德國ZTM FlexRay產品:汽車網絡的未來

　　FlexRay：汽車網絡的未來

您經常要給汽車剎車加制動液嗎？需要抽出制動液，以確保制動液管中沒有氣體，雖然這些工作可能并不由車主親自動手完成，但這個事實卻證明，即使在更加現代化的電動液壓制動系統中，我們仍然要忍受所謂的“濕”系統帶來的困擾。隨著“線控”技術的出現，我們將能使用重量輕、效率高、更簡單的電子機械系統，如線控剎車技術(Brake-By-Wire)，取代笨重的液壓系統和污穢的有毒液體，并徹底擺脫它們。

但是，向線控技術發展的進程并不是一帆風順的。現存的網絡協議不是針對高級汽車控制系統如線控剎車技術，線控駕駛技術等而設計的。這類應用需要高帶高、具有容錯功能的確定性通信協議，而汽車市場目前尚未制定此類協議。2000年，寶馬、戴姆勒克萊斯勒、飛利浦和摩托羅拉半導體部門(2004年更名為飛思卡爾半導體公司)聯合建立了FlexRay聯盟，共同實現下述目標：開發面向車內高速控制應用的高級通信技術，提高車輛安全性、可靠性和舒適度，提供可供市場所有客戶使用的技術。

該聯盟現有125名成員，致力于推廣FlexRay通信系統在全球的采用，使其成為高級動力總成、底盤、線控系統的標準協議。FlexRay專為車內聯網而設計，它不會取代現有網絡，但可以與現有系統結合使用，如控制器局域網(CAN)、本地互聯網絡(LIN)、媒體系統傳輸(MOST)和J1850協議。

　　滿足技術要求

FlexRay在每個通道中提供10Mbps的總數據速率，能夠滿足未來應用的帶寬要求。由于通道單獨運行，總數據速率可以達到20Mbps，是當前CAN標準速率(1Mbps)的20倍。

FlexRay是一個時間觸發的架構，這就意味著控制信號是根據預定義的時間進度傳輸的。“確定性”意味著：無論系統外部發生什么情況，都不會產生計劃外事件。在確定性算法中，始終會預先定義正確的輸出結果，這些結果是基于特定輸入的。此外，輸出可以控制后面的操作，其結果將決定下一個步驟，依此類推。無論外部產生什么影響，確定性網絡都是完全可預測的。這對需要持續的高速性能的應用(如線控剎車、線控駕駛)來說非常重要。FlexRay協議可以確保將信息延遲和抖動降至最低，另外還提供高帶寬(10Mbps)，可以減少網絡沖突的數量。

容錯功能意味著：即使系統的不同部分出現故障，系統仍將按照設計繼續運行。更重要的是，如果網絡運行性能降低，故障的嚴重性也會成比例上升。換句話說，小故障不會造成系統功能的喪失。FlexRay支持多個級別的容錯功能，包括通過單信道或雙信道模式(提供傳輸所需要的冗余)，提供可擴展的系統容錯。獨立的物理層總線監護器也有助于最大程度地減少系統錯誤。

要為所有的FlexRay節點提供時間觸發的實時系統，需要在不同節點之間提供準確的全局時間同步。FlexRay通過偏差糾正和速率糾正算法，支持時鐘糾正管理。在每個周期中，“同步信息”從網絡上的同步節點傳送到總線。為了支持容錯系統，它至少提供4個同步節點。每個節點都接收到一條同步信息，并將其時鐘與同步節點的時鐘進行比較，然后糾正其時鐘，以便與同步節點的時鐘相匹配。這是一個故障-安全系統，如果一個節點發生故障，不會干擾其它節點的同步。

支持高吞吐量、確定性、容錯特性的FlexRay網絡，可為高級電子控制的安全應用帶來大量優勢。FlexRay結合了這三大屬性，是其它車內聯網的理想替代產品，它同時還能支持FlexRay聯盟計劃今后提供的應用。例如，MOST支持高數據速率，卻是專門用來連接車內多媒體組件的網絡標準，可能不適合動力總成、底盤和線控應用。

CAN是國際標準化的串行總線系統，被歐洲生產商廣泛采用，用于引擎管理、車身電子和娛樂控制。在通常的數據速率下(500Kbps)，CAN網絡能夠連接多個電子控制單元。在美國，它將取代用于診斷和數據共享的J1850標準。但是，在傳送信息時，CAN使用了優先級仲裁，這就意味著，低優先級的信息總是排在高優先級的信息后面，因而導致延遲。只有優先級最高的信息可以在預定義傳輸時間保證被傳輸。此外，CAN速率相對較低，且不具備容錯功能，因而不能用于線控等先進應用。LIN是CAN中成本較低、速率相對較慢的子網絡，但不能處理線控等應用要求的數據速率。

　　FlexRay解決方案

FlexRay是帶靜態和動態插槽的可擴展系統，程序員能夠根據應用需求進行配置。憑借同步數據傳輸，可為可靠性要求很高的應用提供時間觸發的通信。基于byteflight協議的異步傳輸使所有FlexRay節點能夠使用全部帶寬，完成事件驅動的通信。Byteflight是10Mbps時間控制協議，主要用于提供汽車安全有關應用。通過容錯同步和冗余傳輸通道，FlexRay擴展了Byteflight系統協議的面向安全的功能。

FlexRay可以支持光物理層和電物理層，使生產商能夠部署最符合他們需求的布線機制。此外，開發人員還可以將FlexRay系統從單通道總線擴展為多個雙通道星狀拓撲，具有完全通道冗余。如果將FlexRay用作車內網絡的骨干系統，連接動力總成、底盤、車身、安全和多媒體應用(有無支持FlexRay的應用皆可)，制造商甚至還能更好地利用高帶寬的優勢。

根據應用的確定性和容錯要求，在每個節點內，FlexRay模塊均包括實施FlexRay協議所需的所有組件。

寄存器模塊---包含控制寄存器，用于配置FlexRay設備，還包括狀態寄存器，用于讀取當前的協議狀態信息。

信息緩沖器接口-CPU中使用該接口，以接收和傳輸數據，包括寄存器塊生成的數據。

協議狀態機-通信控制器的核心。它執行整個協議邏輯，如信息處理、建立通信周期、啟動和錯誤處理。

定時單元-負責定時控制，包括支持分布式時鐘的同步。

循環冗余碼校驗(CRC)單元-在信息傳輸和接收過程中，生成和檢驗每個數據幀的校驗和。

接受和傳輸單元：每個通道一個。

FlexRay聯盟的一個公開目標是“為車內高速控制應用開發高級通信技術，以提高安全性、可靠性和舒適度。”但是，眾所周知，業界高度關注線控系統，讓為它是FlexRay技術帶來的主要益處。目標是要減少車輛控制對液壓系統的依賴，最可能的應用就是線控剎車。

　　FlexRay發揮作用：線控剎車

高級底盤控制是FlexRay推動新技術在新汽車設計中應用的最好例子。現在，大量車輛都采用防抱死剎車系統(ABS)作為標準，但是車輛穩定性控制仍然是一個復雜、費用高昂的難題。隨著FlexRay控制的線控剎車技術的出現，車輛穩定性控制的主要組件將向更輕、更快、更簡單、更高效的方向發展，從而在高級車輛穩定性控制中得到更廣泛的應用。

線控剎車技術(也稱為電子機械剎車-EMB)可以消除制動液和液壓管路的困擾。單獨的高性能電機在每個車輪上產生制動力，制動由中心ECU控制，并由電剎車踏板模塊發出的信號執行。FlexRay提供通信協議，支持整個系統的高速信息傳送。EMB卻不能提供傳統的液壓剎車系統提供的備用機械或液壓系統。FlexRay的容錯操作對于確保線控剎車系統的絕對可靠性非常重要。

FlexRay支持的線控系統包括用作ECU部件的車輛控制節點、每個車輪提供的單獨節點和一個剎車踏板節點。系統包含大量傳感器、電機制動器、電控模塊(ECM)和減速器裝置，剎車車輪節點屬于該系統。從根本上說，當剎車時，電子信息便從踏板節點發送到ECU，ECU再將信息轉載到車輪節點ECM。ECM的主要功能是接收剎車踏板信號，處理并提供適當的電壓向量，以便電機執行器能夠完成必要的扭矩響應。

電機執行器將電能轉換成機械能，通過減速器裝置傳輸到剎車片上，然后剎車片將剎車壓力應用到剎車碟。FlexRay的高帶寬功能可以快速傳輸大量極為詳盡的信息，從而使機械反應變得非常迅速、準確。由于每個車輪節點都是FlexRay網絡的獨立系統，每個車輪可以在不同時間間隔提供不同的剎車壓力，從而在不同剎車情況下提供即時的穩定性控制。使用綜合感應技術將其它信息(如重量分配、乘客定位、胎壓偏差、路面狀況等)裝載到線控剎車上，同時線控駕駛系統將提供空前的車輛穩定控制級別。

除了具有基于FlexRay的線控剎車的安全優勢外，還有大量值得考慮的其它操作因素。EMB是噪音低，符合環境規定(無制動液)，并且體積小，只需簡單組裝。它能夠與未來的交通管理系統無縫聯網，并且還能與其它功能(如電動剎車)輕松集成。

　　物超所值

考慮到這些實際情況，FlexRay技術在生產中具有相當大的吸引力。FlexRay最初的安裝價格比較貴(需要雙絞線布線)，但是它所支持的技術卻能幫助生產商節約花費在生產線上的時間和金錢。在線控系統中，制動器、控制器和連線的安裝比主汽缸、次汽缸和大量關聯管道更簡單、方便、可靠。對于生產商來說，他們的安裝費用有所下降，而對于用戶來說，他們的維護成本將有所下降。此外，FlexRay還為大量不同應用提供一個控制協議，從而減少車內網絡系統的復雜性。這樣，更多組件可以重復使用，穩定性也有所提高，從而減少以后所需的設備開支和時間。

目前大多數汽車生產商都支持FlexRay協議。寶馬、戴姆勒克萊斯勒、通用和大眾都是FlexRay聯盟的核心合作伙伴。大多數高級會員都是汽車生產商。聯盟最重要的目標是“使FlexRay成為汽車業的實際標準”。

聯盟的目標正在快速實現。飛思卡爾半導體和皇家飛利浦電子有限公司(Royal Philips Electronics)最近達成協議，共同分享他們的FlexRay技術，以加快支持FlexRay的半導體產品的面市。雙方現在都授權對方共享自己的FlexRay協議引擎設計，并且聯合開發可執行的協議模型。飛思卡爾將在獨立設備中推出FlexRay協議引擎，這些獨立設備包括：16位微控制器、數字信號控制器系列、內含PowerPC?核心的處理器。飛利浦有望在基于ARM的整個汽車微控制器系統中集成FlexRay協議引擎。根據FlexRay聯盟的網站信息，寶馬和戴姆勒克萊斯勒有望在未來幾年內，將 FlexRay引入他們的汽車系列中。

可以說，生產商始終在尋找更多方法，讓汽車變得更安全、方便、舒適和可靠，利潤更豐厚。FlexRay為新產品的開發人員提供了機會，讓下一代汽車具備上述所有屬性，并能迅速完成組裝。

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