基于FlexRay總線的汽車線控制動(dòng)系統(tǒng)仿真研究

劉杰

摘要：隨著現(xiàn)代化的電子科技技術(shù)的提升，汽車電子系統(tǒng)的不斷地集成化，對(duì)于車內(nèi)的互聯(lián)網(wǎng)要求愈加的高，為了實(shí)現(xiàn)汽車的電子化，業(yè)內(nèi)眾多專家對(duì)線控制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究。而這一電子手段即X-By-Wire，如線控轉(zhuǎn)向（Steering-By-Wire）、線控制動(dòng)，這些都對(duì)信息的實(shí)時(shí)性有著很高的要求，并且隨著消費(fèi)者生活水平的提高，不僅對(duì)汽車的性能有了更好的要求，對(duì)舒適性也提出了相應(yīng)的要求。本文討論了基于FlexRay總線的線控制動(dòng)系統(tǒng)仿真研究進(jìn)行討論。

關(guān)鍵詞：FlexRay;汽車線控制動(dòng)系統(tǒng);汽車電子技術(shù)

中圖分類號(hào)：TM92? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）10-0205-02

1? 背景

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，汽車運(yùn)輸設(shè)備不僅收集和控制信息，而且還處理語(yǔ)音和圖像、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)駕駛。因此，在技術(shù)上對(duì)于汽車行駛網(wǎng)絡(luò)的需求越來(lái)越大，所以現(xiàn)在推出了對(duì)于汽車線控制動(dòng)系統(tǒng)的研究。最早的時(shí)候，線控技術(shù)主要應(yīng)用于航空領(lǐng)域，即飛機(jī)的自動(dòng)飛行，一開始還沒有人想過汽車的自動(dòng)駕駛技術(shù)，覺得很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榈厣系慕煌ㄇ闆r可比天上的復(fù)雜得多，地面上的汽車的數(shù)量眾多，并且還有行人、紅綠燈等各種各樣的因素，需要考慮的因素很多，內(nèi)里的技術(shù)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。然而隨著科技的進(jìn)步，汽車的線控制動(dòng)系統(tǒng)的研究逐漸步入正軌。FlexRay技術(shù)的誕生得益于此，下文主要展開對(duì)此技術(shù)的介紹以及特點(diǎn)應(yīng)用等分析。

2? FlexRay通訊特點(diǎn)及拓?fù)?/p>

FlexRay是單詞Flex（靈活）以及Ray（鰩魚）的組合，F(xiàn)lexRay技術(shù)的誕生順應(yīng)了時(shí)代的發(fā)展，滿足了未來(lái)對(duì)于車內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)的更高的要求，為車內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)提供了更高的數(shù)據(jù)傳輸率，并且有實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)功能，還可以確保車內(nèi)人員的安全，安全性能極高。

2.1 FlexRay通訊特點(diǎn)

FlexRay和CAN同為串行通信總線。

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：CAN總線一般為線型結(jié)構(gòu)，所有節(jié)點(diǎn)并聯(lián)在總線上。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)損壞時(shí)，其他節(jié)點(diǎn)依然能正常工作。但當(dāng)總線一處出現(xiàn)短路時(shí)，整個(gè)總線便無(wú)法工作。

FlexRay總線是TDMA類型的，跟CAN總線的仲裁機(jī)制不一樣：①CAN總線上任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)在下一時(shí)刻都可能會(huì)發(fā)送message到總線上，此時(shí)會(huì)沖突，為了解決沖突，CAN總線使用仲裁機(jī)制，哪個(gè)節(jié)點(diǎn)的ID小，哪個(gè)節(jié)點(diǎn)使用總線。②FlexRay總線是一種分時(shí)系統(tǒng)。有兩種發(fā)送方式：1）靜態(tài)：TDMA（time division multiple access），是分給各個(gè)節(jié)點(diǎn)一個(gè)或者多個(gè)時(shí)間槽，各個(gè)節(jié)點(diǎn)只有在自己的時(shí)間槽內(nèi)才能傳輸message，也就是說時(shí)間槽和節(jié)點(diǎn)的ID是對(duì)應(yīng)的，通過時(shí)間槽確定是哪個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的message;2）動(dòng)態(tài)：FTDMA，總線上有小的時(shí)間槽，如果小時(shí)間槽計(jì)數(shù)器與ID的一致則節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送message，之后小時(shí)間槽計(jì)數(shù)器+1;總線空閑的話，小時(shí)間槽計(jì)數(shù)器也會(huì)+1。這樣就保證各個(gè)節(jié)點(diǎn)都有機(jī)會(huì)發(fā)送message。也就是說小時(shí)間槽計(jì)數(shù)器和節(jié)點(diǎn)message的ID一致，這樣可以確定是哪個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的message。

相較于之前的系統(tǒng)，F(xiàn)lexRay的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，有線型、星型和混合型三大類，既可以像CAN總線一樣使用線型結(jié)構(gòu)，也可以使用星型結(jié)構(gòu)，具有良好的容錯(cuò)性，即與CAN不同的是，即使一個(gè)節(jié)點(diǎn)損毀了，根據(jù)FlexRay的通訊特點(diǎn)以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其他節(jié)點(diǎn)依然能正常運(yùn)行，中心點(diǎn)可以斷開與損毀節(jié)點(diǎn)的鏈接，中心節(jié)點(diǎn)毀壞時(shí)，又可以實(shí)用星型結(jié)構(gòu)，然后再結(jié)合單通道和雙通道的使用，最終的使用方法有很多種。

FlexRay總線是串行通信總線，是一種功能強(qiáng)大的靈活網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。FlexRay傳輸層協(xié)議與CAN的略有不同，有無(wú)ACK應(yīng)答都可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，而且在不知道消息長(zhǎng)度的情況下也可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，較CAN的傳輸層協(xié)議來(lái)說相比更加靈活，數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰σ哺欤号cCAN總線相比，F(xiàn)lexRay的帶寬可增加10～40倍。

通過時(shí)分多址（TDMA）的FlexRay接入網(wǎng)絡(luò)，將通信過程分為時(shí)間間隔，控制器根據(jù)需要在每個(gè)時(shí)間間隔訪問網(wǎng)絡(luò)。靜態(tài)網(wǎng)段和網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間必須存在，而動(dòng)態(tài)網(wǎng)段僅在需要時(shí)才發(fā)送。FlexRay基于時(shí)鐘同步訪問總線介質(zhì)。它使用分布式塢站同步技術(shù)，總線上的所有節(jié)點(diǎn)都通過使用時(shí)鐘同步算法使節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘與系統(tǒng)的總時(shí)鐘同步。FlexRay通信周期的信息幀包括標(biāo)題段，有效負(fù)載段和尾部段。節(jié)點(diǎn)應(yīng)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸幀，以使標(biāo)題段首先出現(xiàn)，然后是有效載荷段，然后是尾部段，最后是尾部段，最后在各個(gè)段內(nèi)傳輸，節(jié)點(diǎn)應(yīng)按順序發(fā)送字段FlexRay標(biāo)頭段由5個(gè)字節(jié)組成，這些字節(jié)包含保留字節(jié)，有效載荷前導(dǎo)指示符，空幀指示符，同步幀指示符，啟動(dòng)幀指示符，幀ID，有效載荷長(zhǎng)度，標(biāo)頭CRC，以及周期計(jì)數(shù)。

2.2 FlexRay的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)

FlexRay網(wǎng)絡(luò)的功能節(jié)點(diǎn)由微機(jī)總線驅(qū)動(dòng)單元，通信控制器和電源組成，微機(jī)是功能節(jié)點(diǎn)的主控制器。微機(jī)連接通訊控制器實(shí)現(xiàn)通訊?？偩€驅(qū)動(dòng)邏輯可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳送和總線的接收。

SAK-CIC310總線控制器由IN-FINEON Corporation制造。它與外部設(shè)備有多種連接方式，并行方式的數(shù)據(jù)傳輸速率更高，可以滿足復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)對(duì)快速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的需求。 SAK-CIC310可以通過三種接口方法與CPU轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，包括微鏈接接口（MLI）方法，同步串行通道（ssc）和外部存儲(chǔ)器接口單元（XMU）。XMU方法采用并行方式與CPU連接，具有較高的數(shù)據(jù)傳輸率。FlexRay節(jié)點(diǎn)與CPU的硬件連接采用XMU方法，以DSP Tms320C6211作為CPU。

2.3 FlexRay網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與優(yōu)化

設(shè)計(jì)FlexRay網(wǎng)絡(luò)的方法有多種，可以將其配置為單通道或雙通道總線網(wǎng)絡(luò)，單通道或雙通道星形網(wǎng)絡(luò)，或總線和星形的各種混合組合拓?fù)洹?/p>

總的來(lái)說，F(xiàn)lexRay技術(shù)具有更高的容錯(cuò)性，靈活性更好，更具有確定性并且傳輸速率高，是科技進(jìn)步的產(chǎn)物。

3? FlexRay的應(yīng)用

本文主講的FlexRay的應(yīng)用是汽車內(nèi)的線控制動(dòng)系統(tǒng)，相較于傳統(tǒng)的CAN其具有的優(yōu)勢(shì)在上文中有所闡述，下文既是對(duì)其應(yīng)用的介紹。在汽車誕生初期，整體的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，消費(fèi)者對(duì)其性能的要求也較低，隨著市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)性的增大，各種應(yīng)用技術(shù)層出不窮，目前發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮氖蔷€控制動(dòng)系統(tǒng)，目前在市面上的線控制動(dòng)系統(tǒng)主要分為兩種，一種是EHB系統(tǒng)，另一種是EMB系統(tǒng);因?yàn)镋MB的所需的技術(shù)要求更高，造價(jià)更高且所需能源消耗大，批量投入不太現(xiàn)實(shí)，所以現(xiàn)在市面上主打的是EHB，但EMB系統(tǒng)還是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛技術(shù)所需要的，是未來(lái)開展研究的主要目標(biāo)之一。

相較于傳統(tǒng)的CAN系統(tǒng)，CAN協(xié)議所需條件甚多，F(xiàn)lexRay提供通信協(xié)議則沒有那么多的條件限制，支持高速信息傳輸，并且具有超強(qiáng)的容錯(cuò)功能，保證了線控制動(dòng)系統(tǒng)的絕對(duì)可靠性，為駕駛員的安全提供保證。

汽車行駛時(shí)，電子制動(dòng)踏板節(jié)點(diǎn)指示制動(dòng)踏板的動(dòng)作，并向ECU發(fā)送消息。ECM主要接收制動(dòng)信號(hào)，然后處理信號(hào)，然后提供適當(dāng)?shù)碾妷菏噶?。因此，電?dòng)表演者可以完成扭矩響應(yīng)，并控制每個(gè)車輪的力矩。ECU還可以識(shí)別是否制動(dòng)，并根據(jù)制動(dòng)踏板的加速速度做出快速響應(yīng)，以縮短制動(dòng)距離。當(dāng)所有傳感器都出錯(cuò)時(shí)，節(jié)點(diǎn)的保護(hù)設(shè)備可以及時(shí)識(shí)別故障，并通過FlexRay總線通知ECU進(jìn)行電子緊急制動(dòng)。

4? 線控制動(dòng)系統(tǒng)要解決的關(guān)鍵問題

4.1 抗干擾處理的要求

在車輛行駛過程中，會(huì)遇到各種各樣的雜亂的其它信號(hào)，對(duì)車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)造成干擾，影響車輛的正常駕駛，嚴(yán)重還會(huì)影響車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對(duì)駕駛員的生命安全造成威脅，所以需要對(duì)汽車內(nèi)網(wǎng)的抗干擾能力進(jìn)行處理提升，根據(jù)相關(guān)研究表明，對(duì)稱式和非對(duì)稱式抗干擾控制系統(tǒng)是目前比較常見的抗干擾技術(shù)，但是目前這些技術(shù)都不是十分完整，正在不斷完善。

4.2 機(jī)械一電子執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

這種設(shè)計(jì)除了需要考慮幾何尺寸、物理性質(zhì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)軌跡等，還需要考慮機(jī)械構(gòu)建的形式，十分復(fù)雜，目前已經(jīng)有業(yè)內(nèi)人士對(duì)此進(jìn)行了深刻的研究并且申請(qǐng)了專利，可以在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行參考。但是對(duì)這一方面的研究還需深入。

4.3 軟件和硬件的部件化

硬件的變化由高低電平?jīng)Q定，軟件通過控制邏輯輸入的變化，實(shí)現(xiàn)電平的變化，特定硬件配合特定的供電模塊，來(lái)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的變化，比如，電機(jī)這種硬件，通過控制高低電平變化的相對(duì)占比，實(shí)現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)速，這樣就實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的不同轉(zhuǎn)速，接下來(lái)電機(jī)就能拉著車或者拖動(dòng)滑輪等等運(yùn)動(dòng)。

4.4 造價(jià)成本問題

一輛汽車的造價(jià)本就昂貴，加之采用了FlexRay技術(shù)，提升了車內(nèi)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，所以造價(jià)成本提升，但是對(duì)于汽車公司來(lái)說利潤(rùn)可能不是很高，進(jìn)行試驗(yàn)也費(fèi)材料，在經(jīng)濟(jì)上不太劃算，尋常人家也可能不太會(huì)考慮這種昂貴的汽車，會(huì)選擇經(jīng)濟(jì)實(shí)惠型的，所以在提升技術(shù)的同時(shí)降低系統(tǒng)的造價(jià)成本也亟待解決。

5? 結(jié)論與展望

5.1 發(fā)展前景

自動(dòng)駕駛技術(shù)在航空領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但是在汽車領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)還有一定的困難，不僅因?yàn)榈孛媲闆r的復(fù)雜，也因?yàn)閿?shù)據(jù)的龐雜，導(dǎo)致自動(dòng)駕駛技術(shù)暫時(shí)還不能投入到實(shí)際當(dāng)中，目前寄希望于線控制動(dòng)技術(shù)，希望這一技術(shù)能得到更好的完善，而自動(dòng)駕駛技術(shù)需要克服的一個(gè)難點(diǎn)就是信息干擾問題，基于此問題，EMB系統(tǒng)正在積極研發(fā)當(dāng)中，因?yàn)檫€有成本和能源上面的問題，導(dǎo)致EMB無(wú)法全面進(jìn)入市場(chǎng)，也就導(dǎo)致汽車線控制動(dòng)系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)并無(wú)法得到完善，現(xiàn)階段市面上的主要是EHB系統(tǒng)，相較于EMB需要的空間更少，也不會(huì)增加額外的重量，并且減少了能耗，雖然還有不足的地方需要改進(jìn)，但是是未來(lái)汽車制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向之一，為自動(dòng)駕駛的實(shí)現(xiàn)提供了更多的可能性。

由于FlexRay總線的長(zhǎng)帶寬和強(qiáng)大的容錯(cuò)能力，汽車的消息可以快速傳輸，因此機(jī)械零件可以快速而準(zhǔn)確地響應(yīng)。每個(gè)車輪可以在不同的時(shí)間間隔上提供不同的制動(dòng)力，因此汽車可以在不同的制動(dòng)條件下提供及時(shí)而穩(wěn)定的控制。

5.2 小結(jié)

本文針對(duì)FlexRay的特點(diǎn)，進(jìn)行闡述，介紹了FlexRay的相關(guān)特性，并且介紹了應(yīng)用，提出了要發(fā)展汽車的自動(dòng)駕駛技術(shù)所要解決的各種問題，例如抗干擾問題、成本問題等，F(xiàn)lexRay是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛技術(shù)的希望，當(dāng)然，科技日新月異，說不定也會(huì)有新的更加完善且成本更低的系統(tǒng)被研發(fā)出來(lái)投入到使用當(dāng)中，亦可以引起相關(guān)的其他技術(shù)投入到FlexRay線控制動(dòng)系統(tǒng)中，相信在不遠(yuǎn)的未來(lái)，自動(dòng)駕駛技術(shù)可以投入使用。

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