2010年款?yuàn)W迪A8中的FlexRay總線系統(tǒng)

劉春暉，張 文

（山東華宇職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 德州 253034）

1 FlexRay總線的特征和基本原理

2010年款?yuàn)W迪A8由奧迪公司位于巴登符騰堡州的內(nèi)卡蘇姆工廠生產(chǎn)，于2010年10月上市，其采用了一個(gè)新的總線系統(tǒng)，即FlexRay總線。FlexRay代表的含義:Flex的德語(yǔ)意義為Flexibilit?t（靈活），Ray的德文意義為Rochen（FlexRay聯(lián)盟標(biāo)志中的鰩魚），其標(biāo)志如圖1所示。采用FlexRay總線是為了滿足將來(lái)對(duì)汽車控制單元聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)更高的要求，特別是為了實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸率、更強(qiáng)的實(shí)時(shí)控制和更高的容錯(cuò)運(yùn)算。使用FlexRay總線之后才可以實(shí)現(xiàn)駕駛動(dòng)態(tài)控制、車距控制ACC（Adaptive Cruise Control，自適應(yīng)雷達(dá)巡航控制系統(tǒng)）和圖像處理功能。

1.1 FlexRay總線特征

2010年款?yuàn)W迪A8的FlexRay總線具有如下特征:①雙絞線總線；②數(shù)據(jù)傳輸率:最快10 Mb／s；③傳輸3種信號(hào)狀態(tài):空閑、Data0、Data1；④主動(dòng)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；⑤實(shí)時(shí)控制；⑥實(shí)現(xiàn)分布式控制和與安全相關(guān)系統(tǒng)的使用。

1.2 FlexRay總線的基本原理

FlexRay總線的基本工作方式與使用至今的數(shù)據(jù)總線系統(tǒng) （CAN總線、LIN總線和MOST總線）不同。FlexRay總線的基本工作方式用索道做比喻就很恰當(dāng):索道的站點(diǎn)就像總線用戶，即信息發(fā)送和接收器 （控制單元）；索道的吊車就像數(shù)據(jù)幀，而乘客就是信息。

總線用戶通過FlexRay總線發(fā)送信息的時(shí)間點(diǎn)可以精準(zhǔn)地確定，發(fā)出信息到達(dá)接收器的時(shí)間也可以精確地識(shí)別，這就與索道既定不變的時(shí)刻表相同。

即使總線用戶不發(fā)送任何信息，也為它預(yù)留一定的帶寬，就像索道上，無(wú)論是否有乘客，索道都在運(yùn)行。所以，不需要像在CAN總線上那樣設(shè)定信息的優(yōu)先級(jí)。奧迪將空吊車情況視作信息發(fā)送器發(fā)生故障，也就是說，控制單元總是發(fā)送信息，但用Update Bit標(biāo)記新內(nèi)容。如果沒有可以使用的新數(shù)據(jù)，則再次發(fā)送舊數(shù)據(jù)。CAN總線與FlexRay總線的異同如表1所示。

表1 CAN總線與FlexRay總線的異同

2 FlexRay總線協(xié)議

在FlexRay總線上，信息通過通信周期（Communication Cycles）傳輸。通信周期不斷循環(huán)，也就是說，接連不斷。一個(gè)通信周期持續(xù)5ms，由靜態(tài)段、動(dòng)態(tài)段、網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間 （空載）3部分組成。

1）靜態(tài)段 靜態(tài)段在總線用戶之間傳遞信息。為了傳輸數(shù)據(jù)，靜態(tài)段被分為62個(gè)時(shí)隙，即時(shí)間槽，如圖2所示。一個(gè)靜態(tài)時(shí)隙只能發(fā)送到一個(gè)特定的總線用戶中，但是，所有總線用戶可以接收所有靜態(tài)時(shí)隙，也包括那些與它沒有確定關(guān)系的時(shí)隙。

所有靜態(tài)時(shí)隙的長(zhǎng)度都相等，都是42字節(jié)，時(shí)隙的順序固定不變。在接連不斷的通信周期中，各個(gè)靜態(tài)段傳輸不同內(nèi)容的信息。一般無(wú)論所有時(shí)隙是否都承載信息，整個(gè)時(shí)隙結(jié)構(gòu)都會(huì)被傳輸。在奧迪車上，總線用戶還會(huì)持續(xù)發(fā)送 “Update Bit”。

2）動(dòng)態(tài)段 動(dòng)態(tài)段被分成若干最小時(shí)隙 （Minislot），所有總線用戶都會(huì)接收動(dòng)態(tài)段。動(dòng)態(tài)段是通信周期中為了能夠傳輸事件觸發(fā)的數(shù)據(jù)而預(yù)留的位置，F(xiàn)lexRay總線的動(dòng)態(tài)段如圖3所示。

3）網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間 網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間就是網(wǎng)絡(luò)靜止時(shí)間，如圖4所示。在這段時(shí)間內(nèi)，F(xiàn)lexRay總線上沒有信息在傳輸。數(shù)據(jù)總線診斷接口J533需要這段時(shí)間同步FlexRay總線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程。所有總線用戶利用網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間使內(nèi)部時(shí)鐘與全球時(shí)基同步。

3 FlexRay總線的結(jié)構(gòu)

FlexRay總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。FlexRay總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的主動(dòng)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) （支路3）和總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) （支路1、2和4）。數(shù)據(jù)總線診斷接口J533用作控制器，上面有4個(gè)支路 （支線）接口。其它總線用戶圍繞著數(shù)據(jù)總線診斷接口J533分布在若干支路上。

在2010年款?yuàn)W迪A8中，每條支路上最多連接2個(gè)控制單元。其中主動(dòng)星型連接器以及支路上的末端控制單元終接低電阻 （內(nèi)電阻較低），而中間控制單元?jiǎng)t終接高電阻 （內(nèi)電阻較高）。

一條FlexRay支路上的中間控制單元通過4個(gè)芯腳與FlexRay總線連接，其中2個(gè)用來(lái)將總線信號(hào)轉(zhuǎn)送給下一個(gè)控制單元；另外2個(gè)用于直接與FlexRay總線通信。節(jié)點(diǎn)控制單元，例如ABS控制單元J104（圖6）只有2個(gè)芯腳。

4 功能流程

4.1 喚醒

如果FlexRay總線處于休眠模式，系統(tǒng)會(huì)先通過喚醒過程使FlexRay變成待機(jī)模式。即使激活所有接線端30的用戶，F(xiàn)lexRay總線也無(wú)法主動(dòng)進(jìn)行通信。

4.2 啟動(dòng)階段

啟動(dòng)后，F(xiàn)lexRay總線才有真正的通信。啟動(dòng)，指的就是網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)，只能由冷態(tài)啟動(dòng)控制單元完成。第1個(gè)向FlexRay總線發(fā)送信息的冷態(tài)啟動(dòng)控制單元開始啟動(dòng)過程。冷態(tài)啟動(dòng)和同步控制單元將會(huì)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，并建立同步。冷態(tài)啟動(dòng)和同步控制單元有:數(shù)據(jù)總線診斷接口J533、ABS控制單元J104、電子傳感器控制單元J849。

然而，非冷態(tài)啟動(dòng)控制單元?jiǎng)t不會(huì)啟動(dòng)FlexRay總線，對(duì)建立同步也沒有幫助。只有當(dāng)2個(gè)以上其它總線用戶在FlexRay總線上發(fā)送信息后，非冷態(tài)啟動(dòng)控制單元才可以發(fā)送信息。非冷態(tài)啟動(dòng)控制單元有:車距控制裝置控制單元J428、車距控制裝置控制單元2 J850、圖像處理控制單元J851、四輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制單元J492、水平高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制單元J197（圖7，無(wú)法啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，但是對(duì)同步有幫助）。

4.3 信號(hào)狀態(tài)

FlexRay總線的2條導(dǎo)線分別是Busplus和Busminus。2條導(dǎo)線上的電平在最低值1.5V和最高值3.5V之間變換，如圖8所示。FlexRay的信號(hào)狀態(tài)有3種:①空閑——兩導(dǎo)線的電平都為2.5V；②Data0——Busplus上低電平，Busminus上高電平；③Data1——Busplus上高電平，Busminus上低電平。

一個(gè)比特占100ns帶寬，傳輸時(shí)間與導(dǎo)線長(zhǎng)度以及總線驅(qū)動(dòng)器的傳輸用時(shí)有關(guān)。信號(hào)差別傳輸，也就是說，需要2條導(dǎo)線。接收器通過2個(gè)信號(hào)的差別確定本來(lái)的比特狀態(tài)，典型的數(shù)值是1.8～2.0V的壓差。發(fā)送器附近必須至少有1200mV的壓差；接收器處的直接最小壓差為800mV。如果在640～2660μs之內(nèi)，總線上沒有變化，F(xiàn)lexRay總線自動(dòng)進(jìn)入休眠模式 （空閑）。

5 FlexRay總線診斷

數(shù)據(jù)總線診斷接口J533識(shí)別到網(wǎng)絡(luò)中的故障，并使沒有故障的區(qū)域可以繼續(xù)工作。故障可能僅出現(xiàn)在某一部分網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，但是也有可能涉及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

下述FlexRay總線故障可以用車輛診斷測(cè)試儀（圖9）診斷 （地址碼19——數(shù)據(jù)總線診斷接口）:①控制單元——無(wú)通信；②FlexRay數(shù)據(jù)總線損壞；③FlexRay數(shù)據(jù)總線初始化失?。虎蹻lexRay數(shù)據(jù)總線信號(hào)出錯(cuò)。出現(xiàn)故障時(shí)FlexRay總線的表現(xiàn)如下。

1）一條導(dǎo)線搭鐵短路數(shù)據(jù)總線診斷接口J533識(shí)別到一個(gè)持續(xù)不變的壓差，相關(guān)的總線支路關(guān)閉，直到再次空閑，也就是說，識(shí)別到休眠模式的電平。

2）2條導(dǎo)線相互短路數(shù)據(jù)總線診斷接口J533識(shí)別到空閑電壓持久不變，該總線支路上再也無(wú)法發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

3）控制單元持續(xù)發(fā)送空閑 數(shù)據(jù)總線診斷接口J533識(shí)別到總線支路空閑，并關(guān)閉總線支路。

［1］一汽大眾有限公司.Audi A8L—電路和網(wǎng)絡(luò)［Z］.

［2］一汽大眾有限公司.10款?yuàn)W迪A8車載電網(wǎng)和聯(lián)網(wǎng)［Z］.