基于FlexRay总线的汽车线控制动系统仿真研究

刘杰

摘要：随着现代化的电子科技技术的提升，汽车电子系统的不断地集成化，对于车内的互联网要求愈加的高，为了实现汽车的电子化，业内众多专家对线控制动系统进行了深入的研究。而这一电子手段即X-By-Wire，如线控转向（Steering-By-Wire）、线控制动，这些都对信息的实时性有着很高的要求，并且随着消费者生活水平的提高，不仅对汽车的性能有了更好的要求，对舒适性也提出了相应的要求。本文讨论了基于FlexRay总线的线控制动系统仿真研究进行讨论。

关键词：FlexRay;汽车线控制动系统;汽车电子技术

中图分类号：TM92                                       文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）10-0205-02

1  背景

随着汽车电子技术的发展，汽车运输设备不仅收集和控制信息，而且还处理语音和图像、无线网络、远程控制和自动驾驶。因此，在技术上对于汽车行驶网络的需求越来越大，所以现在推出了对于汽车线控制动系统的研究。最早的时候，线控技术主要应用于航空领域，即飞机的自动飞行，一开始还没有人想过汽车的自动驾驶技术，觉得很难实现，因为地上的交通情况可比天上的复杂得多，地面上的汽车的数量众多，并且还有行人、红绿灯等各种各样的因素，需要考虑的因素很多，内里的技术结构十分复杂。然而随着科技的进步，汽车的线控制动系统的研究逐渐步入正轨。FlexRay技术的诞生得益于此，下文主要展开对此技术的介绍以及特点应用等分析。

2  FlexRay通讯特点及拓扑

FlexRay是单词Flex（灵活）以及Ray（鳐鱼）的组合，FlexRay技术的诞生顺应了时代的发展，满足了未来对于车内互联网的更高的要求，为车内互联网提供了更高的数据传输率，并且有实现实时功能，还可以确保车内人员的安全，安全性能极高。

2.1 FlexRay通讯特点

FlexRay和CAN同为串行通信总线。

拓扑结构：CAN总线一般为线型结构，所有节点并联在总线上。当一个节点损坏时，其他节点依然能正常工作。但当总线一处出现短路时，整个总线便无法工作。

FlexRay总线是TDMA类型的，跟CAN总线的仲裁机制不一样：①CAN总线上任何一个节点在下一时刻都可能会发送message到总线上，此时会冲突，为了解决冲突，CAN总线使用仲裁机制，哪个节点的ID小，哪个节点使用总线。②FlexRay总线是一种分时系统。有两种发送方式：1）静态：TDMA（time division multiple access），是分给各个节点一个或者多个时间槽，各个节点只有在自己的时间槽内才能传输message，也就是说时间槽和节点的ID是对应的，通过时间槽确定是哪个节点发送的message;2）动态：FTDMA，总线上有小的时间槽，如果小时间槽计数器与ID的一致则节点可以发送message，之后小时间槽计数器+1;总线空闲的话，小时间槽计数器也会+1。这样就保证各个节点都有机会发送message。也就是说小时间槽计数器和节点message的ID一致，这样可以确定是哪个节点发送的message。

相较于之前的系统，FlexRay的拓扑结构较为复杂，有线型、星型和混合型三大类，既可以像CAN总线一样使用线型结构，也可以使用星型结构，具有良好的容错性，即与CAN不同的是，即使一个节点损毁了，根据FlexRay的通讯特点以及拓扑结构，其他节点依然能正常运行，中心点可以断开与损毁节点的链接，中心节点毁坏时，又可以实用星型结构，然后再结合单通道和双通道的使用，最终的使用方法有很多种。

FlexRay总线是串行通信总线，是一种功能强大的灵活网络通信协议。FlexRay传输层协议与CAN的略有不同，有无ACK应答都可以进行数据的传输，而且在不知道消息长度的情况下也可以进行数据的传输，较CAN的传输层协议来说相比更加灵活，数据传輸的能力也更快：与CAN总线相比，FlexRay的带宽可增加10～40倍。

通过时分多址（TDMA）的FlexRay接入网络，将通信过程分为时间间隔，控制器根据需要在每个时间间隔访问网络。静态网段和网络空闲时间必须存在，而动态网段仅在需要时才发送。FlexRay基于时钟同步访问总线介质。它使用分布式坞站同步技术，总线上的所有节点都通过使用时钟同步算法使节点的本地时钟与系统的总时钟同步。FlexRay通信周期的信息帧包括标题段，有效负载段和尾部段。节点应在网络上传输帧，以使标题段首先出现，然后是有效载荷段，然后是尾部段，最后是尾部段，最后在各个段内传输，节点应按顺序发送字段FlexRay标头段由5个字节组成，这些字节包含保留字节，有效载荷前导指示符，空帧指示符，同步帧指示符，启动帧指示符，帧ID，有效载荷长度，标头CRC，以及周期计数。

2.2 FlexRay的节点结构和实现

FlexRay网络的功能节点由微机总线驱动单元，通信控制器和电源组成，微机是功能节点的主控制器。微机连接通讯控制器实现通讯。总线驱动逻辑可以实现信号的传送和总线的接收。

SAK-CIC310总线控制器由IN-FINEON Corporation制造。它与外部设备有多种连接方式，并行方式的数据传输速率更高，可以满足复杂网络对快速数据转换的需求。 SAK-CIC310可以通过三种接口方法与CPU转换数据，包括微链接接口（MLI）方法，同步串行通道（ssc）和外部存储器接口单元（XMU）。XMU方法采用并行方式与CPU连接，具有较高的数据传输率。FlexRay节点与CPU的硬件连接采用XMU方法，以DSP Tms320C6211作为CPU。

2.3 FlexRay网络结构与优化

设计FlexRay网络的方法有多种，可以将其配置为单通道或双通道总线网络，单通道或双通道星形网络，或总线和星形的各种混合组合拓扑。

总的来说，FlexRay技术具有更高的容错性，灵活性更好，更具有确定性并且传输速率高，是科技进步的产物。

3  FlexRay的应用

本文主讲的FlexRay的应用是汽车内的线控制动系统，相较于传统的CAN其具有的优势在上文中有所阐述，下文既是对其应用的介绍。在汽车诞生初期，整体的结构简单，消费者对其性能的要求也较低，随着市场的竞争性的增大，各种应用技术层出不穷，目前发展潜力最大的是线控制动系统，目前在市面上的线控制动系统主要分为两种，一种是EHB系统，另一种是EMB系统;因为EMB的所需的技术要求更高，造价更高且所需能源消耗大，批量投入不太现实，所以现在市面上主打的是EHB，但EMB系统还是实现自动驾驶技术所需要的，是未来开展研究的主要目标之一。

相较于传统的CAN系统，CAN协议所需条件甚多，FlexRay提供通信协议则没有那么多的条件限制，支持高速信息传输，并且具有超强的容错功能，保证了线控制动系统的绝对可靠性，为驾驶员的安全提供保证。

汽车行驶时，电子制动踏板节点指示制动踏板的动作，并向ECU发送消息。ECM主要接收制动信号，然后处理信号，然后提供适当的电压矢量。因此，电动表演者可以完成扭矩响应，并控制每个车轮的力矩。ECU还可以识别是否制动，并根据制动踏板的加速速度做出快速响应，以缩短制动距离。当所有传感器都出错时，节点的保护设备可以及时识别故障，并通过FlexRay总线通知ECU进行电子紧急制动。

4  线控制动系统要解决的关键问题

4.1 抗干扰处理的要求

在车辆行驶过程中，会遇到各种各样的杂乱的其它信号，对车内网络造成干扰，影响车辆的正常驾驶，严重还会影响车内网络系统，对驾驶员的生命安全造成威胁，所以需要对汽车内网的抗干扰能力进行处理提升，根据相关研究表明，对称式和非对称式抗干扰控制系统是目前比较常见的抗干扰技术，但是目前这些技术都不是十分完整，正在不断完善。

4.2 机械一电子执行机构的设计

这种设计除了需要考虑几何尺寸、物理性质运动参数轨迹等，还需要考虑机械构建的形式，十分复杂，目前已经有业内人士对此进行了深刻的研究并且申请了专利，可以在设计时进行参考。但是对这一方面的研究还需深入。

4.3 软件和硬件的部件化

硬件的变化由高低电平决定，软件通过控制逻辑输入的变化，实现电平的变化，特定硬件配合特定的供电模块，来实现状态的变化，比如，电机这种硬件，通过控制高低电平变化的相对占比，实现不同的转速，这样就实现了电机的不同转速，接下来电机就能拉着车或者拖动滑轮等等运动。

4.4 造价成本问题

一辆汽车的造价本就昂贵，加之采用了FlexRay技术，提升了车内的互联网技术，所以造价成本提升，但是对于汽车公司来说利润可能不是很高，进行试验也费材料，在经济上不太划算，寻常人家也可能不太会考虑这种昂贵的汽车，会选择经济实惠型的，所以在提升技术的同时降低系统的造价成本也亟待解决。

5  结论与展望

5.1 发展前景

自动驾驶技术在航空领域已经实现，但是在汽车领域实现还有一定的困难，不仅因为地面情况的复杂，也因为数据的庞杂，导致自动驾驶技术暂时还不能投入到实际当中，目前寄希望于线控制动技术，希望这一技术能得到更好的完善，而自动驾驶技术需要克服的一个难点就是信息干扰问题，基于此问题，EMB系统正在积极研发当中，因为还有成本和能源上面的问题，导致EMB无法全面进入市场，也就导致汽车线控制动系统的抗干扰技术并无法得到完善，现阶段市面上的主要是EHB系统，相較于EMB需要的空间更少，也不会增加额外的重量，并且减少了能耗，虽然还有不足的地方需要改进，但是是未来汽车制动系统的发展方向之一，为自动驾驶的实现提供了更多的可能性。

由于FlexRay总线的长带宽和强大的容错能力，汽车的消息可以快速传输，因此机械零件可以快速而准确地响应。每个车轮可以在不同的时间间隔上提供不同的制动力，因此汽车可以在不同的制动条件下提供及时而稳定的控制。

5.2 小结

本文针对FlexRay的特点，进行阐述，介绍了FlexRay的相关特性，并且介绍了应用，提出了要发展汽车的自动驾驶技术所要解决的各种问题，例如抗干扰问题、成本问题等，FlexRay是实现自动驾驶技术的希望，当然，科技日新月异，说不定也会有新的更加完善且成本更低的系统被研发出来投入到使用当中，亦可以引起相关的其他技术投入到FlexRay线控制动系统中，相信在不远的未来，自动驾驶技术可以投入使用。

参考文献：

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