollen. Mit den MSO-Geräten ist es möglich, zusätzlich zu den analogen Kanälen 16 digitale Kanäle für den Vergleich zu verwenden.

Bei längeren Zeitbasen ist es oft nicht mehr möglich, die einzelnen, dekodierten Informationen auf dem begrenzten Bildschirm des Oszilloskops darzustellen. Hier hilft die Möglichkeit der tabellarischen Darstellung. Hierfür wird die Adresse, die Nachrichten, Timing und die Prüfsumme aufgelistet. Diese Tabelle kann auch für eine Offline-Analyse als Textfile abgespeichert werden.

Bus für sicherheitskritische Anwendungen

Der FlexRay-Bus wurde bisher noch nicht erwähnt. Er ist der zuverlässigste Bus aus der obigen Auflistung. Durch seine fehlertolerante Struktur und deterministischen Kommunikation sowie der hohen Datenrate kann FlexRay auch in sicherheitskritischen Anwendungen eingesetzt werden und gehört zur Gruppe der sogenannten Fail-Operational-Systems, also Systeme, die auch im Fehlerfall noch funktionieren. Funktionen wie Brake-by-wire oder Steer-by-wire (x-by-wire: Ersetzung der mechanischen in automatische Systeme) sind Beispiele in denen FlexRay seine Stärke zeigen kann. Erste Anwendungen sind das automatische Ein- beziehungsweise Ausparken. Hier ist CAN durch seinen ereignisgesteuerten Buszugriff und den daraus folgenden Latenzzeiten und seiner langsamen Datenrate nicht geeignet.

Geräte für die HF-Messtechnik

Rigol Technologies richtet sein Produktportfolio auf professionelle Anwendungen in Industrie und Forschung aus. Das gilt nicht nur für die im Artikel beschriebenen DS/MSO4000-Oszilloskope sondern auch für die erweiterten HF-Mess-Lösungen der Serie DSA832 und DSA875 (Spektrum Analysatoren) und den neuen HF-Signal-Generatoren DSG815/830 und DSG3030/60, von 1,5 GHz bis 6 GHz Bandbreite. Gerade der Spektrum-Analysator der Serie DSA815 (1,5 GHz) sowie der DSA710 (1 GHz) mit der SSC-Option (signal seamless capture) bieten sich als Testgeräte bei den sogenannten KeyLess-Entry-Systemen mit Frequenzbereichen von 400 und 800 MHz für die Endprüfung in der Qualitätssicherung an. Wichtige Parameter wie der Amplitudenvergleich beider Signalkomponenten, die Frequenzabweichung oder der Offset zum Träger werden hierbei vermessen und dargestellt.