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1、基于FlexRay总线的汽车网关 设计与研究,申报人：陈新,湖南人文科技学院,1、概述,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问题。另一方面，以网络通讯为基础的线控技术（X-by-wire）将在汽车上普遍应用。,汽车网络通常可以分为三类：车身控制：要求具有高带宽、高可靠性和数据完整性；信息娱乐：要求高带宽及对音视频的实时处理能力；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。,LIN的目标应用是
2、不需要CAN的性能、带宽及复杂性的低端系统，如车门控制模块、座椅调节、车灯控制和空调系统中传感器和执行器之间的通信。通常LIN子总线是现有的CAN网络的扩充，与CAN网络一起形成汽车的控制网络。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控制网络中。,LIN总线的主要特性为：*单主站以及多从站概念；*基于常用的UART/SCI硬件接口，以及相应的软件，或作为纯粹的状态机，从而保证较低的成本；*从节点中无须石英或陶瓷振荡器就可以实现自同步；*信号传输实体确定，在增强系统中可以计算信号的传播(propagation)时间；*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点
3、组成，媒体访问由主节点控制-从节点中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。,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。当信号传输
4、距离达到10Km时，CAN 仍可提供高达50Kbit/s的数据传输速率。,CAN总线利用CSMA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，所有节点重新回到监听总线状态，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CSMA/CD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“无损的逐位仲裁”方法来使有最高优先权的的报文优先发送。,FlexRay是BWM、Daimler Chrysler、Motorola和Philip
5、s等公司制定的功能强大的通信网络协议,基于FTDMA(flexible time division multiple access)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,同时支持事件触发与时间触发通信,具备高速率通信能力。该协议不仅提高了一致性、可靠性、竞争力和效率,而且还简化了开发周期和降低了使用成本,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需的速度和可靠性。CAN网络最高性能极限为1Mbps。而FlexRay两个信道上的数据速率最大可达到10Mbps,总数据速率可达到20Mbit/秒，因此，应用在车载网络，FlexRay 的网络带宽可能是CA
6、N的20倍之多。,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一。大多数电子控制单元（ECU），无论是位于底盘、动力传动系统，还是位于车身电子领域，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。,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OBDII诊断数据语言，方便诊断。第二：各种总线之间信息共享，就必须在车上加装一个网关。第三：与电脑中的网关作用是一样的，负责接收和发送信息。第四：激活和监控LIN、CAN和FlexRay网络工作状态。第五：实现车辆数据的同步
7、性。,2、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轿车上得到实际的应用，如奔驰S320车上的网关是点火开关电脑（N73），宝马745车上的网关是ZGM中央电脑，奥迪A6车上的网关是仪表电脑。,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CAN/LIN，但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，国内真正自主研发的具有总线接口的零部件在量产车中(年产量超过1万辆以上的)几乎没有。,目前我国的汽车总线研究和应用尚处起步阶段，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。而在国内目前只有极少高校研究F
8、lexRay总线及其网关设计，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主。对基于FlexRay总线汽车网关的设计和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。,研究目标：,能够实现LIN、CAN和FlexRay总线数据的通信与数据分析，设计能够用于汽车内多总线的网关系统。具体包括如下：1.设计并实现LIN和CAN总线数据的读取和相互通信，首先实现速度较低总线之间的数据转发。2.FlexRay总线模块设计与实现其一，先实现两个FlexRay总线节点实现相互通信；,其二，
9、在实现FlexRay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，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，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FlexRay总线通信的速度快，要保证数据转发的速度、实时性和可靠性有一定的难度。,研究内容：,（1）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CAN、LIN和FlexRay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，可能
10、需要做出许多决策，其中包括：(1)哪些网络需要桥接；(2)采用什么桥拓扑；(3)是否需要DMA(直接存储器访问)；,(4)数据缓冲区要多大；(5)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；(7)需要采用什么仲裁机制；(8)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策和处理，来保证总线相互转发数据的实现，并保证转发的速度、实时性和可靠性。,拟解决的关键问题：,1）选择合适的主控芯片 FlexRay定义了一种双通道的10Mbps数据结构。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20Mbps。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环
11、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。2）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MCU，软件设计要满足实时性、可靠性等方面的要求。,研究方法：,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。在理论研究过程，先研究各种总线的网络结构，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入了解。,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信。最后的网关设计要保证数据能够相互转发和通信。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
12、，验证该系统的可靠性和实时性。,可行性分析：,原理框图MC9S12XFR系列带XGATE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,（1）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、通讯协议完全不一样导致了相互之间的通信中断。本课题设计的网关可以使各个总线之间互连互通，实现车辆总线数据之间的共享。（2）FlexRay总线是目前汽车网络的热门方向，大部分厂家开始研制基于FlexRay总线的汽车系统，如线控转向、线控刹车等。大多数汽车厂家和半导体厂家认为FlexRay将与其它总线共存，而不会替代它们。网关的设计解决了汽车其它总线相兼容的问题。,（3）设计并制作汽车FlexRay总线通讯节点，并能正常通信。可以保证实时可靠的转发不同总线之间数据，保证了汽车不同总线间的数据共享，节约系统资源和保证了系统正常通信。（4）汽车网关就像网络中的路由器，主要用于汽车网络通信，是汽车网络通信的核心器件。汽车网关的设计使我国汽车电子厂家设计和制造的相关汽车电子设备可以容易的实现整车安装。,TRANSITIONAL PAGE,elements,
