Rainer Makowitz är chef för Freescale's EMEA Automotive Systems Engineering Transportation & Standard Products Group i München. Han har varit verksam vid Freescale sedan 1990 inom produkt- och systemutveckling. Han har en doktorexamen från universitetet i Kassel.

Christopher Temple leder Freescales grupp Automotive Systems Technology i München, som arbetar med inbyggnadsteknik och kommunikation i fordonssystem. Han är medlem i FlexRay Steering Committee och Executive Board. Han har en doktorsexemen från Wiens tekniska universitet.

Idag sitter cirka 600 miljoner multiplexnoder i världens bilpark. Man tror att det antalet kommer att fördubblas fram till 2012, eftersom efterfrågan stadigt ökar på elektroniska reglersystem för bilar. Bilen är på väg att bli en komplex plattform med avancerade elektroniska system.

Att koppla samman styrenheter i nätverk kräver en annan teknik än de traditionella signalbaserade nätverken. Flexray är inte först när det gäller snabb och deterministisk kommunikation i bilen, men har blivit den mest accepterade föreslagna standarden.

Flexray började år 2000 som ett industrikonsortium med fyra deltagande företag: BMW, Daimler-Chrysler, Philips (numera NXP) och Motorola (numera Freescale). Idag har konsortiet mer än 100 medlemmar världen över.

När Flexray-standardiseringen började var följande de tre viktigaste målen:

o Hög hastighet, det vill säga en storleksordning högre än Can

o Deterministisk kommunikation som underlättar systemintegration.

o Feltolerant kommunikation som gör det möjligt att ersätta mekaniska och hydrauliska säkerhetssystem med elektriska system.

Specifikationen
Flexray-systemet beskrivs som ett antal dokument publicerade av Flexray-konsortiet, som protokollspecifikationen, specifikationen av det fysiska lagret och specifikation av Bus Guardian (ungefär bussvakt). Den senaste versionen är 2.1A som används som bas för implementationen av halvledarkomponenterna och verktygen, och kommer också att användas för serieproduktion.

Förutom den skrivna dokumentationen finns en körbar referensmodell som entydigt definierar detaljerna i protokollet och som kan användas i automatiserade testmiljöer innan halvledarkomponenterna testas.

Dokumenten finns för nedladdning på konsortiets webbplats http://www.flexray.com. Ytterligare vitpapper, produktreferenser och tekniska artiklar finns hos Freescale på http://www.freescale.com/flexray.

Tillämpningsområden
Flexray passar i biltillämpningar som kraftöverföring, chassielektronik, aktiv säkerhet och elektrisk styrning (drive-by-wire). Flexray kan ersätta flera snabba Can-bussar, vilket minskar komplexiteten och sänker kostnaderna. De klusterbaserade arkitekturer som väntas bli vanliga om ett par år kommer att behöva Flexray som stamnät.

Nästa år kommer den första bilen med Flexray, och den är baserad på Freescales externa styrkrets, MFR4200. Förväntningarna från bilindustrin ligger på system med säker kommunikation, som elektrisk styrning, men sådana system kommer inte i produktion förrän i början på nästa årtionde.

Flexray och funktionssäkerhet
Funktionella krav och konstruktionskrav avgör kvaliteten på säkerhetssystemen. Bilindustrin använder IEC61508-specificationen ("Funktionell säkerhet hos elektriska/elektroniska/programmerbara elektroniska säkerhetsrelaterade system") för att bestämma kraven på de elektroniska delsystemen. Normalt höjer man funktionssäkerheten genom att öka redundansen.

Det som är självklarheter i flygindustrin stoppas ofta av kostnadsskäl i bilindustrin. Graden av redundans baseras på fältdata, alltså mätningar av felsannolikhet. Den mätmetoden har inte använts så ofta beroende på att det finns få mätsystem av den typen.

I det läget kan inte Flexray rekommendera en metod framför en annan för konstruktion av säkra system. Istället erbjuder Flexray en infrastruktur för utveckling av den redundans och säkerhet som den aktuella tillämpningen kräver.

Feltolerans
De verktyg som Flexray erbjuder för utveckling av säkerhetstillämpningar omfattar:

o Topologisk flexibilitet (enkel kanal och dubbelkanal, olika anslutningsmöjligheter)

o Feltolerant klocksynkronisering (användbar också i icke-feltoleranta miljöer)

o Separering av funktion och struktur

Flexibiliteten hos nätverkstopologierna gör det lätt att konstruera enkla bussarkitekturer såväl som de stjärnarkitekturer och flerstjärnsarkitekturer som säkerhetsexperterna vill ha för att minska felutbredningen. Den feltoleranta klocksynkroniseringen i nätverket är helt transparent i icke-feltoleranta system.

Flexray skiljer på struktur och funktion för att göra det lätt att använda styrenheterna på olika plattformar. Mjukvaran behöver alltså inte återspegla hur komponenterna är hopkopplade i systemet utan enbart hantera funktionen i delsystemen.

Topologier
Vid konstruktion av feltoleranta system underlättar det om hopkopplingsarkitekturen är flexibel. Medan ett icke feltolerant system kan ha bussarkitektur och en enda kanal, finns det nivåer av ökad redundans. Ett system med dubbla kanaler i det fysiska nätverket tolererar att den ena kanalen är ur funktion. Dyrare lösningar med stjärnnät och flerstjärnsnät kan ge ökad kanalkapacitet och bättre felhantering, se figur 1.

Det är osannolikt att en och samma arkitektur kan tillfredsställa alla behov på marknaden.

Flexibiliteten hos Flexray
Flexray syftar till högre flexibilitet än andra protokoll, som namnet antyder. Flexray delar upp varje kommunikationscykel i två delar: en statisk tidsstyrd del och en dynamisk händelsestyrd del, figur 2.

Uppdelningen av de två delarna i tiden bestäms vid konstruktionen och laddas i protokollstyrkretsarna and bus guardians. Under den händelsestyrda delen av cykeln kommunicerar noderna via ett TDMA-baserat accesstyrschema. Dess-utom innehåller varje cykel ett symbolfönster som används för körtest (run-time text) och den kommunikationsfria del som avslutar varje cykel (network idle time).

Produkter
Freescale var först ut med äkta Flexray-produkter (MFR4100 och MFR4200) som kom redan 2003 och 2004, se figur 3. Däremot har utvecklingen av Flexrays IP-styrmodul en längre historia. De första styrenheterna var självständiga enheter baserade på FPGA-teknik med regelbunden uppdatering av bitfiler medan protokollet utvecklades.

Den slutliga versionen av IP-modulen är redan certifierad av en konformanstestpartner och ingår nu i ett stort antal styrkretsar (MCU) med integrerad Flexray:

o S12XFR (16-bitars MCU) för intelligenta givar- och manöverdonsnoder

o MPC5510XL (32-bitars MCU) för gateway-tillämpningar

o MPC5557 och MPC5661 (32-bitars MCUer) för aktiv säkerhet och chassifunktioner



Allt fler köper licensrätt till Freescales Flexray IP, vilket breddar det produktutbud som kunderna har till sitt förfogande. Tillverkare som inte vill lägga ned pengar på att bygga eget Flexray IP kan istället på licens skaffa sig detta IP-block från den oberoende leverantören Ipextreme.

Styrkretsar med integrerad Flexray
Kraven på effektivitet driver på integrationen av Flexray med styrkretsar. En särskild intressant lösning för detta höghastighetsprotokoll är Freescales 16-bitars plattformar, exempelvis MC9S12XF-familjen, som är inriktad på manöverdon, givare och andra distribuerade noder i Flexray-nätverket för chassi- och karosselektronik. Produkterna har prestanda som i flera fall påminner om 32-bitarsenheter, men med fördelarna hos 16-bitars MCU.

För kunderna finns ett mervärde i att de goda egenskaperna hos Freescales 16-bitars MC9S12 MCU-familjer finns kvar. Också den här produkten har samma låga pris, samma låga strömförbrukning, EMC-egenskaper och kompakta kod. Det är flera saker som bidrar till att göra Flexray-gränssnittet kostnadseffektivt för snabb dataöverföring:

o 16-bitars access utan väntelägen för periferifunktioner och minnen

o En ny flexibel avbrottshanterare, som klarar flera avbrottsnivåer

o Den prestandahöjande hjälpprocessorn XGATE. Den är programmerbar i C och kör på dubbla bussfrekvensen jämfört med S12 med en instruktionsuppsättning optimerad för dataflyttning, logik och bitmanipulering

o Ett stort utbud av externa kristalloscillatorer för den mycket noggranna internklockan (4-40MHz).

o En frekvensmodulerad PLL-krets som gör det lätt att anpassa strömförbrukning och prestanda till aktuella driftförhållanden.

Hjälpprocessorer är också nyckeln till Flexray-gränssnitten i det lägre segmentet av 32-bitars MCUer. I/O-processorn i MPC551x-familjen är konstruerad för hantering av periferifunktioner och avbrott, men klarar såväl variabel instruktionslängd (Variable Length Encoding, VLE) för kompakt kodning som alla de trettiotvå 32-bitars generella registren. Hög genomströmning åstadkoms med matrisswitch och vektoriserad avbrottshantering med fördröjningar på ca 100 ns.

Sammanfattning
Flexray är ryggraden i nästa generation kommunikationssystem i fordon. Redan idag finns kvalificerade nätverks- och styrprodukter och serieproduktionen började 2006. Därtill finns även en referensmodell som gör det lätt att undersöka Flexrays systemarkitekturer.

Säkerhetskritiska tillämpningar som elektroniskt styrda broms- eller styrservosystem kommer att använda mekanismer som finns i Flexray för att lösa problemen med feltolerans. Det finns i dag inga kända tekniska begränsningar som skulle försvåra användningen av Flexray i moderna system. Nya systemarkitekturer kan utnyttja flexibiliteten hos Flexray för fordonssäkerhet till rimligt pris, medan marknaden för Flexray till en början förväntas utvecklas för tillämpningar som inte är säkerhetskritiska.