FlexRay(tm)：汽車網(wǎng)絡(luò)的未來

　　您經(jīng)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(xiàn)代化的電動液壓制動系統(tǒng)中，我們?nèi)匀灰淌芩^的“濕”系統(tǒng)帶來的困擾。隨著“線控”技術(shù)的出現(xiàn)，我們將能使用重量輕、效率高、更簡單的電子機械系統(tǒng)，如線控剎車技術(shù)(Brake-By-Wire)，取代笨重的液壓系統(tǒng)和污穢的有毒液體，并徹底擺脫它們。
 
　　但是，向線控技術(shù)發(fā)展的進程并不是一帆風順的?，F(xiàn)存的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不是針對高級汽車控制系統(tǒng)如線控剎車技術(shù)，線控駕駛技術(shù)等而設(shè)計的。這類應(yīng)用需要高帶高、具有容錯功能的確定性通信協(xié)議，而汽車市場目前尚未制定此類協(xié)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(lián)合建立了FlexRay(tm)聯(lián)盟，共同實現(xiàn)下述目標：開發(fā)面向車內(nèi)高速控制應(yīng)用的高級通信技術(shù)，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(shù) [資料來源: www.flexray-group.org]。
 
　　該聯(lián)盟現(xiàn)有125名成員，致力于推廣FlexRay通信系統(tǒng)在全球的采用，使其成為高級動力總成、底盤、線控系統(tǒng)的標準協(xié)議。FlexRay專為車內(nèi)聯(lián)網(wǎng)而設(shè)計，它不會取代現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，但可以與現(xiàn)有系統(tǒng)結(jié)合使用，如控制器局域網(wǎng)（CAN），本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（LIN）、媒體系統(tǒng)傳輸（MOST）和J1850協(xié)議。
 
滿足技術(shù)要求
 
　　FlexRay在每個通道中提供10Mbps的總數(shù)據(jù)速率，能夠滿足未來應(yīng)用的帶寬要求。由于通道單獨運行，總數(shù)據(jù)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(fā)的架構(gòu)，這就意味著控制信號是根據(jù)預(yù)定義的時間進度傳輸?shù)?。“確定性”意味著：無論系統(tǒng)外部發(fā)生什么情況，都不會產(chǎn)生計劃外事件。在確定性算法中，始終會預(yù)先定義正確的輸出結(jié)果，這些結(jié)果是基于特定輸入的。此外，輸出可以控制后面的操作，其結(jié)果將決定下一個步驟，依此類推。無論外部產(chǎn)生什么影響，確定性網(wǎng)絡(luò)都是完全可預(yù)測的。這對需要持續(xù)的高速性能的應(yīng)用（如線控剎車、線控駕駛）來說非常重要。FlexRay協(xié)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(wǎng)絡(luò)沖突的數(shù)量。
 
　　容錯功能意味著：即使系統(tǒng)的不同部分出現(xiàn)故障，系統(tǒng)仍將按照設(shè)計繼續(xù)運行。更重要的是，如果網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)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(tǒng)容錯。獨立的物理層總線監(jiān)護器也有助于最大程度地減少系統(tǒng)錯誤。
 
　　要為所有的FlexRay節(jié)點提供時間觸發(fā)的實時系統(tǒng)，需要在不同節(jié)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(wǎng)絡(luò)上的同步節(jié)點傳送到總線。為了支持容錯系統(tǒng)，它至少提供4個同步節(jié)點。每個節(jié)點都接收到一條同步信息，并將其時鐘與同步節(jié)點的時鐘進行比較，然后糾正其時鐘，以便與同步節(jié)點的時鐘相匹配。這是一個故障-安全系統(tǒng)，如果一個節(jié)點發(fā)生故障，不會干擾其它節(jié)點的同步。
 
　　支持高吞吐量、確定性、容錯特性的FlexRay網(wǎng)絡(luò)，可為高級電子控制的安全應(yīng)用帶來大量優(yōu)勢。FlexRay結(jié)合了這三大屬性，是其它車內(nèi)聯(lián)網(wǎng)的理想替代產(chǎn)品，它同時還能支持FlexRay聯(lián)盟計劃今后提供的應(yīng)用。例如， MOST支持高數(shù)據(jù)速率，卻是專門用來連接車內(nèi)多媒體組件的網(wǎng)絡(luò)標準，可能不適合動力總成、底盤和線控應(yīng)用。
 
　　CAN是國際標準化的串行總線系統(tǒng)，被歐洲生產(chǎn)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(shù)據(jù)速率下（500Kbps），CAN網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)共享的J1850標準。但是，在傳送信息時，CAN使用了優(yōu)先級仲裁，這就意味著，低優(yōu)先級的信息總是排在高優(yōu)先級的信息后面，因而導致延遲。只有優(yōu)先級最高的信息可以在預(yù)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(yīng)用。LIN是CAN中成本較低、速率相對較慢的子網(wǎng)絡(luò)，但不能處理線控等應(yīng)用要求的數(shù)據(jù)速率。
 
FlexRay解決方案
 　　
　　FlexRay是帶靜態(tài)和動態(tài)插槽的可擴展系統(tǒng)，程序員能夠根據(jù)應(yīng)用需求進行配置。憑借同步數(shù)據(jù)傳輸，可為可靠性要求很高的應(yīng)用提供時間觸發(fā)的通信?；赽yteflight(tm)協(xié)議的異步傳輸使所有FlexRay節(jié)點能夠使用全部帶寬，完成事件驅(qū)動的通信。Byteflight是10Mbps時間控制協(xié)議，主要用于提供汽車安全有關(guān)應(yīng)用。通過容錯同步和冗余傳輸通道，F(xiàn)lexRay擴展了Byteflight系統(tǒng)協(xié)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(chǎn)商能夠部署最符合他們需求的布線機制。此外，開發(fā)人員還可以將FlexRay系統(tǒng)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(nèi)網(wǎng)絡(luò)的骨干系統(tǒng)，連接動力總成、底盤、車身、安全和多媒體應(yīng)用（有無支持FlexRay的應(yīng)用皆可），制造商甚至還能更好地利用高帶寬的優(yōu)勢。
 
　　根據(jù)應(yīng)用的確定性和容錯要求，在每個節(jié)點內(nèi)，F(xiàn)lexRay模塊均包括實施FlexRay協(xié)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(shè)備，還包括狀態(tài)寄存器，用于讀取當前的協(xié)議狀態(tài)信息。 

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

　　- 協(xié)議狀態(tài)機-通信控制器的核心。它執(zhí)行整個協(xié)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(huán)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(shù)據(jù)幀的校驗和。 

　　- 接受和傳輸單元：每個通道一個。 

　　FlexRay聯(lián)盟的一個公開目標是“為車內(nèi)高速控制應(yīng)用開發(fā)高級通信技術(shù)，以提高安全性、可靠性和舒適度?！?[資料來源: www.flexray-group.org]。但是，眾所周知，業(yè)界高度關(guān)注線控系統(tǒng)，讓為它是FlexRay技術(shù)帶來的主要益處。目標是要減少車輛控制對液壓系統(tǒng)的依賴，最可能的應(yīng)用就是線控剎車。

FlexRay發(fā)揮作用：線控剎車
 
　　高級底盤控制是FlexRay推動新技術(shù)在新汽車設(shè)計中應(yīng)用的最好例子?，F(xiàn)在，大量車輛都采用防抱死剎車系統(tǒng)（ABS）作為標準，但是車輛穩(wěn)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(shù)的出現(xiàn)，車輛穩(wěn)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(fā)展，從而在高級車輛穩(wěn)定性控制中得到更廣泛的應(yīng)用。
 
　　線控剎車技術(shù)（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(chǎn)生制動力，制動由中心ECU控制，并由電剎車踏板模塊發(fā)出的信號執(zhí)行。FlexRay提供通信協(xié)議，支持整個系統(tǒng)的高速信息傳送。EMB卻不能提供傳統(tǒng)的液壓剎車系統(tǒng)提供的備用機械或液壓系統(tǒng)。FlexRay的容錯操作對于確保線控剎車系統(tǒng)的絕對可靠性非常重要。
 
　　FlexRay支持的線控系統(tǒng)包括用作ECU部件的車輛控制節(jié)點、每個車輪提供的單獨節(jié)點和一個剎車踏板節(jié)點。系統(tǒng)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(jié)點屬于該系統(tǒng)。從根本上說，當剎車時，電子信息便從踏板節(jié)點發(fā)送到ECU，ECU再將信息轉(zhuǎn)載到車輪節(jié)點ECM。ECM的主要功能是接收剎車踏板信號，處理并提供適當?shù)碾妷合蛄浚员汶姍C執(zhí)行器能夠完成必要的扭矩響應(yīng)。
 
　　電機執(zhí)行器將電能轉(zhuǎn)換成機械能，通過減速器裝置傳輸?shù)絼x車片上，然后剎車片將剎車壓力應(yīng)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(yīng)變得非常迅速、準確。由于每個車輪節(jié)點都是FlexRay網(wǎng)絡(luò)的獨立系統(tǒng)，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(wěn)定性控制。使用綜合感應(yīng)技術(shù)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(tǒng)將提供空前的車輛穩(wěn)定控制級別。
 
　　除了具有基于FlexRay的線控剎車的安全優(yōu)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(huán)境規(guī)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(tǒng)無縫聯(lián)網(wǎng)，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，F(xiàn)lexRay技術(shù)在生產(chǎn)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(shù)卻能幫助生產(chǎn)商節(jié)約花費在生產(chǎn)線上的時間和金錢。在線控系統(tǒng)中，制動器、控制器和連線的安裝比主汽缸、次汽缸和大量關(guān)聯(lián)管道更簡單、方便、可靠。對于生產(chǎn)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，F(xiàn)lexRay還為大量不同應(yīng)用提供一個控制協(xié)議，從而減少車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的復雜性。這樣，更多組件可以重復使用，穩(wěn)定性也有所提高，從而減少以后所需的設(shè)備開支和時間。
 
　　目前大多數(shù)汽車生產(chǎn)商都支持FlexRay協(xié)議。寶馬、戴姆勒克萊斯勒、通用和大眾都是FlexRay聯(lián)盟的核心合作伙伴。大多數(shù)高級會員都是汽車生產(chǎn)商。聯(lián)盟最重要的目標是“使FlexRay成為汽車業(yè)的實際標準”[資料來源: www.flexray-group.org]。
 
　　聯(lián)盟的目標正在快速實現(xiàn)。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(xié)議，共同分享他們的FlexRay技術(shù)，以加快支持FlexRay的半導體產(chǎn)品的面市。雙方現(xiàn)在都授權(quán)對方共享自己的FlexRay協(xié)議引擎設(shè)計，并且聯(lián)合開發(fā)可執(zhí)行的協(xié)議模型。飛思卡爾將在獨立設(shè)備中推出FlexRay協(xié)議引擎，這些獨立設(shè)備包括：16位微控制器、數(shù)字信號控制器系列、內(nèi)含PowerPC(r)核心的處理器。飛利浦有望在基于ARM(r)的整個汽車微控制器系統(tǒng)中集成FlexRay協(xié)議引擎。根據(jù)FlexRay聯(lián)盟的網(wǎng)站信息，寶馬和戴姆勒克萊斯勒有望在未來幾年內(nèi)，將 FlexRay引入他們的汽車系列中。
 
　　可以說，生產(chǎn)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(chǎn)品的開發(fā)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。
 
　　"PowerPC"名稱是IBM公司的商標，須經(jīng)許可方能使用。