基于FlexRay總線的車載網絡通訊系統

黃曉鵬，羅 明

基于FlexRay總線的車載網絡通訊系統

黃曉鵬，羅 明

（陜西交通職業技術學院，陜西 西安 710021）

汽車進入智能化、電動化時代后，車輛對車載網絡技術的需求越來越高，FlexRay作為新一代總線系統也被越來越多的汽車廠家應用。文章對FlexRay車載網絡系統的優勢、拓撲結構、時效性等進行分析，并對FlexRay車載網絡系統在車輛上的具體應用進行實踐總結，探索車載網絡技術發展趨勢。

FlexRay網絡；車載網絡；拓撲結構；傳輸速率

前言

近年來，隨著電子技術、汽車新技術、通信系統性能、容量的不斷發展，汽車車載網絡系統能夠在多個設備之間通過公共的界面傳輸數據，實現數據協調共享，可以簡化線束，增加功能，并通過共享信號減少傳感器數量，得到廣泛的應用。目前，應用較多的是CAN總線，但是當汽車進入智能化、電動化、共享化時代后，CAN總線因為傳輸數據容量有限、速率較低，已經難以適應目前汽車智能化、通信大數據的發展需求，FlexRay作為新一代總線系統，因其具有高速率、可確定性、容錯性等優點，可以適應汽車智能化、電動化的具體要求，目前奧迪、寶馬、奔馳等豪華品牌以及很多品牌的混合動力車輛上已經采用了FlexRay車載總線技術。本論文對FlexRay車載網絡系統進行分析總結。

1 車載網絡系統概述

20世紀80年代起，車載網絡技術開始應用在汽車上，主要用于簡單信息的傳輸，到20世紀90年代后，車載網絡技術開始大規模使用，21世紀以來，車載網絡技術在乘用車上已經普及，一直以來，車載網絡技術的更新從未停下，性能更優、傳輸速率更快、容錯性更好的網絡技術層出不窮[1]。目前，由于網絡技術及生產成本的影響，在現代汽車上不同的系統一般應用著不同層級的網絡技術，這些車載網絡技術的傳輸數據速度、準確率也是不相同的，這樣可以使車輛的性價比達到最佳。

在車載網絡中，車輛上各個控制電腦在網絡中進行傳輸數據時，都需要遵循一定網絡交流協議，而這些網絡交流協議由各個汽車生產廠家、零部件開發商、標準組織等公司研發，受限于傳輸數據及準確率，應用于汽車上不同的系統[2]，表1為一些主要的汽車車載電腦網絡交流協議。

表1 車載網絡交流協議

網絡交流協議開發商主要應用 FlexRay寶馬、德國博世公司等事關安全的線控系統和動力系統；高速的、可確定性的，具備故障容錯能力的網絡傳輸 MOST寶馬、戴姆勒克萊斯勒、Harman/Becker（音響系統制造商）和 Oasis（產業標準組織）媒體、信息娛樂系統 CAN德國博世公司高速率網絡傳輸 VAN法國標致-雪鐵龍汽車集團、雷諾汽車公司、JAEGER公司等車身系統、舒適系統 J1850美國汽車工程師協會車身系統 A-BUS德國大眾汽車公司低速率和高速率信息網絡傳輸 MI-BUS美國摩托羅拉公司車身系統、空調系統 LIN美國摩托羅拉公司低成本、低流量的系統

2 FlexRay總線系統

FlexRay總線系統是汽車制造商、汽車設備制造商和半導體公司聯合開發的，目前，FlexRay總線系統主要應用在汽車動力系統、車身控制系統、底盤系統和混合動力電機控制系統中。2000年，包括汽車制造商（寶馬、戴姆勒、大眾、通用等），汽車設備供應商（博世、GmbH、德爾福等）和半導體公司（飛思卡爾、NXP等）一起建立FlexRay聯盟，FlexRay總線系統的推廣應用主要由該聯盟負責。

2.1 FlexRay總線系統優點

相比較于CAN總線，FlexRay總線具有以下優點：

（1）數據傳輸速率更高。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，FlexRay總線的傳輸速率可以達到20 Mbps，而傳統的CAN總線的最高速率為1 Mbps[3]。

（2）容錯性能更佳。因為FlexRay具有雙通道的結構特性，在通過兩個通道進行信息傳輸時，這兩個通道網線可以通過冗余來實現系統容錯性能的提升，也就是說當其中一個信號通道出現故障時，另一個信號通道可以正常進行信息傳輸，形成更佳的容錯性能。

（3）時效性更加準確。FlexRay總線采用的是基于時分多路的信息傳輸方式，在信息傳輸過程中，傳輸的數據在每個循環周期內都有了相應的位置，因此，信息在傳輸過程中的時效性更加準確。

（4）系統靈活性更優。FlexRay網絡系統靈活多樣，拓撲結構可以采用總線型、星型、菊花型及混合型多種類型，滿足不同級別網絡的需求。另外，FlexRay總線在傳輸數據時，可以采用時間觸發，也可以采用事件觸發，這樣就可以針對不同類型的信息傳輸選取不同的觸發方式，具有靈活多變的特性[4]。

2.2 FlexRay網絡拓撲結構

網絡拓撲結構，指的是網絡節點與節點之間相互連接而形成的特定的結構關系，不同的通訊網絡需要選擇不同的網絡拓撲結構，整個網絡的特性取決于該網絡選擇的拓撲結構，因此對于網絡來說，拓撲結構顯得尤為重要[5]。

在汽車車載網絡中，我們可以將車上的每一個電子控制單元看成網絡上的一個節點，根據電控單元與電控單元之間形成的特定的結構關系，來選擇合適的車載網絡拓撲結構，網絡拓撲結構的選擇非常重要，車載網絡系統系統的成本、性能穩定性都和所選擇的車載網絡拓撲結構相關。常見的車載網絡結構有總線型、星型、混合型、環型、網狀型、菊花型（后文介紹）六種拓撲結構[6]，具體連接方式如圖1所示，其中，菊花型拓撲結構為環形拓撲結構的一種衍生結構。

圖1 車載網絡常見的五種拓撲結構

FlexRay網絡拓撲結構主要應用總線型、星型、菊花型（后文介紹）和混合型四種類型。在這四種拓撲結構類型中，又可以分為雙通道和單通道，其中，星型拓撲結構還可以具體分為有源型和無源型兩種，FlexRay所應用的網絡拓撲結構主要類型如圖2 所示。

圖2 FlexRay網絡拓撲結構主要類型

總線型拓撲結構中，所有的電子控制單元（ECU）都通過網線連接到總線（圖中Channel）上?？偩€上連接的電控單元可以通過總線進行數據的雙向傳播，即根據需要可以在總線上傳播和接收相關數據，實現了信息共享。在星型拓撲結構中，汽車上每個電控單元都會和一個或兩個中心節點（Star）連接，并且能夠和中心節點進行信息傳輸，這樣中心節點就分擔了各個電控單元的通訊負擔，因此其他電控單元相對于中心節點的結構就簡單了很多，節約了成本。混合型網絡拓撲結構兼顧了各種拓撲結構的優點，采用混合型網絡拓撲結構的車載網絡故障診斷和容錯性更好，系統診斷出某個ECU發生故障，可以將這個ECU和整個網絡架構相隔離，混合型網絡拓撲結構還有利于擴展新的ECU，更適合于目前汽車上新功能的開發，同時，混合型網絡拓撲結構還能夠滿足很多大規模網絡的建設需求[7]。

2.3 FlexRay網絡時效性、時間確定性

為了保障FlexRay網絡系統在信息傳輸過程中的時效性能夠得到很好的控制，在網絡中的每一個電子控制單元都有自己獨立的時鐘，可以將時間誤差控制在一個可控范圍，同時保證了各個電控單元之間時間的同步。時鐘同步的實現主要有頻率校正和相位校正兩種方法，在FlexRay網絡系統中，系統是通過將頻率校正和相位校正兩種方法相結合來實現時鐘同步的。

FlexRay網絡系統一個通信周期由靜態段、動態段和網絡空閑時間三部分組成，靜態段主要是傳輸特定信息，動態段傳輸附加信息部分，網絡空閑時間主要是為同一個FlexRay網絡中的ECU重新同步預留的空間[8]。系統可以計算測量靜態段傳輸特定信息的時間消耗，并計算每一個電控單元和其他的電控單元的時鐘偏差，進而計算出FlexRay網絡系統中的電控單元是否滿足時效性和時間確定性的具體要求。為了驗證信息傳輸的時間準確性，還可以通過計算兩次傳輸過程消耗時間的偏差來計算獲取。在FlexRay網絡中，在通信周期結束后預留了可用于相位校正值的計算時間，如圖3所示。

圖3 FlexRay網絡系統時鐘同步

3 FlexRay總線系統應用

3.1 路虎極光FlexRay網絡系統應用

如圖4所示為路虎2019款極光的車載網絡結構圖，從圖中可以看出，該車型主要使用的是高速CAN網絡，包括車身CAN、舒適CAN、底盤CAN等系統，但是，從2019款極光車型開始，該車型將以前的動力總成系統遷移出以前的動力總成系統，成為一個獨立的FlexRay總線網絡，以提高動力總成系統的通訊能力。

A—車身CAN；B—電源模式0CAN；C—舒適功能CAN；D—底盤CAN；E—FlexRay；F—動力總成系統；CAN1—終端電阻器。

表2 路虎2019款極光FlexRay車載網絡電控單元

電子控制單元說明 AWDCM四輪驅動控制模塊 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動力傳動系統控制模塊

在該FlexRay總線網絡中，包含有四輪驅動控制模塊、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、動力傳動系統控制模塊等電子控制單元，如表2所示。

3.2 標致2020款4008混合動力車型FlexRay網絡應用

2019年，FlexRay網絡系統開始應用在法國標致雪鐵龍集團的混合動力（PHEV）車輛上，2020年，FlexRay開始應用在東風標致4008 PHEV車型上，該車型的FlexRay總線系統也應用在動力系統，采用的拓撲結構為“菊花型”，如圖5所示。通過“菊花型”連接的拓撲結構，如果系統中任意一個ECU斷開，則FlexRay總線上會出現故障，如果要測試或駕駛該車輛，必須連接FlexRay總線上所有ECU。

圖5 菊花型網絡拓撲結構

如圖6所示為標致4008 PHEV的車載網絡結構圖，從圖中可以看出，該車型FlexRay網絡系統主要連接的是發動機電腦（CMM）、變速箱電腦（BVA）、整車控制器模塊（VCU）和后電機控制模塊（RMCU）四個電控單元，其中，在發動機電腦、整車控制器、后電機控制模塊三個電腦中有終端電阻，終端電阻阻值為100 Ω。

圖6 標致4008 PHEV2020款車型車載網絡結構圖

FlexRay網絡系統的網線和CAN網一樣，也是雙絞線，在4008PHEV車型上稱之為“總線P”和“總線M”，兩根網線之間的電阻值為50 Ω左右，在傳輸信息過程中，兩條網線的電壓在1.5 V～3.5 V之間變化，測量的網線波形圖如圖7所示。

圖7 FlexRay系統網線信號波形圖

4 車載網絡系統發展趨勢

隨著汽車智能化、電動化、電子化、共享化的不斷發展，人們對于汽車的安全性、舒適性、娛樂性的要求也越來越高，某些車載網絡系統將會被逐漸淘汰，隨著汽車車載網絡系統的快速發展，FlexRay總線因為其數據傳輸速率、容錯性能、拓撲結構多樣性等優勢，可以滿足汽車發展更多的需求，應用也將越來越廣泛。因此，車在網絡系統發展將會呈現出以下幾種發展趨勢：

（1）除了動力總成系統，FlexRay總線系統將來會應用到更多的品牌車型及更多的系統中，像大數據傳輸、新能源數據備份等也會應用FlexRay網絡系統。

（2）很長一段時間，車輛將會出現“FlexRay”“MOST”“CAN”“LIN”多種車載網絡各司其職、共同存在的情況。

（3）隨著車載總線和車聯網無線通信技術的快速發展，以FlexRay為代表的車載總線網絡將逐步與車輛外的互聯網連接起來，實現車與車、車與路、車與人之間的信息交互，與車輛外部網絡進行信息通訊，可以使FlexRay網絡中的數據在車聯網以及外部網絡之間進行傳輸，真正實現信息共享共用[9]。

車載網絡技術經過近四十年的快速發展已經取得了重大突破，FlexRay等車載網絡技術作為一項技術已經而且必將長期應用在汽車上，并且大大提高了整車的制造成本，優化了汽車的整車性能。隨著技術的進步，更多的車載網絡技術將會被應用，汽車智能化時代已經到來。

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

[2] 陳佳紅.乘用車現場總線系統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.實時傳輸網絡FlexRay原理與范例[M].北京:電子工業出版社,2017,238-240.

[4] 程馳,帥志斌,李建秋,等.車載網絡通訊協議FlexRay網絡的分析及搭建[J].汽車安全與節能學報,2013,4(1):75-81.

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

[6] 張育貴.高速車載網絡FlexRay自適應控制器的研究[D].貴州:貴州大學,2019.

[7] 閻一豪.基于FlexRay總線的車聯網應用[D].成都:電子科技大學, 2019.

[8] 葛雨明.車聯網白皮書[R].中國信息通信研究院.2018,12.

[9] 張育貴.高速車載網絡FlexRay自適應控制器的研究[D].貴州:貴州大學,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技術學院，從事新能源汽車、智能網聯汽車的教學研究工作。

陜西省教育廳專項科研計劃項目（19JK 0111）。