基于FlexRay總線的汽車線控制動系統仿真研究

劉杰

摘要：隨著現代化的電子科技技術的提升，汽車電子系統的不斷地集成化，對于車內的互聯網要求愈加的高，為了實現汽車的電子化，業內眾多專家對線控制動系統進行了深入的研究。而這一電子手段即X-By-Wire，如線控轉向（Steering-By-Wire）、線控制動，這些都對信息的實時性有著很高的要求，并且隨著消費者生活水平的提高，不僅對汽車的性能有了更好的要求，對舒適性也提出了相應的要求。本文討論了基于FlexRay總線的線控制動系統仿真研究進行討論。

關鍵詞：FlexRay;汽車線控制動系統;汽車電子技術

中圖分類號：TM92? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）10-0205-02

1? 背景

隨著汽車電子技術的發展，汽車運輸設備不僅收集和控制信息，而且還處理語音和圖像、無線網絡、遠程控制和自動駕駛。因此，在技術上對于汽車行駛網絡的需求越來越大，所以現在推出了對于汽車線控制動系統的研究。最早的時候，線控技術主要應用于航空領域，即飛機的自動飛行，一開始還沒有人想過汽車的自動駕駛技術，覺得很難實現，因為地上的交通情況可比天上的復雜得多，地面上的汽車的數量眾多，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，內里的技術結構十分復雜。然而隨著科技的進步，汽車的線控制動系統的研究逐漸步入正軌。FlexRay技術的誕生得益于此，下文主要展開對此技術的介紹以及特點應用等分析。

2? FlexRay通訊特點及拓撲

FlexRay是單詞Flex（靈活）以及Ray（鰩魚）的組合，FlexRay技術的誕生順應了時代的發展，滿足了未來對于車內互聯網的更高的要求，為車內互聯網提供了更高的數據傳輸率，并且有實現實時功能，還可以確保車內人員的安全，安全性能極高。

2.1 FlexRay通訊特點

FlexRay和CAN同為串行通信總線。

拓撲結構：CAN總線一般為線型結構，所有節點并聯在總線上。當一個節點損壞時，其他節點依然能正常工作。但當總線一處出現短路時，整個總線便無法工作。

FlexRay總線是TDMA類型的，跟CAN總線的仲裁機制不一樣：①CAN總線上任何一個節點在下一時刻都可能會發送message到總線上，此時會沖突，為了解決沖突，CAN總線使用仲裁機制，哪個節點的ID小，哪個節點使用總線。②FlexRay總線是一種分時系統。有兩種發送方式：1）靜態：TDMA（time division multiple access），是分給各個節點一個或者多個時間槽，各個節點只有在自己的時間槽內才能傳輸message，也就是說時間槽和節點的ID是對應的，通過時間槽確定是哪個節點發送的message;2）動態：FTDMA，總線上有小的時間槽，如果小時間槽計數器與ID的一致則節點可以發送message，之后小時間槽計數器+1;總線空閑的話，小時間槽計數器也會+1。這樣就保證各個節點都有機會發送message。也就是說小時間槽計數器和節點message的ID一致，這樣可以確定是哪個節點發送的message。

相較于之前的系統，FlexRay的拓撲結構較為復雜，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構，也可以使用星型結構，具有良好的容錯性，即與CAN不同的是，即使一個節點損毀了，根據FlexRay的通訊特點以及拓撲結構，其他節點依然能正常運行，中心點可以斷開與損毀節點的鏈接，中心節點毀壞時，又可以實用星型結構，然后再結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，是一種功能強大的靈活網絡通信協議。FlexRay傳輸層協議與CAN的略有不同，有無ACK應答都可以進行數據的傳輸，而且在不知道消息長度的情況下也可以進行數據的傳輸，較CAN的傳輸層協議來說相比更加靈活，數據傳輸的能力也更快：與CAN總線相比，FlexRay的帶寬可增加10～40倍。

通過時分多址（TDMA）的FlexRay接入網絡，將通信過程分為時間間隔，控制器根據需要在每個時間間隔訪問網絡。靜態網段和網絡空閑時間必須存在，而動態網段僅在需要時才發送。FlexRay基于時鐘同步訪問總線介質。它使用分布式塢站同步技術，總線上的所有節點都通過使用時鐘同步算法使節點的本地時鐘與系統的總時鐘同步。FlexRay通信周期的信息幀包括標題段，有效負載段和尾部段。節點應在網絡上傳輸幀，以使標題段首先出現，然后是有效載荷段，然后是尾部段，最后是尾部段，最后在各個段內傳輸，節點應按順序發送字段FlexRay標頭段由5個字節組成，這些字節包含保留字節，有效載荷前導指示符，空幀指示符，同步幀指示符，啟動幀指示符，幀ID，有效載荷長度，標頭CRC，以及周期計數。

2.2 FlexRay的節點結構和實現

FlexRay網絡的功能節點由微機總線驅動單元，通信控制器和電源組成，微機是功能節點的主控制器。微機連接通訊控制器實現通訊。總線驅動邏輯可以實現信號的傳送和總線的接收。

SAK-CIC310總線控制器由IN-FINEON Corporation制造。它與外部設備有多種連接方式，并行方式的數據傳輸速率更高，可以滿足復雜網絡對快速數據轉換的需求。 SAK-CIC310可以通過三種接口方法與CPU轉換數據，包括微鏈接接口（MLI）方法，同步串行通道（ssc）和外部存儲器接口單元（XMU）。XMU方法采用并行方式與CPU連接，具有較高的數據傳輸率。FlexRay節點與CPU的硬件連接采用XMU方法，以DSP Tms320C6211作為CPU。

2.3 FlexRay網絡結構與優化

設計FlexRay網絡的方法有多種，可以將其配置為單通道或雙通道總線網絡，單通道或雙通道星形網絡，或總線和星形的各種混合組合拓撲。

總的來說，FlexRay技術具有更高的容錯性，靈活性更好，更具有確定性并且傳輸速率高，是科技進步的產物。

3? FlexRay的應用

本文主講的FlexRay的應用是汽車內的線控制動系統，相較于傳統的CAN其具有的優勢在上文中有所闡述，下文既是對其應用的介紹。在汽車誕生初期，整體的結構簡單，消費者對其性能的要求也較低，隨著市場的競爭性的增大，各種應用技術層出不窮，目前發展潛力最大的是線控制動系統，目前在市面上的線控制動系統主要分為兩種，一種是EHB系統，另一種是EMB系統;因為EMB的所需的技術要求更高，造價更高且所需能源消耗大，批量投入不太現實，所以現在市面上主打的是EHB，但EMB系統還是實現自動駕駛技術所需要的，是未來開展研究的主要目標之一。

相較于傳統的CAN系統，CAN協議所需條件甚多，FlexRay提供通信協議則沒有那么多的條件限制，支持高速信息傳輸，并且具有超強的容錯功能，保證了線控制動系統的絕對可靠性，為駕駛員的安全提供保證。

汽車行駛時，電子制動踏板節點指示制動踏板的動作，并向ECU發送消息。ECM主要接收制動信號，然后處理信號，然后提供適當的電壓矢量。因此，電動表演者可以完成扭矩響應，并控制每個車輪的力矩。ECU還可以識別是否制動，并根據制動踏板的加速速度做出快速響應，以縮短制動距離。當所有傳感器都出錯時，節點的保護設備可以及時識別故障，并通過FlexRay總線通知ECU進行電子緊急制動。

4? 線控制動系統要解決的關鍵問題

4.1 抗干擾處理的要求

在車輛行駛過程中，會遇到各種各樣的雜亂的其它信號，對車內網絡造成干擾，影響車輛的正常駕駛，嚴重還會影響車內網絡系統，對駕駛員的生命安全造成威脅，所以需要對汽車內網的抗干擾能力進行處理提升，根據相關研究表明，對稱式和非對稱式抗干擾控制系統是目前比較常見的抗干擾技術，但是目前這些技術都不是十分完整，正在不斷完善。

4.2 機械一電子執行機構的設計

這種設計除了需要考慮幾何尺寸、物理性質運動參數軌跡等，還需要考慮機械構建的形式，十分復雜，目前已經有業內人士對此進行了深刻的研究并且申請了專利，可以在設計時進行參考。但是對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決定，軟件通過控制邏輯輸入的變化，實現電平的變化，特定硬件配合特定的供電模塊，來實現狀態的變化，比如，電機這種硬件，通過控制高低電平變化的相對占比，實現不同的轉速，這樣就實現了電機的不同轉速，接下來電機就能拉著車或者拖動滑輪等等運動。

4.4 造價成本問題

一輛汽車的造價本就昂貴，加之采用了FlexRay技術，提升了車內的互聯網技術，所以造價成本提升，但是對于汽車公司來說利潤可能不是很高，進行試驗也費材料，在經濟上不太劃算，尋常人家也可能不太會考慮這種昂貴的汽車，會選擇經濟實惠型的，所以在提升技術的同時降低系統的造價成本也亟待解決。

5? 結論與展望

5.1 發展前景

自動駕駛技術在航空領域已經實現，但是在汽車領域實現還有一定的困難，不僅因為地面情況的復雜，也因為數據的龐雜，導致自動駕駛技術暫時還不能投入到實際當中，目前寄希望于線控制動技術，希望這一技術能得到更好的完善，而自動駕駛技術需要克服的一個難點就是信息干擾問題，基于此問題，EMB系統正在積極研發當中，因為還有成本和能源上面的問題，導致EMB無法全面進入市場，也就導致汽車線控制動系統的抗干擾技術并無法得到完善，現階段市面上的主要是EHB系統，相較于EMB需要的空間更少，也不會增加額外的重量，并且減少了能耗，雖然還有不足的地方需要改進，但是是未來汽車制動系統的發展方向之一，為自動駕駛的實現提供了更多的可能性。

由于FlexRay總線的長帶寬和強大的容錯能力，汽車的消息可以快速傳輸，因此機械零件可以快速而準確地響應。每個車輪可以在不同的時間間隔上提供不同的制動力，因此汽車可以在不同的制動條件下提供及時而穩定的控制。

5.2 小結

本文針對FlexRay的特點，進行闡述，介紹了FlexRay的相關特性，并且介紹了應用，提出了要發展汽車的自動駕駛技術所要解決的各種問題，例如抗干擾問題、成本問題等，FlexRay是實現自動駕駛技術的希望，當然，科技日新月異，說不定也會有新的更加完善且成本更低的系統被研發出來投入到使用當中，亦可以引起相關的其他技術投入到FlexRay線控制動系統中，相信在不遠的未來，自動駕駛技術可以投入使用。

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