基于FlexRay總線的車載網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)

黃曉鵬，羅 明

基于FlexRay總線的車載網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)

黃曉鵬，羅 明

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710021）

汽車進(jìn)入智能化、電動(dòng)化時(shí)代后，車輛對車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的需求越來越高，F(xiàn)lexRay作為新一代總線系統(tǒng)也被越來越多的汽車廠家應(yīng)用。文章對FlexRay車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的優(yōu)勢、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、時(shí)效性等進(jìn)行分析，并對FlexRay車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在車輛上的具體應(yīng)用進(jìn)行實(shí)踐總結(jié)，探索車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展趨勢。

FlexRay網(wǎng)絡(luò)；車載網(wǎng)絡(luò)；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；傳輸速率

前言

近年來，隨著電子技術(shù)、汽車新技術(shù)、通信系統(tǒng)性能、容量的不斷發(fā)展，汽車車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠在多個(gè)設(shè)備之間通過公共的界面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)共享，可以簡化線束，增加功能，并通過共享信號(hào)減少傳感器數(shù)量，得到廣泛的應(yīng)用。目前，應(yīng)用較多的是CAN總線，但是當(dāng)汽車進(jìn)入智能化、電動(dòng)化、共享化時(shí)代后，CAN總線因?yàn)閭鬏敂?shù)據(jù)容量有限、速率較低，已經(jīng)難以適應(yīng)目前汽車智能化、通信大數(shù)據(jù)的發(fā)展需求，F(xiàn)lexRay作為新一代總線系統(tǒng)，因其具有高速率、可確定性、容錯(cuò)性等優(yōu)點(diǎn)，可以適應(yīng)汽車智能化、電動(dòng)化的具體要求，目前奧迪、寶馬、奔馳等豪華品牌以及很多品牌的混合動(dòng)力車輛上已經(jīng)采用了FlexRay車載總線技術(shù)。本論文對FlexRay車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行分析總結(jié)。

1 車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)概述

20世紀(jì)80年代起，車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開始應(yīng)用在汽車上，主要用于簡單信息的傳輸，到20世紀(jì)90年代后，車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開始大規(guī)模使用，21世紀(jì)以來，車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在乘用車上已經(jīng)普及，一直以來，車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的更新從未停下，性能更優(yōu)、傳輸速率更快、容錯(cuò)性更好的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)層出不窮[1]。目前，由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及生產(chǎn)成本的影響，在現(xiàn)代汽車上不同的系統(tǒng)一般應(yīng)用著不同層級的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這些車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的傳輸數(shù)據(jù)速度、準(zhǔn)確率也是不相同的，這樣可以使車輛的性價(jià)比達(dá)到最佳。

在車載網(wǎng)絡(luò)中，車輛上各個(gè)控制電腦在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，都需要遵循一定網(wǎng)絡(luò)交流協(xié)議，而這些網(wǎng)絡(luò)交流協(xié)議由各個(gè)汽車生產(chǎn)廠家、零部件開發(fā)商、標(biāo)準(zhǔn)組織等公司研發(fā)，受限于傳輸數(shù)據(jù)及準(zhǔn)確率，應(yīng)用于汽車上不同的系統(tǒng)[2]，表1為一些主要的汽車車載電腦網(wǎng)絡(luò)交流協(xié)議。

表1 車載網(wǎng)絡(luò)交流協(xié)議

網(wǎng)絡(luò)交流協(xié)議開發(fā)商主要應(yīng)用 FlexRay寶馬、德國博世公司等事關(guān)安全的線控系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)；高速的、可確定性的，具備故障容錯(cuò)能力的網(wǎng)絡(luò)傳輸 MOST寶馬、戴姆勒克萊斯勒、Harman/Becker（音響系統(tǒng)制造商）和 Oasis（產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)組織）媒體、信息娛樂系統(tǒng) CAN德國博世公司高速率網(wǎng)絡(luò)傳輸 VAN法國標(biāo)致-雪鐵龍汽車集團(tuán)、雷諾汽車公司、JAEGER公司等車身系統(tǒng)、舒適系統(tǒng) J1850美國汽車工程師協(xié)會(huì)車身系統(tǒng) A-BUS德國大眾汽車公司低速率和高速率信息網(wǎng)絡(luò)傳輸 MI-BUS美國摩托羅拉公司車身系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng) LIN美國摩托羅拉公司低成本、低流量的系統(tǒng)

2 FlexRay總線系統(tǒng)

FlexRay總線系統(tǒng)是汽車制造商、汽車設(shè)備制造商和半導(dǎo)體公司聯(lián)合開發(fā)的，目前，F(xiàn)lexRay總線系統(tǒng)主要應(yīng)用在汽車動(dòng)力系統(tǒng)、車身控制系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)和混合動(dòng)力電機(jī)控制系統(tǒng)中。2000年，包括汽車制造商（寶馬、戴姆勒、大眾、通用等），汽車設(shè)備供應(yīng)商（博世、GmbH、德爾福等）和半導(dǎo)體公司（飛思卡爾、NXP等）一起建立FlexRay聯(lián)盟，F(xiàn)lexRay總線系統(tǒng)的推廣應(yīng)用主要由該聯(lián)盟負(fù)責(zé)。

2.1 FlexRay總線系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

相比較于CAN總線，F(xiàn)lexRay總線具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）數(shù)據(jù)傳輸速率更高。FlexRay總線有雙通道和單通道兩種類型，單通道的傳輸速率最高為10 Mbps，因此，如果使用雙通道，F(xiàn)lexRay總線的傳輸速率可以達(dá)到20 Mbps，而傳統(tǒng)的CAN總線的最高速率為1 Mbps[3]。

（2）容錯(cuò)性能更佳。因?yàn)镕lexRay具有雙通道的結(jié)構(gòu)特性，在通過兩個(gè)通道進(jìn)行信息傳輸時(shí)，這兩個(gè)通道網(wǎng)線可以通過冗余來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容錯(cuò)性能的提升，也就是說當(dāng)其中一個(gè)信號(hào)通道出現(xiàn)故障時(shí)，另一個(gè)信號(hào)通道可以正常進(jìn)行信息傳輸，形成更佳的容錯(cuò)性能。

（3）時(shí)效性更加準(zhǔn)確。FlexRay總線采用的是基于時(shí)分多路的信息傳輸方式，在信息傳輸過程中，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在每個(gè)循環(huán)周期內(nèi)都有了相應(yīng)的位置，因此，信息在傳輸過程中的時(shí)效性更加準(zhǔn)確。

（4）系統(tǒng)靈活性更優(yōu)。FlexRay網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)靈活多樣，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以采用總線型、星型、菊花型及混合型多種類型，滿足不同級別網(wǎng)絡(luò)的需求。另外，F(xiàn)lexRay總線在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，可以采用時(shí)間觸發(fā)，也可以采用事件觸發(fā)，這樣就可以針對不同類型的信息傳輸選取不同的觸發(fā)方式，具有靈活多變的特性[4]。

2.2 FlexRay網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，指的是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間相互連接而形成的特定的結(jié)構(gòu)關(guān)系，不同的通訊網(wǎng)絡(luò)需要選擇不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的特性取決于該網(wǎng)絡(luò)選擇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此對于網(wǎng)絡(luò)來說，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)顯得尤為重要[5]。

在汽車車載網(wǎng)絡(luò)中，我們可以將車上的每一個(gè)電子控制單元看成網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)電控單元與電控單元之間形成的特定的結(jié)構(gòu)關(guān)系，來選擇合適的車載網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇非常重要，車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)系統(tǒng)的成本、性能穩(wěn)定性都和所選擇的車載網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相關(guān)。常見的車載網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有總線型、星型、混合型、環(huán)型、網(wǎng)狀型、菊花型（后文介紹）六種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[6]，具體連接方式如圖1所示，其中，菊花型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一種衍生結(jié)構(gòu)。

圖1 車載網(wǎng)絡(luò)常見的五種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

FlexRay網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要應(yīng)用總線型、星型、菊花型（后文介紹）和混合型四種類型。在這四種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型中，又可以分為雙通道和單通道，其中，星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以具體分為有源型和無源型兩種，F(xiàn)lexRay所應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要類型如圖2 所示。

圖2 FlexRay網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要類型

總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，所有的電子控制單元（ECU）都通過網(wǎng)線連接到總線（圖中Channel）上?？偩€上連接的電控單元可以通過總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向傳播，即根據(jù)需要可以在總線上傳播和接收相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了信息共享。在星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，汽車上每個(gè)電控單元都會(huì)和一個(gè)或兩個(gè)中心節(jié)點(diǎn)（Star）連接，并且能夠和中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息傳輸，這樣中心節(jié)點(diǎn)就分擔(dān)了各個(gè)電控單元的通訊負(fù)擔(dān)，因此其他電控單元相對于中心節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)就簡單了很多，節(jié)約了成本。混合型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兼顧了各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，采用混合型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的車載網(wǎng)絡(luò)故障診斷和容錯(cuò)性更好，系統(tǒng)診斷出某個(gè)ECU發(fā)生故障，可以將這個(gè)ECU和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相隔離，混合型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還有利于擴(kuò)展新的ECU，更適合于目前汽車上新功能的開發(fā)，同時(shí)，混合型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還能夠滿足很多大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)需求[7]。

2.3 FlexRay網(wǎng)絡(luò)時(shí)效性、時(shí)間確定性

為了保障FlexRay網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在信息傳輸過程中的時(shí)效性能夠得到很好的控制，在網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)電子控制單元都有自己獨(dú)立的時(shí)鐘，可以將時(shí)間誤差控制在一個(gè)可控范圍，同時(shí)保證了各個(gè)電控單元之間時(shí)間的同步。時(shí)鐘同步的實(shí)現(xiàn)主要有頻率校正和相位校正兩種方法，在FlexRay網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，系統(tǒng)是通過將頻率校正和相位校正兩種方法相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步的。

FlexRay網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一個(gè)通信周期由靜態(tài)段、動(dòng)態(tài)段和網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間三部分組成，靜態(tài)段主要是傳輸特定信息，動(dòng)態(tài)段傳輸附加信息部分，網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間主要是為同一個(gè)FlexRay網(wǎng)絡(luò)中的ECU重新同步預(yù)留的空間[8]。系統(tǒng)可以計(jì)算測量靜態(tài)段傳輸特定信息的時(shí)間消耗，并計(jì)算每一個(gè)電控單元和其他的電控單元的時(shí)鐘偏差，進(jìn)而計(jì)算出FlexRay網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的電控單元是否滿足時(shí)效性和時(shí)間確定性的具體要求。為了驗(yàn)證信息傳輸?shù)臅r(shí)間準(zhǔn)確性，還可以通過計(jì)算兩次傳輸過程消耗時(shí)間的偏差來計(jì)算獲取。在FlexRay網(wǎng)絡(luò)中，在通信周期結(jié)束后預(yù)留了可用于相位校正值的計(jì)算時(shí)間，如圖3所示。

圖3 FlexRay網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時(shí)鐘同步

3 FlexRay總線系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 路虎極光FlexRay網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用

如圖4所示為路虎2019款極光的車載網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看出，該車型主要使用的是高速CAN網(wǎng)絡(luò)，包括車身CAN、舒適CAN、底盤CAN等系統(tǒng)，但是，從2019款極光車型開始，該車型將以前的動(dòng)力總成系統(tǒng)遷移出以前的動(dòng)力總成系統(tǒng)，成為一個(gè)獨(dú)立的FlexRay總線網(wǎng)絡(luò)，以提高動(dòng)力總成系統(tǒng)的通訊能力。

A—車身CAN；B—電源模式0CAN；C—舒適功能CAN；D—底盤CAN；E—FlexRay；F—?jiǎng)恿偝上到y(tǒng)；CAN1—終端電阻器。

表2 路虎2019款極光FlexRay車載網(wǎng)絡(luò)電控單元

電子控制單元說明 AWDCM四輪驅(qū)動(dòng)控制模塊 TCM變速器控制模塊 ABS防抱死控制模塊 PDC駐車距離控制模塊 IPCM圖像處理控制模塊 PCM動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)控制模塊

在該FlexRay總線網(wǎng)絡(luò)中，包含有四輪驅(qū)動(dòng)控制模塊、變速器控制模塊、防抱死控制模塊、駐車距離控制模塊、圖像處理控制模塊、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)控制模塊等電子控制單元，如表2所示。

3.2 標(biāo)致2020款4008混合動(dòng)力車型FlexRay網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

2019年，F(xiàn)lexRay網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開始應(yīng)用在法國標(biāo)致雪鐵龍集團(tuán)的混合動(dòng)力（PHEV）車輛上，2020年，F(xiàn)lexRay開始應(yīng)用在東風(fēng)標(biāo)致4008 PHEV車型上，該車型的FlexRay總線系統(tǒng)也應(yīng)用在動(dòng)力系統(tǒng)，采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為“菊花型”，如圖5所示。通過“菊花型”連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如果系統(tǒng)中任意一個(gè)ECU斷開，則FlexRay總線上會(huì)出現(xiàn)故障，如果要測試或駕駛該車輛，必須連接FlexRay總線上所有ECU。

圖5 菊花型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖6所示為標(biāo)致4008 PHEV的車載網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看出，該車型FlexRay網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要連接的是發(fā)動(dòng)機(jī)電腦（CMM）、變速箱電腦（BVA）、整車控制器模塊（VCU）和后電機(jī)控制模塊（RMCU）四個(gè)電控單元，其中，在發(fā)動(dòng)機(jī)電腦、整車控制器、后電機(jī)控制模塊三個(gè)電腦中有終端電阻，終端電阻阻值為100 Ω。

圖6 標(biāo)致4008 PHEV2020款車型車載網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

FlexRay網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的網(wǎng)線和CAN網(wǎng)一樣，也是雙絞線，在4008PHEV車型上稱之為“總線P”和“總線M”，兩根網(wǎng)線之間的電阻值為50 Ω左右，在傳輸信息過程中，兩條網(wǎng)線的電壓在1.5 V～3.5 V之間變化，測量的網(wǎng)線波形圖如圖7所示。

圖7 FlexRay系統(tǒng)網(wǎng)線信號(hào)波形圖

4 車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)展趨勢

隨著汽車智能化、電動(dòng)化、電子化、共享化的不斷發(fā)展，人們對于汽車的安全性、舒適性、娛樂性的要求也越來越高，某些車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將會(huì)被逐漸淘汰，隨著汽車車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的快速發(fā)展，F(xiàn)lexRay總線因?yàn)槠鋽?shù)據(jù)傳輸速率、容錯(cuò)性能、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多樣性等優(yōu)勢，可以滿足汽車發(fā)展更多的需求，應(yīng)用也將越來越廣泛。因此，車在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)展將會(huì)呈現(xiàn)出以下幾種發(fā)展趨勢：

（1）除了動(dòng)力總成系統(tǒng)，F(xiàn)lexRay總線系統(tǒng)將來會(huì)應(yīng)用到更多的品牌車型及更多的系統(tǒng)中，像大數(shù)據(jù)傳輸、新能源數(shù)據(jù)備份等也會(huì)應(yīng)用FlexRay網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

（2）很長一段時(shí)間，車輛將會(huì)出現(xiàn)“FlexRay”“MOST”“CAN”“LIN”多種車載網(wǎng)絡(luò)各司其職、共同存在的情況。

（3）隨著車載總線和車聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，以FlexRay為代表的車載總線網(wǎng)絡(luò)將逐步與車輛外的互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實(shí)現(xiàn)車與車、車與路、車與人之間的信息交互，與車輛外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息通訊，可以使FlexRay網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)在車聯(lián)網(wǎng)以及外部網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行傳輸，真正實(shí)現(xiàn)信息共享共用[9]。

車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)經(jīng)過近四十年的快速發(fā)展已經(jīng)取得了重大突破，F(xiàn)lexRay等車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為一項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)而且必將長期應(yīng)用在汽車上，并且大大提高了整車的制造成本，優(yōu)化了汽車的整車性能。隨著技術(shù)的進(jìn)步，更多的車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將會(huì)被應(yīng)用，汽車智能化時(shí)代已經(jīng)到來。

[1] 黃曉鵬,藺宏良.東風(fēng)雪鐵龍C5轎車車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制原理分析[J].電子測試,2014(17): 92-93+86.

[2] 陳佳紅.乘用車現(xiàn)場總線系統(tǒng)CAN、TTCAN、Flex_Ray和LIN的比較[J].上海汽車,2019(12):59-62.

[3] 張鳳登,付敬奇.實(shí)時(shí)傳輸網(wǎng)絡(luò)FlexRay原理與范例[M].北京:電子工業(yè)出版社,2017,238-240.

[4] 程馳,帥志斌,李建秋,等.車載網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議FlexRay網(wǎng)絡(luò)的分析及搭建[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào),2013,4(1):75-81.

[5] 呂媛媛.FlexRay總線在全電子目標(biāo)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)（RSCE）,2021(6):7-11.

[6] 張育貴.高速車載網(wǎng)絡(luò)FlexRay自適應(yīng)控制器的研究[D].貴州:貴州大學(xué),2019.

[7] 閻一豪.基于FlexRay總線的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用[D].成都:電子科技大學(xué), 2019.

[8] 葛雨明.車聯(lián)網(wǎng)白皮書[R].中國信息通信研究院.2018,12.

[9] 張育貴.高速車載網(wǎng)絡(luò)FlexRay自適應(yīng)控制器的研究[D].貴州:貴州大學(xué),2019.

Vehicle-borne Network Communication System Based on Flexray Bus

HUANG Xiaopeng, LUO Ming

( Shaanxi College of Communication Technology, Shaanxi Xi'an 710021 )

With the automobile coming into an era of intelligence and electrification, the demand for vehicle-borne network technology is getting higher and higher. As the bus system of a new generation, FlexRay is applied more and more. This paper analyzes the advantages, topological structure and timeliness of Flexray vehicle-borne network system, moreover, it summarizes the specific application of Flexray vehicle-borne network system in vehicles, and explores the development trend of vehicle-borne network technology.

FlexRay network; Vehicle-borne network; Topological structure; Transmission rate

U463.67

A

1671-7988(2022)02-11-05

U463.67

A

1671-7988(2022)02-11-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.002.003

黃曉鵬（1982—），男，副教授，碩士研究生，就職于陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，從事新能源汽車、智能網(wǎng)聯(lián)汽車的教學(xué)研究工作。

陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目（19JK 0111）。