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控制技術/MCU  

FlexRay邁入實際應用 全面啟動先進汽車連網趨勢

上網時間: 2007年04月13日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:FlexRay  控制區域網路  CAN  電子控制單元  ECU 

過去數年間,現代車輛的駕駛經驗已逐漸由車載電子定義。從最初的引擎管理和汽車音訊開始,目前電子功能已滲透了汽車的所有主要系統,包括動力傳動、車身、底盤、駕駛輔助系統,以及主動和被動安全系統等。

1980年代中期,隨著控制區域網路(CAN)興起,汽車內系統也開啟了連網趨勢。當時,汽車中的每個電子控制單元(ECU)均代表一個獨立功能單元。隨著ECU數目的增多,加上電子控制能夠提供的技術能力,這種趨勢遂從ECU連網轉變為功能可跨越多個ECU的分散式系統。

為滿足這種不斷成長的需求,汽車通訊網路不僅須提供高速資料傳輸能力,其資料傳輸還必須具備確定性和容錯功能,以支援先進的分散式控制系統。過去幾年中,由超過120家公司組成的產業聯盟開發出了FlexRay通訊系統,這是一種時間確定性協議,能為車輛中的先進控制系統提供高達10Mbps的資料傳輸率。

2000年,汽車製造商BMW和戴姆勒克萊斯勒,晶片製造商飛利浦半導體部門(現更名為NXP)和摩托羅拉半導體部門(現更名為飛思卡爾半導體)共同建立了一個產業聯盟,著手進行FlexRay的開發。2003年,隨著Robert Bosch、通用和大眾汽車陸續加入,該組織的核心合作夥伴達到了7家。該聯盟迅速吸收了汽車業界眾多廠商,截至2005年底,成員數已超過120家。

FlexRay可在10Mbps資料傳輸率下被配置為重複的通訊週期。每個通訊週期均包含靜態通訊時間段、動態通訊時間段和網路閒置時間,其中網路閒置時間是用於中止每個通訊週期的一段無通訊期。此外,每個通訊週期還可能包含一個可選的符號視窗,用於在操作中測試ECU與實體網路的互連。

封閉迴路

在標準的FlexRay通訊週期中,靜態通訊時間段適合需要界定延遲(bounded-latency)和小延遲抖動的資料通訊。為此,靜態通訊時間段採用了基於靜態通訊槽的TDMA通訊方案。結合系統設計期間進行離線計算的一種靜態方案,FlexRay能處理高確定性的分散式應用,如在網路上關閉控制迴路的封閉迴路控制應用。

在靜態時間段中,靜態通訊槽在兩個通道上前後緊接連續出現。ECU可能在同一個靜態通訊槽內分別在兩個通道上發送內容相同或不同的訊框。也可能在同一個靜態通訊槽內把通道分配給不同的ECU,或是讓槽閒置。在動態時間段中,根據動態通訊槽被使用或閒置與否,動態通訊槽模式在兩個通道上獨立展開。

FlexRay通訊週期的暫態特徵在設計階段定義,並以靜態方式儲存在每個ECU中。需要更大頻寬的和需要較短訊息更新間隔的ECU,會比需要更小頻寬或允許較長訊息更新間隔的ECU分配到更多通訊槽。

在靜態和動態時間段中,通訊週期利用一種仲裁網格(arbitration grid)來提供無碰撞通訊。該仲裁網格由‘macrotick’組成。Macrotick代表全局時間的最小同步粒度單元,透過跨叢集時脈同步演算法在所有的ECU上實現同步。

上述同步方案確保了不同ECU之間的macrotick均為同步,同時,所有的macrotick都在定義的精確度內彼此保持同步。定義精確度描述了最差情況下網路中任意兩個同步ECU對應之macroticks間的偏差。

這種容錯時脈同步是驅動通訊週期之通訊協議的關鍵機制。為了支援容錯功能,必需決定將一種容錯分散式時脈同步演算法部署為跨叢集時脈同步演算法。與主從同步演算法相反,即使系統中的發生失效事件時,容錯分散式時脈同步演算法也能繼續工作。時脈同步演算法由每個ECU內的協議狀態機獨立執行,無需與主處理器進行任何互動。


圖1:在FlexRay通訊週期的例子中,靜態通訊時間段適合需要界定延遲和小延遲抖動的資料通訊。


圖2:FlexRay網路的選擇取決於多種技術標準。

實際應用

決定FlexRay成功與否的關鍵因素,在於實現FlexRay協議及其在汽車應用中部署的半導體元件可用性。在FlexRay協議的開發過程中,飛思卡爾就曾向BMW提供FlexRay通訊控制器。

利用這些元件,BMW的工程師在X5系列中導入了FlexRay技術,在最新版X5的底盤部分展開試驗性應用。BMW計劃2008年後透過FlexRay網路連接多個由ECU實現的底盤、傳動系統和駕駛輔助系統,在整個電子架構擴大這種應用。

為了將導入新通訊技術的風險降到最低,BMW工程師決定把FlexRay技術作為X5底盤的部分可選應用。此處,FlexRay網路連接了電子減振器控制系統的5個ECU。本應用所採用的FlexRay網路主要優勢是10Mbps總資料傳輸率、時間確定的無碰撞資料傳輸,以及在分散式封閉迴路控制系統內同步各個不同任務的能力。

該應用採5ms通訊週期(劃分為3ms的靜態時間段和約2ms的動態時間段)。使用這種週期設計,透過在每次通訊週期發射兩次資料,不僅可能提供5ms的資料更新週期,還可望提供2.5ms的資料更新週期。換言之,利用FlexRay協議提供的週期多工能力,資料只在特地預先確定的通訊週期上發射,可能提供10ms、20ms和40ms的資料更新週期。

動態時間段用於具有較大週期數的訊框、事件觸發訊息、網路管理和診斷訊息的通訊,該訊框用於快閃記憶體下載和校準資料(XCP on FlexRay介面)。在該應用中,ECU透過設計成結合了線性匯流排拓樸之單一星狀結構的單一通訊通道互連。

實現FlexRay網路

有多種技術標準可用來判斷是否採用FlexRay網路。主要標準是頻寬、確定性通訊、具體系統整合特性以及是否提供容錯功能。上表格列出了這些標準,並與CAN進行了比較。

FlexRay聯盟的目的是開發新技術,透過新應用設計來補充現有的LIN和CAN網路(而不是取代這些現有網路),而且應以較低成本實現。

不過,很顯然,導入性能更高、功能更強的新技術會導致成本增加。最終,商業案例的比較必須在同等級功能性上進行。以CAN系統為例,儘管可取代若干CAN子匯流排、電纜、閘道和冗餘感測器,但考量到功能劃分挑戰與系統整合的工作,FlexRay系統被認為具有同等成本。

不過,在此同時,FlexRay系統也提供更高性能、更強的可擴展性及更低的複雜性。考慮到系統壽命,基於整體系統成本的商業案例計算顯示,相較於多個CAN環境,FlexRay架構具有顯著的商用優勢。對這些商業案例的分析成為BMW汽車系列早期導入FlexRay技術的關鍵基準。

跨產業鏈接

近年來,FlexRay通訊系統已成為廣泛業界活動的一部分。2003年設立的汽車開放系統架構(Autosar)開發合作夥伴,主要目標是為汽車架構開發和建立開放式業界標準,作為未來應用和標準軟體模組內功能管理的基本架構。

Autosar定義了軟體應用編程介面,它擷取了通訊的具體細節,同時利用了協議的主要特性。Autosar對FlexRay進行了補充,它提供了一個標準化執行環境,該環境透過Autosar介面,以非常靈活的方式整合了來自高階軟體元件的通訊。

在不久的將來,將可望以對較高軟體層完全透明的理想方式,在系統層級中的硬體級上提供更多創新,如透過增加更多為FlexRay提供服務的控制主介面,或是在系統的較低層處結合一個用戶可編程協處理器。

本文小結

FlexRay聯盟剛展開FlexRay協議的開發時,就己將最終目標設定為‘成為被整個汽車產業廣泛接受的確定性汽車網路新標準,並開放給第三方使用與開發。’現在,首款FlexRay技術汽車應用即將推出,這是實現這一目標的主要里程碑之一。

BMW決定在試驗性應用中導入FlexRay技術,藉以奠定其在協議開發中的主導地位。而飛思卡爾則透過已認證、可用於汽車系統之FlexRay矽晶片的可用性,展示出將FlexRay推向市場的能力。

雖然目前這兩家公司決定先行一步,但FlexRay技術的成功必須取決於120多家成員公司在該領域的投資、開發和發展的相關決策。

作者:

Josef Berwanger

專案經理

Anton Schedl

技術小組主管

BMW公司

Christopher Temple

Flexray籌劃指導委員會代表

飛思卡爾公司




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