基于FlexRay总线汽车网关

1、基于基于FlexRay总线的汽车网关总线的汽车网关 设计与研究设计与研究 申报人：陈新申报人：陈新湖南人文科技学院1、概述、概述 汽车电子化程度与日俱增，应用在车上的汽车电子化程度与日俱增，应用在车上的ECU模块数量也随之增加，从而使线束也增模块数量也随之增加，从而使线束也增加。汽车电子系统的成本已经超过总成本的加。汽车电子系统的成本已经超过总成本的20%，并且还将继续增加。由于汽车生产商，并且还将继续增加。由于汽车生产商对制造成本的严格控制，加上对车身质量的对制造成本的严格控制，加上对车身质量的控制，减少线束已经成为一个必须要解决的控制，减少线束已经成为一个必须要解决的问题。另一方面，以网络

2、通讯为基础的线控问题。另一方面，以网络通讯为基础的线控技术（技术（X-by-wire）将在汽车上普遍应用。）将在汽车上普遍应用。 汽车网络通常可以分为三类：汽车网络通常可以分为三类： 车身控制：要求具有高带宽、高可靠性和车身控制：要求具有高带宽、高可靠性和数据完整性；数据完整性； 信息娱乐：要求高带宽及对音视频的实时信息娱乐：要求高带宽及对音视频的实时处理能力；处理能力； 安全：传统的液压和传感器正在被线控驾安全：传统的液压和传感器正在被线控驾驶和刹车方法所取代。驶和刹车方法所取代。 LIN的目标应用是不需要的目标应用是不需要CAN的性能、带的性能、带宽及复杂性的低端系统，如车门控制模块、宽及

3、复杂性的低端系统，如车门控制模块、座椅调节、车灯控制和空调系统中传感器座椅调节、车灯控制和空调系统中传感器和执行器之间的通信。通常和执行器之间的通信。通常LIN子总线是现子总线是现有的有的CAN网络的扩充，与网络的扩充，与CAN网络一起形网络一起形成汽车的控制网络。当然，由于其成本较成汽车的控制网络。当然，由于其成本较低，也可以独立用于不是特别复杂的车身低，也可以独立用于不是特别复杂的车身控制网络中。控制网络中。 LIN总线的主要特性为：总线的主要特性为：*单主站以及多从站概念；单主站以及多从站概念；*基于常用的基于常用的UART/SCI硬件接口，以及相硬件接口，以及相应的软件，或作为纯粹的状

4、态机，从而保应的软件，或作为纯粹的状态机，从而保证较低的成本；证较低的成本；*从节点中无须石英或陶瓷振荡器就可以实从节点中无须石英或陶瓷振荡器就可以实现自同步；现自同步；*信号传输实体确定，在增强系统中可以计信号传输实体确定，在增强系统中可以计算信号的传播算信号的传播(propagation)时间；时间；*信号基于应用交互层。信号基于应用交互层。 LIN网络由一个主节点以及一个或多个从节网络由一个主节点以及一个或多个从节点组成，媒体访问由主节点控制点组成，媒体访问由主节点控制-从节点中从节点中不必有仲裁或冲突管理。可以保证最差状不必有仲裁或冲突管理。可以保证最差状态下的信号传输延迟时间。态下的

5、信号传输延迟时间。CAN(控制区域网)由于成本低、传输可靠性高而特别适用于车身控制。典型的汽车包含若干CAN网络功能，例如引擎管理、仪表控制和车身控制。其最大数据率为1Mbps，所以其带宽不支持视音频数据的传输。然而，CAN非常便宜、容错能力强，因而是重要的网络协议。根据ABI Research的“车载网络研究报告”(2004年第四季度)预测，到2010年大约将安装5.28亿个汽车CAN节点。 CAN是一种多主方式的串行通讯总线，基是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。干扰性，而且能够检测出

6、产生的任何错误。当信号传输距离达到当信号传输距离达到10Km时，时，CAN 仍可仍可提供高达提供高达50Kbit/s的数据传输速率。的数据传输速率。 CAN总线利用总线利用CSMA访问总线，可对总线上信访问总线，可对总线上信号进行检测，只有当总线处于空闲状态时，才号进行检测，只有当总线处于空闲状态时，才允许发送。利用这种方法，可以允许多个节点允许发送。利用这种方法，可以允许多个节点挂接到同一网络上。当检测到一个冲突位时，挂接到同一网络上。当检测到一个冲突位时，所有节点重新回到所有节点重新回到监听监听总线状态，直到该总线状态，直到该冲突时间过后，才开始发送。在总线超载的情冲突时间过后，才开始发送

7、。在总线超载的情况下，这种技术可能会造成发送信号经过许多况下，这种技术可能会造成发送信号经过许多延迟。为了避免发送时延，可利用延迟。为了避免发送时延，可利用CSMA/CD方式访问总线。当总线上有两个节点同时进行方式访问总线。当总线上有两个节点同时进行发送时，必须通过发送时，必须通过“无损的逐位仲裁无损的逐位仲裁”方法来方法来使有最高优先权的的报文优先发送。使有最高优先权的的报文优先发送。 FlexRay是是BWM、Daimler Chrysler、Motorola和和Philips等公司制定的功能强大的等公司制定的功能强大的通信网络协议通信网络协议,基于基于FTDMA ( flexible t

8、ime division multiple access)的确定性访问方式的确定性访问方式,具有容错功能及确定的通信消息传输时间具有容错功能及确定的通信消息传输时间,同同时支持事件触发与时间触发通信时支持事件触发与时间触发通信,具备高速率具备高速率通信能力。该协议不仅提高了一致性、可靠通信能力。该协议不仅提高了一致性、可靠性、竞争力和效率性、竞争力和效率,而且还简化了开发周期和而且还简化了开发周期和降低了使用成本降低了使用成本,符合未来汽车应用需求。符合未来汽车应用需求。 FlexRay可以为下一代的车内控制系统提供所可以为下一代的车内控制系统提供所需的速度和可靠性。需的速度和可靠性。CAN网

9、络最高性能极限网络最高性能极限为为1Mbps。而。而FlexRay两个信道上的数据速率两个信道上的数据速率最大可达到最大可达到10Mbps,总数据速率可达到总数据速率可达到20Mbit/秒，因此，应用在车载网络，秒，因此，应用在车载网络，FlexRay 的网络带宽可能是的网络带宽可能是CAN的的20倍之多。倍之多。 网关模块与企业网络内的路由器类似，是网关模块与企业网络内的路由器类似，是整个汽车内最先进、计算最密集的应用之整个汽车内最先进、计算最密集的应用之一。大多数电子控制单元（一。大多数电子控制单元（ECU），无论），无论是位于底盘、动力传动系统，还是位于车是位于底盘、动力传动系统，还是位

10、于车身电子领域，都必须通过中央网关向其他身电子领域，都必须通过中央网关向其他汽车子系统传递信息。除了为不同通信协汽车子系统传递信息。除了为不同通信协议提供一个焦点外，该网关还作为集中诊议提供一个焦点外，该网关还作为集中诊断和其他模块的再编程路由器使用断和其他模块的再编程路由器使用。 网关的作用可以总结如下：网关的作用可以总结如下： 第一：它可以把各种总线的数据转变成可以识别的第一：它可以把各种总线的数据转变成可以识别的OBDII诊断数据语言，方便诊断。诊断数据语言，方便诊断。 第二：各种总线之间信息共享，就必须在车上加装第二：各种总线之间信息共享，就必须在车上加装一个网关。一个网关。 第三：与

11、电脑中的网关作用是一样的，负责接收和第三：与电脑中的网关作用是一样的，负责接收和发送信息。发送信息。 第四：激活和监控第四：激活和监控LIN、CAN和和FlexRay网络工作网络工作状态。状态。 第五：实现车辆数据的同步性。第五：实现车辆数据的同步性。2、国内外研究现状分析、国内外研究现状分析 目前汽车网关已经开始在国外的一些高级目前汽车网关已经开始在国外的一些高级轿车上得到实际的应用，如奔驰轿车上得到实际的应用，如奔驰S320车上车上的网关是点火开关电脑（的网关是点火开关电脑（N73），宝马），宝马745车上的网关是车上的网关是ZGM中央电脑，奥迪中央电脑，奥迪A6车上车上的网关是仪表电脑。

12、的网关是仪表电脑。 对于我国来说，由于国内汽车制造和零部对于我国来说，由于国内汽车制造和零部件的发展水平不平衡。虽然合资品牌和自件的发展水平不平衡。虽然合资品牌和自主品牌的量产车大都采用了主品牌的量产车大都采用了CAN/LIN，但，但由于国内零部件配套体系在电器零部件，由于国内零部件配套体系在电器零部件，特别是在智能零部件上的弱势，国内真正特别是在智能零部件上的弱势，国内真正自主研发的具有总线接口的零部件在量产自主研发的具有总线接口的零部件在量产车中车中(年产量超过年产量超过1万辆以上的万辆以上的)几乎没有。几乎没有。 目前我国的汽车总线研究和应用尚处起步阶目前我国的汽车总线研究和应用尚处起步

13、阶段，而且汽车总线的应用趋势明显，现在介段，而且汽车总线的应用趋势明显，现在介入该研究正是大好时机。而在国内目前只有入该研究正是大好时机。而在国内目前只有极少高校研究极少高校研究FlexRay总线及其网关设计，总线及其网关设计，目前的国内汽车企业开始做了一些目前的国内汽车企业开始做了一些FlexRay总线及其网关设计的前期研究，但还没有汽总线及其网关设计的前期研究，但还没有汽车方面的实际的应用，其他的汽车电子设计车方面的实际的应用，其他的汽车电子设计公司也主要以代理国外的开发设备和仪器为公司也主要以代理国外的开发设备和仪器为主。对基于主。对基于FlexRay总线汽车网关的设计和总线汽车网关的设

14、计和研究对提前国内汽车总线的开发和汽车电子研究对提前国内汽车总线的开发和汽车电子行业有积极意义。行业有积极意义。 研究目标：研究目标： 能够实现能够实现LIN、CAN和和FlexRay总线数据的总线数据的通信与数据分析，设计能够用于汽车内多通信与数据分析，设计能够用于汽车内多总线的网关系统。具体包括如下：总线的网关系统。具体包括如下： 1. 设计并实现设计并实现LIN和和CAN总线数据的读取总线数据的读取和相互通信，首先实现速度较低总线之间和相互通信，首先实现速度较低总线之间的数据转发。的数据转发。 2. FlexRay总线模块设计与实现总线模块设计与实现 其一，先实现两个其一，先实现两个Fl

15、exRay总线节点实现相总线节点实现相互通信；互通信； 其二，在实现其二，在实现FlexRay总线节点实现相互通总线节点实现相互通信的前提下，利用两个节点实现不同总线信的前提下，利用两个节点实现不同总线之间数据的转发和通信。之间数据的转发和通信。 这也是本课题的创新之处和难点所在，这也是本课题的创新之处和难点所在，首先要和路由器一样建立汽车内部通信的首先要和路由器一样建立汽车内部通信的路由表，判断转发地址和选择总线的功能，路由表，判断转发地址和选择总线的功能，保证数据传输和转发的地址、数据的长度保证数据传输和转发的地址、数据的长度等信息准确。由于汽车等信息准确。由于汽车FlexRay总线通信的

16、总线通信的速度快，要保证数据转发的速度、实时性速度快，要保证数据转发的速度、实时性和可靠性有一定的难度。和可靠性有一定的难度。研究内容：研究内容： （1）嵌入式总线节点设计及汽车总线协议分析）嵌入式总线节点设计及汽车总线协议分析 （2）汽车网关的实现）汽车网关的实现 CAN、LIN和和FlexRay具有不同的物理层和不同协具有不同的物理层和不同协议，它们的有效载荷、数据率和对实时处理的需议，它们的有效载荷、数据率和对实时处理的需求都不一样，网关必须能够有效地处理所有来自求都不一样，网关必须能够有效地处理所有来自这些接口的进出数据。设计汽车网关的时候，可这些接口的进出数据。设计汽车网关的时候，可

17、能需要做出许多决策，其中包括：能需要做出许多决策，其中包括： (1)哪些网络需要桥接；哪些网络需要桥接； (2)采用什么桥拓扑；采用什么桥拓扑； (3)是否需要是否需要DMA(直接存储器访问直接存储器访问)； (4)数据缓冲区要多大；数据缓冲区要多大； (5)内部数据交换需要采用什么总线；内部数据交换需要采用什么总线； (6)该总线宽度应该是多少；该总线宽度应该是多少； (7)需要采用什么仲裁机制；需要采用什么仲裁机制； (8)需要多少处理能力。需要多少处理能力。 针对不同的总线和应用需要做出不同的决针对不同的总线和应用需要做出不同的决策和处理，来保证总线相互转发数据的实策和处理，来保证总线相

18、互转发数据的实现，并保证转发的速度、实时性和可靠性。现，并保证转发的速度、实时性和可靠性。拟解决的关键问题：拟解决的关键问题： 1）选择合适的主控芯片）选择合适的主控芯片 FlexRay定义了一种双通道的定义了一种双通道的10Mbps数据结构。数据结构。每个通道可以用来独立地实现冗余机制，汇聚数每个通道可以用来独立地实现冗余机制，汇聚数据速率可达据速率可达20Mbps。如此大的数据流量需要处理。如此大的数据流量需要处理速度足够快的主控芯片。同时为了满足汽车工作速度足够快的主控芯片。同时为了满足汽车工作环境的需要选择汽车级的芯片以满足恶劣的工作环境的需要选择汽车级的芯片以满足恶劣的工作环境的要求

19、。环境的要求。 2）各个总线通信协议的实现和数据转发。）各个总线通信协议的实现和数据转发。 采用软硬件方法可以满足严格的带宽、容错、决采用软硬件方法可以满足严格的带宽、容错、决断和可靠性要求。总线的实现可以考虑采用自带断和可靠性要求。总线的实现可以考虑采用自带总线接口的总线接口的MCU，软件设计要满足实时性、可靠，软件设计要满足实时性、可靠性等方面的要求。性等方面的要求。 研究方法：研究方法： 本研究分三个步骤：理论研究、硬件和软本研究分三个步骤：理论研究、硬件和软件设计和实物和实验验证。件设计和实物和实验验证。 在理论研究过程，先研究各种总线的网络在理论研究过程，先研究各种总线的网络结构，包

20、括物理层、数据链路层、网络层、结构，包括物理层、数据链路层、网络层、传输层等七层协议，对汽车总线协议有深传输层等七层协议，对汽车总线协议有深入了解。入了解。 硬件和软件设计根据所设计网关的需要，硬件和软件设计根据所设计网关的需要，设计两个汽车网络节点并能够实现相互通设计两个汽车网络节点并能够实现相互通信。最后的网关设计要保证数据能够相互信。最后的网关设计要保证数据能够相互转发和通信。转发和通信。 实物和实验验证是利用设计的网关直接转实物和实验验证是利用设计的网关直接转发数据和相互通信，验证该系统的可靠性发数据和相互通信，验证该系统的可靠性和实时性。和实时性。可行性分析：可行性分析： 原理框图原理框图 MC9S12XFR系列带系列带XGATE协处理器的汽协处理器的汽车级别专用单片机具有完全可以满足网关处车级别专用单片机具有完全可以满足网关处理速度、实时性和可靠性方面的硬件要求。理速度、实时性和可靠性方面的硬件要求。本项目的创新之处本项目的创新之处 （1）各个总线之间的数据共享和数据传输）各个总线之间的数据共享和数据传输问题，不同总线的物理层、通讯协议完全不问题，不同总线