汽車(chē)控制系統效能升級！FlexRay網(wǎng)絡(luò )標準詳解

　　自2003年組建以來(lái)，AUTOSAR（汽車(chē)開(kāi)放系統架構）聯(lián)盟一直致力于改變車(chē)載網(wǎng)絡(luò )和電子控制單元（ECU）的設計方式。AUTOSAR提出了一個(gè)符 合業(yè)界標準的車(chē)載網(wǎng)絡(luò )設計方法，使行業(yè)能夠集成、交換和傳輸汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )內的功能、數據和信息。這一標準極大地促進(jìn)了汽車(chē)原始設備制造商（OEM）及其一級供 應商之間的合作，使他們能夠以一種一致、明確且機器可讀的格式來(lái)交換設計信息。

　　一輛汽車(chē)的不同部分對安全及性能有不同要求，而支持它們的車(chē)載網(wǎng)絡(luò )必須具備可預測的安全性能。隨著(zhù)汽車(chē)技術(shù)的不斷演變，人們已經(jīng)可以用一系列總線(xiàn)技術(shù)來(lái)連 接豪華汽車(chē)上最多100個(gè)不同的ECU，這些總線(xiàn)技術(shù)通常包括LIN、CAN、FlexRay、MOST和基于以太網(wǎng)的架構。如果靠手動(dòng)來(lái)管理這些ECU 之間數以千計的信息和交互操作是不可能的，因此汽車(chē)設計人員必然用自動(dòng)化設計和合成工具來(lái)預測網(wǎng)絡(luò )性能和調整車(chē)載功能。

　　汽車(chē)數據總線(xiàn)

　　一輛典型的現代化汽車(chē)將同時(shí)裝配各類(lèi)總線(xiàn)和協(xié)議并從LIN、CAN、FlexRay、MOST和以太網(wǎng)中選擇合適的網(wǎng)絡(luò )。多媒體/視聽(tīng)信號和汽車(chē)環(huán)繞攝像 系統需要更高的數據速率，因此汽車(chē)制造商和OEM廠(chǎng)商在網(wǎng)絡(luò )解決方案上選擇用以太網(wǎng)代替MOST.但對于許多標準汽車(chē)功能而言，LIN和CAN提供的帶寬 與性能就足夠了。

　　在汽車(chē)架構中，ECU組合在一起形成“集群”，這些集群通過(guò)通信“網(wǎng)關(guān)”相連。集群通常會(huì )共享同一類(lèi)型的總線(xiàn)，因此要達到高可靠性、高速率的標準，就要采 用FlexRay網(wǎng)絡(luò )，但要求沒(méi)那么高的門(mén)鎖ECU可以由CAN或LIN來(lái)負責。ECU網(wǎng)關(guān)往往要連接不同類(lèi)型的信號，并執行不同總線(xiàn)架構之間的映射和轉 換功能。汽車(chē)行業(yè)對不斷提高安全性和ISO26262等標準的合規性提出強烈需求，進(jìn)而提升了車(chē)載網(wǎng)絡(luò )的性能，同時(shí)也降低了制造和元件成本。不斷進(jìn)步的網(wǎng) 絡(luò )標準可以適應越來(lái)越高的數據傳輸速率，汽車(chē)電纜也達到了安全且低成本的目標。典型汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )方案的特點(diǎn)及應用請見(jiàn)表1.

　　表1：汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)。

　　FlexRay網(wǎng)絡(luò )：

　　FlexRay協(xié)議比CAN更具確定性。FlexRay是一種“時(shí)間觸發(fā)”協(xié)議，它提供不同選項，讓信息可以在精確的時(shí)間框架內發(fā)送至目標地址——可精確 到1μs.FlexRay信息最多可達254個(gè)字節，因此需要在ECU之間進(jìn)行交換的復雜信息的容量很大。與CAN相比，FlexRay的數據傳輸速率也 更高。由于時(shí)序是預先確定的，信息的安排需要提前規劃好，一般由汽車(chē)OEM廠(chǎng)商或一級供應商合作伙伴預先配置或設計。在采用CAN協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )中，ECU節 點(diǎn)只需要知道通信時(shí)的正確波特率，但FlexRay網(wǎng)絡(luò )上的ECU節點(diǎn)在通信時(shí)必須知道網(wǎng)絡(luò )各個(gè)部分是如何配置和連接的。檢查和驗證FlexRay網(wǎng)絡(luò )的 時(shí)序比較耗時(shí)——因此，自動(dòng)化的時(shí)序分析和將信息合成打包成時(shí)間幀可以減少錯誤和設計周期時(shí)間。

　　汽車(chē)通信矩陣合成

　　汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )時(shí)序安排的總體定義通常存儲在作為中央網(wǎng)關(guān)ECU一部分的“通信矩陣”中。明導所開(kāi)發(fā)的設計工具解決方案可用于自動(dòng)合成這個(gè)數據庫并按正確順序將所有不同的信息打包成幀。

　　AUTOSAR信號信息組合成協(xié)議數據單元（PDU），然后這些數據單元再組合成傳輸幀。對于CAN和LIN幀而言，每個(gè)幀都有一個(gè)PDU，但一個(gè)FlexRay幀可能含有多個(gè)信號PDU.

　　在FlexRay架構中，時(shí)序是確定的，而設計人員主要面臨的不確定性就是幀打包和傳輸順序。汽車(chē)OEM廠(chǎng)商和設計人員要投入大量時(shí)間來(lái)測試汽車(chē)所有可能 出現的情況，以確定最壞情況下的行為，并確保信息傳輸有較大的安全范圍。這意味著(zhù)，為了確保較高的時(shí)序安全范圍，不能占用數據總線(xiàn)的全部容量。合成工具查 找具有相似路徑以及對于在相似的幀時(shí)間空隙中進(jìn)行打包和安排有時(shí)序要求的信號，以此來(lái)優(yōu)化幀利用率。在使用明導的時(shí)序合成工具時(shí)，設計輸入將包括信號和 PDU定義、幀的優(yōu)先級和有關(guān)可行的信號路徑的具體OEM設計決策。在生成完整的時(shí)序體系時(shí)要將這些都考慮進(jìn)去。

　　在安裝一個(gè)完全定義的通信體系時(shí)會(huì )面臨一個(gè)難題，即后續很難有架構上的變化，并可能需要對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行全面的重新設計，但傳輸的高速和確定性等優(yōu)勢讓這種方法 對FlexRay應用形成了極大的吸引力，能夠確保汽車(chē)的對安全要求非常高的功能。用該合成工具重新建立更先進(jìn)的通信體系可以縮短修復周期。

　　FlexRay已開(kāi)始在單通道高速動(dòng)力傳動(dòng)、駕駛輔助和提高舒適程度的汽車(chē)電子應用中大展身手。在BMW X5汽車(chē)中，FlexRay用于懸架控制之中，這樣就可以在利用雙通信信道和總線(xiàn)監控把這種具有容錯功能的確定性協(xié)議運用在安全駕駛功能中之前，讓工程師和開(kāi)發(fā)人員有一個(gè)逐漸適應的學(xué)習過(guò)程，降低了相關(guān)風(fēng)險。

　　在FlexRay應用的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，設計工程師可以通過(guò)五個(gè)基本步驟來(lái)構建一個(gè)穩健的網(wǎng)絡(luò )拓樸。

　　步驟1：首先必須定義車(chē)輛底盤(pán)上節點(diǎn)的數量及其假定位置，然后才能確定實(shí)現無(wú)stub（一種被稱(chēng)為“菊花鏈”的拓樸結構）無(wú)源總線(xiàn)所需的線(xiàn)纜長(cháng)度，該總線(xiàn)終端即是線(xiàn)纜終端處，如圖1所示。如果線(xiàn)纜長(cháng)度小于10米，則拓樸完成，其被認為可用于系列生產(chǎn)。

　　步驟2：一旦發(fā)現線(xiàn)纜長(cháng)度大于10米，就應該考慮采用“主動(dòng)星型”拓樸（參見(jiàn)圖2）。如果線(xiàn)纜長(cháng)度超過(guò)20米，則必須引入主動(dòng)星型了。最簡(jiǎn)單的主動(dòng) 星型只有兩個(gè)分支，把線(xiàn)束？？為兩個(gè)電氣去耦部件。因為可通過(guò)NXP的TJA1080收發(fā)器（用于BMW X5的首批同類(lèi)器件）來(lái)增強主動(dòng)星型，故所需收發(fā)器總數只增加了一個(gè)。