1、车载网络技术5.1FlexRay5.1.1FlexRay简介1.FlexRay的发展FlexRay是继CAN和LIN之后的研发成果，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），FlexRay总线已经成为汽车网络系统的标准。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，业界一度认为，FlexRay将是CAN总线的替代标准。FlexRay是DaimlerChryslerAG的注册商标（图5-1）。1999年，BMW、DaimlerChrysler、Freescale（飞思卡尔，原美国摩托罗拉公司的半导体部）和Philips
2、（荷兰飞利浦）合作创建了FlexRay协会，以开发新型通信技术。第5章FlexRay与车载以太网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、Mazda、Elmos和SiemensVDO（2007年被德国大陆集团以114亿欧元收购，现为ContinentalVDO）也相继加入该协会。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
3、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。此后，世界范围内几乎所有有影响的汽车制造商和汽车电子产品供应商都加入了FlexRay协会。Flex=Flexibilitt（灵活的）Ray=Rochen（鳐鱼，软骨鱼类）FlexRayTM是DaimlerChrysler的注册商标图5-1FlexRay的标志鳐鱼鳐鱼属于软骨鱼类，身体的柔韧性和灵活性非常好。FlexRay总线的灵活性和适应性非常好。2.FlexRay的数据传输速率FlexRay的最大数据传输速率为每通道（信道）10Mbit/s，明显高于以前在车身和动力传动系统/底盘
14、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5-11所示，从中可以清楚地看出车门解锁（打开车门锁）和起动时的典型的电压曲线。图5-11FlexRay的唤醒信号曲线第一阶段，驾驶人用车钥匙或遥控器将车辆开锁。CAS控制单元启用唤醒脉冲并通过唤醒导线将车辆开锁信号（高电平）传输给所连接的FlexRay控制单元。图5-11FlexRay的唤醒信号曲线第二阶段，驾驶人打开车门，进入车内。在将车钥匙插入点火开关之前，由于总线端R仍处于断开状态，总线系统内的信号电平再次下降（低电平）。第三阶段，驾驶人起动
18、SHR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BMW车系F01车型FlexRay总线的拓扑结构如图5-6所示。根据车辆配置情况，ZGM带有一个或两个星形连接器，每个星形连接器都有四个总线驱动器。总线驱动器将控制单元数据通过通信控制器传输给中央网关模块（ZGM）。根据FlexRay控制单元的终端形式，总线驱动器通过两种方式与这些控制单元相连。2.终端电阻的设置如果一个总线驱动器上仅连
19、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5-15）。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5-16）。图5-15终止节点终端内部的终端电阻图5-16形成环路的FlexRay终端电阻的设置5.1.4FlexRay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
22、络，但成本和复杂度制约了其发展。加之采用FlexRay技术的量产车刚一推出，就遭遇了席卷全球的2008年金融危机，直接导致了FlexRay协会于2009年年底解散。2006年FlexRay首次应用于量产车，作为数据主干网用在了BMWX5的主动悬架系统。待全球金融危机结束之后，以博通公司主推的车载以太网技术已经悄然崛起，业界已经把注意力转移到车载以太网的研发和应用。至此FlexRay完全陷入进退两难的尴尬境地。5.2车载以太网5.2.1车载以太网及其标准1.以太网作为一种局域网（LocalAreaNetwork，LAN）技术，以太网（Ethernet，图5-17）最早由Xero
23、x（施乐）公司于1973年创建，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局域网标准。图5-17以太网（Ethernet）的标志历经40多年的发展，以太网已经成为应用最为普遍的局域网技术。以太网主要由IEEE802.3工作组负责标准化，以太网从最初支持10Mbit/s的吞吐量开始，经过不断的发展，支持快速以太网（100Mbit/s）、千兆以太网（1Gbit/s）、万兆以太网（10Gbit/s）及100Gbit/s。同时，为了适应应用的多样化，以太网速率打破了以10倍为一级来提升速率的惯例，开始支持2.5、5、25及400Gbit/s的
24、速率。以太网技术不仅支持双绞线的铜线传输介质，也支持光纤传输。以太网不仅仅局限于局域网的应用，可以更广泛地应用到城域网（MetropolitanAreaNetwork，MAN）和广域网（WideAreaNetwork，WAN）等领域。2.车载以太网在进入汽车领域之前，以太网已经获得了广泛的应用，同时还具有技术成熟、高度标准化、高带宽以及低成本等优势。由于传统以太网采用载波监听多路访问/冲突检测（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection，CSMA/CD）方式工作，导致其数据传输具有不确定性或者说非实时性，故传统以太网一直被
25、认为是在数据传输过程中，具有“非确定性”的网络系统。当网络负荷较大时，数据传输的不确定性不能满足工业控制领域的准确定时通信的实时性要求（亦即确定性要求），故传统以太网技术难以直接在汽车中应用。车载以太网（AutomotiveEthernet，图5-18和图5-19）在传统以太网协议的基础上，通过改变物理接口的电气特性，显著提升了电磁兼容性能，可以满足车内环境对电磁兼容性能的严苛要求。同时，结合车载网络需求，专门定制了一系列新的标准和协议，形成了适应汽车环境要求的网络体系，从而得以应用于汽车。图5-18车载以太网（AutomotiveEthernet）的标志图5-19车载以太网
26、目前，主流的车载以太网的技术标准是基于美国博通（Broadcom，图5-20）公司的BroadR-Reach（BRR）技术，电气与电子工程师协会（IEEE）已经完成对100Mbit/s车载以太网技术的标准化，正在对1Gbit/s传输速率的车载以太网进行标准化。图5-20美国博通（Broadcom）公司的标志与传统的以太网使用4对非屏蔽双绞线（UnshieldedTwistedPair，UTP）电缆（共8根铜质电线，图5-21）不同，图5-21传统以太网使用4对非屏蔽双绞线（共8根铜质电线）车载以太网在单对非屏蔽双绞线（共2根铜质电线，图5-22）上可实现100Mbit/s甚至1G
27、bit/s，甚至更高的数据传输速率，同时还能满足汽车行业对高可靠性、低电磁辐射、低功耗、带宽分配、低延迟以及同步实时性等方面的要求。图5-22车载以太网的单对非屏蔽双绞线（共2根铜质电线）仅就节约布线成本这一项，车载以太网的优势就极为明显（图5-23）。博通公司宣称，采用其主导的BroadR-Reach技术，可使车载网络系统的电缆重量减轻30%，连接成本可降低80%。3.车载以太网的标准化（1）IEEE电气与电子工程师协会（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，IEEE）成立于1963年，是一个国际性的电子技术与信息科学工程师
31、盟。AUTOSAR（图5-26）成立于2003年，BMW、BOSCH、VOLKSWAGEN、Continental、Ford、TOYOTA、PSA、GM等为核心成员。AUTOSAR联盟旨在制订一个开放的、标准化的车用软件架构体系。图5-26AUTOSAR联盟的标志AUTOSAR定义了一套汽车ECU内部的软件架构，同时还提出了一套完善的支持分布式汽车电子软件系统开发和应用的汽车电子软件开发方法，标准化了开发流程中的交换格式，使汽车电子软件系统可以方便地在不同的汽车硬件平台之间移植，缩短开发周期，降低开发成本。AUTOSAR制订的规范包括车用TCP/UDP/IP协议栈，业已获得汽车行业的
32、普遍认可。AUTOSAR提出的“在标准上合作，在实现上竞争”的原则，其核心思想在于“统一标准、分散实现、集中配置”，改善了汽车电子软件开发中重用度低和可移植性差的问题，实现了应用软件和底层基础软件实现之间的分离。AUTOSAR架构可使多个设备无缝运行在同一个共享网络上，有利于车辆电子系统软件的交换与更新，并为高效管理越来越复杂的车辆电子、软件系统提供了一个基础平台。此外，AUTOSAR在确保产品及服务质量的同时，也降低了系统开发成本，提高了工作效率。（4）AVnu联盟AVnu联盟（theUnifiedofAVNetwork）由博通公司（Broadcom）联合思科（Cisco）
34、产品等领域。4.车载以太网协议架构车载以太网协议不是一项单一的协议，而是包括多个不同层次上的协议家族，但通常被认为是一个四层（应用层、传输层、网络层、数据链路层）协议系统，每一层具有不同的功能。四层架构与开放系统互连（OSI）参考模型相对应，并且提供了各种协议框架下形成的协议族及高层应用程序。车载以太网及其支持的上层协议的技术架构如图5-29所示。图5-29车载以太网及其支持的上层协议的技术架构（1）物理层参照OSI模型，车载以太网在物理层采用了博通公司的BroadR-Reach技术（图5-30）。BroadR-Reach技术提供100Mbit/s的全双工变压器功能，或通过一对双
35、绞线实现电容耦合式传输，物理层以上的结构与传统以太网是一致的，没有变化。图5-30采用BroadR-Reach技术的车载以太网物理层BroadR-Reach提供传统的标准以太网的介质访问控制（MediaAccessControl，MAC）层接口，因而能够使用与传统以太网类型相同的数据链路层逻辑功能及帧格式，能够通过与传统以太网类型相同的方式运行高层协议和软件。BroadR-Reach利用两组编码和信令（signaling）方法将MAC层100Mbit/s的数据流转换成66MBaud的三元信号，可使100Mbit/s的数据速率能够在较低的频率范围内实现，从而使BroadR-Reach以
41、同步能力源于IEEE1588协议，可以提供与FlexRay相同的时钟质量。IEEE802.1Qat流预留协议（SRP）是对音视频数据流发送端和接收端服务请求的管理协议，多重数据流预留协议（MSRP）目前只支持两种类型数据流（A类或B类），两者区别体现在数据帧的大小和数据帧的传输速率上。IEEE802.1Qat标准保证这两类数据在7跳（7hops）内的最大的点至点延迟，A类为2ms，B类为50ms。IEEE802.1Qav是实时数据流的转发和排队控制协议，为数据流发送端和交换节点提供一个成形的数据流服务。IEEE802.1Qav定义了8个业务类，并预期至少有一个必须作为流预留（
43、联网络中发挥作用，充当高层应用需求和网络层协议之间的桥梁。TCP/IP协议主要负责主机到主机之间的端到端通信。（4）应用层协议应用层协议是用户与网络的交互界面，负责处理网络特定的细节信息。应用层协议覆盖了OSI参考模型的第5层至第7层。应用层可根据用户需求为用户提供多种应用协议，如音视频设备发现、连接管理和控制协议（IEEE1722.1）、流媒体服务（StreamMediaService）、动态主机配置协议（DynamicHostConfigurationProtocol，DHCP）、服务发现（ServiceDiscovery）、通信控制（Scalableservice-O
44、rientedMiddlewareoverIP，SOME/IP。直译为基于IP的面向服务的可扩展中间件，意译为通信控制）、超文本传输协议（HyperTextTransferProtocol，HTTP）等。5.2.2车载以太网的发展趋势与应用1.车载以太网的发展趋势车载以太网作为一种新型网络系统的进入汽车，肯定是无法一蹴而就的，需要一个渐进的过程。在短期内，车载以太网无法取代现有的CAN、LIN、FlexRay、MOST等车载网络。业界普遍认为，在车载以太网进入汽车网络领域的过程中，会分阶段地，先从从子系统开始，然后逐步深入，并最终以整车骨干网络的形式整合整个汽车网络系统。
46、ME/IP等技术将逐步推广使用，车载以太网将以单节点或多个节点的形式进行搭载，如使用高分辨率的IP摄像头的全景泊车等驾驶辅助系统、多屏互动的高清信息娱乐系统等进入汽车，给驾乘人员带来全新的驾乘感受。第三阶段：在前两个阶段，车载以太网专注于某个特定的应用领域，在经历的前两个阶段的积累和锤炼后，第三阶段将使用以太网作为车载网络骨干，集成动力总成、底盘、车身、多媒体、辅助驾驶等功能，真正形成一个域控制器（DomainController）级别的汽车整车网络（图5-33）。图5-33采用以太网作为骨干网络构建域控制器级别的汽车整车网络博通公司已经推出适用于域控制器级别的汽车整车网络的以太网交换机产品系列（图5-34），必将在未来市场上占据主导地位。图5-34博通公司推出的适用于域控制器级别的汽车整车网络的以太网交换机产品系列2.车载以太网在故障诊断和快速编程系统中的应用使用车载以太网物理层的基于IP协议的车辆诊断通信标准ISO13400DoIP，用以太网代替CAN总线，实现车载诊断系统（OBD）和