汽车机电一体化控制应用与解决方案

FlexRay^TM协议被期望成为一个为复杂网络提供速度、灵活性和可扩展性的综合通信系统。

协议的关键特性包括【CASE 2005】：

• 基于时间和基于事件通信方案。

• 容错（fault-tolerant，FT）系统支持。

• 高错误检测和错误诊断能力。

• 系统划算和安全性增强分区的不同网络拓扑结构的支持。

• 带复杂节电和唤醒机制的专用汽车物理层。

• 使能升级的灵活的扩展能力和完全可扩展性。

FlexRay^TM协议认为可能的应用包括：RBW或XBW整体式一体成型车身或底盘运动机电一体化控制超系统，如DBW AWD驱动和BBW AWB制动、SBW AWS转向以及ABW AWA悬架机电一体化控制系统（图1-38）【HANSEN 2005】。

RBW或XBW忽视了流体或机械式系统的需要，它使用复杂的机电一体化系统将驾驶人与这些系统相联，这些系统建造成本更低且更易维护。其他FlexRay协议期望推动的应用包括：主动和被动安全性系统、防撞系统、动力管理系统和驾驶人辅助系统等。具体例子如图1-39所示【CASE 2005】。

支持一个达10Mbit/s的总数据率，相比目前在先进汽车控制应用中使用的CAN协议，FlexRay^TM实现的网络带宽快几乎20倍。

FlexRay^TM是一种开放、常见、可扩展汽车应用的电气架构。它可以在单工或双工模式下工作，可在需要的地方提供冗余。它允许同步和异步两种数据传输。如果采用同步数据传输，网络中的其他节点以一个预设延迟时间接收基于时间触发的消息。如果是异步数据传输，则消息或快或慢地到达其目的地，具体快慢依赖其优先级。

图1-38 FlexRay^TM架构例子【HANSEN 2005】

图1-39 先进的应用：车辆动力学和驾驶人辅助系统【CASE 2005】 （译注：原书图不甚清楚，∗处为猜测）

目前，FlexRay可以10Mbit/s的速率处理通信。10Mbit/s是一个典型低端、家用局域网的传输速率。最后，FlexRay时钟同步机制恰当地处理廉价时钟振荡器即那些石英时钟。正如所有的FlexRay一样，同步是容错的【GOULD 2005】。

例如，FlexRay自动和数字补偿网络上运行的各种石英时钟的差异。这种时钟同步是一种分布式机制；在这里没有任何主计时器。

如果某个节点失效，或由于某些原因造成脱网，另外的节点可继续同步操作【GOULD 2005】。

至于E-M电动机和传感器的容错，可靠性系统设计的一般规则均适用。

例如，在一个SBW AWS转向机电一体化控制系统中，转向盘中的传感器系统可以是一个冗余阵列，两个或三个传感器提供相同的信号。

在机电一体化中的一个判断算法随之可确定信号的有效性；也就是说，它可以确定是否所有三个传感器正提供相同的信息，或者至少三个中的两个在提供。

作为对从机械式向电气化车载系统转变的支持，菲利浦公司正作为一个FlexRay联盟核心合作伙伴从物理层开始开发一个完整的RBW或XBW通信系统。这种通信系统能支持未来的车载网络系统【PHILIPS 2004A】。

一辆现代汽车位列消费者可能购买的最昂贵商品清单之中，而购买者关心的主要问题是安全性、价格和经济性。这就迫使车辆生产厂家寻找让其车辆更为廉价、更容易驾驶、在事故中有更好保护、也更加可靠的方法。

在很多情况下，这意味着从庞大笨重的机械式系统转换至质轻的电气系统，大大增加一般汽车上机电一体化内容，这种趋势一定会继续【PHILIPS 2004A】。

通用术语“RBW”或“XBW”涵盖所有互联汽车机电一体化控制应用所需要的先进技术，包括从驾驶、制动、转向到减振/缓冲辅助。这些先进技术最终会取代现存的机械式或流体（液压和/或气动）解决方案。

作为FlexRay联盟的一个核心技术提供者，菲利浦公司正与汽车制造商戴姆勒、克莱斯勒、宝马、通用和大众公司以及其他如博世和摩托罗拉等知名汽车原始设备提供商（OEM）携手合作，以将许多RBW或XBW的好处整合进未来的车辆中【PHILIPS 2004A】。

FlexRay联盟正开发FlexRay通信协议和物理层，这是支持未来车载高速机电一体化控制应用系统的核心。FlexRay不断增加带宽以应付汽车里各种安全性、可靠性和舒适性系统中不断增长的传感器、执行机构的数量的需求。

提供一个通用、可扩展并有着未来扩充潜力的通信系统是FlexRay^TM的一个关键目标。

与开发中的协议、软件和支持服务一起，FlexRay联盟也计划确保提供通信系统的设计、测量和仿真所需的工具。这些工具由联盟开发成员社区中分组的行业领先工具制造商和测试公司提供。菲利浦目前正在开发FlexRay系统的硅方案【PHILIPS 2004A】。

关键特性

物理层：

• 数据传输速率达10Mbit/s。

• 确定的数据传输、保证的消息延迟和消息抖动。

• 总线监控器保证时域中的错误包容。

• 灵活和可扩展的网络布局：支持总线、星形和拓扑结构。

• 鲁棒的网络唤醒机制。

• 先进的电源模式处理。

• 有源星形网中的故障分离。

协议：

• 硬件中实现的容错和基于时间触发服务（如同步全局时基）。

• 重复以及自发消息排程的支持。

• 专用在线诊断服务。

• 网络管理服务和有效消息过滤机制的支持。(www.xing528.com)

• 冗余传输通道的支持。

• 鲁棒的编码和位识别方案。

这包括总线驱动器和总线监控器，这两者都已经做过实验室和现场测试，测试结果令人满意。基于获得的反馈，目前正在完善设备规范，未来产品总线驱动器和总线监控器正在开发中。按照路线图，TJA1080 FlexRay^TM总线驱动器（图1-40）是第一个发布的产品【PHILIPS 2004A】。

图1-40 FlexRay^TM节点架构【PHILIPS 2004A】

该联盟正在推动FlexRay成为RBW或XBW汽车行业标准。作为FlexRay核心合作伙伴之一，Philips公司为这种演进中的、能为驾驶人带来更安全和更舒适驾驶的标准开发硅解决方案（the silicon solutions）是再好不过的了【PHILIPS 2004A】。

总之，FlexRay通过综合一种可扩展静态和动态消息传输、吸收熟悉的同步和异步协议的优势，提供了高速通信所需的灵活性和确定性。该协议也支持借助一个全局时基的容错（FT）时钟同步，支持无冲突总线访问、允许消息延迟、通过标识符面向消息定址，以及支持单通道或双通道的可扩展系统容错。一个集成了一个独立总线监控器的物理层提供进一步的容错支持。FlexRay系统支持高达10Mbit/s的数据速率，是一个基于CAN总线网络可用带宽的10倍，同时提供易于系统扩充和带宽的动态使用的灵活性【PHILIPS 2004B】。

飞利浦公司正积极开发一种全智能汽车系统。该系统有FT RBW或XBW整体式一体成型车身或底盘运动机电一体化控制超系统，它无需传统的备份。该公司已经开发了测试和开发这些应用物理层的硅解决方案，如市场上的第一个FlexRay收发器，即TJA1080。这种高速、基于时间触发通信系统收发器芯片提供优秀的EMC性能，它适合在有源星形耦合器中使用。该TJA1080在一块单芯片上集成一个FlexRay收发器和FlexRay有源星形设备，支持FlexRay全带宽。其他功能包括：内部电压和温度监控、总线错误检测以及一个安全暂停。第一个把TJA1080当作收发器和星形设备使用的具体FlexRay系列应用，已计划进入大批量生产。几家主要汽车制造厂家的一些RBW或XBW整体式一体成型车身或底盘运动机电一体化控制超系统，以及其他的FlexRay应用（图1-41），目前设想在几年后开始生产【PHILIPS 2004B；SAUNTER ET AL. 2007】。

图1-41 经典的FlexRay^TM应用【SAUNTER ET AL. 2007】

现在可批量生产Freescale半导体公司的MFR4200 FlexRay控制器。通过引入首个汽车资格的FlexRay设备，Freescale正帮助发展汽车业的下一代汽车机电一体化控制应用的开发（图1-42）【FREESCALE 2005；SAUTER ET AL. 2007】。

通过FlexRay协议的标准化，汽车制造厂家可降低开发和制造成本，集中并简化先进高速机电一体化控制系统的引入，同时增加整体车辆稳定性和安全性。

通过实现比目前CAN解决方案多10倍的吞吐量，并提供RBW XBW整体式一体成型车身或底盘运动机电一体化控制超系统的应用所需的容错和时间确定性能，MFR4200 FlexRay的目的是帮助汽车制造厂家实现这些结果。随着汽车中安全、可靠性和舒适系统的嵌入式控制器数量的增加，一个基于时间触发的通信系统很关键。随着主要的汽车业玩家承诺不久采用FlexRay，MFR4200 FlexRay可代表Frees-cale的一个重要和及时的投资【FREESCALE 2005】。

图1-42 BMWX5中的自适应驾驶系统的FlexRay^TM应用【SAUTER ET AL. 2007】

RBW XBW整体式一体成型车身或底盘运动机电一体化控制超系统，包括DBW AWD驱动和BBW AWB制动、SBW AWS转向及ABW AWA悬架/反应机电一体化控制系统，预计会采用基于导线的网络、传感器和E-M电动机来逐步取代更多的流体管线和机械缆线。

为满足市场的需求，MFR4200 FlexRay^TM（图1-43）设计并提供一个高水平的通信带宽和确定的、容错（FT）的数据传输【FREESCALE 2005】。

这种设备非常适合RBW或XBW整体式一体成型车身或底盘运动机电一体化控制超系统和动力系统的应用，它提供与多种不同的宏控制器和微控制器（ASIM宏控制器和ASIC微控制器）的无缝集成。此外，FlexRay通过增加一个最苛刻系统的高速协议补充了主要车载网络标准（CAN、LIN和MOST）【FREESCALE 2005】。

图1-43 MFR4200FlexRay^TM设备【FREESCALE 2005】

有些汽车科学家和工程师相信，在汽车中的创新高速控制应用方面，FlexRay注定会成为无可争议的全球标准。遵守FlexRay协议的车辆制造厂家包括：奥迪、宝马、戴姆勒-克莱斯勒、福特、通用、丰田和大众，这个名单说明了FlexRay已获得的形势。作为FlexRay联盟中的核心合作伙伴之一，Freescale半导体公司正致力于帮助推广该标准。

MFR4200 FlexRay产品功能【FREESCALE 2005】：

• 两个通道中每个最大高达10Mbit/s的位速率；

• 两个通道；

• 容错冗余；

• 独立2×带宽；

• 59个消息缓存，每个缓存带一个达32字节数据的有效载荷；

• 每个消息缓存可配置为接收缓存、传输缓存（单或双）或者接收先进先出（firstin-firstout，FIFO）的一部分；

• 64针方型扁平式封装技术（low-profile quad flat package，LQFP）。

Fujitsu Microelectronics美国公司（FMA）也提出了行业领先的FlexRay控制器，即MB88121。这是一个支持FlexRay 2.0版本的专用标准产品【FUJITSU 2005】。

基于博世公司开发的知识产权，MB88121在两个通道上传输速率达10Mbit/s。它提供容错、确定性数据传输，非常适合使用FlexRay协议，目前正被引入DBW AWD驱动、BBW AWB制动、ABW AWA悬架和SBW AWS转向机电一体化控制系统。

MB88121的目的是补充现有的标准汽车总线，包括CAN和LIN。随着汽车制造厂商和其供应商在新一代汽车中采用RBW或XBW解决方案，一种基于FlexRay的技术有望逐步取代CAN，它能提供差不多10倍的CAN吞吐量。

作为FlexRay联盟的成员之一，Fujitsu公司为早期应用开发设计并提供了一个完整的开发工具包。该公司已经是FlexRay产品开发中的领导者之一。其创新的FlexRay通信控制器集成了鼓励车辆制造商和汽车原始设备制造商（OEM）有效生产FlexRay系统所需的全部功能和能力。

将FlexRayIP嵌入硅片中能够使早期使用者在制造阶段设计一些汽车机电一体化控制应用。

MB88121可以直接与现有的CPU连接，使得可以使用下一代网络开发生产系统，同时也使车辆中现有设备的性能得以充分发挥。用4MHz、5MHz、8MHz、10MHz外部振荡器或通过外部时钟，MB88121内部速度达80MHz。该芯片的并行接口提供一个最大33MHz的频率【FUJITSU 2005】。

汽车科学家和工程师现在可使用美国国家仪器公司（Nasdaq：NATI）的Lab VIEW新FlexRay库，对一个FlexRay通信网络上的设备进行快速和方便的测试。该FlexRay库提供一套专门为与总线协议一起工作而设计的28个虚拟仪器（Virtual instruments，VI），总线协议由FlexRay联盟的系统规范2.0版本标准定义【BI-ZWIRE 2004】。

FlexRay是一个创新的总线系统，由汽车生产厂商和领先的供应商为解决目前和未来车载机电一体化控制应用的需要而开发。这种总线系统是一种确定性、容错和高速的总线系统。它实现RBW或XBW应用的容错和时间确定性能要求，RBW或XBW应用有DBW AWD和BBW AWB、SBW AWS以及ABW AWA。该总线系统的数据帧达127字长（254字节），这要比一个CAN总线提供的数量多30倍。

虚拟仪器（LabVIEW）FlexRay库是免费和可下载的，它让科学家和工程师与一个FlexRay网络上设备的通信变得轻松。此外，LabVIEW FlexRay库支持TZM的FlexCard【BIZWIRE 2004】。

美国国家仪器公司支持整个汽车工业的开放标准的开发，同时也是FlexRay联盟的成员之一。新的FlexRay LabVIEW虚拟仪器库（VI）证明了对这种先进通信总线支持的一个承诺，同时也使工程师能够为涌现的车载机电一体化控制应用利用LabVIEW图形编程，包括对RBW或XBW功能和先进控制系统的支持。汽车工业中的新发展造成需求的增加，这些需求不能被现有通信协议轻易解决，需求包括：更高数据速率、确定性行为以及容错支持等。

一个FlexRay通信总线提供：同步或异步数据传输、增加的帧长度、同步传输期间保证的帧延迟和抖动以及异步传输期间消息的优先化。

FlexRay协议也提供多主控时钟同步、双通道数据传输、灵活的总线拓扑结构、错误检测以及信令。

汽车消费者对功能增加的需求，需要在带宽和系统扩展两方面的更大的灵活性。

用LabVIEW创建一个在FlexRay总线网络上的自动化测试应用，具有较好的灵活性、通信可用性、可靠性和数据带宽。这些是传动系、底盘和车身机电一体化控制中先进应用所需要的【BIZWIRE 2004】。