第5章-以太网与FlexRay

车载网络技术第5章以太网与FlexRay5.1以太网5.1.1以太网及其标准1.以太网以太网（Ethernet）最早由Xerox（施乐）公司创建，1980年由DEC（美国数字设备公司）、Intel（英特尔公司）和Xerox三家公司联合开发成为一个网络标准。以太网是一项使用电缆连接的网络技术，可供任何制造商使用。2.以太网的标准以太网是应用最为广泛的局域网，包括标准的以太网（10Mbit/s）、快速以太网（100Mbit/s）和10G以太网（10Gbit/s）等。以太网采用的是CSMA/CD访问控制法，符合IEEE802.3标准。5.1.2以太网在汽车上的应用在BMW车系的F01/F02车型上采用快速以太网（100Mbit/s）作为快速编程接口（图5-1）。同时，快速以太网负责在CIC（车辆信息计算机）与RSE（后座区娱乐系统）之间传输媒体数据。只有插入BMW编程系统（ICOMA）时才会启用诊断插座内的以太网。编程插头内的线脚8与线脚16之间有一个启用电桥，该电桥负责接通中央网关模块内以太网控制器的供电电路。也就是说，车辆行驶时通过以太网连接中央网关模块的功能处于停用状态。信息和通信系统间的以太网连接不受诊断插座内启用电桥的影响，始终处于启用状态。图5-1BMW车系F01/F02总线系统概览1.以太网的安全性以太网上的所有设备都有单独分配的识别号，即MAC（媒体访问控制）地址。建立连接时，BMW编程系统通过该地址和VIN（车辆识别号）识别车辆，以此避免第三方更改数据记录和存储值。2.以太网的特点1）数据传输速率高达100Mbit/s。2）建立连接和分配地址时系统启动用时3s，进入休眠模式时用时1s。3）只能通过BMW编程系统访问以太网。3.以太网的功能1）进行汽车维修时能更迅速地进行车辆编程。2）在CIC与RSE间传输媒体数据。如图5-2所示，在OBD诊断插座、ZGM和CIC之间通过两个没有附加屏蔽层的双绞线连接。此外还有一个为各控制单元内以太网控制器供电的启用导线。CIC与RSE之间的导线带有屏蔽层，取代了启用导线。图5-2以太网的导线连接CIC—车辆信息计算机；OBD2—诊断插座；RSE—后座区娱乐系统；ZGM—中央网关模块5.2FlexRay5.2.1FlexRay简介1.FlexRay的发展目前，FlexRay总线已经成为汽车网络系统的标准，将在未来很多年内，引领汽车网络系统的发展方向。FlexRay是继CAN和LIN之后的最新研发成果，可以有效管理多重安全和舒适功能，如FlexRay适用于线控操作（X-by-Wire）。由于目前通过CAN总线实现联网的方式已经达到其效率的极限，业界普遍认为，FlexRay将是CAN总线的替代标准。FlexRay是DaimlerChryslerAG的注册商标。1999年，BMW、DaimlerChrysler、飞思卡尔半导体（原摩托罗拉半导体部）Freescale和Philips合作创建了FlexRay协会，以开发新型通信技术。FlexRay是一种新型通信系统，目标是在电气与机械电子组件之间实现可靠、实时、高效的数据传输，以确保满足未来新的汽车网络技术的需要。后来Bosch和GeneralMotors也加入了该协会。从2002年至今，Ford汽车公司、Mazda、Elmos和SiemensVDO也相继加入该协会。在此期间，世界范围内几乎所有有影响的汽车制造商和供货商都加入了FlexRay协会。由于控制单元在车辆内联网对通信系统技术方面的要求越来越高，同时认识到有必要为基础系统提供一个开放式标准化解决方案，因此开发了新型通信系统FlexRay。FlexRay为车内分布式网络系统的实时数据传输提供了有效协议。2.FlexRay的数据传输速率FlexRay的最大数据传输速率为每通道10MBit/s，明显高于以前在车身和动力传动系统/底盘方面所用的数据总线。以前只有使用光导纤维才能达到该数据传输速率。图5-3各总线系统的数据传输速率1—实时、确定性（严格规定）和冗余（重复出现）；2—有条件实时（对于控制系统来说已足够）；3—非实时3.FlexRay的优点作为汽车网络系统的标准，FlexRay具有以下优点：1）数据传输速率较高（可达10Mbit/s）。2）确定性（实时）数据传输。3）数据通信可靠。4）支持系统集成。5.2.2FlexRay的特性1.总线拓扑结构1）线形总线拓扑结构。2）星形总线拓扑结构。图5-4线形总线拓扑结构图5-5星形总线拓扑结构图5-13BMW车系F01车型FlexRay总线的拓扑结构3）混合总线拓扑结构。2.冗余数据传输具有冗余数据传输能力的总线系统使用两个相互独立的信道。每个信道都由一组双线导线组成。一个信道失灵时，该信道应传输的信息可在另一条没有发生故障的信道上传输。图5-6冗余数据传输A—信道1；B—信道2在容错性系统中，即使某一总线导线断路，也必须确保数据能继续可靠传输。这一要求可以通过在第二个数据信道上进行冗余数据传输（图5-6）来实现。3.信号特性FlexRay总线信号必须在规定范围内。无论在时间轴上还是电压轴上，总线信号都不应进入内部区域。FlexRay总线系统的电压范围如下：1）系统接通。系统接通时，如无通信，则其电压为2.5V。2）高电平信号。高电平信号的电压为3.1V。3）低电平信号。低电平信号的电压为1.9V。注：电压值以对地（搭铁）测量方式得到。图5-7FlexRay总线系统的正常波形图5-8FlexRay总线系统的非正常波形4.确定性数据传输FlexRay是一种时间触发式总线系统，它也可以通过事件触发方式进行部分数据传输。在时间控制区域内，时隙分配给确定的信息。一个时隙是指一个规定的时间段，该时间段对特定信息（例如转速）开放。对时间要求不高的其它信息则在事件控制区域内传输。确定性数据传输用于确保时间触发区域内的每条信息都能实现实时传输，即每条信息都能在规定时间内进行传输。图5-9FlexRay总线系统内确定性数据的传输过程1-循环数据传输的时间触发区域；2-循环数据传输的事件触发区域；3-循环[总循环时间5ms，其中3ms为静态（时间触发），2ms为动态（事件触发）]；n-转速；-角度；t°-温度；v-车速；xyz...，abc...-事件触发的信息；t-时间5.唤醒和休眠特性主动转向系统和VDM（垂直动态管理系统）不通过唤醒导线，而是通过总线信号唤醒。随后通过接通供电直接由VDM启用四个减振器卫星式控制单元。FlexRay的唤醒信号曲线如图5-10所示，从中可以清楚地看出车辆开锁（打开车门锁）和起动时的典型的电压曲线。图5-10FlexRay的唤醒信号曲线6.同步化为了能够在联网控制单元内同步执行各项功能，需要有一个共同的时基。由于在所有控制单元内部都是利用其自身的时钟脉冲发生器工作的，因此，必须通过总线进行时间匹配。控制单元测量某些同步位的持续时间，据此计算平均值并根据这个数值调整总线时钟脉冲。同步位在总线信息的静态部分中发送。系统启动后，只要CAS控制单元发送一个唤醒脉冲，FlexRay上的两个授权唤醒控制单元（图5-1中带有“S”标记的控制单元）之间就会开始进行同步化。该过程结束时，其余控制单元相继自动在FlexRay上注册，计算出各自的差值并进行校正。此外，在运行期间还会对同步化进行计算校正。这样可以确保最小的时间差，从而在较长时间内不会导致传输错误。图5-1FlexRay上的两个授权唤醒控制单元（带有“S”标记的控制单元）5.2.3FlexRay在汽车上的应用1.BMW车系中的FlexRay在BMW车系F01/F02车型中，通过FlexRay总线系统以跨系统方式实现汽车行驶动态管理系统和发动机管理系统的联网（图5-1）。图5-1FlexRay上的两个授权唤醒控制单元（带有“S”标记的控制单元）图5-11FlexRay是行驶动态管理系统的综合性主总线系统同时，FlexRay是行驶动态管理系统的综合性主总线系统（图5-11）。图5-12中央网关模块（ZGM）用于不同总线系统与FlexRay之间的连接中央网关模块用于不同总线系统与FlexRay之间的连接（图5-12）。图5-13BMW车系F01车型FlexRay总线的拓扑结构AL—主动转向系统；BD—总线驱动器；DME—数字式发动机电子系统；DSC—动态稳定控制系统；EDCSHL—左后电子减振器控制系统卫星式控制单元；EDCSHR—右后电子减振器控制系统卫星式控制单元；EDCSVL—左前电子减振器控制系统卫星式控制单元；EDCSVR—右前电子减振器控制系统卫星式控制单元；HSR—后桥侧偏角控制系统；ICM—集成式底盘管理系统；SZL—转向柱开关中心；VDM—垂直动态管理系统；ZGM—中央网关模块2.终端电阻的设置如果一个总线驱动器上仅连接一个控制单元（例如SZL与总线驱动器BD0相连），则总线驱动器和控制单元的接口各有一个终端电阻（图5-14）。中央网关模块的这种连接方式称为“终止节点终端”。如果控制单元上的接口不是物理终止节点（例如总线驱动器BD2上的DSC、ICM和DME），而是形成环路，则每个总线路径端部的两个组件内部必须设置终端电阻（图5-15）。图5-14终止节点终端内部的终端电阻图5-15形成环路的FlexRay终端电阻的设置5.2.4FlexRay的故障处理与检测1.故障处理FlexRay总线导线出现故障或FlexRay控制单元自身出现故障时，可能会切断各控制单元或整个支路与总线之间的通信。带有四个授权唤醒FlexRay控制单元（ZGM、DME、DSC、ICM）的分支除外。如果这些控制单元之间的通信中断，则发动机无法起动。此外，控制单元内的这种总线监控功能还能防止在非授权时间发送信息，从而防止覆盖其它信息。2.布线特点BMW车系F01/F02车型的FlexRay总线采用带电缆套的双芯双绞线电缆。终端电阻位于中央网关模块和终端设备内。借助万用表（欧姆表）可以相对简单地检测至终端设备的部分导线。3.导线电阻的检测1）检测FlexRay导线电阻时必须使用车辆电路图。2）FlexRay导线电阻的检测结果无法100%地判断出系统功能正常与否。静态模式和动态模式下，电气性能差别很大。3）FlexRay的导线是双绞线，导线损坏时可以用普通导线进行替换维修。但是安装时必须遵守其特殊要求。4）对FlexRay的导线进行维修时，必须尽可能保持双绞线布置方式。5）剥掉绝缘层的维修部位必须用冷缩配合软管加以密封。GAMEOVER