第5章 以太网与FlexRay

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5-1 FlexRay上的两个授权唤醒控制单元（带有“S”标记的控制单元）
5.2.3 FlexRay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y
5.1 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。
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
5.2.4 FlexRay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。
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。
图5-8 FlexRay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。
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
中 央 网 关 模 块 （
之 间 的） 连用 接于 不 同 总 线 系 统 与
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
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
3）混合总线拓扑结构。
图5-13 BMW车系F01车型FlexRay总线的拓扑结构
2.冗余数据传输 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。
图5-6 冗余数据传输 A—信道1；B—信道2
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5-13 BMW车系F01车型FlexRay总线的拓扑结构
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）。
5.2 FlexRay
5.2.1 FlexRay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Daimler Chrysler AG的注册商标。1999年， BMW、Daimler Chrysler、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。
后来Bosch和General Motors也加入了该协会。从2002 年至今，Ford汽车公司、Mazda、Elmos和Siemens VDO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。
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。 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。
图5-1 BMW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。
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）。
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。 5.2.2 FlexRay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5-5 星形总线拓扑结构 图5-4 线形总线拓扑结构
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（ICOM A）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5-1 FlexRay上的两个授权唤醒控制单元（带有“S”标记的控制单元）
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5-11 FlexRay是行驶动态管理系统的综合性主总线系统
图
5-12 ZGM FlexRay
中央网关模块用 于不同总线系统 与FlexRay之间的 连接（图5-12）。
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。 Flex Ray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5-10 FlexRay的唤醒信号曲线
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。
GAME OVER
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。
图5-7 FlexRay总线系统的正常波形
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2.5 V。 2）高电平信号。高电平信号的电压为3.1 V。 3）低电平信号。低电平信号的电压为1.9 V。 注：电压值以对地（搭铁）测量方式得到。