線控制動(dòng)系統(tǒng)控制器局域網(wǎng)FlexRay總線通信協(xié)議

陳廣偉　董曉丹

摘要：本文首先對(duì)FlexRay總線協(xié)議和線控制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理做了簡(jiǎn)單的介紹，然后將Flexray應(yīng)用于線控制動(dòng)系統(tǒng)。并充分利用了Flexray通信的優(yōu)勢(shì)，對(duì)線控制動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的源地址分配、輸出參數(shù)以及參數(shù)組定義等做出明確的規(guī)定，從而為Flexray總線在線控車輛領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一定的理論和實(shí)驗(yàn)方法。

關(guān)鍵詞：線控制動(dòng)；FlexRay總線；可靠性

1 前言

近年來，汽車制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展的最大熱點(diǎn)就是網(wǎng)絡(luò)化。未來的汽車制動(dòng)系統(tǒng)必定向無機(jī)械傳動(dòng)和液壓裝置的線控制動(dòng)系統(tǒng)（Brake-By-Wire，簡(jiǎn)稱BBW）轉(zhuǎn)變。由于線控制動(dòng)系統(tǒng)是一種安全關(guān)鍵性分布式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，勢(shì)必對(duì)系統(tǒng)總線也有更高的要求。原有的基于事件觸發(fā)的CAN總線已無法滿足要求，由FlexRay聯(lián)盟提出的用于線控技術(shù)的c類網(wǎng)絡(luò)FlexRay能有效的保證線控系統(tǒng)的安全性和可靠性，并且FlcxRay將逐漸取代CAN而成為未來車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的骨干。本文首先對(duì)FlexRay協(xié)議和線控制動(dòng)系統(tǒng)組成及工作原理做了簡(jiǎn)單的介紹，對(duì)線控制動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的源地址分配、輸出參數(shù)以及參數(shù)組定義等做出明確的規(guī)定。

2 BBW制動(dòng)系統(tǒng)

2.1 BBW系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

BBW系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理、基本結(jié)構(gòu)如圖1所示：主要由六個(gè)部分組成：踏板模塊（包括位移傳感器和力傳感器）、傳感器組（包括車輪轉(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器、側(cè)滑率和橫向減速度傳感器）、電子控制模塊ECU（主控節(jié)點(diǎn)）、四個(gè)獨(dú)立的車輪制動(dòng)模塊ECM（制動(dòng)節(jié)點(diǎn)）、電源模塊和通信網(wǎng)絡(luò)組成。

工作原理如下：剎車時(shí)，電子信息從踏板節(jié)點(diǎn)發(fā)送到中心控制器ECU，結(jié)合其它傳感器信號(hào)ECU計(jì)算出最佳剎車力發(fā)送到車輪電控模塊ECM，ECM接收到剎車踏板信號(hào)進(jìn)行處理使之成為電壓信號(hào)，從而使電機(jī)執(zhí)行器能完成必要的扭矩響應(yīng)。電機(jī)執(zhí)行器將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，通過減速器裝置傳輸?shù)絼x車片上，剎車片再將剎車壓力應(yīng)用到剎車碟，從而完成了整個(gè)制動(dòng)過程。

2.2 整車網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方式

線控制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相比傳統(tǒng)汽車增加了電池模塊等輔助設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析，理想的基于FlexRay協(xié)議的BBW系統(tǒng)的雙冗余容錯(cuò)線控制動(dòng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖2所示。該結(jié)構(gòu)對(duì)于汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全具有重要的影響，1、2、3、4分別為四個(gè)車輪制動(dòng)節(jié)點(diǎn)，它們各自連接到5和6兩個(gè)主控節(jié)點(diǎn)上以及7和8兩個(gè)電源管理節(jié)點(diǎn)上，電源節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)向其他節(jié)點(diǎn)供電。這種雙冗余容錯(cuò)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：如果主控節(jié)點(diǎn)（5）出現(xiàn)故障，在應(yīng)用軟件中采取相應(yīng)的措施后，系統(tǒng)在另一個(gè)主控單元（6）的作用下可以繼續(xù)運(yùn)行。從而達(dá)到容錯(cuò)的目的。

3 制定FlexRay總線協(xié)議的基本原則

FlexRay是寶馬、戴姆勒克萊斯勒、飛利浦和摩托羅拉等公司制定的功能強(qiáng)大的通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，具有支持高吞吐量、確定性、容錯(cuò)性三大特性，同時(shí)支持事件觸發(fā)與時(shí)間觸發(fā)通信。FlexRay的結(jié)構(gòu)分為物理層，傳輸層，表示層和應(yīng)用層。FlexRay總線的定義只是定義了總線上傳送的幀規(guī)范，具體每一幀代表的內(nèi)容要通過應(yīng)用層來確定。FlexRay的應(yīng)用層作為FlexRay網(wǎng)絡(luò)的最高層，應(yīng)用層協(xié)議在FlexRay規(guī)范中沒有定義，但很多組織針對(duì)不同的應(yīng)用制定了適用于不同領(lǐng)域的應(yīng)用層協(xié)議。其中比較著名的有美國(guó)汽車工程協(xié)會(huì)（SAE）制定的通信規(guī)范J1939。

參照SAEJ1939協(xié)議可以制定適應(yīng)于BBW系統(tǒng)的FlexRay應(yīng)用層協(xié)議。該協(xié)議通過對(duì)標(biāo)識(shí)符不同位的定義，定義了傳送數(shù)據(jù)的性質(zhì)、數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)的意義、數(shù)據(jù)的種類、傳送周期等，通過該協(xié)議使得總線汽車制動(dòng)系統(tǒng)能夠在該協(xié)議形成有效的數(shù)據(jù)傳送，使得FlexRay總線通信在BBW系統(tǒng)的應(yīng)用成為可能。

4 基于FlexRay協(xié)議的BBW系統(tǒng)的通信協(xié)議的定制

4.1 BBW系統(tǒng)FlexRay總線應(yīng)用層協(xié)議

本系統(tǒng)中，我們采用8節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，分別為兩個(gè)主節(jié)點(diǎn)（主控節(jié)點(diǎn)）、從節(jié)點(diǎn)（四個(gè)車輪制動(dòng)節(jié)點(diǎn)）和兩個(gè)電源管理節(jié)點(diǎn)。各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送接收數(shù)據(jù)各有不同。在進(jìn)行定義之前，首先應(yīng)該對(duì)所傳輸?shù)拿總€(gè)參數(shù)確定數(shù)據(jù)類型，數(shù)據(jù)的類型可以是響應(yīng)類型、控制控制類型或者數(shù)據(jù)類型。

表1列出了兩種類型節(jié)點(diǎn)的接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)表。

4.2 FlexRay總線應(yīng)用層對(duì)標(biāo)識(shí)符設(shè)定

由于本系統(tǒng)采用的是FlexRay總線將BBW系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)連接起來，F(xiàn)lexRay總線上的數(shù)據(jù)通過靜態(tài)固定時(shí)隙分配或者動(dòng)態(tài)最小時(shí)間片分配獲得總線占有權(quán)，進(jìn)而在總線上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。而時(shí)隙分配是由每個(gè)數(shù)據(jù)幀的標(biāo)識(shí)符所決定，本設(shè)計(jì)中應(yīng)用的是FlexRay總線標(biāo)準(zhǔn)，具有11位標(biāo)識(shí)符。我們通過標(biāo)識(shí)符中特定的位表示數(shù)據(jù)的不同功能，使得數(shù)據(jù)能夠及時(shí)、準(zhǔn)確的進(jìn)行發(fā)送。如表2所示。

在表2中前2位（ID10和ID9）定義了三種不同的數(shù)據(jù)類型，傳輸時(shí)將按照FlexRay協(xié)議中事先規(guī)定的固定時(shí)隙進(jìn)行傳輸。傳輸?shù)男畔?yīng)根據(jù)優(yōu)先級(jí)分配時(shí)隙，見表3所示。

下面將對(duì)標(biāo)識(shí)符中數(shù)據(jù)任務(wù)屬性（ID10、ID9、ID8）的3個(gè)代表不同意義的數(shù)據(jù)段進(jìn)行說明。數(shù)據(jù)的任務(wù)屬性指的是在同一個(gè)數(shù)據(jù)類型中不同的數(shù)據(jù)幀的表示，如輪速數(shù)據(jù)和踏板數(shù)據(jù)就是數(shù)據(jù)類型中的不同的數(shù)據(jù)任務(wù)屬性。本系統(tǒng)將要傳送的數(shù)據(jù)幀類型分為三種不同的類型分別為響應(yīng)類型、控制類型和數(shù)據(jù)類型。本設(shè)計(jì)中利用ID8、ID7、ID6三位定義BBW系統(tǒng)中的傳遞數(shù)據(jù)類型，這三位通過固定的時(shí)隙分配參與總線仲裁，保證系統(tǒng)重要信息的發(fā)送。如表4、5、6所示。

（3）目的地址（ID5、ID4、ID3、ID2）表示在整個(gè)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)具體被分配在總線的哪個(gè)時(shí)隙中。即該幀發(fā)送的目的節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中的地址代碼。我們給系統(tǒng)中所有的節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)唯一的地址?，F(xiàn)將各個(gè)節(jié)點(diǎn)的地址列表如表7所示。

（4）保留位（ID0、ID0）用來擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符的未來的功能。

4.3 FlexRay總線應(yīng)用層對(duì)數(shù)據(jù)的設(shè)定

FlexRay協(xié)議首先應(yīng)對(duì)三種數(shù)據(jù)信息的參數(shù)位數(shù)進(jìn)行確定，根據(jù)SAE193971，可以對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)參數(shù)位數(shù)進(jìn)行定義，然后根據(jù)參數(shù)位數(shù)確定靜態(tài)部分的宏節(jié)拍和動(dòng)態(tài)部分的最小時(shí)間片長(zhǎng)度。主控節(jié)點(diǎn)的輸入/輸出信號(hào)列表如表8所示。

數(shù)據(jù)類型包括BBW系統(tǒng)需要的制動(dòng)輪速信息、踏板位置和力信息輸出給四個(gè)制動(dòng)節(jié)點(diǎn)的制動(dòng)力信號(hào)；控制類型數(shù)據(jù)指主控節(jié)點(diǎn)向各類傳感器采集相關(guān)傳感器信號(hào)以及向四個(gè)車輪制動(dòng)節(jié)點(diǎn)下達(dá)制動(dòng)命令；響應(yīng)類型指的是每個(gè)單元為了主控節(jié)點(diǎn)能夠及時(shí)掌握系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，收集各個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)信息，確保駕駛員能夠隨時(shí)掌握車輛的運(yùn)行狀態(tài)，避免事故發(fā)生，便于對(duì)車輛進(jìn)行檢修。表9、10、11中列出了三種類型幀的參數(shù)位數(shù)。

5 結(jié)論

本文首先對(duì)線控制動(dòng)系統(tǒng)作了簡(jiǎn)要介紹，并且針對(duì)該系統(tǒng)制訂了Flexray總線應(yīng)用層協(xié)議。線控制動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)全新的系統(tǒng)，未來它將整合ABS、車輛行駛穩(wěn)定性、自動(dòng)制動(dòng)、制動(dòng)助力、牽引力控制等功能于一體成為新一代智能制動(dòng)控制系統(tǒng)。同時(shí)FlexRay良好的性能必將使其成為汽車制動(dòng)系統(tǒng)上新的標(biāo)準(zhǔn)。隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，未來汽車將會(huì)引進(jìn)更多的線控技術(shù)，如線控油門、線控懸吊、線控?fù)Q擋等技術(shù)。FlexRay無疑最終將成為汽車的主要控制構(gòu)架以及把所有汽車總線匯集在一起的主要方式。本文利用FlexRay總線協(xié)議的相關(guān)設(shè)計(jì)，為今后實(shí)現(xiàn)低成本、低功耗、易于實(shí)施的汽車安全系統(tǒng)開拓了一個(gè)新的思路。