汽車控制系統(tǒng)效能升級！FlexRay網(wǎng)絡標準詳解

　　自2003年組建以來，AUTOSAR（汽車開放系統(tǒng)架構(gòu)）聯(lián)盟一直致力于改變車載網(wǎng)絡和電子控制單元（ECU）的設計方式。AUTOSAR提出了一個符 合業(yè)界標準的車載網(wǎng)絡設計方法，使行業(yè)能夠集成、交換和傳輸汽車網(wǎng)絡內(nèi)的功能、數(shù)據(jù)和信息。這一標準極大地促進了汽車原始設備制造商（OEM）及其一級供 應商之間的合作，使他們能夠以一種一致、明確且機器可讀的格式來交換設計信息。

　　一輛汽車的不同部分對安全及性能有不同要求，而支持它們的車載網(wǎng)絡必須具備可預測的安全性能。隨著汽車技術(shù)的不斷演變，人們已經(jīng)可以用一系列總線技術(shù)來連 接豪華汽車上最多100個不同的ECU，這些總線技術(shù)通常包括LIN、CAN、FlexRay、MOST和基于以太網(wǎng)的架構(gòu)。如果靠手動來管理這些ECU 之間數(shù)以千計的信息和交互操作是不可能的，因此汽車設計人員必然用自動化設計和合成工具來預測網(wǎng)絡性能和調(diào)整車載功能。

　　汽車數(shù)據(jù)總線

　　一輛典型的現(xiàn)代化汽車將同時裝配各類總線和協(xié)議并從LIN、CAN、FlexRay、MOST和以太網(wǎng)中選擇合適的網(wǎng)絡。多媒體/視聽信號和汽車環(huán)繞攝像 系統(tǒng)需要更高的數(shù)據(jù)速率，因此汽車制造商和OEM廠商在網(wǎng)絡解決方案上選擇用以太網(wǎng)代替MOST.但對于許多標準汽車功能而言，LIN和CAN提供的帶寬 與性能就足夠了。

　　在汽車架構(gòu)中，ECU組合在一起形成“集群”，這些集群通過通信“網(wǎng)關(guān)”相連。集群通常會共享同一類型的總線，因此要達到高可靠性、高速率的標準，就要采 用FlexRay網(wǎng)絡，但要求沒那么高的門鎖ECU可以由CAN或LIN來負責。ECU網(wǎng)關(guān)往往要連接不同類型的信號，并執(zhí)行不同總線架構(gòu)之間的映射和轉(zhuǎn) 換功能。汽車行業(yè)對不斷提高安全性和ISO26262等標準的合規(guī)性提出強烈需求，進而提升了車載網(wǎng)絡的性能，同時也降低了制造和元件成本。不斷進步的網(wǎng) 絡標準可以適應越來越高的數(shù)據(jù)傳輸速率，汽車電纜也達到了安全且低成本的目標。典型汽車網(wǎng)絡方案的特點及應用請見表1.

　　表1：汽車網(wǎng)絡總線。

　　FlexRay網(wǎng)絡：

　　FlexRay協(xié)議比CAN更具確定性。FlexRay是一種“時間觸發(fā)”協(xié)議，它提供不同選項，讓信息可以在精確的時間框架內(nèi)發(fā)送至目標地址——可精確 到1μs.FlexRay信息最多可達254個字節(jié)，因此需要在ECU之間進行交換的復雜信息的容量很大。與CAN相比，F(xiàn)lexRay的數(shù)據(jù)傳輸速率也 更高。由于時序是預先確定的，信息的安排需要提前規(guī)劃好，一般由汽車OEM廠商或一級供應商合作伙伴預先配置或設計。在采用CAN協(xié)議的網(wǎng)絡中，ECU節(jié) 點只需要知道通信時的正確波特率，但FlexRay網(wǎng)絡上的ECU節(jié)點在通信時必須知道網(wǎng)絡各個部分是如何配置和連接的。檢查和驗證FlexRay網(wǎng)絡的 時序比較耗時——因此，自動化的時序分析和將信息合成打包成時間幀可以減少錯誤和設計周期時間。

　　汽車通信矩陣合成

　　汽車網(wǎng)絡時序安排的總體定義通常存儲在作為中央網(wǎng)關(guān)ECU一部分的“通信矩陣”中。明導所開發(fā)的設計工具解決方案可用于自動合成這個數(shù)據(jù)庫并按正確順序?qū)⑺胁煌男畔⒋虬蓭?/p>

　　AUTOSAR信號信息組合成協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU），然后這些數(shù)據(jù)單元再組合成傳輸幀。對于CAN和LIN幀而言，每個幀都有一個PDU，但一個FlexRay幀可能含有多個信號PDU.

　　在FlexRay架構(gòu)中，時序是確定的，而設計人員主要面臨的不確定性就是幀打包和傳輸順序。汽車OEM廠商和設計人員要投入大量時間來測試汽車所有可能 出現(xiàn)的情況，以確定最壞情況下的行為，并確保信息傳輸有較大的安全范圍。這意味著，為了確保較高的時序安全范圍，不能占用數(shù)據(jù)總線的全部容量。合成工具查 找具有相似路徑以及對于在相似的幀時間空隙中進行打包和安排有時序要求的信號，以此來優(yōu)化幀利用率。在使用明導的時序合成工具時，設計輸入將包括信號和 PDU定義、幀的優(yōu)先級和有關(guān)可行的信號路徑的具體OEM設計決策。在生成完整的時序體系時要將這些都考慮進去。

　　在安裝一個完全定義的通信體系時會面臨一個難題，即后續(xù)很難有架構(gòu)上的變化，并可能需要對網(wǎng)絡進行全面的重新設計，但傳輸?shù)母咚俸痛_定性等優(yōu)勢讓這種方法 對FlexRay應用形成了極大的吸引力，能夠確保汽車的對安全要求非常高的功能。用該合成工具重新建立更先進的通信體系可以縮短修復周期。