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        2010年款?yuàn)W迪A8中的FlexRay總線系統(tǒng)

        2013-09-02 13:08:06劉春暉
        汽車電器 2013年7期
        關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)總線冷態(tài)空閑

        劉春暉,張 文

        (山東華宇職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山東 德州 253034)

        1 FlexRay總線的特征和基本原理

        2010年款?yuàn)W迪A8由奧迪公司位于巴登符騰堡州的內(nèi)卡蘇姆工廠生產(chǎn),于2010年10月上市,其采用了一個(gè)新的總線系統(tǒng),即FlexRay總線。FlexRay代表的含義:Flex的德語(yǔ)意義為Flexibilit?t(靈活),Ray的德文意義為Rochen(FlexRay聯(lián)盟標(biāo)志中的鰩魚),其標(biāo)志如圖1所示。采用FlexRay總線是為了滿足將來(lái)對(duì)汽車控制單元聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)更高的要求,特別是為了實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸率、更強(qiáng)的實(shí)時(shí)控制和更高的容錯(cuò)運(yùn)算。使用FlexRay總線之后才可以實(shí)現(xiàn)駕駛動(dòng)態(tài)控制、車距控制ACC(Adaptive Cruise Control,自適應(yīng)雷達(dá)巡航控制系統(tǒng))和圖像處理功能。

        1.1 FlexRay總線特征

        2010年款?yuàn)W迪A8的FlexRay總線具有如下特征:①雙絞線總線;②數(shù)據(jù)傳輸率:最快10 Mb/s;③傳輸3種信號(hào)狀態(tài):空閑、Data0、Data1;④主動(dòng)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);⑤實(shí)時(shí)控制;⑥實(shí)現(xiàn)分布式控制和與安全相關(guān)系統(tǒng)的使用。

        1.2 FlexRay總線的基本原理

        FlexRay總線的基本工作方式與使用至今的數(shù)據(jù)總線系統(tǒng) (CAN總線、LIN總線和MOST總線)不同。FlexRay總線的基本工作方式用索道做比喻就很恰當(dāng):索道的站點(diǎn)就像總線用戶,即信息發(fā)送和接收器 (控制單元);索道的吊車就像數(shù)據(jù)幀,而乘客就是信息。

        總線用戶通過(guò)FlexRay總線發(fā)送信息的時(shí)間點(diǎn)可以精準(zhǔn)地確定,發(fā)出信息到達(dá)接收器的時(shí)間也可以精確地識(shí)別,這就與索道既定不變的時(shí)刻表相同。

        即使總線用戶不發(fā)送任何信息,也為它預(yù)留一定的帶寬,就像索道上,無(wú)論是否有乘客,索道都在運(yùn)行。所以,不需要像在CAN總線上那樣設(shè)定信息的優(yōu)先級(jí)。奧迪將空吊車情況視作信息發(fā)送器發(fā)生故障,也就是說(shuō),控制單元總是發(fā)送信息,但用Update Bit標(biāo)記新內(nèi)容。如果沒(méi)有可以使用的新數(shù)據(jù),則再次發(fā)送舊數(shù)據(jù)。CAN總線與FlexRay總線的異同如表1所示。

        表1 CAN總線與FlexRay總線的異同

        2 FlexRay總線協(xié)議

        在FlexRay總線上,信息通過(guò)通信周期(Communication Cycles)傳輸。通信周期不斷循環(huán),也就是說(shuō),接連不斷。一個(gè)通信周期持續(xù)5ms,由靜態(tài)段、動(dòng)態(tài)段、網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間 (空載)3部分組成。

        1)靜態(tài)段 靜態(tài)段在總線用戶之間傳遞信息。為了傳輸數(shù)據(jù),靜態(tài)段被分為62個(gè)時(shí)隙,即時(shí)間槽,如圖2所示。一個(gè)靜態(tài)時(shí)隙只能發(fā)送到一個(gè)特定的總線用戶中,但是,所有總線用戶可以接收所有靜態(tài)時(shí)隙,也包括那些與它沒(méi)有確定關(guān)系的時(shí)隙。

        所有靜態(tài)時(shí)隙的長(zhǎng)度都相等,都是42字節(jié),時(shí)隙的順序固定不變。在接連不斷的通信周期中,各個(gè)靜態(tài)段傳輸不同內(nèi)容的信息。一般無(wú)論所有時(shí)隙是否都承載信息,整個(gè)時(shí)隙結(jié)構(gòu)都會(huì)被傳輸。在奧迪車上,總線用戶還會(huì)持續(xù)發(fā)送 “Update Bit”。

        2)動(dòng)態(tài)段 動(dòng)態(tài)段被分成若干最小時(shí)隙 (Minislot),所有總線用戶都會(huì)接收動(dòng)態(tài)段。動(dòng)態(tài)段是通信周期中為了能夠傳輸事件觸發(fā)的數(shù)據(jù)而預(yù)留的位置,F(xiàn)lexRay總線的動(dòng)態(tài)段如圖3所示。

        3)網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間 網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間就是網(wǎng)絡(luò)靜止時(shí)間,如圖4所示。在這段時(shí)間內(nèi),F(xiàn)lexRay總線上沒(méi)有信息在傳輸。數(shù)據(jù)總線診斷接口J533需要這段時(shí)間同步FlexRay總線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程。所有總線用戶利用網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間使內(nèi)部時(shí)鐘與全球時(shí)基同步。

        3 FlexRay總線的結(jié)構(gòu)

        FlexRay總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。FlexRay總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的主動(dòng)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) (支路3)和總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) (支路1、2和4)。數(shù)據(jù)總線診斷接口J533用作控制器,上面有4個(gè)支路 (支線)接口。其它總線用戶圍繞著數(shù)據(jù)總線診斷接口J533分布在若干支路上。

        在2010年款?yuàn)W迪A8中,每條支路上最多連接2個(gè)控制單元。其中主動(dòng)星型連接器以及支路上的末端控制單元終接低電阻 (內(nèi)電阻較低),而中間控制單元?jiǎng)t終接高電阻 (內(nèi)電阻較高)。

        一條FlexRay支路上的中間控制單元通過(guò)4個(gè)芯腳與FlexRay總線連接,其中2個(gè)用來(lái)將總線信號(hào)轉(zhuǎn)送給下一個(gè)控制單元;另外2個(gè)用于直接與FlexRay總線通信。節(jié)點(diǎn)控制單元,例如ABS控制單元J104(圖6)只有2個(gè)芯腳。

        4 功能流程

        4.1 喚醒

        如果FlexRay總線處于休眠模式,系統(tǒng)會(huì)先通過(guò)喚醒過(guò)程使FlexRay變成待機(jī)模式。即使激活所有接線端30的用戶,F(xiàn)lexRay總線也無(wú)法主動(dòng)進(jìn)行通信。

        4.2 啟動(dòng)階段

        啟動(dòng)后,F(xiàn)lexRay總線才有真正的通信。啟動(dòng),指的就是網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng),只能由冷態(tài)啟動(dòng)控制單元完成。第1個(gè)向FlexRay總線發(fā)送信息的冷態(tài)啟動(dòng)控制單元開(kāi)始啟動(dòng)過(guò)程。冷態(tài)啟動(dòng)和同步控制單元將會(huì)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò),并建立同步。冷態(tài)啟動(dòng)和同步控制單元有:數(shù)據(jù)總線診斷接口J533、ABS控制單元J104、電子傳感器控制單元J849。

        然而,非冷態(tài)啟動(dòng)控制單元?jiǎng)t不會(huì)啟動(dòng)FlexRay總線,對(duì)建立同步也沒(méi)有幫助。只有當(dāng)2個(gè)以上其它總線用戶在FlexRay總線上發(fā)送信息后,非冷態(tài)啟動(dòng)控制單元才可以發(fā)送信息。非冷態(tài)啟動(dòng)控制單元有:車距控制裝置控制單元J428、車距控制裝置控制單元2 J850、圖像處理控制單元J851、四輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制單元J492、水平高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制單元J197(圖7,無(wú)法啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò),但是對(duì)同步有幫助)。

        4.3 信號(hào)狀態(tài)

        FlexRay總線的2條導(dǎo)線分別是Busplus和Busminus。2條導(dǎo)線上的電平在最低值1.5V和最高值3.5V之間變換,如圖8所示。FlexRay的信號(hào)狀態(tài)有3種:①空閑——兩導(dǎo)線的電平都為2.5V;②Data0——Busplus上低電平,Busminus上高電平;③Data1——Busplus上高電平,Busminus上低電平。

        一個(gè)比特占100ns帶寬,傳輸時(shí)間與導(dǎo)線長(zhǎng)度以及總線驅(qū)動(dòng)器的傳輸用時(shí)有關(guān)。信號(hào)差別傳輸,也就是說(shuō),需要2條導(dǎo)線。接收器通過(guò)2個(gè)信號(hào)的差別確定本來(lái)的比特狀態(tài),典型的數(shù)值是1.8~2.0V的壓差。發(fā)送器附近必須至少有1200mV的壓差;接收器處的直接最小壓差為800mV。如果在640~2660μs之內(nèi),總線上沒(méi)有變化,F(xiàn)lexRay總線自動(dòng)進(jìn)入休眠模式 (空閑)。

        5 FlexRay總線診斷

        數(shù)據(jù)總線診斷接口J533識(shí)別到網(wǎng)絡(luò)中的故障,并使沒(méi)有故障的區(qū)域可以繼續(xù)工作。故障可能僅出現(xiàn)在某一部分網(wǎng)絡(luò)內(nèi),但是也有可能涉及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

        下述FlexRay總線故障可以用車輛診斷測(cè)試儀(圖9)診斷 (地址碼19——數(shù)據(jù)總線診斷接口):①控制單元——無(wú)通信;②FlexRay數(shù)據(jù)總線損壞;③FlexRay數(shù)據(jù)總線初始化失敗;④FlexRay數(shù)據(jù)總線信號(hào)出錯(cuò)。出現(xiàn)故障時(shí)FlexRay總線的表現(xiàn)如下。

        1)一條導(dǎo)線搭鐵短路數(shù)據(jù)總線診斷接口J533識(shí)別到一個(gè)持續(xù)不變的壓差,相關(guān)的總線支路關(guān)閉,直到再次空閑,也就是說(shuō),識(shí)別到休眠模式的電平。

        2)2條導(dǎo)線相互短路數(shù)據(jù)總線診斷接口J533識(shí)別到空閑電壓持久不變,該總線支路上再也無(wú)法發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

        3)控制單元持續(xù)發(fā)送空閑 數(shù)據(jù)總線診斷接口J533識(shí)別到總線支路空閑,并關(guān)閉總線支路。

        [1]一汽大眾有限公司.Audi A8L—電路和網(wǎng)絡(luò)[Z].

        [2]一汽大眾有限公司.10款?yuàn)W迪A8車載電網(wǎng)和聯(lián)網(wǎng)[Z].

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