一种新的车内网FlexRay

摘要： 当前汽车内一般使用CAN网。由于车内电子设备愈来愈多，以及自动驾驶的发展，CAN已满足不了需要。一些大的汽车企业共同开发了一种新的FlexRay网。本文概要地介绍了FlexRay的特点及应用开发情况。 关键词：网络 车内网 FlexRay A New In-Vehicle Network——FlexRay Lin Junxiong Abstract： At present, CAN Network is generally used by vehicle developers. With the increasing number of electronic equipment in vehicle and the development of auto driver, CAN network can no longer meet the requirement. Some manufacturers are now developing a new Flex Ray network. This paper briefly introduced the characteristic of FlexRay and its application. Keywords： network, invehicle network, FlexRay. 1 一般情况 当前，在汽车内一般使用的是CAN(Controller Area Network)车内网，使连在网上的一些器件和另一些器件互相通信，共同工作。例如，驱动轮打滑时，要求一些器件之间互相通信，使力矩减小；用CAN将各种传感器的信息传送到仪表盘上的速度表、转速表、温度表、油表上。除此以外，调节车内环境以增加乘车人员的舒适度也使用CAN，例如空调、照明、后视镜控制等。除了CAN网以外，许多车辆还使用一些子网控制车内设备，例如坐椅的调节，多媒体设备的调节，包括DVD、喇叭等。这些子网作为一个单一的部件，通过网关与主CAN相连。 现在汽车的发展趋势是自动化程度越来越高，使汽车更安全、可靠、舒适，在车内使用更多的传感器、传动装置、电子控制单元，所产生的信息和控制命令，许多要求现有的通信总线完成不了。例如，与安全有关的信息传递要求绝对的实时，这类高优先级的信息必须在指定的时间内传输到位。例如刹车，从刹车踏板踩下到刹车起作用的信息传递绝对重要，要求立即正确地传送，不能有任何不确定因素。这类与安全有关的系统还要绝对可靠，即抗故障能力要高。如果通信总线中某一根线松掉或短路，数据可以从另一路径送达目的地。车内电气电子设备的增加，使通信总线传输的数据量增加很大，要求通信总线有较高的带宽和数据传输率。数据传输率要远大于1Mb/s。 考虑到当前的通信总线不能满足即将到来的车内通信要求，BMW和达姆勒克莱斯勒连同飞利普、摩托罗拉半导体产品部门一起，于2000年组成FlexRay协会，现在还包括一些最大的有影响的汽车公司，如通用、福特，Bosch等。该协会现有100多个成员，包括汽车制造商、用于汽车工业的系统供应商、半导体制造商、以及通信技术专家等。该协会的活动中心是共同制定一个新的总线系统标准，以满足日益增长的汽车控制需求。它的数据传输率要高，信息传递确定，能够克服故障的发生。该协会于2004年夏天制定了FlexRay通信系统规范第2.0版（FlexRay Communication System Specifications Version 2.0）供一般公众使用。 2 FlexRay的一些特点 2.1数据传输率及结构 最大数据传输率为10Mb/s，还可更高一些。 FlexRay网的结构可以有四种形式，即总线式、星形网、星形总线混合式及多个星形串接式。 2.2故障耐受能力 一个有故障耐受能力的系统必须保证网上成员不能将系统阻断。网络上的物理故障，例如短路，可以将出问题的网络分支封闭。故障的封闭由独立事件控制。FlexRay提供一个可供选择的监视器叫Bus Guardian，可以根据需要将通信控制器与网络断开。 2.3确定的通信方式 当前的车内网交换信息采用异步通信方式。现有的通信协议都是基于事件的，当总线上的数据量增加时，故障响应急剧降低。 在定时触发网络系统中，例如FlexRay，任何网络活动都安排在指定的时间片内，在安排好以后，就不能改变。因此，FlexRay永远不会出现信息流过载。 2.4时间同步 整个网络有一个总体时钟，每一个控制单元有一个局部时钟，FlexRay系统有一个特定的控制算法，使网络中每一单个节点的局部时钟与总体时钟同步，利用偏移修正和时间修正这两种方法与总体时钟同步。 2.5组态同步和异步传输 通信周期是FlexRay中的基本通信单元，通信单元定义的时间窗由必备的固定时间段和可选的动态时间段组成。在网络组态时，每一时间段的长度就已确定。 固定时间段用来安排时间同步信息，用作同步通信。固定时间段传送的信息在通信开始时必须组态好，传输数据的最大量不能超过固定段的长度。 通信周期中的动态时间段用作事件信息通信，它可以在运行时出现，要求带宽可变。在动态时间段中，器件利用优先级竞争带宽，优先级在信息帧的ID中给出。这一部分的通信模式和CAN总线类似。 2.6帧格式 FlexRay帧分成三段，即头段、负载段、尾段。 2.6.1头段 头段中包括四部分，即帧ID（11位）、负载段长度指示（7位）、头部CRC（11位）、周期计数（6位）。帧ID中用来识别该帧和该帧在事件触发帧中的优先级。负载段长度指示标注一帧中能传送的字数。头部CRC检测传输中的错误。周期计数有一个计数器，每一通信周期开始时，该计数器增1。在帧ID之前还有5位，第1位是保留位，第2位是负载段前言指示，第3位是0帧指示，第4位是同步帧，第5位是起始帧指示。 2.6.2负载段 负载段是该帧用来传送数据的部分。FlexRay负载段的长度可达127个字（254字节），比CAN大30倍，其长度可变，从0到254字节，在头部的负载段指示中标出。 2.6.3尾段 尾段为3个8位的CRC，用以检测错误。 一帧的长度为［5+（0……254）+3］字节。 3 FlexRay应用开发现状 虽然FlexRay协议是供一般公众使用的，但已开始作为未来车内网事实上的标准，FlexRay产品及其应用工具已开始进入汽车工业。 FreeScale Semiconductor是第一个向市场提供芯片的公司，该公司于2002年就着手开发FlexRay控制器，它的MFR 4200 FlexRay Controller现在开始投产。预计使用FlexRay的汽车在2006年可进入市场。 像FlexRay这样比较复杂的网络系统需要一些工具软件供工程师开发网络应用。目前已经有一些工具软件可供使用，但只有少数提供友好的用户界面。这些工具用来生成控制器主界面的组态文件，这些文件必须在一开始就加载到FlexRay控制器中。FlexRay是TZMikroelektronik(TZM)公司提供的一个FlexRay网络通用组态工具包，用户可以用它来生成每一节点的所有组态文件。TZM还提供一种Flex Card，可插入笔记本电脑和台式电脑中，使用的是PCMCIA接口，可监视网络。FlexCard可以使硬件开发人员与FlexRay网络联系，卡上有16MB的缓冲存贮器，可暂时存储输入数据，若PC端的连接被暂时阻断,也不会导致数据丢失。此外，卡中还集成有两个通道用的物理层，这样做有很大的好处，不必将连到物理层的大量导线引到外面去，因而接口的责任大大减轻。 美国国家仪器公司还为FlexRay总线提供了一个LabVIEW编程工具，FlexRay库，用以测试FlexRay通信网上的器件。可免费下载的FlexRay库有28个虚拟仪器（VI）功能快，是按FlexRay协议设计的。大多数FlexRay应用软件的流程由4个子VI组成，即Flex Initialije.vi，Flex Read Data.vi，Flex Get Data.vi和Flex Terminate vi。Flex Initialije vi打开、组态、启动一个FlexRay通道；Flex Read Data.vi从FlexRay通道上读取总线数据，并将其写入内部读缓冲存贮器中；Flex Get Data.vi检查内部缓冲存贮器的数据，并将它转换为浮点数，作为结果，VI返回这些浮点数；Flex Terminate.vi终止并关闭该FlexRay通道的通信。 4 小结 装备FlexRay网的汽车预计要到2006年才会在市场上出现。FlexRay的性能远远超过CAN，它的数据传输率高达10Mb/s，支持同步传输和异步传输，按事先安排好的时间片传输数据，不需要仲裁，有多种拓朴结构，在节点间灵活分配带宽，还有可选的网络监视器使网络工作更有效。最重要的是它有故障耐受能力，提供确定的通信方式。这两点对未来的自动驾驶中的安全十分重要。要使FlexRay能够成功地被采用，还需要有效的开发工具和高质量的集成电路。