大眾汽車autouni技術(shù)電氣系統(tǒng)elektrik flexraybaden badenpapercn

汽車制造商對于可容錯使用的未來總線系統(tǒng)的要求RequirementstowardsanAdvancedCommunicationSystemforFault-TolerantAutomotiveApplications 公司，斯圖加特 公司，慕尼黑VolkerSeefried，戴姆勒-克 總結(jié)寶馬和戴姆勒-兩家企介紹了它分布式Feay汽車通信系統(tǒng)上共同行的研發(fā)。它們的目標(biāo)是將其應(yīng)用于驅(qū)動和底盤調(diào)節(jié)領(lǐng)域，這對可用性、可靠性和數(shù)據(jù)傳輸率都提出了較高的要求。但是，若車輛改良，那么使用現(xiàn)有市場上的任何產(chǎn)品都這一要求。通過總結(jié)回顧，除協(xié)議之外，還對其作為集成電路的首次運(yùn)用，以及在整個工具環(huán)境中的嵌入情況進(jìn)行了說明。BMWandDaimlerChryslerpresenttheirjointdevelopmentactivitiesofthecommu-nicationsystemFlexRaywhichisintendedfordistributedapplicationsinvehicles.Designatedapplicationsforpowertrainandbodycontrolshaverequirementscon-cerningavailability,reliabilityanddatabandwidthwhichcan’tbemetbyanyavaila-bleproductregardingtheroughautomotiveconditions.Aftergivingashortoverviewtheprotocolanditsfirstimplementationasanintegra-tedcircuitisdescribed,followedbythedescriptionoftheintegrationinacompletetoolenvironment.歷史背早在90年代初一些汽車制造商就運(yùn)用了CAN總線系統(tǒng)。這些公司在觸發(fā)的通信聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域都有超過數(shù)十年的經(jīng)驗，這一過程中的主要來自于聯(lián)網(wǎng)的復(fù)雜性和物理時間觸發(fā)式架構(gòu)。期間對各種總線系統(tǒng)（TTP/C，TCN：列車通信網(wǎng)絡(luò)，TTCAN）寶馬與摩托羅拉，英飛凌公司和ELMOS合作，于1996到1999研發(fā)出了光學(xué)數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)byteflight/4//5/，用于型安全功能的聯(lián)網(wǎng)。Byteflight是一種數(shù)據(jù)完整性高、可靠且的數(shù)據(jù)協(xié)議，其帶寬使用靈活，便于對整個系統(tǒng)進(jìn)行有效診斷。寶馬在之后的幾年里，首次將其批量應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，涵蓋了安全功能和車身功戴姆勒-和寶馬的研究及經(jīng)驗表明，當(dāng)時已有的或存在于樣車中的數(shù)據(jù)總線系1999年的年中，寶馬和戴姆勒-決定共同推動未來數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)的規(guī)范和研究。合作的結(jié)果是產(chǎn)生了針對未來數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)FlexRay的要求規(guī)范。FlexRay規(guī)范被交付給各大半導(dǎo)起因和目標(biāo)起車輛在控制和調(diào)節(jié)領(lǐng)域所使用的數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了其性能的極限。未來的車輛系統(tǒng)將對通信系統(tǒng)提出更高的要求。為了能夠?qū)崿F(xiàn)這些未來的系統(tǒng)，必須研發(fā)滿足這些要求的新數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)。1Mbit/CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)?；谲囕v的典型邊界條件，一般使用時的數(shù)據(jù)傳輸率限定在500Kbit/秒。這樣的性能極限目前實(shí)際上，目前使用的所有系統(tǒng)都是異步、周期性且/或觸發(fā)式通信的。隨著總線負(fù)荷越來越大，這些系統(tǒng)雖然仍起著關(guān)鍵作用，但是只有在情況最糟時才作出反應(yīng)的特性卻使其無法讓人滿意。特別是出現(xiàn)故障或問題時，給出信息往往存在滯后現(xiàn)象。在觸發(fā)式系統(tǒng)中，觸發(fā)動作的無法在時間上進(jìn)行預(yù)測。與之相反的是，在時間觸發(fā)式系統(tǒng)中，動作是在預(yù)先確定的時間點(diǎn)上觸發(fā)的。另外，在時間觸發(fā)式系統(tǒng)中，新的信息還會覆蓋原有的舊信息。因此，不會由于多項的快速連續(xù)發(fā)生而導(dǎo)致系統(tǒng)過載。不斷設(shè)定傳輸信息的時間點(diǎn)，使通信系統(tǒng)有條不紊地處于滿負(fù)荷狀態(tài)。這樣即便在負(fù)荷峰值下也不會出現(xiàn)信息的情況。通過容錯的電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的車輛功能逐漸成為未來系統(tǒng)所的一項。特別是在系統(tǒng)沒有機(jī)械后備系統(tǒng)時，要用容錯型電子系統(tǒng)取代或機(jī)械裝置。數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)必須支持冗余，在發(fā)生故障時仍能充分保持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?？偩€層面上，冗余表現(xiàn)為更高的可用性。在發(fā)生故障時也能保證功能不受影響，并提供所需的數(shù)據(jù)。未來的底盤調(diào)節(jié)系統(tǒng)是典型的分布式調(diào)節(jié)系統(tǒng)。其特有的問題在于分布式閉環(huán)調(diào)節(jié)電路如何按時探測、應(yīng)用的同步性，以及時間上的連鎖效應(yīng)等。時間觸發(fā)式系統(tǒng)架構(gòu)最適合用于實(shí)現(xiàn)分布式調(diào)節(jié)。它基于全局同步時基。在確定的時間點(diǎn)上，系統(tǒng)會制作系統(tǒng)環(huán)境的快照（naphot，并更新與同步后的系統(tǒng)時間相關(guān)的狀態(tài)值。這樣就能在時間上同步傳感器和觸發(fā)執(zhí)行元件。車輛制造商趨向于在各個應(yīng)用等級上減少最適用的數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)的數(shù)量。圖1顯示了戴姆勒-和寶馬兩家企業(yè)在底盤和驅(qū)動領(lǐng)域?qū)偩€系統(tǒng)所采取的策略。CAN仍然主要是各觸發(fā)式系統(tǒng)的基礎(chǔ)。FlexRay作為高端數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)，在對性能、確控制，調(diào) 電子通信系 應(yīng)用等StrategyforstandardizationofcommunicationsystemsatDCand目數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)FlexRay的研發(fā)由寶馬、戴姆勒-和半導(dǎo)體制造商合作進(jìn)行。寶馬和戴姆勒-無意專享數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)。而是盡可能地推廣其使用。 FlexRay可供自由使用車輛的要求目前在驅(qū)動和底盤領(lǐng)域的應(yīng)用要求約為2Mbit/秒，因此，協(xié)議定義的目標(biāo)帶寬為有利于實(shí)現(xiàn)冗余。所出現(xiàn)的抖動（進(jìn)行傳輸時的變化）支持冗余（可伸縮性通信系統(tǒng)必須能夠進(jìn)行配置，以便能簡單地進(jìn)行容錯應(yīng)用（最大程度的可伸縮性要在分布式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)同步的功能，就必須擁有共同的時間釋義。數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸確定全局時間，供各個系統(tǒng)使用。從而可以在分布式系統(tǒng)內(nèi)對局部時間進(jìn)行同步。容錯系統(tǒng)必須保證共享單元不會因為總線混串音”）而阻塞通信系統(tǒng)。一個獨(dú)立的總線器（“BusGuardian”）會在需要時在時間范圍內(nèi)遏制故障。偶然以及與拓?fù)湎嚓P(guān)的影響因素（線路長度）的影響。隨著研發(fā)時間和應(yīng)對市場要求的反應(yīng)時間越來越短，應(yīng)同時考慮到許多不同的車輛型號和裝備類型，系統(tǒng)必須具有較高的靈活擴(kuò)展性——添加和去除控制單元/功能，而不必重新配置不相關(guān)的總線共享單元。為了能夠有效地進(jìn)行、及早地發(fā)現(xiàn)故障，系統(tǒng)必須易于診斷且有良好的編程接口，并要求通信系統(tǒng)有靈活的帶寬占用。通信方法通信在通信周期的框架內(nèi)進(jìn)行，由靜態(tài)和動態(tài)兩部分組成。運(yùn)行前可以靈活地確定靜態(tài)和動態(tài)部分之間的界限，此時兩個部分中可以有一個為空。通信周期起始于YNCID與兩條通道共同相連的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)會將靜態(tài)部分的信息同時發(fā)送到兩條通道上。動態(tài)部分中會給出兩條通道上不同的時隙。為了保證時鐘同步，只會使用與兩條通道都相連的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所發(fā)出的信息。所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)共同促成時鐘同步。不過時鐘同步只會使用靜態(tài)部分中的特定信息。時時靜態(tài)動態(tài)通信發(fā)送

幀（靜態(tài)部分

幀（動態(tài)部分 2：由標(biāo)識符（ID）定義的與優(yōu)先級相關(guān)的總線Busaccessindependenceoftheprioritydefinedbytheidentifier靜態(tài)部分相同長度的發(fā)送時隙數(shù)量可自由配置，組成傳輸周期的靜態(tài)部分?？偩€按照TMA（時分多址）的方法進(jìn)行。每個連接的節(jié)點(diǎn)可以在為其預(yù)留的時隙內(nèi)將一項或多項信息同步傳輸?shù)絻蓷l通道上，允許任意的數(shù)據(jù)內(nèi)容。信息標(biāo)識符與傳輸信息的相應(yīng)時隙對應(yīng)。如果一條信息未能發(fā)出（如由于某個節(jié)點(diǎn)失靈，或未安裝特殊裝備，則相應(yīng)的時間會留空不作使用。動態(tài)部分動態(tài)部分中，會按照byteflight規(guī)范/5/進(jìn)行傳輸。時隙計數(shù)器會在所有節(jié)點(diǎn)中同步進(jìn)行計數(shù)，總線按照FTDMA（靈活時分多址）方法進(jìn)行。靜態(tài)部分中，時隙計數(shù)器會按照預(yù)先配置的時隙間隔進(jìn)行計數(shù)，而在動態(tài)部分中，如果相關(guān)ID沒有發(fā)送要求，時信息格式SYNC數(shù)位中，第一個數(shù)據(jù)字節(jié)帶有所謂的周期計數(shù)器編碼。周期計數(shù)器是一個8位計數(shù)器，用于計數(shù)通信01011480...11字151圖3：帶周期計數(shù)器的幀格式Frameformatwithcyclecounter(SYNC=0101140...12字151圖4：不帶周期計數(shù)器的幀格式Frameformatwithoutcyclecounter(SYNC=ID：標(biāo)識符，10位，取值范圍：(110...102310在靜態(tài)部分中定義時隙位置，在動態(tài)部分中定義優(yōu)先級。標(biāo)識符越小，優(yōu)先級越高。ID=0預(yù)留給SYNC標(biāo)記。一個網(wǎng)絡(luò)中，一個標(biāo)識符只能使用一次。每個節(jié)點(diǎn)都能使 SYNC：SYNC，1位。該數(shù)位顯示信息是否用于時鐘同步，以及首個數(shù)據(jù)字節(jié)是否包含周期計數(shù)器。（SYNC=“1”：報文包含幀計數(shù)器和時鐘同步，LEN：長度，4位，數(shù)據(jù)字節(jié)的數(shù)量（010...1210。大于12的值會顯示為LEN=12。如果使用周期計數(shù)器（SYNC=111的值會顯示為CYCLE：CYCLE域可作為周期計數(shù)器或作為首個數(shù)據(jù)字節(jié)使用。周期計數(shù)器會D0…D11：數(shù)據(jù)字節(jié)，0–12 啟則該節(jié)點(diǎn)會重新發(fā)送第一條信息。這個方法避免了費(fèi)時地解決，確保啟動。通過byteflight規(guī)范/5/SYNC標(biāo)記就會啟動和同步。SYNC標(biāo)記與時隙對應(yīng)，ID=0。在純動態(tài)的系統(tǒng)中，總線主控失靈時時鐘同步FlexRay中的時鐘同步確保所有通信中的系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)都在定義的精度范圍內(nèi)有持續(xù)而統(tǒng)一的全局時間。當(dāng)至少有兩個節(jié)點(diǎn)處于激活狀態(tài)時（準(zhǔn)備就緒可以通信，時鐘同步就測量時鐘偏差在帶有靜態(tài)部分的系統(tǒng)中選擇靜態(tài)部分中的信息，測量其預(yù)期和實(shí)際接收時間點(diǎn)之間YNC標(biāo)記的預(yù)期和實(shí)際接收時間點(diǎn)之間的時差。系統(tǒng)設(shè)計時會選擇要測量的信息，確保針對每個在靜態(tài)部分發(fā)送信息的節(jié)點(diǎn)，都有一個對應(yīng)測量值。除此之外，只有在正確的值和時間范圍內(nèi)接收到的信息才會用于時鐘同步。該階段的成果是整理出本地時鐘與系統(tǒng)中其它已激活節(jié)點(diǎn)的時鐘之間的偏差，分類形成列表。計算本地時鐘的修正值/6/k值（5。k值表示需要容錯的錯誤測量值（時鐘）的數(shù)目。k的值是靜態(tài)預(yù)先確定的。在既可以從上方、又可以從下方劃去更少k值的情況下，算法的質(zhì)量會降低。算法質(zhì)量降低的信號會發(fā)送’鐘與全局時間之間的偏差，是修地時鐘的基礎(chǔ)。測量最大k ++

時鐘修正項k

--

2

圖5：時鐘同步Clockcorrection修地時每個節(jié)點(diǎn)上在通信周期結(jié)束時計算出的本地時鐘修正值都會應(yīng)用于下一個通信周期。修正會分布于整個通信周期并均勻地進(jìn)行，不會出現(xiàn)時基的不連續(xù)性。對通信周期n進(jìn)行修正的同，會針通信周期n+1進(jìn)量，從而確時基在個通信周上的連續(xù)性。外部時鐘同步除了對同一通信網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步的內(nèi)部時鐘同步，F(xiàn)eay還能在一個或多個節(jié)點(diǎn)的本地時鐘上導(dǎo)入外部時基。主機(jī)會為此開辟一個域，供應(yīng)用程序填寫外部修正值。該值會覆蓋計算得到的本地修正值，進(jìn)而影響全局時基。通過該機(jī)制，可以使通信網(wǎng)絡(luò)的全局時間與某個外部時基（GS參照時間）同步。系統(tǒng)配置啟動前必須對協(xié)議進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。運(yùn)行過程中要防止這些參數(shù)發(fā)生改變。通過調(diào)節(jié)波特率和周期時長，協(xié)議得以匹配不同調(diào)節(jié)周期和采樣率的各種應(yīng)用。靜態(tài)部分的參數(shù)“時隙長度”和“時隙數(shù)目”定義了通信周期中靜態(tài)部分的持續(xù)時間。在周期的其余部分，會按照byelight中已知的動態(tài)方法總線。此時必須配置計時參數(shù)，確定動態(tài)部分中各幀之間的間歇時長/4/。針對控制器主機(jī)接口（CHI，可以配置各種發(fā)送和接收緩沖類型。同樣可以調(diào)節(jié)的還CI硬為了便于評估系統(tǒng)和整合到車輛中，進(jìn)行研發(fā)的模塊套件可以衍生出多種運(yùn)用方式。為方便測試和其后的車輛使用，2001年還會提供協(xié)議（通信控制器）和物理層（整合總線器的總線驅(qū)動。系統(tǒng)架構(gòu) 通信系統(tǒng)可以運(yùn)用于各種架構(gòu)。所有衍生類型都具備相同的基礎(chǔ)特性：CAN1MBit/s3MBit/s的無源總線。物理層所使用的包括已熟知的高速CAN收發(fā)器。冗節(jié)圖6：例：帶無源總線的Example：Networkconfigurationsbyapassivebus需要10MBit/s（用作雙向中繼器的有源星型耦合器。每條傳輸導(dǎo)線只在其兩端與相應(yīng)的總線驅(qū)動器連接。不支持其它總線系統(tǒng)所常用的帶支線的中心抽頭。 圖7：例：有源星型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)Example:Networkconfigurationsbyanactivestar節(jié)點(diǎn)架構(gòu)線驅(qū)動器和總線器（圖8。所有組件都與直接連接車輛蓄電池的供電系統(tǒng)相連。與車輛蓄電池直接連接（圖9。總線器沒有規(guī)定。節(jié)主通信控制總 節(jié)主通信控制總 總 驅(qū)動總 總 驅(qū)動有源星型耦驅(qū)動驅(qū)動供總 供總 總圖 圖Node

AktivestarblockFlexRay中分為3種接口類型（圖節(jié)主控節(jié)主控通信控制啟動參數(shù)總器總線驅(qū)動供總供圖10：各個模塊之間的Interfacesbetweenthe主機(jī)實(shí)際上負(fù)責(zé)啟動所有其下的硬件，并在運(yùn)行中加以控制。總線器由通信控制通信控制器通信控制器實(shí)現(xiàn)了FlexRay控制控編碼編碼圖11：通信控制器框圖總線驅(qū)動器和總線總線驅(qū)動器將通信控制器和車輛環(huán)境連接了起來。它根據(jù)總線或主機(jī)活動控制節(jié)點(diǎn)的供電。圖12以十分簡化的方式說明了總線驅(qū)動器的工作狀態(tài)。開啟電源休待正總線待命休休 正待圖12：總線驅(qū)動器的狀Statetransitiondiagramofthebus時間觸發(fā)式通信協(xié)議的一大特點(diǎn)就在于每個參與通信的節(jié)點(diǎn)都要“推斷獲知”其專屬的發(fā)送時間點(diǎn)和相應(yīng)的發(fā)送時段?？梢允褂每偩€器，只在預(yù)定的時間點(diǎn)暫時允許物理總線。借助專屬而獨(dú)立的時基生成了發(fā)送時間模板，總線器由主機(jī)通過該模板進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，從而避免發(fā)生“混串音”。定期需要的持續(xù)同步由atchdog每個總線器基于全局時間，只相應(yīng)的本地發(fā)送時隙。要發(fā)送的數(shù)據(jù)由通信控 觸 配 狀 狀

接收總驅(qū)動看門總驅(qū)動看門總 控器控診診計時模解調(diào)總圖13：總線驅(qū)動器和總線器框Blockchartbusdriverandbus靜態(tài)部動態(tài)部靜態(tài)部動態(tài)部所有節(jié)所有節(jié)時節(jié)點(diǎn)2總線上的信總線器節(jié)點(diǎn)總線器節(jié)點(diǎn)圖14：通信的時間特Communicationinthe軟OSEKtime-OSEK標(biāo)準(zhǔn)針對容錯系統(tǒng)的擴(kuò)展隨著OSEK（開放式系統(tǒng)及其用于裝置的接口）于1993年成立，軟件 OSEKtime應(yīng)通信層）操作系統(tǒng)OSEKtime應(yīng)通信層）控制單元軟件圖15：控制單元的軟件ECUSoftware控制單元的軟件架15FlexRay協(xié)議和控制單元的軟件架構(gòu)。通信層（）使對通信控制器的標(biāo)準(zhǔn)化成為可能。其中包含以信號為導(dǎo)向的標(biāo)準(zhǔn)收發(fā)功能、信號評估和網(wǎng)絡(luò)管理提供用于管理總線系統(tǒng)的功能，如整個系統(tǒng)的啟動和關(guān)閉。這些層面均由操作系統(tǒng)（OStieOS）支持。該操作系統(tǒng)提供中斷管理、時間管理和任務(wù)管理的服務(wù)。時間管理使整個系統(tǒng)中的應(yīng)用任務(wù)都能夠與總線協(xié)議的全局時基同步。縮性，資源的合理使用。研發(fā)環(huán)境為了簡化系統(tǒng)的復(fù)雜程度，提高可靠性并將研發(fā)投入降至最低，時間觸發(fā)式架構(gòu)的研發(fā)流程必須得到來自研發(fā)工具的有效支持。工具必須支持系統(tǒng)設(shè)計、整合和功能驗證等研發(fā)階段，并且滿足汽車工業(yè)的特殊要求。擬定分布式子系統(tǒng)之間的通信關(guān)系（通信設(shè)計CAN總線摸擬，對于性能的要求顯著提高。其原因在于數(shù)據(jù)傳輸率更高、通道冗余和時間觸發(fā)式總線系統(tǒng)的靜態(tài)基本負(fù)荷。進(jìn)行剩余總線摸擬時還會出現(xiàn)這樣的效果，即要模擬的分布式控制子系統(tǒng)可能有著非常復(fù)雜的、必須在計算機(jī)節(jié)點(diǎn)上實(shí)時模擬的模型作為基礎(chǔ)。除了軟件層面上相應(yīng)的驗證，還建議在系統(tǒng)層面上檢查軟硬件系統(tǒng)的容錯特性。此時可以在總線上分散施加物理缺陷/3/，從而模擬通信通道和系統(tǒng)組件失靈的（tressng合作和標(biāo)準(zhǔn)化合作研發(fā)FlexRay的目標(biāo)之一就是建立一項汽車工業(yè)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，通過規(guī)模效應(yīng)生產(chǎn)出成本低廉、技術(shù)成數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)。合作的主要目標(biāo)是寶馬和戴姆勒-對新型總線系統(tǒng)的要求達(dá)成共同的定義，使該系統(tǒng)能夠覆蓋千差萬別的汽車應(yīng)用的所有要求。因此，數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)FlexRay并未Feay的研發(fā)由寶馬、戴姆勒-和半導(dǎo)體制造商合作進(jìn)行。作為獨(dú)立的通信控制器、微控制器上所