Netzwerke im Auto CAN, LIN, FlexRay – Stand und Chancen der Bussysteme

Autos werden von Jahr zu Jahr komplexer – und die Netzwerktechnologie muss damit Schritt halten. Über den Stand der Technik und Zukunftstrends in Sachen Kfz-Netzwerke unterhielten wir uns mit Hans de Regt, dem Marketing Director Business Line Automotive, bei NXP Semiconductors.

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ELEKTRONIKPRAXIS: Herr de Regt, welche Netzwerke sind derzeit im Auto verbreitet und was können Sie?

Hans de Regt: Die heute gängigen Automobil-Netzwerke sind CAN, LIN und FlexRay. Sie ermöglichen die Kommunikation zum Steuern aller möglichen Systeme und liefern darüber hinaus Informationen ans Armaturenbrett, wo der Fahrer Daten wie Benzinstand oder Motortemperatur ablesen kann.

Worin unterscheiden sich CAN, LIN und FlexRay?

Das Controller Area Network – kurz CAN-Bus – ist wurde 1983 von Bosch vorgestellt. Er war das erste standardisierte Protokoll für Auto-Netzwerke und ist auch heute noch der führende Standard. Es gibt ihn als Fault-Tolerant-, High-Speed- und als Single-Wire-CAN.

LIN kam 2002 auf den Markt und ist ein langsameres Low-Cost-Netzwerk, das sich unter anderem für Systeme wie Türen, Sitze, Schiebedach eignet. FlexRay schließlich gibt es seit 2006 und es deckt mit seiner hohen Datenrate von 10 MBit/s das andere Ende bei Kfz-Bussystemen ab.

Mit welchen Produkten unterstützt NXP die einzelnen Bussysteme?

Wir waren bei allen drei Bussystemen als erster Hersteller mit entsprechenden Produkten auf dem Markt. Derzeit verkaufen wir täglich weit mehr als 1 Mio. einzelne Transceiver-Chips. Dieses Volumen erlaubt es uns, Qualität und die Zuverlässigkeit ständig weiter zu verbessern und immer wieder neue Familien und Generationen auf den Markt bringen.

Welche Trends sehen Sie bei Kfz-Bussystemen?

Der Markt bei CAN- und LIN-Stand-alone-Transceivern wird bis zur Mitte der nächsten Dekade weltweit weiter wachsen. Dieses Wachstum wird getrieben von immer mehr Elektronik im Auto: Es kommen ständig neue Funktionen hinzu und die zunehmende Umwandlung von Mechanik in Mechatronik führt zu einem höherem Vernetzungsgrad. Das beginnt in heutigen Fahrzeugen bei etwa 10 Knoten in Low-End-Autos und geht im oberen Segment bis weit über 60 Knoten, wobei für jedes vernetzte Modul ein entsprechender Transceiver erforderlich ist. Mit solchen CAN- und LIN-Stand-Alone-Transceivern lässt sich der Großteil der Bedürfnisse in den nächsten 5 bis 7 Jahre abdecken.

Soll das heißen, dass Sie in den nächsten Jahren keine neuen Typen auf den Markt bringen werden?

Bei den CAN- und LIN-Stand-alone-Transceivern gibt es zwar nichts weltbewegend Neues, aber wir entwickeln sie kontinuierlich weiter. So werden wir Ende des Jahres beispielsweise eine neue Generation von CAN-Transceivern freigeben. Dabei handelt es sich um die 3. Generation, die technisch etwa in Sachen ESD-Robustheit verbessert wurde. Darüber hinaus können wir mit jeder neuen Generation Kosten reduzieren, was wir an unsere Kunden weitergeben. Diese CAN-Transceiver gibt es übrigens in drei Hauptvarianten.

Einmal als einfache CAN-Transceiver, die im Power-Train in Klemme-15-Anwendungen eingesetzt werden, bei denen die Module mit Strom versorgt werden, während der Motor läuft. Für Module, die immer mit Spannung versorgt werden müssen, bieten wir Transceiver mit Sleep- und Stand-by-Funktionen an, die den Stromverbrauch reduzieren. So soll die Batterie nicht entladen werden, wenn das Fahrzeug einmal längere Zeit geparkt ist.

Was tut sich bei FlexRay?

FlexRay durchdringt zunehmend den Markt. Es eignet sich aufgrund der hohen Datenraten von 10 MBit/s vor allem für zeitkritische Anwendungen. Das erlaubt Anwendungen wie das AdaptiveDrive-System im neuen BMW X5 mit Datentransfer via FlexRay. Dabei handelt es sich um die aufeinander abgestimmte Steuerung von Stabilisatoren und Stoßdämpfern. Mithilfe von Sensoren erfasst und berechnet das System permanent Daten über Geschwindigkeit, Lenkwinkel, Längs- und Querbeschleunigung, Aufbau- und Radbeschleunigung sowie die Höhenstände. Anhand dieser Informationen werden sowohl die Schwenkmotoren der Stabilisatoren als auch die elektromagnetischen Ventile der Stoßdämpfer gesteuert. Seitenneigung und Dämpfung lassen sich so situationsgerecht regulieren. BMW nutzt dabei unseren FlexRay-Transceiver TJA1080.

Mit FlexRay stehen wir derzeit noch ganz am Anfang, denn BMW ist mit dem X5 der erste Autobauer, der FlexRay auf die Straße bringt. Andere werden erst im nächsten Jahr folgen – aber das werden dann immer mehr sein. Denn fast alle Hersteller beschäftigen sich jetzt intensiv mit FlexRay und so werden im nächsten Jahr etliche Anwendungen mit FlexRay auf den Markt kommen. Den Durchbruch für FlexRay erwarte ich in etwa fünf Jahren.

Es gibt doch sicherlich weitere Unterschiede zwischen FlexRay und CAN/LIN?

Richtig, so sind mit FlexRay im Gegensatz zu CAN auch Sterntopologien möglich, sodass sich auch größere Netzwerke aufbauen lassen, bei denen mehrere lineare Busse wie CAN und LIN miteinander über einen sternförmigen FlexRay-Bus verbunden sind. In sicherheitsrelevanten Anwendungen kann bei einem solchen Netzwerk z.B. ein fehlerhafter Zweig einfach abgeschaltet werden, ohne dass die Funktion des Gesamtnetzwerks beeinträchtigt wird. Dafür sind allerdings verschiedene Transceiver notwendig, je nachdem ob es sich um ein Sternnetzwerk oder einen linearen Bus handelt.

Mit welchen Entwicklungen will NXP diesem Trend gerecht werden?

Mit unseren FlexRay-Transceivern TJA1080 und dem verbesserten Modell TJA1080A lassen sich sowohl Stern- als auch lineare Netzwerke aufbauen. In Zukunft werden Bausteine jedoch entweder für die eine oder die andere Topologie optimiert sein. So entwickeln wir derzeit den Node-Transceiver TJA1082 sowie den Sternkoppler TJA1085 mit vier verschiedenen Zweigen, der vier TJA1080-Transceivern entspricht. Diese Transceiver sind die einzigen Produkte auf dem Markt, die absolut FlexRay-konform sind. Im nächsten Jahr werden wir mit diesen Produkten in mehr und mehr Fahrzeugen vertreten sein. Wir arbeiten bei der Produktentwicklung eng mit den Modulhersteller und den Fahrzeughersteller zusammen.

Sehen Sie weitere Trends?

Sicher, Integration etwa ist ein Zukunftsthema. Zahlreiche Komponenten finden sich auf der Leiterplatte eines Moduls mehrmals, beispielsweise Transceiver, Spannungsregler oder Watchdog-Timer. Wir integrieren immer mehr Funktionen in unsere Bus-Transceiver. Ein typisches Beispiel sind unsere Transceiverfamilien UJA1061 und UJA1065, die alle wesentlichen diskreten Komponenten von Steuergeräten wie Spannungsregler und Watchdog-Timer zusammen mit einer LIN- und einer CAN-Schnittstelle integrieren. Die UJA1061-Familie nutzt den fehlertoleranten und die UJA1065-Familie den High-Speed-CAN-Bus.

Wie wird es in Sachen Integration weitergehen?

Das ist nur ein erster Schritt. Wir planen neue Generationen ähnlicher Produkte sowie weitere Funktionalitäten. Wichtig ist dabei auch für die Kunden, dass es sich um ein Familienkonzept handelt. Denn es kommt oft vor, dass das Modul eines Kunden einmal mit fehlertolerantem CAN, dann mit LIN und schließlich wieder mit High-Speed-CAN betrieben werden muss – jeweils abhängig von Modell und Automobilhersteller. Der Kunde möchte aber sein Modul nicht jedes Mal neu entwickeln. Mit unserem Familienkonzept lässt sich das Modul schnell für ein anderes Netzwerk modifizieren. Das reduziert die Entwicklungszeit beim Kunden und damit auch die Entwicklungskosten.

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