基于FlexRay总线的车载网络通讯系统

黄晓鹏，罗 明

基于FlexRay总线的车载网络通讯系统

黄晓鹏，罗 明

（陕西交通职业技术学院，陕西 西安 710021）

汽车进入智能化、电动化时代后，车辆对车载网络技术的需求越来越高，FlexRay作为新一代总线系统也被越来越多的汽车厂家应用。文章对FlexRay车载网络系统的优势、拓扑结构、时效性等进行分析，并对FlexRay车载网络系统在车辆上的具体应用进行实践总结，探索车载网络技术发展趋势。

FlexRay网络；车载网络；拓扑结构；传输速率

前言

近年来，随着电子技术、汽车新技术、通信系统性能、容量的不断发展，汽车车载网络系统能够在多个设备之间通过公共的界面传输数据，实现数据协调共享，可以简化线束，增加功能，并通过共享信号减少传感器数量，得到广泛的应用。目前，应用较多的是CAN总线，但是当汽车进入智能化、电动化、共享化时代后，CAN总线因为传输数据容量有限、速率较低，已经难以适应目前汽车智能化、通信大数据的发展需求，FlexRay作为新一代总线系统，因其具有高速率、可确定性、容错性等优点，可以适应汽车智能化、电动化的具体要求，目前奥迪、宝马、奔驰等豪华品牌以及很多品牌的混合动力车辆上已经采用了FlexRay车载总线技术。本论文对FlexRay车载网络系统进行分析总结。

1 车载网络系统概述

20世纪80年代起，车载网络技术开始应用在汽车上，主要用于简单信息的传输，到20世纪90年代后，车载网络技术开始大规模使用，21世纪以来，车载网络技术在乘用车上已经普及，一直以来，车载网络技术的更新从未停下，性能更优、传输速率更快、容错性更好的网络技术层出不穷[1]。目前，由于网络技术及生产成本的影响，在现代汽车上不同的系统一般应用着不同层级的网络技术，这些车载网络技术的传输数据速度、准确率也是不相同的，这样可以使车辆的性价比达到最佳。

在车载网络中，车辆上各个控制电脑在网络中进行传输数据时，都需要遵循一定网络交流协议，而这些网络交流协议由各个汽车生产厂家、零部件开发商、标准组织等公司研发，受限于传输数据及准确率，应用于汽车上不同的系统[2]，表1为一些主要的汽车车载电脑网络交流协议。

表1 车载网络交流协议

网络交流协议开发商主要应用 FlexRay宝马、德国博世公司等事关安全的线控系统和动力系统；高速的、可确定性的，具备故障容错能力的网络传输 MOST宝马、戴姆勒克莱斯勒、Harman/Becker（音响系统制造商）和 Oasis（产业标准组织）媒体、信息娱乐系统 CAN德国博世公司高速率网络传输 VAN法国标致-雪铁龙汽车集团、雷诺汽车公司、JAEGER公司等车身系统、舒适系统 J1850美国汽车工程师协会车身系统 A-BUS德国大众汽车公司低速率和高速率信息网络传输 MI-BUS美国摩托罗拉公司车身系统、空调系统 LIN美国摩托罗拉公司低成本、低流量的系统

2 FlexRay总线系统

FlexRay总线系统是汽车制造商、汽车设备制造商和半导体公司联合开发的，目前，FlexRay总线系统主要应用在汽车动力系统、车身控制系统、底盘系统和混合动力电机控制系统中。2000年，包括汽车制造商（宝马、戴姆勒、大众、通用等），汽车设备供应商（博世、GmbH、德尔福等）和半导体公司（飞思卡尔、NXP等）一起建立FlexRay联盟，FlexRay总线系统的推广应用主要由该联盟负责。

2.1 FlexRay总线系统优点

相比较于CAN总线，FlexRay总线具有以下优点：

（1）数据传输速率更高。FlexRay总线有双通道和单通道两种类型，单通道的传输速率最高为10 Mbps，因此，如果使用双通道，FlexRay总线的传输速率可以达到20 Mbps，而传统的CAN总线的最高速率为1 Mbps[3]。

（2）容错性能更佳。因为FlexRay具有双通道的结构特性，在通过两个通道进行信息传输时，这两个通道网线可以通过冗余来实现系统容错性能的提升，也就是说当其中一个信号通道出现故障时，另一个信号通道可以正常进行信息传输，形成更佳的容错性能。

（3）时效性更加准确。FlexRay总线采用的是基于时分多路的信息传输方式，在信息传输过程中，传输的数据在每个循环周期内都有了相应的位置，因此，信息在传输过程中的时效性更加准确。

（4）系统灵活性更优。FlexRay网络系统灵活多样，拓扑结构可以采用总线型、星型、菊花型及混合型多种类型，满足不同级别网络的需求。另外，FlexRay总线在传输数据时，可以采用时间触发，也可以采用事件触发，这样就可以针对不同类型的信息传输选取不同的触发方式，具有灵活多变的特性[4]。

2.2 FlexRay网络拓扑结构

网络拓扑结构，指的是网络节点与节点之间相互连接而形成的特定的结构关系，不同的通讯网络需要选择不同的网络拓扑结构，整个网络的特性取决于该网络选择的拓扑结构，因此对于网络来说，拓扑结构显得尤为重要[5]。

在汽车车载网络中，我们可以将车上的每一个电子控制单元看成网络上的一个节点，根据电控单元与电控单元之间形成的特定的结构关系，来选择合适的车载网络拓扑结构，网络拓扑结构的选择非常重要，车载网络系统系统的成本、性能稳定性都和所选择的车载网络拓扑结构相关。常见的车载网络结构有总线型、星型、混合型、环型、网状型、菊花型（后文介绍）六种拓扑结构[6]，具体连接方式如图1所示，其中，菊花型拓扑结构为环形拓扑结构的一种衍生结构。

图1 车载网络常见的五种拓扑结构

FlexRay网络拓扑结构主要应用总线型、星型、菊花型（后文介绍）和混合型四种类型。在这四种拓扑结构类型中，又可以分为双通道和单通道，其中，星型拓扑结构还可以具体分为有源型和无源型两种，FlexRay所应用的网络拓扑结构主要类型如图2 所示。

图2 FlexRay网络拓扑结构主要类型

总线型拓扑结构中，所有的电子控制单元（ECU）都通过网线连接到总线（图中Channel）上。总线上连接的电控单元可以通过总线进行数据的双向传播，即根据需要可以在总线上传播和接收相关数据，实现了信息共享。在星型拓扑结构中，汽车上每个电控单元都会和一个或两个中心节点（Star）连接，并且能够和中心节点进行信息传输，这样中心节点就分担了各个电控单元的通讯负担，因此其他电控单元相对于中心节点的结构就简单了很多，节约了成本。混合型网络拓扑结构兼顾了各种拓扑结构的优点，采用混合型网络拓扑结构的车载网络故障诊断和容错性更好，系统诊断出某个ECU发生故障，可以将这个ECU和整个网络架构相隔离，混合型网络拓扑结构还有利于扩展新的ECU，更适合于目前汽车上新功能的开发，同时，混合型网络拓扑结构还能够满足很多大规模网络的建设需求[7]。

2.3 FlexRay网络时效性、时间确定性

为了保障FlexRay网络系统在信息传输过程中的时效性能够得到很好的控制，在网络中的每一个电子控制单元都有自己独立的时钟，可以将时间误差控制在一个可控范围，同时保证了各个电控单元之间时间的同步。时钟同步的实现主要有频率校正和相位校正两种方法，在FlexRay网络系统中，系统是通过将频率校正和相位校正两种方法相结合来实现时钟同步的。

FlexRay网络系统一个通信周期由静态段、动态段和网络空闲时间三部分组成，静态段主要是传输特定信息，动态段传输附加信息部分，网络空闲时间主要是为同一个FlexRay网络中的ECU重新同步预留的空间[8]。系统可以计算测量静态段传输特定信息的时间消耗，并计算每一个电控单元和其他的电控单元的时钟偏差，进而计算出FlexRay网络系统中的电控单元是否满足时效性和时间确定性的具体要求。为了验证信息传输的时间准确性，还可以通过计算两次传输过程消耗时间的偏差来计算获取。在FlexRay网络中，在通信周期结束后预留了可用于相位校正值的计算时间，如图3所示。

图3 FlexRay网络系统时钟同步

3 FlexRay总线系统应用

3.1 路虎极光FlexRay网络系统应用

如图4所示为路虎2019款极光的车载网络结构图，从图中可以看出，该车型主要使用的是高速CAN网络，包括车身CAN、舒适CAN、底盘CAN等系统，但是，从2019款极光车型开始，该车型将以前的动力总成系统迁移出以前的动力总成系统，成为一个独立的FlexRay总线网络，以提高动力总成系统的通讯能力。

A—车身CAN；B—电源模式0CAN；C—舒适功能CAN；D—底盘CAN；E—FlexRay；F—动力总成系统；CAN1—终端电阻器。

表2 路虎2019款极光FlexRay车载网络电控单元

电子控制单元说明 AWDCM四轮驱动控制模块 TCM变速器控制模块 ABS防抱死控制模块 PDC驻车距离控制模块 IPCM图像处理控制模块 PCM动力传动系统控制模块

在该FlexRay总线网络中，包含有四轮驱动控制模块、变速器控制模块、防抱死控制模块、驻车距离控制模块、图像处理控制模块、动力传动系统控制模块等电子控制单元，如表2所示。

3.2 标致2020款4008混合动力车型FlexRay网络应用

2019年，FlexRay网络系统开始应用在法国标致雪铁龙集团的混合动力（PHEV）车辆上，2020年，FlexRay开始应用在东风标致4008 PHEV车型上，该车型的FlexRay总线系统也应用在动力系统，采用的拓扑结构为“菊花型”，如图5所示。通过“菊花型”连接的拓扑结构，如果系统中任意一个ECU断开，则FlexRay总线上会出现故障，如果要测试或驾驶该车辆，必须连接FlexRay总线上所有ECU。

图5 菊花型网络拓扑结构

如图6所示为标致4008 PHEV的车载网络结构图，从图中可以看出，该车型FlexRay网络系统主要连接的是发动机电脑（CMM）、变速箱电脑（BVA）、整车控制器模块（VCU）和后电机控制模块（RMCU）四个电控单元，其中，在发动机电脑、整车控制器、后电机控制模块三个电脑中有终端电阻，终端电阻阻值为100 Ω。

图6 标致4008 PHEV2020款车型车载网络结构图

FlexRay网络系统的网线和CAN网一样，也是双绞线，在4008PHEV车型上称之为“总线P”和“总线M”，两根网线之间的电阻值为50 Ω左右，在传输信息过程中，两条网线的电压在1.5 V～3.5 V之间变化，测量的网线波形图如图7所示。

图7 FlexRay系统网线信号波形图

4 车载网络系统发展趋势

随着汽车智能化、电动化、电子化、共享化的不断发展，人们对于汽车的安全性、舒适性、娱乐性的要求也越来越高，某些车载网络系统将会被逐渐淘汰，随着汽车车载网络系统的快速发展，FlexRay总线因为其数据传输速率、容错性能、拓扑结构多样性等优势，可以满足汽车发展更多的需求，应用也将越来越广泛。因此，车在网络系统发展将会呈现出以下几种发展趋势：

（1）除了动力总成系统，FlexRay总线系统将来会应用到更多的品牌车型及更多的系统中，像大数据传输、新能源数据备份等也会应用FlexRay网络系统。

（2）很长一段时间，车辆将会出现“FlexRay”“MOST”“CAN”“LIN”多种车载网络各司其职、共同存在的情况。

（3）随着车载总线和车联网无线通信技术的快速发展，以FlexRay为代表的车载总线网络将逐步与车辆外的互联网连接起来，实现车与车、车与路、车与人之间的信息交互，与车辆外部网络进行信息通讯，可以使FlexRay网络中的数据在车联网以及外部网络之间进行传输，真正实现信息共享共用[9]。

车载网络技术经过近四十年的快速发展已经取得了重大突破，FlexRay等车载网络技术作为一项技术已经而且必将长期应用在汽车上，并且大大提高了整车的制造成本，优化了汽车的整车性能。随着技术的进步，更多的车载网络技术将会被应用，汽车智能化时代已经到来。

[1] 黄晓鹏,蔺宏良.东风雪铁龙C5轿车车载网络系统控制原理分析[J].电子测试,2014(17): 92-93+86.

[2] 陈佳红.乘用车现场总线系统CAN、TTCAN、Flex_Ray和LIN的比较[J].上海汽车,2019(12):59-62.

[3] 张凤登,付敬奇.实时传输网络FlexRay原理与范例[M].北京:电子工业出版社,2017,238-240.

[4] 程驰,帅志斌,李建秋,等.车载网络通讯协议FlexRay网络的分析及搭建[J].汽车安全与节能学报,2013,4(1):75-81.

[5] 吕媛媛.FlexRay总线在全电子目标控制系统中的应用研究[J].铁路通信信号工程技术（RSCE）,2021(6):7-11.

[6] 张育贵.高速车载网络FlexRay自适应控制器的研究[D].贵州:贵州大学,2019.

[7] 阎一豪.基于FlexRay总线的车联网应用[D].成都:电子科技大学, 2019.

[8] 葛雨明.车联网白皮书[R].中国信息通信研究院.2018,12.

[9] 张育贵.高速车载网络FlexRay自适应控制器的研究[D].贵州:贵州大学,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

黄晓鹏（1982—），男，副教授，硕士研究生，就职于陕西交通职业技术学院，从事新能源汽车、智能网联汽车的教学研究工作。

陕西省教育厅专项科研计划项目（19JK 0111）。