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

　　步驟3：若應用在車輛發(fā)生碰撞事故之后還能夠繼續(xù)工作，系統(tǒng)的碰撞靈敏節(jié)點應分布在不同的分支上（見圖3）。這樣一來，一旦線纜被擠壓或被鉗位在一個差分電壓上，只有受影響的分支的數(shù)據(jù)傳輸被中斷，但主動星型將保證網(wǎng)絡(luò)中其它分支的通訊不受影響。

　　圖1

　　圖2

　　圖3

　　步驟4：鑒于共振的出現(xiàn)，暴露在非常惡劣的RF場中的節(jié)點或布線也應該分布到不同的分支上（見圖4）。在線纜兩端各利用一個？？終端（FlexRay電氣物理層規(guī)范v2.1修訂版B），把RF感應電流轉(zhuǎn)移到接地位。這就使得線纜上的共模電壓幅度更低，同時不影響與其它分支相連接的節(jié)點。因此，接收到的數(shù)據(jù)流中的抖動可以控制在合理的范圍內(nèi)。

　　圖4

　　步驟5：為了確保在線纜兩端始終有合適的終端（見圖5），中繼電纜的末端節(jié)點不應是可選節(jié)點。節(jié)點的電氣位置沿線纜的移動不得致使線纜長度超過10米過多。在非可選節(jié)點上，可引入短的stub（《1米）。即使有更大的靈活性，主動星型也不必在線纜度終端處。

　　圖5

　　驗證與優(yōu)化

　　遵照這五個步驟，有助于構(gòu)建在電子特性方面穩(wěn)健的FlexRay拓樸結(jié)果。建議進行仿真以對定義后的拓樸做進一步驗證和優(yōu)化。開采用蒙特卡羅（Monte-Carlo）仿真法來估算線束、產(chǎn)量范圍以及依賴于收發(fā)器和主動星型的溫度等各項制造公差。

　　此外，F(xiàn)lexRay聯(lián)盟已推出了一種涵蓋線束趨膚效應在內(nèi)的復雜完善的線纜模型。在支持汽車制造商引入FlexRay的同時，NXP也在不斷提高自己在FlexRay拓樸仿真領(lǐng)域的專業(yè)能力。

　　關(guān)于FlexRay應用的終端、線纜和連接器的更多信息可參見FlexRay電氣物理層規(guī)范v2.1修訂版B。電氣物理層應用說明v2.1修訂 版B給出了一些有關(guān)拓樸設(shè)計的建議。這兩份規(guī)范都可通過FlexRay聯(lián)盟網(wǎng)站獲得。至于TJA1080 FlexRay收發(fā)器的技術(shù)細節(jié)，可查詢NXP網(wǎng)站。

　　在汽車中采用電子系統(tǒng)已經(jīng)有幾十年的歷史，它們使汽車安全、節(jié)能與環(huán)保方面的性能有大幅度的提高。隨著研究的深入，許多系統(tǒng)需要共享和交換信息，為了節(jié)省 線纜，就形成了依賴于通信的分布式嵌入系統(tǒng)。目前，世界上90%的都采用基于CAN總線的系統(tǒng)。FlexRay是下一代通信協(xié)議事實上的標準，它的功能安 全性如何是至關(guān)重要的。

　　1 引起系統(tǒng)安全風險的通信故障

　　通信故障有5種表現(xiàn)形式，第1種是造成值域的錯誤。第2種是造成時域的錯誤，這是工業(yè)不同于民用的部分。一條消息不能在預定的時限前送達就失去了實用 意義，例如與安全氣囊引爆有關(guān)的傳感器消息不能在數(shù)ms內(nèi)送達就引起安全問題。在多播或廣播通信中還有第3種錯誤：數(shù)據(jù)完整性錯（拜占庭錯），即各節(jié)點收到的結(jié)果不一致。它會引起系統(tǒng)性的失效，應對的策略必須將所有有關(guān)節(jié)點同時考慮。第4種是系統(tǒng)崩潰，除硬件失效外，也有干擾或軟件引起的，例如饒舌錯（babbling idiot）阻止通信。第5種是丟幀，短時間失效，例如可恢復的離線或bug引起的等效離線狀態(tài)，又如小集團錯。

　　2 通信的容許失效率

　　在通信故障對系統(tǒng)安全影響的分析上，參考文獻提供了一種方法，根據(jù)瞬態(tài)干擾出現(xiàn)的可能長度，計算通信失效的時段長，在假定的通信失效率下，推出系統(tǒng)的 失效率。在該實例中，路段上電場超100 V/m的區(qū)間有可能引起通信失效，失效率近似5×10-3，車速為90 km/h，識別出的可能失效時間約74 s。通信以6 ms為周期，連續(xù)7個周期丟幀視為系統(tǒng)失效，在此條件下系統(tǒng)失效率為1.640 9×10-10，認為可以達到SIL4的安全要求。這種分析方法是有效的，但是假設(shè)的條件太多，例如：誤碼率有很大的變化區(qū)間；幀長的變化影響一次傳送的失效率；干擾持續(xù)時間的假定；連續(xù)丟7幀也與應用的場合有關(guān)，對90 km/h的車42 ms的失控對剎車系統(tǒng)而言有約1 m的距離，恐怕對撞擊的后果有完全不同的評估；還假設(shè)SIL4完全分配給通信，將CPU與軟件有關(guān)的部分失效率忽略不計，在軟件規(guī)模越來越大的今天，這個假設(shè)是不合理的。另一方面，決定系統(tǒng)失效率時還應考慮其他的通信故障形式，例如出現(xiàn)小集團錯到發(fā)生沖突的時間取決于相對的時鐘漂移，越精確，其間時間越 長，失效的時間就越長，參考文獻中在人為制造出小集團后需300 ms才發(fā)現(xiàn)沖突，遠遠超出上述的42 ms。所以一般討論系統(tǒng)安全的文章中都單獨規(guī)定通信的失效率是相應安全等級失效率的1/100。

　　3 影響通信失效率的因素

　　功能安全等級與故障檢測的覆蓋率有關(guān)，如果有的故障未被檢查到（未認識到或做不到），當然那種失效情景就不可能計算在內(nèi)，安全等級的劃分就有錯。

　　參考文獻介紹了SFF（Safety Failure Fraction）的概念：失效分為引起危害的失效和安全失效，它們又各分為能檢測出和未檢測出兩種。安全失效比例SFF是能檢測出危害失效與安全失效在總的失效中的份額。診斷覆蓋率DC（Diagnostic Coverage）是能檢測出的危害失效占總危害失效的份額。可導出SFF與DC有線性關(guān)系。而SFF又與SIL有關(guān)。IEC61508的SIL等級與 SFF有關(guān)，在SFF占90%~99%時SIL3可容許1個故障。因此DC也決定了能達到的SIL等級。根據(jù)有關(guān)文章介紹，瞬態(tài)故障的概率比硬件失效概率 大2個數(shù)量級，因此可大致推斷瞬態(tài)故障診斷覆蓋率應達到90%~99%。危害失效可能由通信失效引起，診斷覆蓋率也就成了評價通信協(xié)議的重要一環(huán)。

　　在通信中，由于CRC有漏檢，這是明顯的診斷未覆蓋區(qū)，診斷未覆蓋率就相當于錯幀漏檢率，例如CAN的錯幀漏檢。

　　在通信中發(fā)生值域錯或時域錯而丟幀是能診斷出的危害失效（這是本文分析的主要對象）。而假冒錯、拜占庭錯等應屬于未檢測出的危害失效。發(fā)生小集團錯時 既可能產(chǎn)生丟幀，也可能產(chǎn)生拜占庭錯。CAN的等效離線失效也屬于未覆蓋的診斷引起的危害失效。要計算這些未覆蓋的診斷引起的危害失效占總危害失效的比例 還相當困難，因為確定故障概率模型很難。但從定性上講，只有盡量排除假冒錯、拜占庭錯和小集團錯，才能使診斷覆蓋率提高（SIL等級提高）。

　　關(guān)于FlexRay的缺點或弱點，參考文獻提到物理層連接的困難，影響到信號完整性，實際上能較易使用的是有源星型，但這帶來成本的提高；cycle設(shè)計 約束多，帶來困難；同步和啟動節(jié)點配置與容錯有關(guān)，是挑戰(zhàn)；由于資源有限，升級演進時很困難（并非像以前強調(diào)時間觸發(fā)協(xié)議的 composability優(yōu)點——筆者注）。參考文獻介紹了在FlexRay中產(chǎn)生各自獨立的時鐘同步小集團的可能性，也就是說雖然各節(jié)點都在通信，但 是2個集團間無有效通信，是一種故障狀態(tài)。解決辦法是用3個冷啟動節(jié)點、3個同步節(jié)點，但是這與時間同步容錯的要求矛盾。還有就是將調(diào)度表排滿，以免形成 小集團，這也與留有余地供將來升級擴充的要求矛盾?？傊袩o徹底解決方案。再有就是時鐘可能產(chǎn)生同向漂移，與應用時鐘的差造成幀未能就緒或覆蓋引起漏幀。