FlexRay(tm)：汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )的未來(lái)

　　您經(jīng)常要給汽車(chē)剎車(chē)加制動(dòng)液?jiǎn)?？需要抽出制?dòng)液，以確保制動(dòng)液管中沒(méi)有氣體，雖然這些工作可能并不由車(chē)主親自動(dòng)手完成，但這個(gè)事實(shí)卻證明，即使在更加現代化的電動(dòng)液壓制動(dòng)系統中，我們仍然要忍受所謂的“濕”系統帶來(lái)的困擾。隨著(zhù)“線(xiàn)控”技術(shù)的出現，我們將能使用重量輕、效率高、更簡(jiǎn)單的電子機械系統，如線(xiàn)控剎車(chē)技術(shù)(Brake-By-Wire)，取代笨重的液壓系統和污穢的有毒液體，并徹底擺脫它們。
 
　　但是，向線(xiàn)控技術(shù)發(fā)展的進(jìn)程并不是一帆風(fēng)順的?，F存的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議不是針對高級汽車(chē)控制系統如線(xiàn)控剎車(chē)技術(shù)，線(xiàn)控駕駛技術(shù)等而設計的。這類(lèi)應用需要高帶高、具有容錯功能的確定性通信協(xié)議，而汽車(chē)市場(chǎng)目前尚未制定此類(lèi)協(xié)議。2000年，寶馬、戴姆勒克萊斯勒、飛利浦和摩托羅拉半導體部門(mén)（2004年更名為飛思卡爾半導體公司）聯(lián)合建立了FlexRay(tm)聯(lián)盟，共同實(shí)現下述目標：開(kāi)發(fā)面向車(chē)內高速控制應用的高級通信技術(shù)，提高車(chē)輛安全性、可靠性和舒適度，提供可供市場(chǎng)所有客戶(hù)使用的技術(shù) [資料來(lái)源: www.flexray-group.org]。
 
　　該聯(lián)盟現有125名成員，致力于推廣FlexRay通信系統在全球的采用，使其成為高級動(dòng)力總成、底盤(pán)、線(xiàn)控系統的標準協(xié)議。FlexRay專(zhuān)為車(chē)內聯(lián)網(wǎng)而設計，它不會(huì )取代現有網(wǎng)絡(luò )，但可以與現有系統結合使用，如控制器局域網(wǎng)（CAN），本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )（LIN）、媒體系統傳輸（MOST）和J1850協(xié)議。
 
滿(mǎn)足技術(shù)要求
 
　　FlexRay在每個(gè)通道中提供10Mbps的總數據速率，能夠滿(mǎn)足未來(lái)應用的帶寬要求。由于通道單獨運行，總數據速率可以達到20Mbps，是當前CAN標準速率（1Mbps）的20倍。
 
　　FlexRay是一個(gè)時(shí)間觸發(fā)的架構，這就意味著(zhù)控制信號是根據預定義的時(shí)間進(jìn)度傳輸的?！按_定性”意味著(zhù)：無(wú)論系統外部發(fā)生什么情況，都不會(huì )產(chǎn)生計劃外事件。在確定性算法中，始終會(huì )預先定義正確的輸出結果，這些結果是基于特定輸入的。此外，輸出可以控制后面的操作，其結果將決定下一個(gè)步驟，依此類(lèi)推。無(wú)論外部產(chǎn)生什么影響，確定性網(wǎng)絡(luò )都是完全可預測的。這對需要持續的高速性能的應用（如線(xiàn)控剎車(chē)、線(xiàn)控駕駛）來(lái)說(shuō)非常重要。FlexRay協(xié)議可以確保將信息延遲和抖動(dòng)降至最低，另外還提供高帶寬（10Mbps），可以減少網(wǎng)絡(luò )沖突的數量。
 
　　容錯功能意味著(zhù)：即使系統的不同部分出現故障，系統仍將按照設計繼續運行。更重要的是，如果網(wǎng)絡(luò )運行性能降低，故障的嚴重性也會(huì )成比例上升。換句話(huà)說(shuō)，小故障不會(huì )造成系統功能的喪失。FlexRay支持多個(gè)級別的容錯功能，包括通過(guò)單信道或雙信道模式（提供傳輸所需要的冗余），提供可擴展的系統容錯。獨立的物理層總線(xiàn)監護器也有助于最大程度地減少系統錯誤。
 
　　要為所有的FlexRay節點(diǎn)提供時(shí)間觸發(fā)的實(shí)時(shí)系統，需要在不同節點(diǎn)之間提供準確的全局時(shí)間同步。FlexRay通過(guò)偏差糾正和速率糾正算法，支持時(shí)鐘糾正管理。在每個(gè)周期中，“同步信息”從網(wǎng)絡(luò )上的同步節點(diǎn)傳送到總線(xiàn)。為了支持容錯系統，它至少提供4個(gè)同步節點(diǎn)。每個(gè)節點(diǎn)都接收到一條同步信息，并將其時(shí)鐘與同步節點(diǎn)的時(shí)鐘進(jìn)行比較，然后糾正其時(shí)鐘，以便與同步節點(diǎn)的時(shí)鐘相匹配。這是一個(gè)故障-安全系統，如果一個(gè)節點(diǎn)發(fā)生故障，不會(huì )干擾其它節點(diǎn)的同步。
 
　　支持高吞吐量、確定性、容錯特性的FlexRay網(wǎng)絡(luò )，可為高級電子控制的安全應用帶來(lái)大量?jì)?yōu)勢。FlexRay結合了這三大屬性，是其它車(chē)內聯(lián)網(wǎng)的理想替代產(chǎn)品，它同時(shí)還能支持FlexRay聯(lián)盟計劃今后提供的應用。例如， MOST支持高數據速率，卻是專(zhuān)門(mén)用來(lái)連接車(chē)內多媒體組件的網(wǎng)絡(luò )標準，可能不適合動(dòng)力總成、底盤(pán)和線(xiàn)控應用。
 
　　CAN是國際標準化的串行總線(xiàn)系統，被歐洲生產(chǎn)商廣泛采用，用于引擎管理、車(chē)身電子和娛樂(lè )控制。在通常的數據速率下（500Kbps），CAN網(wǎng)絡(luò )能夠連接多個(gè)電子控制單元。在美國，它將取代用于診斷和數據共享的J1850標準。但是，在傳送信息時(shí)，CAN使用了優(yōu)先級仲裁，這就意味著(zhù)，低優(yōu)先級的信息總是排在高優(yōu)先級的信息后面，因而導致延遲。只有優(yōu)先級最高的信息可以在預定義傳輸時(shí)間保證被傳輸。此外，CAN速率相對較低，且不具備容錯功能，因而不能用于線(xiàn)控等先進(jìn)應用。LIN是CAN中成本較低、速率相對較慢的子網(wǎng)絡(luò )，但不能處理線(xiàn)控等應用要求的數據速率。
 
FlexRay解決方案
 　　
　　FlexRay是帶靜態(tài)和動(dòng)態(tài)插槽的可擴展系統，程序員能夠根據應用需求進(jìn)行配置。憑借同步數據傳輸，可為可靠性要求很高的應用提供時(shí)間觸發(fā)的通信?；赽yteflight(tm)協(xié)議的異步傳輸使所有FlexRay節點(diǎn)能夠使用全部帶寬，完成事件驅動(dòng)的通信。Byteflight是10Mbps時(shí)間控制協(xié)議，主要用于提供汽車(chē)安全有關(guān)應用。通過(guò)容錯同步和冗余傳輸通道，FlexRay擴展了Byteflight系統協(xié)議的面向安全的功能。
 
　　FlexRay可以支持光物理層和電物理層，使生產(chǎn)商能夠部署最符合他們需求的布線(xiàn)機制。此外，開(kāi)發(fā)人員還可以將FlexRay系統從單通道總線(xiàn)擴展為多個(gè)雙通道星狀拓撲，具有完全通道冗余。如果將FlexRay用作車(chē)內網(wǎng)絡(luò )的骨干系統，連接動(dòng)力總成、底盤(pán)、車(chē)身、安全和多媒體應用（有無(wú)支持FlexRay的應用皆可），制造商甚至還能更好地利用高帶寬的優(yōu)勢。
 
　　根據應用的確定性和容錯要求，在每個(gè)節點(diǎn)內，FlexRay模塊均包括實(shí)施FlexRay協(xié)議所需的所有組件。 

　　- 寄存器模塊---包含控制寄存器，用于配置FlexRay設備，還包括狀態(tài)寄存器，用于讀取當前的協(xié)議狀態(tài)信息。 

　　- 信息緩沖器接口-CPU中使用該接口，以接收和傳輸數據，包括寄存器塊生成的數據。

　　- 協(xié)議狀態(tài)機-通信控制器的核心。它執行整個(gè)協(xié)議邏輯，如信息處理、建立通信周期、啟動(dòng)和錯誤處理。

　　- 定時(shí)單元-負責定時(shí)控制，包括支持分布式時(shí)鐘的同步。

　　-  循環(huán)冗余碼校驗（CRC）單元-在信息傳輸和接收過(guò)程中，生成和檢驗每個(gè)數據幀的校驗和。 

　　- 接受和傳輸單元：每個(gè)通道一個(gè)。 

　　FlexRay聯(lián)盟的一個(gè)公開(kāi)目標是“為車(chē)內高速控制應用開(kāi)發(fā)高級通信技術(shù)，以提高安全性、可靠性和舒適度?！?[資料來(lái)源: www.flexray-group.org]。但是，眾所周知，業(yè)界高度關(guān)注線(xiàn)控系統，讓為它是FlexRay技術(shù)帶來(lái)的主要益處。目標是要減少車(chē)輛控制對液壓系統的依賴(lài)，最可能的應用就是線(xiàn)控剎車(chē)。

FlexRay發(fā)揮作用：線(xiàn)控剎車(chē)
 
　　高級底盤(pán)控制是FlexRay推動(dòng)新技術(shù)在新汽車(chē)設計中應用的最好例子?，F在，大量車(chē)輛都采用防抱死剎車(chē)系統（ABS）作為標準，但是車(chē)輛穩定性控制仍然是一個(gè)復雜、費用高昂的難題。隨著(zhù)FlexRay控制的線(xiàn)控剎車(chē)技術(shù)的出現，車(chē)輛穩定性控制的主要組件將向更輕、更快、更簡(jiǎn)單、更高效的方向發(fā)展，從而在高級車(chē)輛穩定性控制中得到更廣泛的應用。
 
　　線(xiàn)控剎車(chē)技術(shù)（也稱(chēng)為電子機械剎車(chē)-EMB）可以消除制動(dòng)液和液壓管路的困擾。單獨的高性能電機在每個(gè)車(chē)輪上產(chǎn)生制動(dòng)力，制動(dòng)由中心ECU控制，并由電剎車(chē)踏板模塊發(fā)出的信號執行。FlexRay提供通信協(xié)議，支持整個(gè)系統的高速信息傳送。EMB卻不能提供傳統的液壓剎車(chē)系統提供的備用機械或液壓系統。FlexRay的容錯操作對于確保線(xiàn)控剎車(chē)系統的絕對可靠性非常重要。
 
　　FlexRay支持的線(xiàn)控系統包括用作ECU部件的車(chē)輛控制節點(diǎn)、每個(gè)車(chē)輪提供的單獨節點(diǎn)和一個(gè)剎車(chē)踏板節點(diǎn)。系統包含大量傳感器、電機制動(dòng)器、電控模塊（ECM）和減速器裝置，剎車(chē)車(chē)輪節點(diǎn)屬于該系統。從根本上說(shuō)，當剎車(chē)時(shí)，電子信息便從踏板節點(diǎn)發(fā)送到ECU，ECU再將信息轉載到車(chē)輪節點(diǎn)ECM。ECM的主要功能是接收剎車(chē)踏板信號，處理并提供適當的電壓向量，以便電機執行器能夠完成必要的扭矩響應。
 
　　電機執行器將電能轉換成機械能，通過(guò)減速器裝置傳輸到剎車(chē)片上，然后剎車(chē)片將剎車(chē)壓力應用到剎車(chē)碟。FlexRay的高帶寬功能可以快速傳輸大量極為詳盡的信息，從而使機械反應變得非常迅速、準確。由于每個(gè)車(chē)輪節點(diǎn)都是FlexRay網(wǎng)絡(luò )的獨立系統，每個(gè)車(chē)輪可以在不同時(shí)間間隔提供不同的剎車(chē)壓力，從而在不同剎車(chē)情況下提供即時(shí)的穩定性控制。使用綜合感應技術(shù)將其它信息（如重量分配、乘客定位、胎壓偏差、路面狀況等）裝載到線(xiàn)控剎車(chē)上，同時(shí)線(xiàn)控駕駛系統將提供空前的車(chē)輛穩定控制級別。
 
　　除了具有基于FlexRay的線(xiàn)控剎車(chē)的安全優(yōu)勢外，還有大量值得考慮的其它操作因素。EMB是噪音低，符合環(huán)境規定（無(wú)制動(dòng)液），并且體積小，只需簡(jiǎn)單組裝。它能夠與未來(lái)的交通管理系統無(wú)縫聯(lián)網(wǎng)，并且還能與其它功能（如電動(dòng)剎車(chē)）輕松集成。
 
物超所值
 
　　考慮到這些實(shí)際情況，FlexRay技術(shù)在生產(chǎn)中具有相當大的吸引力。FlexRay最初的安裝價(jià)格比較貴（需要雙絞線(xiàn)布線(xiàn)），但是它所支持的技術(shù)卻能幫助生產(chǎn)商節約花費在生產(chǎn)線(xiàn)上的時(shí)間和金錢(qián)。在線(xiàn)控系統中，制動(dòng)器、控制器和連線(xiàn)的安裝比主汽缸、次汽缸和大量關(guān)聯(lián)管道更簡(jiǎn)單、方便、可靠。對于生產(chǎn)商來(lái)說(shuō)，他們的安裝費用有所下降，而對于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，他們的維護成本將有所下降。此外，FlexRay還為大量不同應用提供一個(gè)控制協(xié)議，從而減少車(chē)內網(wǎng)絡(luò )系統的復雜性。這樣，更多組件可以重復使用，穩定性也有所提高，從而減少以后所需的設備開(kāi)支和時(shí)間。
 
　　目前大多數汽車(chē)生產(chǎn)商都支持FlexRay協(xié)議。寶馬、戴姆勒克萊斯勒、通用和大眾都是FlexRay聯(lián)盟的核心合作伙伴。大多數高級會(huì )員都是汽車(chē)生產(chǎn)商。聯(lián)盟最重要的目標是“使FlexRay成為汽車(chē)業(yè)的實(shí)際標準”[資料來(lái)源: www.flexray-group.org]。
 
　　聯(lián)盟的目標正在快速實(shí)現。飛思卡爾半導體和皇家飛利浦電子有限公司（Royal Philips Electronics）最近達成協(xié)議，共同分享他們的FlexRay技術(shù)，以加快支持FlexRay的半導體產(chǎn)品的面市。雙方現在都授權對方共享自己的FlexRay協(xié)議引擎設計，并且聯(lián)合開(kāi)發(fā)可執行的協(xié)議模型。飛思卡爾將在獨立設備中推出FlexRay協(xié)議引擎，這些獨立設備包括：16位微控制器、數字信號控制器系列、內含PowerPC(r)核心的處理器。飛利浦有望在基于A(yíng)RM(r)的整個(gè)汽車(chē)微控制器系統中集成FlexRay協(xié)議引擎。根據FlexRay聯(lián)盟的網(wǎng)站信息，寶馬和戴姆勒克萊斯勒有望在未來(lái)幾年內，將 FlexRay引入他們的汽車(chē)系列中。
 
　　可以說(shuō)，生產(chǎn)商始終在尋找更多方法，讓汽車(chē)變得更安全、方便、舒適和可靠，利潤更豐厚。FlexRay為新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)人員提供了機會(huì )，讓下一代汽車(chē)具備上述所有屬性，并能迅速完成組裝。
 
　　"PowerPC"名稱(chēng)是IBM公司的商標，須經(jīng)許可方能使用。