汽車控制系統(tǒng)效能升級(jí)！FlexRay網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)詳解

　　自2003年組建以來，AUTOSAR（汽車開放系統(tǒng)架構(gòu)）聯(lián)盟一直致力于改變車載網(wǎng)絡(luò)和電子控制單元（ECU）的設(shè)計(jì)方式。AUTOSAR提出了一個(gè)符 合業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的車載網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法，使行業(yè)能夠集成、交換和傳輸汽車網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的功能、數(shù)據(jù)和信息。這一標(biāo)準(zhǔn)極大地促進(jìn)了汽車原始設(shè)備制造商（OEM）及其一級(jí)供 應(yīng)商之間的合作，使他們能夠以一種一致、明確且機(jī)器可讀的格式來交換設(shè)計(jì)信息。

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

　　汽車數(shù)據(jù)總線

　　一輛典型的現(xiàn)代化汽車將同時(shí)裝配各類總線和協(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/視聽信號(hào)和汽車環(huán)繞攝像 系統(tǒng)需要更高的數(shù)據(jù)速率，因此汽車制造商和OEM廠商在網(wǎng)絡(luò)解決方案上選擇用以太網(wǎng)代替MOST.但對(duì)于許多標(biāo)準(zhǔn)汽車功能而言，LIN和CAN提供的帶寬 與性能就足夠了。

　　在汽車架構(gòu)中，ECU組合在一起形成“集群”，這些集群通過通信“網(wǎng)關(guān)”相連。集群通常會(huì)共享同一類型的總線，因此要達(dá)到高可靠性、高速率的標(biāo)準(zhǔn)，就要采 用FlexRay網(wǎng)絡(luò)，但要求沒那么高的門鎖ECU可以由CAN或LIN來負(fù)責(zé)。ECU網(wǎng)關(guān)往往要連接不同類型的信號(hào)，并執(zhí)行不同總線架構(gòu)之間的映射和轉(zhuǎn) 換功能。汽車行業(yè)對(duì)不斷提高安全性和ISO26262等標(biāo)準(zhǔn)的合規(guī)性提出強(qiáng)烈需求，進(jìn)而提升了車載網(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(biāo)準(zhǔn)可以適應(yīng)越來越高的數(shù)據(jù)傳輸速率，汽車電纜也達(dá)到了安全且低成本的目標(biāo)。典型汽車網(wǎng)絡(luò)方案的特點(diǎn)及應(yīng)用請(qǐng)見表1.

　　表1：汽車網(wǎng)絡(luò)總線。

　　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(xiàng)，讓信息可以在精確的時(shí)間框架內(nèi)發(fā)送至目標(biāo)地址——可精確 到1μs.FlexRay信息最多可達(dá)254個(gè)字節(jié)，因此需要在ECU之間進(jìn)行交換的復(fù)雜信息的容量很大。與CAN相比，F(xiàn)lexRay的數(shù)據(jù)傳輸速率也 更高。由于時(shí)序是預(yù)先確定的，信息的安排需要提前規(guī)劃好，一般由汽車OEM廠商或一級(jí)供應(yīng)商合作伙伴預(yù)先配置或設(shè)計(jì)。在采用CAN協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中，ECU節(jié) 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(jié)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(yàn)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(cuò)誤和設(shè)計(jì)周期時(shí)間。

　　汽車通信矩陣合成

　　汽車網(wǎng)絡(luò)時(shí)序安排的總體定義通常存儲(chǔ)在作為中央網(wǎng)關(guān)ECU一部分的“通信矩陣”中。明導(dǎo)所開發(fā)的設(shè)計(jì)工具解決方案可用于自動(dòng)合成這個(gè)數(shù)據(jù)庫并按正確順序?qū)⑺胁煌男畔⒋虬蓭?/P>

　　AUTOSAR信號(hào)信息組合成協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU），然后這些數(shù)據(jù)單元再組合成傳輸幀。對(duì)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(hào)PDU.

　　在FlexRay架構(gòu)中，時(shí)序是確定的，而設(shè)計(jì)人員主要面臨的不確定性就是幀打包和傳輸順序。汽車OEM廠商和設(shè)計(jì)人員要投入大量時(shí)間來測試汽車所有可能 出現(xiàn)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，為了確保較高的時(shí)序安全范圍，不能占用數(shù)據(jù)總線的全部容量。合成工具查 找具有相似路徑以及對(duì)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(hào)，以此來優(yōu)化幀利用率。在使用明導(dǎo)的時(shí)序合成工具時(shí)，設(shè)計(jì)輸入將包括信號(hào)和 PDU定義、幀的優(yōu)先級(jí)和有關(guān)可行的信號(hào)路徑的具體OEM設(shè)計(jì)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(xù)很難有架構(gòu)上的變化，并可能需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全面的重新設(shè)計(jì)，但傳輸?shù)母咚俸痛_定性等優(yōu)勢讓這種方法 對(duì)FlexRay應(yīng)用形成了極大的吸引力，能夠確保汽車的對(duì)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(fù)周期。

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

　　在FlexRay應(yīng)用的開發(fā)過程中，設(shè)計(jì)工程師可以通過五個(gè)基本步驟來構(gòu)建一個(gè)穩(wěn)健的網(wǎng)絡(luò)拓樸。

　　步驟1：首先必須定義車輛底盤上節(jié)點(diǎn)的數(shù)量及其假定位置，然后才能確定實(shí)現(xiàn)無stub（一種被稱為“菊花鏈”的拓樸結(jié)構(gòu)）無源總線所需的線纜長度，該總線終端即是線纜終端處，如圖1所示。如果線纜長度小于10米，則拓樸完成，其被認(rèn)為可用于系列生產(chǎn)。

　　步驟2：一旦發(fā)現(xiàn)線纜長度大于10米，就應(yīng)該考慮采用“主動(dòng)星型”拓樸（參見圖2）。如果線纜長度超過20米，則必須引入主動(dòng)星型了。最簡單的主動(dòng) 星型只有兩個(gè)分支，把線束？？為兩個(gè)電氣去耦部件。因?yàn)榭赏ㄟ^NXP的TJA1080收發(fā)器（用于BMW X5的首批同類器件）來增強(qiáng)主動(dòng)星型，故所需收發(fā)器總數(shù)只增加了一個(gè)。