汽車控制系統效能升級！FlexRay網絡標準詳解

　　自2003年組建以來，AUTOSAR（汽車開放系統架構）聯盟一直致力于改變車載網絡和電子控制單元（ECU）的設計方式。AUTOSAR提出了一個符 合業(yè)界標準的車載網絡設計方法，使行業(yè)能夠集成、交換和傳輸汽車網絡內的功能、數據和信息。這一標準極大地促進了汽車原始設備制造商（OEM）及其一級供 應商之間的合作，使他們能夠以一種一致、明確且機器可讀的格式來交換設計信息。

　　一輛汽車的不同部分對安全及性能有不同要求，而支持它們的車載網絡必須具備可預測的安全性能。隨著汽車技術的不斷演變，人們已經可以用一系列總線技術來連 接豪華汽車上最多100個不同的ECU，這些總線技術通常包括LIN、CAN、FlexRay、MOST和基于以太網的架構。如果靠手動來管理這些ECU 之間數以千計的信息和交互操作是不可能的，因此汽車設計人員必然用自動化設計和合成工具來預測網絡性能和調整車載功能。

　　汽車數據總線

　　一輛典型的現代化汽車將同時裝配各類總線和協議并從LIN、CAN、FlexRay、MOST和以太網中選擇合適的網絡。多媒體/視聽信號和汽車環(huán)繞攝像 系統需要更高的數據速率，因此汽車制造商和OEM廠商在網絡解決方案上選擇用以太網代替MOST.但對于許多標準汽車功能而言，LIN和CAN提供的帶寬 與性能就足夠了。

　　在汽車架構中，ECU組合在一起形成“集群”，這些集群通過通信“網關”相連。集群通常會共享同一類型的總線，因此要達到高可靠性、高速率的標準，就要采 用FlexRay網絡，但要求沒那么高的門鎖ECU可以由CAN或LIN來負責。ECU網關往往要連接不同類型的信號，并執(zhí)行不同總線架構之間的映射和轉 換功能。汽車行業(yè)對不斷提高安全性和ISO26262等標準的合規(guī)性提出強烈需求，進而提升了車載網絡的性能，同時也降低了制造和元件成本。不斷進步的網 絡標準可以適應越來越高的數據傳輸速率，汽車電纜也達到了安全且低成本的目標。典型汽車網絡方案的特點及應用請見表1.

　　表1：汽車網絡總線。

　　FlexRay網絡：

　　FlexRay協議比CAN更具確定性。FlexRay是一種“時間觸發(fā)”協議，它提供不同選項，讓信息可以在精確的時間框架內發(fā)送至目標地址——可精確 到1μs.FlexRay信息最多可達254個字節(jié)，因此需要在ECU之間進行交換的復雜信息的容量很大。與CAN相比，FlexRay的數據傳輸速率也 更高。由于時序是預先確定的，信息的安排需要提前規(guī)劃好，一般由汽車OEM廠商或一級供應商合作伙伴預先配置或設計。在采用CAN協議的網絡中，ECU節(jié) 點只需要知道通信時的正確波特率，但FlexRay網絡上的ECU節(jié)點在通信時必須知道網絡各個部分是如何配置和連接的。檢查和驗證FlexRay網絡的 時序比較耗時——因此，自動化的時序分析和將信息合成打包成時間幀可以減少錯誤和設計周期時間。

　　汽車通信矩陣合成

　　汽車網絡時序安排的總體定義通常存儲在作為中央網關ECU一部分的“通信矩陣”中。明導所開發(fā)的設計工具解決方案可用于自動合成這個數據庫并按正確順序將所有不同的信息打包成幀。

　　AUTOSAR信號信息組合成協議數據單元（PDU），然后這些數據單元再組合成傳輸幀。對于CAN和LIN幀而言，每個幀都有一個PDU，但一個FlexRay幀可能含有多個信號PDU.

　　在FlexRay架構中，時序是確定的，而設計人員主要面臨的不確定性就是幀打包和傳輸順序。汽車OEM廠商和設計人員要投入大量時間來測試汽車所有可能 出現的情況，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，為了確保較高的時序安全范圍，不能占用數據總線的全部容量。合成工具查 找具有相似路徑以及對于在相似的幀時間空隙中進行打包和安排有時序要求的信號，以此來優(yōu)化幀利用率。在使用明導的時序合成工具時，設計輸入將包括信號和 PDU定義、幀的優(yōu)先級和有關可行的信號路徑的具體OEM設計決策。在生成完整的時序體系時要將這些都考慮進去。

　　在安裝一個完全定義的通信體系時會面臨一個難題，即后續(xù)很難有架構上的變化，并可能需要對網絡進行全面的重新設計，但傳輸的高速和確定性等優(yōu)勢讓這種方法 對FlexRay應用形成了極大的吸引力，能夠確保汽車的對安全要求非常高的功能。用該合成工具重新建立更先進的通信體系可以縮短修復周期。

　　FlexRay已開始在單通道高速動力傳動、駕駛輔助和提高舒適程度的汽車電子應用中大展身手。在BMW X5汽車中，FlexRay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)控把這種具有容錯功能的確定性協議運用在安全駕駛功能中之前，讓工程師和開發(fā)人員有一個逐漸適應的學習過程，降低了相關風險。

　　在FlexRay應用的開發(fā)過程中，設計工程師可以通過五個基本步驟來構建一個穩(wěn)健的網絡拓樸。

　　步驟1：首先必須定義車輛底盤上節(jié)點的數量及其假定位置，然后才能確定實現無stub（一種被稱為“菊花鏈”的拓樸結構）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，其被認為可用于系列生產。

　　步驟2：一旦發(fā)現線纜長度大于10米，就應該考慮采用“主動星型”拓樸（參見圖2）。如果線纜長度超過20米，則必須引入主動星型了。最簡單的主動 星型只有兩個分支，把線束？？為兩個電氣去耦部件。因為可通過NXP的TJA1080收發(fā)器（用于BMW X5的首批同類器件）來增強主動星型，故所需收發(fā)器總數只增加了一個。