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FlexRay網(wǎng)絡(luò )結構在汽車(chē)分布式安全系統中的應用
作者：
時(shí)間：2013-02-26
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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網(wǎng)絡(luò )拓撲結構對于汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )系統安全具有重要的影響，要保證汽車(chē)環(huán)境下通訊系統的可用性和可靠性，需要面向特定應用進(jìn)行優(yōu)化。在這方面，最近出現的FlexRay物理層技術(shù)具有很大潛力。本文將從簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò )例子入手，由簡(jiǎn)至繁，最后推出一種可靠精密的解決方案，在此過(guò)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(diǎn)。
FlexRay具有創(chuàng )新的功能和安全的特點(diǎn)，能夠使汽車(chē)系統安全達到一個(gè)很高的水平。FlexRay不僅能簡(jiǎn)化汽車(chē)電子和通信系統架構，同時(shí)還可幫助汽車(chē)電子單元變得更加穩定和可靠。包括豐田、日產(chǎn)、本田、現代以及起亞汽車(chē)公司在內的主要亞洲汽車(chē)生產(chǎn)商都已經(jīng)加入FlexRay聯(lián)盟，進(jìn)一步加強了該聯(lián)盟在創(chuàng )建針對汽車(chē)線(xiàn)控操作(by-wire)技術(shù)通用標準上所做的努力。隨著(zhù)一些新汽車(chē)生產(chǎn)商的加入，全球每年生產(chǎn)的汽車(chē)中每10輛幾乎有7輛是由FlexRay成員生產(chǎn)。
在開(kāi)始討論之前，我們先簡(jiǎn)單介紹一下FlexRay協(xié)議。FlexRay是一種靈活的通訊系統，能夠滿(mǎn)足未來(lái)先進(jìn)汽車(chē)高速控制應用的需要。同時(shí)FlexRay支持分布式控制系統，并可補充CAN、LIN和面向媒體應用的MOST光學(xué)數據總線(xiàn)等主要車(chē)內網(wǎng)絡(luò )標準。FlexRay協(xié)議旨在應用于需要高通信帶寬和決定性容錯數據傳輸能力的底盤(pán)控制、車(chē)身和動(dòng)力總成等場(chǎng)合。
但FlexRay通信系統并非僅僅是一個(gè)通信協(xié)議，它還包括一種特殊設計的高速收發(fā)器，并定義了FlexRay節點(diǎn)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(chē)系統中的通信過(guò)程格式和功能。除了開(kāi)發(fā)中的協(xié)議、軟件和支持服務(wù)外，FlexRay聯(lián)盟還致力于通過(guò)聯(lián)盟成員中的領(lǐng)先工具廠(chǎng)商和測試機構來(lái)保證提供通信系統設計、測試測量以及仿真所需要的工具。
無(wú)論什么時(shí)候，控制系統都必須收集實(shí)際系統中足夠多的信息以保持對汽車(chē)的控制并增強其性能。汽車(chē)內采用的傳感器越來(lái)越多，特別是感知外部信息的傳感器，用來(lái)感知路面信息以及前方、鄰近以車(chē)輛后面的障礙物，此類(lèi)傳感器包括視頻、雷達和光電傳感器，它們所捕捉的大量數據都實(shí)時(shí)傳輸到車(chē)內ECU進(jìn)行處理。
FlexRay利用兩條獨立的物理線(xiàn)路進(jìn)行通信，每條的數據速率為10Mbps。兩條通信線(xiàn)路主要用來(lái)實(shí)現冗余，因此消息傳輸具有容錯能力，當然也可以利用兩條線(xiàn)路來(lái)傳輸不同的消息，這樣數據吞吐量可以加倍。
FlexRay還可以工作在較低的數據速率。速度低于1Mbps時(shí)，允許支持傳輸總線(xiàn)結構(如CAN)；速度在1Mbps以上時(shí)，不同的節點(diǎn)利用主動(dòng)星型耦合器以點(diǎn)到點(diǎn)方式進(jìn)行連接。
FlexRay的重要目標應用之一是線(xiàn)控操作(如線(xiàn)控轉向、線(xiàn)控剎車(chē)等)，即利用容錯的電氣/電子系統取代機械/液壓部分。線(xiàn)控操作包括從轉向到剎車(chē)和加速等所有汽車(chē)控制應用互連技術(shù)，它可以補充并將最終代替目前的機械和液壓解決方案。車(chē)內部件特別是機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(lái)說(shuō)，采用電子系統比采用機械和液壓部件更便宜。
業(yè)界正致力于在汽車(chē)設計中轉向全電子系統，它將通過(guò)創(chuàng )新的智能駕駛輔助系統為司機和乘員提供更高的安全性以及更舒適的車(chē)內環(huán)境。
對于汽車(chē)購買(mǎi)者來(lái)說(shuō)，另一項可以感受得到的好處是FlexRay將帶來(lái)更高設計自由，特別是在汽車(chē)內飾方面。由于沒(méi)有占用很大空間的駕駛桿，未來(lái)的汽車(chē)將具有全新的面貌和乘坐感覺(jué)。除了線(xiàn)控操作以外，FlexRay在汽車(chē)動(dòng)力總成和安全電子系統方面也有很大的應用空間，這些應用都需要高速數據傳輸，如作為中央電子骨干總線(xiàn)連接車(chē)內各種總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，而且便于在車(chē)內引入新的電子控制系統。
對于亞洲汽車(chē)生產(chǎn)商來(lái)說(shuō)，FlexRay標準化所帶來(lái)的好處包括可削減開(kāi)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，從而使這種新系統在市場(chǎng)中得到廣泛采用。目前汽車(chē)中不同控制設備、傳感器和制動(dòng)器之間的數據交換主要是通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò )完成的，但新出現的線(xiàn)控操作系統對于通信網(wǎng)絡(luò )提出了更高的要求，特別是在消息傳輸的容錯性和時(shí)間確定性方面。通過(guò)在固定時(shí)隙內進(jìn)行消息傳輸，并同時(shí)利用兩個(gè)通道提供消息傳輸容錯和冗余機制，FlexRay可滿(mǎn)足這些方面的要求。
完全冗余系統
圖1是一個(gè)汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )應用的例子，其中有四個(gè)車(chē)輪節點(diǎn)(1至4)、一個(gè)中央電子控制單元(ECU)(5)以及一個(gè)備份ECU(6)。在應用軟件中采取適當措施后，一個(gè)ECU出現故障系統并不會(huì )受到影響。 
然而簡(jiǎn)單的FMEA(故障模式和效果分析)提醒我們可能會(huì )出現更嚴重的故障，如水進(jìn)入連接器導致連接到某個(gè)ECU的兩個(gè)通道都出現問(wèn)題、ECU印刷電路板斷裂或機械沖擊使電纜固定套脫落或變形等等，這些都會(huì )導致兩個(gè)通道出現同種故障模式(如圖2)，使得某些節點(diǎn)的通信完全中斷。
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