基于FlexRay通信協(xié)議實現(xiàn)汽車分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對于汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全具有重要的影響，要保證汽車環(huán)境下通訊系統(tǒng)的可用性和可*性，需要面向特定應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。在這方面，最近出現(xiàn)的FlexRay物理層技術(shù)具有很大潛力。本文將從簡單的網(wǎng)絡(luò)例子入手，由簡至繁，最后推出一種可*精密的解決方案，在此過程中我們將討論幾種可能的不同網(wǎng)絡(luò)配置以及它們的優(yōu)缺點。

FlexRay具有創(chuàng)新的功能和安全的特點，能夠使汽車系統(tǒng)安全達(dá)到一個很高的水平。FlexRay不僅能簡化汽車電子和通信系統(tǒng)架構(gòu)，同時還可幫助汽車電子單元變得更加穩(wěn)定和可*。包括豐田、日產(chǎn)、本田、現(xiàn)代以及起亞汽車公司在內(nèi)的主要亞洲汽車生產(chǎn)商都已經(jīng)加入FlexRay聯(lián)盟，進(jìn)一步加強(qiáng)了該聯(lián)盟在創(chuàng)建針對汽車線控操作（by-wire）技術(shù)通用標(biāo)準(zhǔn)上所做的努力。隨著一些新汽車生產(chǎn)商的加入，全球每年生產(chǎn)的汽車中每10輛幾乎有7輛是由FlexRay成員生產(chǎn)。

在開始討論之前，我們先簡單介紹一下FlexRay協(xié)議。FlexRay是一種靈活的通訊系統(tǒng)，能夠滿足未來先進(jìn)汽車高速控制應(yīng)用的需要。同時FlexRay支持分布式控制系統(tǒng)，并可補(bǔ)充CAN、LIN和面向媒體應(yīng)用的MOST光學(xué)數(shù)據(jù)總線等主要車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。FlexRay協(xié)議旨在應(yīng)用于需要高通信帶寬和決定性容錯數(shù)據(jù)傳輸能力的底盤控制、車身和動力總成等場合。

但FlexRay通信系統(tǒng)并非僅僅是一個通信協(xié)議，它還包括一種特殊設(shè)計的高速收發(fā)器，并定義了FlexRay節(jié)點不同部件間的硬件和軟件接口。FlexRay協(xié)議定義了網(wǎng)絡(luò)汽車系統(tǒng)中的通信過程格式和功能。除了開發(fā)中的協(xié)議、軟件和支持服務(wù)外，F(xiàn)lexRay聯(lián)盟還致力于通過聯(lián)盟成員中的領(lǐng)先工具廠商和測試機(jī)構(gòu)來保證提供通信系統(tǒng)設(shè)計、測試測量以及仿真所需要的工具。

無論什么時候，控制系統(tǒng)都必須收集實際系統(tǒng)中足夠多的信息以保持對汽車的控制并增強(qiáng)其性能。汽車內(nèi)采用的傳感器越來越多，特別是感知外部信息的傳感器，用來感知路面信息以及前方、鄰近以車輛后面的障礙物，此類傳感器包括視頻、雷達(dá)和光電傳感器，它們所捕捉的大量數(shù)據(jù)都實時傳輸?shù)杰噧?nèi)ECU進(jìn)行處理。

FlexRay利用兩條獨立的物理線路進(jìn)行通信，每條的數(shù)據(jù)速率為10Mbps。兩條通信線路主要用來實現(xiàn)冗余，因此消息傳輸具有容錯能力，當(dāng)然也可以利用兩條線路來傳輸不同的消息，這樣數(shù)據(jù)吞吐量可以加倍。

FlexRay還可以工作在較低的數(shù)據(jù)速率。速度低于1Mbps時，允許支持傳輸總線結(jié)構(gòu)（如CAN）；速度在1Mbps以上時，不同的節(jié)點利用主動星型耦合器以點到點方式進(jìn)行連接。

FlexRay的重要目標(biāo)應(yīng)用之一是線控操作（如線控轉(zhuǎn)向、線控剎車等），即利用容錯的電氣/電子系統(tǒng)取代機(jī)械/液壓部分。線控操作包括從轉(zhuǎn)向到剎車和加速等所有汽車控制應(yīng)用互連技術(shù)，它可以補(bǔ)充并將最終代替目前的機(jī)械和液壓解決方案。車內(nèi)部件特別是機(jī)械和液壓部件減少后就不必再支付這部分費用，因此就總體器件和組裝成本來說，采用電子系統(tǒng)比采用機(jī)械和液壓部件更便宜。

業(yè)界正致力于在汽車設(shè)計中轉(zhuǎn)向全電子系統(tǒng)，它將通過創(chuàng)新的智能駕駛輔助系統(tǒng)為司機(jī)和乘員提供更高的安全性以及更舒適的車內(nèi)環(huán)境。

對于汽車購買者來說，另一項可以感受得到的好處是FlexRay將帶來更高設(shè)計自由，特別是在汽車內(nèi)飾方面。由于沒有占用很大空間的駕駛桿，未來的汽車將具有全新的面貌和乘坐感覺。除了線控操作以外，F(xiàn)lexRay在汽車動力總成和安全電子系統(tǒng)方面也有很大的應(yīng)用空間，這些應(yīng)用都需要高速數(shù)據(jù)傳輸，如作為中央電子骨干總線連接車內(nèi)各種總線網(wǎng)絡(luò)，而且便于在車內(nèi)引入新的電子控制系統(tǒng)。

對于亞洲汽車生產(chǎn)商來說，F(xiàn)lexRay標(biāo)準(zhǔn)化所帶來的好處包括可削減開發(fā)和生產(chǎn)成本，降低采用這種創(chuàng)新性技術(shù)的風(fēng)險，從而使這種新系統(tǒng)在市場中得到廣泛采用。目前汽車中不同控制設(shè)備、傳感器和制動器之間的數(shù)據(jù)交換主要是通過CAN網(wǎng)絡(luò)完成的，但新出現(xiàn)的線控操作系統(tǒng)對于通信網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求，特別是在消息傳輸?shù)娜蒎e性和時間確定性方面。通過在固定時隙內(nèi)進(jìn)行消息傳輸，并同時利用兩個通道提供消息傳輸容錯和冗余機(jī)制，F(xiàn)lexRay可滿足這些方面的要求。

完全冗余系統(tǒng)

圖1是一個汽車網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的例子，其中有四個車輪節(jié)點（1至4）、一個中央電子控制單元（ECU）（5）以及一個備份ECU（6）。在應(yīng)用軟件中采取適當(dāng)措施后，一個ECU出現(xiàn)故障系統(tǒng)并不會受到影響。

然而簡單的FMEA（故障模式和效果分析）提醒我們可能會出現(xiàn)更嚴(yán)重的故障，如水進(jìn)入連接器導(dǎo)致連接到某個ECU的兩個通道都出現(xiàn)問題、ECU印刷電路板斷裂或機(jī)械沖擊使電纜固定套脫落或變形等等，這些都會導(dǎo)致兩個通道出現(xiàn)同種故障模式（如圖2），使得某些節(jié)點的通信完全中斷。

部分冗余系統(tǒng)

避免上述事故的一種方法是降低網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膹?fù)雜性。讓我們回到熟知的兩條獨立對角線這一原則，那么可以得到一種可能的簡單解決方案（圖3）。

現(xiàn)在，車輪節(jié)點僅連接到一個通道，中央ECU及備份ECU仍連接到兩個通道。ECU及其備份可以針對機(jī)械沖擊進(jìn)行更好的保護(hù)，因為可以將它們放在乘員單元，如中央控制臺的后面。連線更少意味著故障模式更少，對有些應(yīng)用這種解決方案可能適用，但上面提到的共同故障模式風(fēng)險仍然沒有消除，因此有必要尋求進(jìn)一步的改進(jìn)。FlexRay通過引入主動星型（active star）連接器來解決這一問題。

采用主動星型連接器的FlexRay系統(tǒng)

圖4給出的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c上面的類似，只是在一個通道中增加了一個主動星型連接器。

主動星型連接器作為一個路由器，在正常通信工作過程中將來自一個分支的輸入消息發(fā)送到所有其它分支。主動星型連接器的好處是可以檢測到出現(xiàn)問題的分支或者傳輸時間超過時間限制的消息，當(dāng)檢測到此類非法異常問題時，主動星型連接器會斷開受影響的網(wǎng)絡(luò)分支，從而保證網(wǎng)絡(luò)中其它分支的通信不受影響。與其它物理層連接方式相比，主動星型連接器可斷開出現(xiàn)故障的區(qū)域，這也是其最主要的優(yōu)點。

假設(shè)結(jié)點6出現(xiàn)的故障影響到兩個分支（圖5），系統(tǒng)仍然可以工作，盡管性能有所降低（但還是可以接受的），當(dāng)然節(jié)點2和3的通信會丟失。如果故障發(fā)生在節(jié)點5而不是節(jié)點6，那么情況也完全類似。這一結(jié)果非常有趣，因為僅僅在一個通道中使用了主動星型連接器，因此整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫欠菍ΨQ的。

采用兩個主動星型連接器的FlexRay系統(tǒng)

在另一個通道中也引入一個主動星型連接器可使網(wǎng)絡(luò)更為對稱，同時在應(yīng)用軟件中采用相應(yīng)的措施后，甚至在如圖6的故障情況下系統(tǒng)性能也不會降低。此時，所有四個輪胎節(jié)點仍然處于可訪問狀態(tài)，中央ECU之一（這里是節(jié)點5）擁有對整個系統(tǒng)的控制。

當(dāng)一個輪胎節(jié)點的線纜連接短路時，連接到這一對角線的另一個輪胎也會受到影響，在這樣的故障模式下，這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c用一個主動星型連接器的網(wǎng)絡(luò)相比并沒有什么優(yōu)勢。然而對于有些應(yīng)用同時有兩個輪胎節(jié)點失去通信可能是無法接受的，這時就需要尋找一種不同的解決方案。其實也很容易找到，先連到短接線纜再連接至主動星型連接器的節(jié)點可以直接連接到主動星型連接器，這樣每個主動星型連接器需要再多一個支路。

不使用短接線纜的FlexRay系統(tǒng)

與前面所討論的所有故障模式相比，圖7中的配置保證了最大網(wǎng)絡(luò)可用性。順便說一句，在本文所討論的所有例子中，這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥€提供了最好的電磁兼容（EMC）性，因為這里不再有短接線纜。

總結(jié)

如前所述，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳季种饕赏ㄐ沛溌纷畹涂捎眯砸笏鶝Q定。對于確定的故障模式，總能夠找到滿足可用性要求的解決方案。FlexRay的可擴(kuò)展能力允許在系統(tǒng)成本和安全性之間進(jìn)行最優(yōu)的平衡。支持這種物理層方法的第一款FlexRay收發(fā)器（Philips TJA 1080）已經(jīng)推出，這款收發(fā)器還可用于構(gòu)建主動星型連接器。目前正在進(jìn)行的車輛測試和進(jìn)一步理論分析將會應(yīng)用這些結(jié)果，并推廣到多于6個節(jié)點的要求更為苛刻的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)。

除了這里所討論的故障模式外，在時域也存在一些嚴(yán)重的故障模式，此時主動星型連接器也具有一定的優(yōu)勢。出現(xiàn)傳送錯誤的節(jié)點不會影響連到主動星型連接器的其它節(jié)點正在進(jìn)行的通信，因為主動星型連接器會繼續(xù)路由其它分支消息。此外，主動星型連接器還會斷開或拋棄超出一定時間限制的消息，因此可防止通信信道被獨占。

某些情況下為保證特殊的安全性要求可能對“時域信號安全性”有更高的要求，此時可能需要采用所謂的總線監(jiān)控器（bus guardian），F(xiàn)lexRay總線監(jiān)控器可以監(jiān)視通信控制器在每個節(jié)點的時序是否符合要求。

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