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FlexRay va booster l'électronique automobile

Thierry Mahé

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- L'industrie automobile plébiscite le protocole de réseau FlexRay, successeur de CAN. Avec lui, l'automobile rentre de plain-pied dans l'ère de la mécatronique.

L'automobile allemande (BMW à part) a beau traverser une période grise, c'est bien elle qui fait la loi dans les standards électroniques de nos véhicules. Les allemands ont imposé leur standard de multiplexage CAN (Controller Area Network). Ils lui trouvent aujourd'hui son successeur, FlexRay, plus sécurisé, plus rapide. Capable de contenir l'extraordinaire inflation de capteurs, actionneurs et contrôleurs numériques. Capable, surtout, d'administrer les grandes fonctions intégrées du véhicule, au premier rang desquelles la sécurité, de plus en plus active et intelligente.

Jusqu'à présent, mais avec de nombreuses différences d'approches, les constructeurs déploient plusieurs réseaux dans leurs véhicules. Le réseau dédié à la propulsion est, par exemple, toujours distinct de celui qui régit l'habitacle, et souvent de celui du châssis. S'ajoutent d'autres réseaux plus spécifiques comme ceux, très rapides, qui contrôlent le déclenchement des airbags (Safe Bus), ou encore ceux qui transportent les informations multimédias (vidéo). FlexRay met fin à ce pullulement. Le nouveau protocole, par ses performances et son universalité, va décloisonner l'architecture réseau du véhicule et, par là, ouvrir le champ à des fonctions globales.

Ce n'est pas le seul bouleversement prévisible. FlexRay aura certainement un impact sur l'ingénierie de développement, dans la mesure où il rapproche les systèmes embarqués de l'automobile du monde de l'informatique pure. Nicolas Navet, de l'Inria-Lorraine, prévoit « la généralisation d'une approche par modèles mathématiques, avec l'usage de générateurs automatiques de codes. De même, il ne sera plus du tout farfelu d'utiliser des langages de haut niveau comme Java temps réel ». En bref, les informaticiens sont bel et bien en train de s'approprier l'automobile.

Premiers équipements dès 2006

Le consortium FlexRay a édicté, vers le milieu de l'année dernière, la première mouture publique de ce protocole de communication haut débit entièrement voué à l'automobile, la version 2.1. Dès lors, les choses n'ont pas traîné. Les premières implémentations, sur des véhicules de série, pourraient voir le jour dès l'an prochain, certainement dédiées à des fonctions châssis. Et les premiers véhicules entièrement architecturés autour de FlexRay sortir en 2008.

Permettons-nous un pronostic peu risqué : l'avenir du standard est tout tracé ! En effet, les quatre grands constructeurs asiatiques (Toyota, Nissan, Honda et Hyundai Kia Motors) se sont ralliés en mars au club américano-germanique. Et, à défaut de faire partie des fondateurs, les deux constructeurs français, un temps proches du consortium concurrent TTA-Group, sont rentrés dans le rang. Cas rarissime, c'est toute l'automobile mondiale qui parle d'une même voix.

FlexRay, qui est un protocole de communication réseau de très haut niveau, transcende l'objectif premier des bus de multiplexage type CAN. Objectif qui était simplement d'économiser des liaisons fil à fil, pour des raisons de connectique, de confinement, de poids. D'ailleurs, FlexRay ne va pas tuer CAN, robuste et peu cher. Ce dernier va perdurer partout où l'on peut se satisfaire d'un débit modeste et de commandes peu critiques.

Non au protocole TTP/C !

Ce protocole de nouvelle génération s'imposait impérativement. Pour étrenner le "X-by-wire" comme pour contenir la complexité des réseaux (voir encadrés). Mais pourquoi ne pas profiter de l'immense retour d'expérience de l'aéronautique en matière de réseau sécurisé ? Après tout, les avions ont initié le "Fly-by-wire" voici bien longtemps, et l'image fait florès qu'une Mercedes contient aujourd'hui plus de puissance de calcul que les premiers Airbus...

C'est ce qui a failli se produire ! Le protocole TTP/C (TTP pour Time-triggered protocol), défini dès les années 1990, a eu un temps les faveurs de l'automobile. Il offre en effet le haut débit, se synchronise sur une horloge et non plus seulement sur les événements (concept important pour la sécurité), met à profit une topologie de réseau redondante, fait intervenir des gardiens de bus (le réseau se surveille lui-même)... et, surtout, TTP/C a fait ses armes dans l'aéronautique (régulation de la pressurisation de la cabine chez Airbus, contrôle des réacteurs sur l'avion de combat F-16 de Lockheed Martin) comme dans le ferroviaire. Toujours sur des applications critiques. C'était sans compter avec un défaut inexpiable : ce protocole a été conçu par une société indépendante, l'autrichien TTTech, étrangère à l'automobile.

Nicolas Navet a finement évalué les deux systèmes : « FlexRay est une alternative à TTP/C, développée dans l'urgence afin que les industriels de l'automobile conservent la haute main sur l'électronique embarquée. Sur le papier, FlexRay est un peu en dessous des performances de TTP/C, mais il offre l'immense avantage d'être dédié à l'automobile et, surtout, d'absorber tout l'existant du code développé pour CAN. »

Il est vrai que les algorithmes de Bosch (contrôle de trajectoire, du moteur...) sont des boîtes noires, même aux yeux des constructeurs. Remettre complètement à plat la technologie était inacceptable pour l'industriel allemand.

Cruciale pour les équipementiers, la question de la réutilisation du code existant (et à venir) l'est toute autant pour les constructeurs. Guenter Reichart, l'un des artisans de FlexRay, par ailleurs responsable chez BMW souligne : « La réutilisabilité du code suppose qu'on définisse une architecture informatique standardisée entre constructeurs. Et c'est l'objectif majeur du consortium Autosar dont le fonctionnement est très proche de celui de FlexRay. »

Un débit de 10 Mbit/s

Autosar (Automotive open system architecture) vise en effet à édicter une norme industrielle ouverte pour les architectures électriques et électroniques des véhicules. De telle façon que constructeurs et équipementiers développent des composants logiciels intermédiaires (middleware) réutilisables par tous, via de simples accords de licences.

Épilogue : le conflit entre les deux protocoles s'est conclu à l'amiable puisque TTTech a rejoint le consortium FlexRay par le truchement de sa filiale TTAutomotive.

FlexRay, qui est une brique essentielle de cette informatique "ouverte", offre une considérable plus-value technologique. Il reprend l'essentiel des atouts de TTP/C : le haut débit, la tolérance aux fautes, le déterminisme. Il présente surtout une grande plasticité face aux besoins. Guenter Reichart explique : « FlexRay associe un mode de communication synchrone à un mode asynchrone afin de répondre à la demande de systèmes totalement déterministes. » Ce qui veut dire que, désormais, une horloge rythme et synchronise toute l'intelligence de l'automobile et que, par ailleurs, les différents processeurs pourront aussi dialoguer sur interruption (apparition d'un événement). Par ailleurs, FlexRay offre un débit de 10 Mbit/s alors que CAN fonctionne à 1 Mbit/s - et plutôt 250 Kbit/s en pratique.

Ce débit record, l'acceptation du support fibre optique et ces nouveaux mécanismes de synchronisation vont autoriser de nouvelles prouesses aux ingénieurs. Comme distribuer le freinage sur l'ensemble du contrôle châssis, en raidissant, par exemple, la suspension de chaque roue.

IL OUVRE LA PORTE AU "X-BY-WIRE"

- L'équipementier Delphi, entre autres, se fait depuis une décennie le chantre, prototypes à l'appui, d'un véhicule "désossé" de ses liaisons mécaniques (typiquement la colonne de direction). Le tout remplacé par du fil électrique (wire). Les actionneurs électriques n'offrent, à ce jour, qu'une force d'appoint (direction assistée, freinage d'urgence). Dans l'avenir, ils auront vocation à piloter directement ces organes, un système électronique s'interposant entre le conducteur et l'actionneur, entre la commande et l'action. C'était l'objectif premier de FlexRay, en particulier pour la direction et le freinage. La communication inter-véhicules Si le "X-by-wire" pur et dur est aujourd'hui en retrait (retard des alimentations électriques 42 V et plus, phobies du grand public...), la tendance à la mécatronique (mécanique électroniquement assistée) est certaine. De plus, le réseau large bande FlexRay peut redonner sens aux concepts de communication inter-véhicules ou véhicule- infrastructure.

IL REDÉFINIT L'ARCHITECTURE INFORMATIQUE

À ce jour, la règle est encore : « Un organe, un contrôleur », l'organe fut-il un lève-glace. C'est ainsi que les grosses berlines allemandes embarquent jusqu'à 100 microcontrôleurs. Solution carrée mais dispendieuse, préjudiciable à la fiabilité (connectique) et à contre-courant de la tendance qui veut qu'on distribue les fonctions sur toute la capacité de calcul. Car plus aucune fonction de l'automobile n'est isolée des autres. À commencer par les "génériques" que sont la sécurité et la moindre pollution. FlexRay va donner lieu à des architectures plus ramassées, s'appuyant sur des processeurs rapides, typiquement 32-bit et idéalement au nombre de 20 ou 30. Jack Morgan, directeur de la branche automobile de Philips Semiconducteurs, affirmait il y a peu : « La voie logique est de simplifier l'architecture du réseau et d'en augmenter le débit. » Ce que fait FlexRay.

FLEXRAY, UN RÉSEAU RAPIDE, FLEXIBLE ET TOLÉRANT AUX PANNES

Contrairement à l'aéronautique, l'automobile est dépourvue de redondance mécanique : coût oblige. La sécurité de fonctionnement repose donc sur la tolérance aux fautes du réseau. FlexRay se plie à des configurations de bus (type CAN) mais aussi à des topologies d'étoiles multiples. Une étoile peut rayonner jusqu'à 9 lignes, chacune munie de son pilote (driver). Comme chaque étoile active a le pouvoir de détecter et déconnecter une ligne défaillante, le signal peut alors se dérouter sur un autre chemin, via une autre étoile. Source : Université du Sussex

UN CONSORTIUM QUI SÉDUIT LES FONDEURS DE SILICIUM

- Le coeur historique du consortium FlexRay est allemand : BMW, DaimlerChrysler et Volkswagen aux côtés de l'inévitable Bosch. Dans ce premier cercle Philips et Freescale, qui développent les produits à base de semi-conducteurs et leurs outils de tests. Et GM. La deuxième vague FlexRay est un raz-de-marée ! Tous les grands constructeurs mondiaux et les équipementiers comme Delphi, Tyco ou Denso. - FlexRay suppose des circuits de conception nouvelle, une perspective qui dope un marché des circuits dédiés à l'automobile, déjà en croissance de 8 % par an. Aussi, tous les grands fondeurs sont membres associés de FlexRay : Texas Instruments, Fujitsu, NEC, Infineon, Mitsubishi Electric, Hitachi... L'environnement de test et simulation offre un marché tout aussi juteux. Ainsi National Instruments a déjà redéveloppé son fameux outil LabView pour FlexRay.

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