FlexRay™:汽车网络的未来

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        您经常要给汽车刹车加制动液吗?需要抽出制动液,以确保制动液管中没有气体,虽然这些工作可能并不由车主亲自动手完成,但这个事实却证明,即使在更加现代化的电动液压制动系统中,我们仍然要忍受所谓的“湿”系统带来的困扰。随着“线控”技术的出现,我们将能使用重量轻、效率高、更简单的电子机械系统,如线控刹车技术(Brake-By-Wire),取代笨重的液压系统和污秽的有毒液体,并彻底摆脱它们。 

        但是,向线控技术发展的进程并不是一帆风顺的。现存的网络协议不是针对高级汽车控制系统如线控刹车技术,线控驾驶技术等而设计的。这类应用需要高带高、具有容错功能的确定性通信协议,而汽车市场目前尚未制定此类协议。2000年,宝马、戴姆勒克莱斯勒、飞利浦和摩托罗拉半导体部门(2004年更名为飞思卡尔半导体公司)联合建立了FlexRay联盟,共同实现下述目标:开发面向车内高速控制应用的高级通信技术,提高车辆安全性、可靠性和舒适度,提供可供市场所有客户使用的技术。 
        该联盟现有125名成员,致力于推广FlexRay通信系统在全球的采用,使其成为高级动力总成、底盘、线控系统的标准协议。FlexRay专为车内联网而设计,它不会取代现有网络,但可以与现有系统结合使用,如控制器局域网(CAN)、本地互联网络(LIN)、媒体系统传输(MOST)和J1850协议。

满足技术要求 

        FlexRay在每个通道中提供10Mbps的总数据速率,能够满足未来应用的带宽要求。由于通道单独运行,总数据速率可以达到20Mbps,是当前CAN标准速率(1Mbps)的20倍。 

        FlexRay是一个时间触发的架构,这就意味着控制信号是根据预定义的时间进度传输的。“确定性”意味着:无论系统外部发生什么情况,都不会产生计划外事件。在确定性算法中,始终会预先定义正确的输出结果,这些结果是基于特定输入的。此外,输出可以控制后面的操作,其结果将决定下一个步骤,依此类推。无论外部产生什么影响,确定性网络都是完全可预测的。这对需要持续的高速性能的应用(如线控刹车、线控驾驶)来说非常重要。FlexRay协议可以确保将信息延迟和抖动降至最低,另外还提供高带宽(10Mbps),可以减少网络冲突的数量。 

        容错功能意味着:即使系统的不同部分出现故障,系统仍将按照设计继续运行。更重要的是,如果网络运行性能降低,故障的严重性也会成比例上升。换句话说,小故障不会造成系统功能的丧失。FlexRay支持多个级别的容错功能,包括通过单信道或双信道模式(提供传输所需要的冗余),提供可扩展的系统容错。独立的物理层总线监护器也有助于最大程度地减少系统错误。 

        要为所有的FlexRay节点提供时间触发的实时系统,需要在不同节点之间提供准确的全局时间同步。FlexRay通过偏差纠正和速率纠正算法,支持时钟纠正管理。在每个周期中,“同步信息”从网络上的同步节点传送到总线。为了支持容错系统,它至少提供4个同步节点。每个节点都接收到一条同步信息,并将其时钟与同步节点的时钟进行比较,然后纠正其时钟,以便与同步节点的时钟相匹配。这是一个故障-安全系统,如果一个节点发生故障,不会干扰其它节点的同步。 

        支持高吞吐量、确定性、容错特性的FlexRay网络,可为高级电子控制的安全应用带来大量优势。FlexRay结合了这三大属性,是其它车内联网的理想替代产品,它同时还能支持FlexRay联盟计划今后提供的应用。例如,MOST支持高数据速率,却是专门用来连接车内多媒体组件的网络标准,可能不适合动力总成、底盘和线控应用。 

        CAN是国际标准化的串行总线系统,被欧洲生产商广泛采用,用于引擎管理、车身电子和娱乐控制。在通常的数据速率下(500Kbps),CAN网络能够连接多个电子控制单元。在美国,它将取代用于诊断和数据共享的J1850标准。但是,在传送信息时,CAN使用了优先级仲裁,这就意味着,低优先级的信息总是排在高优先级的信息后面,因而导致延迟。只有优先级最高的信息可以在预定义传输时间保证被传输。此外,CAN速率相对较低,且不具备容错功能,因而不能用于线控等先进应用。LIN是CAN中成本较低、速率相对较慢的子网络,但不能处理线控等应用要求的数据速率。

FlexRay解决方案 

        FlexRay是带静态和动态插槽的可扩展系统,程序员能够根据应用需求进行配置。凭借同步数据传输,可为可靠性要求很高的应用提供时间触发的通信。基于byteflight协议的异步传输使所有FlexRay节点能够使用全部带宽,完成事件驱动的通信。Byteflight是10Mbps时间控制协议,主要用于提供汽车安全有关应用。通过容错同步和冗余传输通道,FlexRay扩展了Byteflight系统协议的面向安全的功能。 

        FlexRay可以支持光物理层和电物理层,使生产商能够部署最符合他们需求的布线机制。此外,开发人员还可以将FlexRay系统从单通道总线扩展为多个双通道星状拓扑,具有完全通道冗余。如果将FlexRay用作车内网络的骨干系统,连接动力总成、底盘、车身、安全和多媒体应用(有无支持FlexRay的应用皆可),制造商甚至还能更好地利用高带宽的优势。 
        根据应用的确定性和容错要求,在每个节点内,FlexRay模块均包括实施FlexRay协议所需的所有组件。 

        寄存器模块---包含控制寄存器,用于配置FlexRay设备,还包括状态寄存器,用于读取当前的协议状态信息。 

        信息缓冲器接口-CPU中使用该接口,以接收和传输数据,包括寄存器块生成的数据。 

        协议状态机-通信控制器的核心。它执行整个协议逻辑,如信息处理、建立通信周期、启动和错误处理。 

        定时单元-负责定时控制,包括支持分布式时钟的同步。 

        循环冗余码校验(CRC)单元-在信息传输和接收过程中,生成和检验每个数据帧的校验和。 

        接受和传输单元:每个通道一个。 

        FlexRay联盟的一个公开目标是“为车内高速控制应用开发高级通信技术,以提高安全性、可靠性和舒适度。”但是,众所周知,业界高度关注线控系统,让为它是FlexRay技术带来的主要益处。目标是要减少车辆控制对液压系统的依赖,最可能的应用就是线控刹车。

FlexRay发挥作用:线控刹车 

        高级底盘控制是FlexRay推动新技术在新汽车设计中应用的最好例子。现在,大量车辆都采用防抱死刹车系统(ABS)作为标准,但是车辆稳定性控制仍然是一个复杂、费用高昂的难题。随着FlexRay控制的线控刹车技术的出现,车辆稳定性控制的主要组件将向更轻、更快、更简单、更高效的方向发展,从而在高级车辆稳定性控制中得到更广泛的应用。 

        线控刹车技术(也称为电子机械刹车-EMB)可以消除制动液和液压管路的困扰。单独的高性能电机在每个车轮上产生制动力,制动由中心ECU控制,并由电刹车踏板模块发出的信号执行。FlexRay提供通信协议,支持整个系统的高速信息传送。EMB却不能提供传统的液压刹车系统提供的备用机械或液压系统。FlexRay的容错操作对于确保线控刹车系统的绝对可靠性非常重要。 

        FlexRay支持的线控系统包括用作ECU部件的车辆控制节点、每个车轮提供的单独节点和一个刹车踏板节点。系统包含大量传感器、电机制动器、电控模块(ECM)和减速器装置,刹车车轮节点属于该系统。从根本上说,当刹车时,电子信息便从踏板节点发送到ECU,ECU再将信息转载到车轮节点ECM。ECM的主要功能是接收刹车踏板信号,处理并提供适当的电压向量,以便电机执行器能够完成必要的扭矩响应。 
        电机执行器将电能转换成机械能,通过减速器装置传输到刹车片上,然后刹车片将刹车压力应用到刹车碟。FlexRay的高带宽功能可以快速传输大量极为详尽的信息,从而使机械反应变得非常迅速、准确。由于每个车轮节点都是FlexRay网络的独立系统,每个车轮可以在不同时间间隔提供不同的刹车压力,从而在不同刹车情况下提供即时的稳定性控制。使用综合感应技术将其它信息(如重量分配、乘客定位、胎压偏差、路面状况等)装载到线控刹车上,同时线控驾驶系统将提供空前的车辆稳定控制级别。 

        除了具有基于FlexRay的线控刹车的安全优势外,还有大量值得考虑的其它操作因素。EMB是噪音低,符合环境规定(无制动液),并且体积小,只需简单组装。它能够与未来的交通管理系统无缝联网,并且还能与其它功能(如电动刹车)轻松集成。

物超所值 

        考虑到这些实际情况,FlexRay技术在生产中具有相当大的吸引力。FlexRay最初的安装价格比较贵(需要双绞线布线),但是它所支持的技术却能帮助生产商节约花费在生产线上的时间和金钱。在线控系统中,制动器、控制器和连线的安装比主汽缸、次汽缸和大量关联管道更简单、方便、可靠。对于生产商来说,他们的安装费用有所下降,而对于用户来说,他们的维护成本将有所下降。此外,FlexRay还为大量不同应用提供一个控制协议,从而减少车内网络系统的复杂性。这样,更多组件可以重复使用,稳定性也有所提高,从而减少以后所需的设备开支和时间。 

        目前大多数汽车生产商都支持FlexRay协议。宝马、戴姆勒克莱斯勒、通用和大众都是FlexRay联盟的核心合作伙伴。大多数高级会员都是汽车生产商。联盟最重要的目标是“使FlexRay成为汽车业的实际标准”。 

        联盟的目标正在快速实现。飞思卡尔半导体和皇家飞利浦电子有限公司(Royal Philips Electronics)最近达成协议,共同分享他们的FlexRay技术,以加快支持FlexRay的半导体产品的面市。双方现在都授权对方共享自己的FlexRay协议引擎设计,并且联合开发可执行的协议模型。飞思卡尔将在独立设备中推出FlexRay协议引擎,这些独立设备包括:16位微控制器、数字信号控制器系列、内含PowerPC?核心的处理器。飞利浦有望在基于ARM的整个汽车微控制器系统中集成FlexRay协议引擎。根据FlexRay联盟的网站信息,宝马和戴姆勒克莱斯勒有望在未来几年内,将 FlexRay引入他们的汽车系列中。 
        可以说,生产商始终在寻找更多方法,让汽车变得更安全、方便、舒适和可靠,利润更丰厚。FlexRay为新产品的开发人员提供了机会,让下一代汽车具备上述所有属性,并能迅速完成组装。
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