Asymmetrische Verzögerungen in FlexRay-Netzen korrigieren

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Wie die Bit-Reshaper-Technik im Detail funktioniert

Als „Bit-Reshaping“ wird eine Technik bezeichnet, die das Ausmaß der asymmetrischen Verzögerung auf Bitebene innerhalb eines FlexRay-Netzes reduziert. Der Einsatz des Bausteins AS8224 von austriamicrosystems etwa ermöglicht es Systementwicklern, die „Bit-Reshaping“-Technik im Netzwerk zu implementieren.

Existierende Standard-FlexRay Active Star-Bausteine optimieren bereits das Spannungsniveau der Eingangssignale, was erweiterte Systemkonfigurationen erlaubt und die FlexRay-Leitungen am Active Star entkoppelt. Die Signalverarbeitungsmechanismen im Bit-Reshaper sind darüber hinaus in der Lage, die Signalform in zeitlicher Hinsicht zu optimieren, wenn ein externer Takteingang für die Mechanismen zur Verfügung steht (Bild 2).

Das externe Taktsignal wird durch einen konfigurierbaren PLL, der die Eingangstaktfrequenz mit dem Faktor 2, 8 oder 20 multipliziert, in ein internes Abtast-Taktsignal konvertiert. Das Abtast-Taktsignal ist darauf ausgelegt, den eingehenden Bit-Strom mit achtfachem Oversampling zu erfassen, damit ist die Messperiode (1 Tsample) für ein 10-Mbps-FlexRay-Netz beispielsweise 12,5 ns. Der Bit-Reshaper dekodiert den eingehenden Bit-Strom und leitet einen regenerierten Bit-Strom mit einer Gesamtübertragungsverzögerung von weniger als 238 ns weiter, was unterhalb der in der FlexRay-Spezifikation des physisch-elektrischen Layers vorgegebenen maximalen Übertragungsverzögerung von 250 ns liegt.

Asymmetrische Verzögerung wird fast auf Null gedrückt

Die Gesamtübertragungsverzögerung umfasst die analogen Verzögerungen auf Empfänger- und Senderebene sowie die digitale Verzögerung durch die Bit-Reshaping-Logik, die insgesamt 7 Tsamples (87,5 ns) notwendig macht. Im Ergebnis zeigt sich keine Verschlechterung der Gesamtperformance des Systems und der Datendurchsatz des FlexRay-Netzes bleibt unverändert, jedoch wird die asymmetrische Übertragungsverzögerung nach dem Durchlaufen des FlexRay Active-Star-Bausteins mit Bit-Reshaper fast auf Null gedrückt. Die Verzerrung des eingehenden Bit-Stroms wird so vollständig auf der digitalen Ebene kompensiert.

Analoge Effekte der asymmetrischen Verzögerung

Die Messung der asymmetrischen Verzögerung des ausgehenden Bit-Stroms zeigt nur kleine analoge Effekte, die insgesamt 4 ns ergeben und durch den Sender des AS8224, den Takt-Jitter des externen Taktsignals und der internen PLL verursacht werden. Prinzipiell hat jedes durch den Bit-Reshaper regenerierte Bit eine nominale Länge von 8 Tsamples. Aufgrund von kleinen Taktabweichungen zwischen den sendenden und empfangenden Knoten und dem Bit-Reshaper kann dieses ideale Timing von 8 Tsamples pro Bit nicht für alle Bits aufrechterhalten werden, so dass der Bit-Reshaper einzelne Tsamples an der richtigen Stelle im FlexRay-Datenframe einfügen muss, um mit einem „langsamen“ Sender synchron zu bleiben (das ist der Fall, wenn der Takt des Senders geringfügig langsamer ist als der Takt des Bit-Reshapers). Der Wert wird beim High-Bit der Byte Start Sequence (BSS) hinzugefügt, damit bleibt die Auswirkung auf den Enkoder des Empfängers minimal, da die Synchronisierung an der fallenden Flanke des BSS durchgeführt wird (das High-Bit des BSS ist das letzte Bit vor einer neuen Synchronisierung).

Diese verlängerten Bits sind in Bild 3 oben blau markiert.

Eingehende Bits werden im FIFO-Puffer gespeichert

Bei einem „schnellen” Sender (das ist der Fall, wenn der Takt des Senders geringfügig schneller ist als der Takt des Bit-Reshapers) nimmt der Bit-Reshaper jedoch keine Verkürzung der entsprechenden Bits des ausgehenden Bit-Stroms vor, da dies jeden Transceiver beeinträchtigen würde, der den modifizierten Bit-Strom verarbeitet: Die Bits wären so verkürzt, dass ihre Länge nahe der erlaubten Mindest-Bit-Zeit liegen würde.

Daher verwendet der Bit-Reshaper zur temporären Speicherung der eingehenden Bits vor der Weiterübertragung ein FIFO-Puffer (Bild 3 unten). Jedes Bit behält dabei die ideale Länge von 8 Tsamples (des Takts des Bit-Reshapers). Der rückgeformte Bit-Strom zeigt eine leicht höhere Übertragungsverzögerung als der eingehende, diese ist aber nicht länger als bei identischer Taktrate von Sender und Bit-Reshaper. Ein 8-Bit-FIFO-Puffer reicht aus, um die höchsten denkbaren Taktabweichungen in einem FlexRay-Netz (±1500 ppm) abzudecken.

Ein typisches Beispiel für die Veränderung der Wellenform des Signals durch den Bit-Reshaper zeigt Bild 4.

Bit-Reshaper ermöglicht erweiterte Topologien

Gemäß den Vorgaben des FlexRay-Protokolls muss sich die statische und stochastische asymmetrische Verzögerung über alle Kommunikationswege zwischen den Knoten des gesamten FlexRay-Netzes in einem Rahmen von -37,5 bis +50 ns bewegen. Verzögerungen im physischen Layer sind oft besonders auffällig bei langen Leitungslängen zwischen Knoten oder in Verbindungen, die an Bereichen des Fahrzeugs mit hohen elektrischen Störfeldern vorbeiführen.

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