Artículo Cientíco / Scientic Paper
Revista Energía Mecánica Innovación y Futuro, IX Edición 2020, No. 3 (10)
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ESPE
ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 9 Vol. 1 / 2020 (10) ISSN 1390 - 7395 (3/10)
Abstract
In this paper is described how the Flexray protocol
works. The demand for automotive communication
networks is suering a rapid evolution where the
required standard should be faster and more reliable
electronic systems for the vehicle. The design
of automotive networks in vehicles is inuenced
by several factors, such as bandwidth, real-time
properties, reliability, and cost. FlexRay is a
protocol triggered by the time that can satisfy these
specications. It can operate as a dual channel
system. The CANoe software is used by system
designers, systems integrators, network developers
and ECUs, and for testing purposes in all phases of
the development process.
Keywords: Flexray, Protocol Communication,
CANoe, Vehicle Network.
SIMULACIÓN DE UN NODO DE COMUNICACIÓN VEHICULAR MEDIANTE
PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN FLEXRAY USANDO CANOE
SIMULATION OF A VEHICULAR COMMUNICATION NODE THROUGH THE
FLEXRAY COMMUNICATION PROTOCOL USING CANOE
Alex Llerena
1
, Fernando Gomez
2
, Adolfo Peña
3
1,2,3
Universidad Internacional del Ecuador, Facultad de Ciencias Técnicas, Escuela de Ingeniería Automotriz
e – mail :
1
alllerename@uide.edu.ec,
2
magomezbe@uide.edu.ec,
3
ajpena@uide.edu.ec.
GÓMEZ, LLERENA, PEÑA /
SISTEMA MÓVIL DE EXTRACCIÓN DE GASES DE ESCAPE EN UN LABORATORIO-TALLER AUTOMOTRIZ
Resumen
En este artículo se describe como funciona
el protocolo Flexray. La demanda de redes de
comunicaciones automotrices está sufriendo una
rápida evolución donde el estándar requerido deberían
ser sistemas electrónicos más rápidos y conables
para el vehículo. El diseño de redes automotrices en
vehículos está inuenciado por varios factores, como
el ancho de banda, las propiedades en tiempo real,
la conabilidad y el costo. FlexRay es un protocolo
activado por el tiempo que puede satisfacer estas
especicaciones. Puede funcionar como un sistema
de dos canales. El software CANoe es utilizado por
diseñadores de sistemas, integradores de sistemas,
desarrolladores de redes y ECU, y con nes de prueba
en todas las fases del proceso de desarrollo.
Palabras Clave: Flexray, protocolo de comunicación,
CANoe, red de vehículos automotrices.
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1. Introducción
Hoy en día, los vehículos incluyen una estructura
compleja de sistemas electrónicos inteligentes y
estructuras mecánicas integradas. En el interior de
los vehículos, las redes cuentan con un método ecaz
de comunicación entre los distintos componentes
electrónicos. La infraestructura de comunicación en
un automóvil consiste en diferentes sistemas de bus
que están interconectados entre sí, depende de la
previa del sistema para decidir qué bus se utilizará
dentro del automóvil.
Vehículos que utilizan el sistema de frenos
hidráulicos para detener el movimiento del vehículo.
Este sistema requiere transmisión de datos, y estos
datos deben transportarse de forma segura sin perder
paquetes de datos y de forma rápida. FlexRay es un
Fieldbus para automóviles. Si bien las simulaciones
FlexRay por debajo del nivel del sistema ya
están establecidas en las cadenas de herramientas
automotrices, la simulación a nivel del sistema
FlexRay aún no es común.
La simulación de diseños y conguraciones
de Fieldbus es muy importante en el desarrollo
automotriz. El protocolo FlexRay [1] es un
protocolo activado por tiempo. Durante un ciclo de
comunicación, el segmento estático proporciona
acceso de bus determinista de acuerdo con un esquema
de acceso múltiple por división de tiempo coordinado
(TDMA). Además, el segmento dinámico admite
una comunicación de prioridad estricta activada por
eventos. [2]
Este trabajo aporta un modelo de simulación para
buses de campo automotrices basados en FlexRay
que se abstrae de los detalles de implementación y
hardware. El estándar FlexRay se utiliza en el modelo
de simulación. El modelo de simulación está diseñado
para comunicar dos unidades de control electrónico
(ECU).
FlexRay es un protocolo de comunicación diseñado
como un bus automotriz conable. Ofrece mayor
ancho de banda que los protocolos anteriores como
CAN o LIN. Es adecuado para la comunicación de
aplicaciones críticas para la seguridad con altos
requisitos de sincronización en cuanto a latencia y
uctuación. Además, ofrece dos métodos diferentes
para transmitir tramas: Se utilizan estrategias de
acceso múltiple por división de tiempo coordinada
para enviar mensajes programados estáticamente. La
comunicación activada por eventos priorizados es
compatible con un protocolo de mini slot. Debido al
enfoque TDMA, cada nodo tiene su propio reloj que
debe sincronizarse con precisión. Los relojes locales
se sincronizan mediante corrección de frecuencia y
desplazamiento en intervalos de tiempo especícos
del segmento estático.
Una red FlexRay consta de conjuntos de ECU con
controlador FlexRay. Cada controlador se conecta a
otro canal de comunicación a través del controlador
de bus. Un canal de comunicación puede ser:
Figura 1. Conguración de bus pasivo de doble canal
1. Bus pasivo
2. Estrella activa
3. Híbrido (combinación de bus activo y pasivo)
Las topologías de bus pasivo y activo son como se
muestra en la Figura 1y Figura 2 En la conguración
de bus pasivo, dos canales de cada nodo (A, B, C y D)
están conectados al bus. Todos los nodos comparten el
mismo bus para comunicarse entre sí.
Figura 2. Conguración de bus activo
En la Figura 2 se muestra una red de un solo canal
con dos acopladores en estrella (1 y 2). Dos nodos
están conectados a cada acoplador. El nodo A o B
puede comunicarse con el nodo C o D a través de
estos acopladores de dos estrellas.[10]
El ciclo de comunicación FlexRay es el elemento
fundamental del esquema de acceso a medios dentro
de FlexRay. La duración de un ciclo es ja cuando
se diseña la red, pero normalmente es de entre 1 y
5 ms. El ciclo de comunicación se muestra en la
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sincronización, indicador de trama de inicio, longitud
de carga útil, CRC de encabezado, indicador de trama
nula, ID de trama y longitud de ciclo.[9]
El segmento de carga útil en el segmento de carga
útil debe haber hasta 254 bytes de datos. Cuando no
hay datos en el segmento de carga útil, se establece
el indicador de trama nula. Opcionalmente, en los
primeros dos bytes, se puede enviar un ID de mensaje
para indicar el tipo de mensaje enviado en la trama.
Segmento de remolque la sección de remolque
contiene un CRC de 24 bits que protege el marco
completo
B. Obras relacionadas
Hay pocas obras en este contexto. En [4], los
autores proponen una arquitectura integrada de
seguridad para el desarrollo de un sistema Steer-By-
Wire utilizando una red CAN. Su arquitectura de
hardware es muy similar a nuestra arquitectura y el
bus CAN está duplicado para garantizar un sistema
conable. La simulación del sistema se realiza usando
la herramienta CANoe y luego el sistema se valida
usando soluciones de Microchip de bajo costo para
ECU e interfaces CAN. Sus trabajos se han centrado en
el análisis de diseños de seguridad. Los inconvenientes
del bus CAN son la falta de determinismo y ancho de
banda.
En [5], los autores proponen un método integrado
para evaluar tanto el rendimiento en tiempo real como
la “Fiabilidad del comportamiento” de un sistema
Steer-By-Wire. Denen un indicador de QoS del
sistema que intenta optimizarlo. Sus resultados se
validan en una arquitectura embebida real con redes
TT y Flexray.
Figura 4. Formato de marco Flexray
2. Materiales y Métodos
Para la simulación se utiliza el software CANoe,
donde se utiliza una estructura de modelo simple de
dos ECU con el bus Flexray que se muestra en la
Figura 5.
Figura 3. Hay cuatro partes principales de un ciclo de
comunicación:
• Segmento estático.
• Segmento dinámico.
• Ventana de símbolos.
• Tiempo de inactividad de la red.
Figura 3. Ciclo de comunicación
El segmento estático consta del intervalo de duración
ja. Cada nodo posee un segmento, congurado en
la etapa de inicialización y transmite datos en su
propio segmento. La comunicación determinista la
proporciona el segmento estático.
El segmento dinámico tiene una duración global
ja, que se subdivide en mini ranuras. La duración
de cada una de las mini ranuras es menor que la de
una mini ranura estática. Para la trama de longitud de
mensaje dinámica, se pueden asignar varios números
de mini intervalos dinámicos.[8]
La ventana de símbolo se utiliza para el
mantenimiento de la red y la señalización en la red
y el tiempo de inactividad de la red se utiliza para la
sincronización entre los nodos de la red.
El marco FlexRay tiene principalmente tres partes:
[3]
• Los segmentos de encabezado
• Los segmentos de carga útil
• Los segmentos de remolque
El formato del marco FlexRay es como se muestra
en la Figura 4.
Segmento de encabezado El segmento de
encabezado contiene la información de control de
protocolo como indicador de preámbulo de carga
útil, sincronización de trama, indicador de trama de
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Figura 5. Estructura del modelo de simulación Flexray
Se creará una red simulada para vericar si la
conguración general se realiza con el Protocolo
FlexRay en CANoe. FlexRay, que es profesional
y conveniente para simular, analizar y probar la
red FlexRay, se emplea como nuestra herramienta
principal durante la simulación.[6]
Primero, creamos un nuevo archivo Flexray en
CANOe. A continuación, los nodos se agregan a la
simulación.
En la Figura 6 se agrega una base de datos, esto es
importante para ser considerado para la simulación.
Para este modelo se utiliza una demostración de
CANoe basada en datos de demostración Flexray.
Figura 6. Creación de base de datos para simulación Flexray
Finalmente, los nodos se cargan con una
conguración y obteniendo el modelo mostrado en la
Figura 7.
Figura 7. Esquema de simulación del nodo en red FlexRay
En la gura 8. se muestra la simulación red exray
con dos ECU donde se puede observar el rastro de la
comunicación exray y los datos a través de la red.[7]
Figura 8. Simulación de la red Flexray Trace
3. Resultados y Discusión
Los mensajes a través de la ECU se pueden contar
como muestra la gura 9. En la simulación se muestra
el historial de mensajes de la comunicación Flexray.
Figura 9. Historial de marcos de mensajes
4. Conclusiones
El artículo ha presentado una arquitectura para
diseñar y simular un bus Flexray. En primer lugar,
la arquitectura es en base a la comunicación de un
solo nodo, Sin embargo, al usar el software en modo
demo existen algunas limitaciones, pero se puede
establecer las tramas de datos que existen dentro de la
comunicación de ECU’s.
La simulación ha permitido validar la funcionalidad
del bus y su topología. El protocolo Flexray es
un bus tolerante a fallas y se considera suciente
para aplicaciones críticas para la seguridad, siendo
necesario la simulación de la introducción de ruido en
la red planteada.
La demostración de CANoe no permite simular más
de 4 ECU, esa es una limitación de una versión de
demostración.
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5. Referencias
[1] Consortium FlexRay, “Protocol Specication.,”
Consortium FlexRay, Stuttgart, 2010.
[2] R. Makowitz, “FlexRay – A Communications
Network for Automotive Control Systems,”
WFCS, 2006.
[3] NI, “FlexRay Automotive Communication Bus
Overview,” National Instrument, 24 08 2016.
[Online]. Available: http://www.ni.com/white-
paper/3352/en/.
[4] Juan R. Pimentel, “An architecture for a safety-
critical steer-by-wire system,” Society of
Automotive Engineer, 2004.
[5] P. Y. a. J and C. Gerde, “Steer-by-wire for vehicle
state estimation and control.,” In proceedings
of the International Symposium on Advanced
Vehicle Control (AVEC), Netherlands, 2004.
[6] Shaw, R., & Jackman, B. (2008, June). An
introduction to FlexRay as an industrial network.
In 2008 IEEE International Symposium on
Industrial Electronics (pp. 1849-1854). IEEE.
[7] Makowitz, R., & Temple, C. (2006, June).
Flexray-a communication network for automotive
control systems. In 2006 IEEE International
Workshop on Factory Communication Systems
(pp. 207-212). IEEE.
[8] Park, I., & Sunwoo, M. (2010). FlexRay network
parameter optimization method for automotive
applications. IEEE Transactions on Industrial
Electronics, 58(4), 1449-1459
[9] Koopman, P. (2004). The FlexRay Protocol.
Electrical and Computer Engineering, Carnegie
Mellon University
[10] Nilsson, D. K., Larson, U. E., Picasso, F., &
Jonsson, E. (2009). A rst simulation of attacks in
the automotive network communications protocol
exray. In Proceedings of the International
Workshop on Computational Intelligence in
Security for Information Systems CISIS’08 (pp.
84-91). Springer, Berlin, Heidelberg.
6. Biografía
1
Manuel Fernando Gómez
Berrezueta. - Ingeniero
Mecánico Automotriz
(Universidad Politécnica
Salesiana), Maestro en
Ingeniería Automotriz
(Tecnológico de Monterrey,
Toluca), Doctorando en
Ciencias de la Ingeniería
(Tecnológico de Monterrey, Ciudad de México),
Doctorando en Educación (Universidad de Rosario),
Docente – Investigador UIDE-Sede Guayaquil,
Consultor - Asesor Técnico Área Ingeniería
Automotriz, Miembro: RELIEVE (Red
Latinoamericana de Investigación en Energía y
Vehículos), Trabajó en varios proyectos de
Investigación Internacionales. Becario SENESCYT.
2
Alex Fernando Llerena Mena.
Master of Science in
Mechatronic Engineering –
Vehicle informatics, Obuda
University- Budapest; Ingeniero
Mecatrónico, Universidad de
las Fuerzas Armadas -ESPE
Latacunga;
Supervisor Electrónico,
Asistente Mecánico,
Asesoramiento de proyectos, Docente de la
Universidad Internacional del Ecuador.
Producción cientíca de: artículos cientícos
relacionados al área mecánica y electrónica; ponencias
nacionales e internacionales.
3
Adolfo Juan Peña Pinargote
Máster en Gerencia en
Innovaciones Educativas de
Universidad Técnica Estatal de
Quevedo; Ingeniero
Automotriz de Escuela
Politécnica del Ejército;
estudios actuales de Doctorado
en Humanidades y Artes con
Mención en Ciencias de la Educación en Universidad
Nacional de Rosario - Argentina, además de estudio
de “Maestría en Diseño Mecánico” en Escuela
Superior Politécnica de Chimborazo.
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REGISTRO DE LA PUBLICACIÓN
Fecha recepción 05 noviembre 2020
Fecha aceptación 22 diciembre 2020
