線控制動系統控制器局域網FlexRay總線通信協議

陳廣偉　董曉丹

摘要：本文首先對FlexRay總線協議和線控制動系統的結構和工作原理做了簡單的介紹，然后將Flexray應用于線控制動系統。并充分利用了Flexray通信的優勢，對線控制動系統的各個節點的源地址分配、輸出參數以及參數組定義等做出明確的規定，從而為Flexray總線在線控車輛領域的應用提供了一定的理論和實驗方法。

關鍵詞：線控制動；FlexRay總線；可靠性

1 前言

近年來，汽車制動系統發展的最大熱點就是網絡化。未來的汽車制動系統必定向無機械傳動和液壓裝置的線控制動系統（Brake-By-Wire，簡稱BBW）轉變。由于線控制動系統是一種安全關鍵性分布式實時控制系統，勢必對系統總線也有更高的要求。原有的基于事件觸發的CAN總線已無法滿足要求，由FlexRay聯盟提出的用于線控技術的c類網絡FlexRay能有效的保證線控系統的安全性和可靠性，并且FlcxRay將逐漸取代CAN而成為未來車內網絡的骨干。本文首先對FlexRay協議和線控制動系統組成及工作原理做了簡單的介紹，對線控制動系統的各個節點的源地址分配、輸出參數以及參數組定義等做出明確的規定。

2 BBW制動系統

2.1 BBW系統的結構及工作原理

BBW系統結構原理、基本結構如圖1所示：主要由六個部分組成：踏板模塊（包括位移傳感器和力傳感器）、傳感器組（包括車輪轉速傳感器、轉向盤轉角傳感器、側滑率和橫向減速度傳感器）、電子控制模塊ECU（主控節點）、四個獨立的車輪制動模塊ECM（制動節點）、電源模塊和通信網絡組成。

工作原理如下：剎車時，電子信息從踏板節點發送到中心控制器ECU，結合其它傳感器信號ECU計算出最佳剎車力發送到車輪電控模塊ECM，ECM接收到剎車踏板信號進行處理使之成為電壓信號，從而使電機執行器能完成必要的扭矩響應。電機執行器將電能轉化成機械能，通過減速器裝置傳輸到剎車片上，剎車片再將剎車壓力應用到剎車碟，從而完成了整個制動過程。

2.2 整車網絡實現方式

線控制動系統結構復雜，相比傳統汽車增加了電池模塊等輔助設備，通過網絡拓撲結構分析，理想的基于FlexRay協議的BBW系統的雙冗余容錯線控制動系統的網絡拓撲結構如下圖2所示。該結構對于汽車網絡系統安全具有重要的影響，1、2、3、4分別為四個車輪制動節點，它們各自連接到5和6兩個主控節點上以及7和8兩個電源管理節點上，電源節點主要負責向其他節點供電。這種雙冗余容錯結構的特點是：如果主控節點（5）出現故障，在應用軟件中采取相應的措施后，系統在另一個主控單元（6）的作用下可以繼續運行。從而達到容錯的目的。

3 制定FlexRay總線協議的基本原則

FlexRay是寶馬、戴姆勒克萊斯勒、飛利浦和摩托羅拉等公司制定的功能強大的通信網絡協議，具有支持高吞吐量、確定性、容錯性三大特性，同時支持事件觸發與時間觸發通信。FlexRay的結構分為物理層，傳輸層，表示層和應用層。FlexRay總線的定義只是定義了總線上傳送的幀規范，具體每一幀代表的內容要通過應用層來確定。FlexRay的應用層作為FlexRay網絡的最高層，應用層協議在FlexRay規范中沒有定義，但很多組織針對不同的應用制定了適用于不同領域的應用層協議。其中比較著名的有美國汽車工程協會（SAE）制定的通信規范J1939。

參照SAEJ1939協議可以制定適應于BBW系統的FlexRay應用層協議。該協議通過對標識符不同位的定義，定義了傳送數據的性質、數據的長度、數據的意義、數據的種類、傳送周期等，通過該協議使得總線汽車制動系統能夠在該協議形成有效的數據傳送，使得FlexRay總線通信在BBW系統的應用成為可能。

4 基于FlexRay協議的BBW系統的通信協議的定制

4.1 BBW系統FlexRay總線應用層協議

本系統中，我們采用8節點結構，分別為兩個主節點（主控節點）、從節點（四個車輪制動節點）和兩個電源管理節點。各個節點發送接收數據各有不同。在進行定義之前，首先應該對所傳輸的每個參數確定數據類型，數據的類型可以是響應類型、控制控制類型或者數據類型。

表1列出了兩種類型節點的接收數據和發送數據表。

4.2 FlexRay總線應用層對標識符設定

由于本系統采用的是FlexRay總線將BBW系統的各個節點連接起來，FlexRay總線上的數據通過靜態固定時隙分配或者動態最小時間片分配獲得總線占有權，進而在總線上進行數據傳輸。而時隙分配是由每個數據幀的標識符所決定，本設計中應用的是FlexRay總線標準，具有11位標識符。我們通過標識符中特定的位表示數據的不同功能，使得數據能夠及時、準確的進行發送。如表2所示。

在表2中前2位（ID10和ID9）定義了三種不同的數據類型，傳輸時將按照FlexRay協議中事先規定的固定時隙進行傳輸。傳輸的信息應根據優先級分配時隙，見表3所示。

下面將對標識符中數據任務屬性（ID10、ID9、ID8）的3個代表不同意義的數據段進行說明。數據的任務屬性指的是在同一個數據類型中不同的數據幀的表示，如輪速數據和踏板數據就是數據類型中的不同的數據任務屬性。本系統將要傳送的數據幀類型分為三種不同的類型分別為響應類型、控制類型和數據類型。本設計中利用ID8、ID7、ID6三位定義BBW系統中的傳遞數據類型，這三位通過固定的時隙分配參與總線仲裁，保證系統重要信息的發送。如表4、5、6所示。

（3）目的地址（ID5、ID4、ID3、ID2）表示在整個系統中數據具體被分配在總線的哪個時隙中。即該幀發送的目的節點在系統中的地址代碼。我們給系統中所有的節點都有一個唯一的地址。現將各個節點的地址列表如表7所示。

（4）保留位（ID0、ID0）用來擴展標識符的未來的功能。

4.3 FlexRay總線應用層對數據的設定

FlexRay協議首先應對三種數據信息的參數位數進行確定，根據SAE193971，可以對各個數據參數位數進行定義，然后根據參數位數確定靜態部分的宏節拍和動態部分的最小時間片長度。主控節點的輸入/輸出信號列表如表8所示。

數據類型包括BBW系統需要的制動輪速信息、踏板位置和力信息輸出給四個制動節點的制動力信號；控制類型數據指主控節點向各類傳感器采集相關傳感器信號以及向四個車輪制動節點下達制動命令；響應類型指的是每個單元為了主控節點能夠及時掌握系統的各個節點的工作狀態，收集各個節點的運行狀態信息，確保駕駛員能夠隨時掌握車輛的運行狀態，避免事故發生，便于對車輛進行檢修。表9、10、11中列出了三種類型幀的參數位數。

5 結論

本文首先對線控制動系統作了簡要介紹，并且針對該系統制訂了Flexray總線應用層協議。線控制動系統是一個全新的系統，未來它將整合ABS、車輛行駛穩定性、自動制動、制動助力、牽引力控制等功能于一體成為新一代智能制動控制系統。同時FlexRay良好的性能必將使其成為汽車制動系統上新的標準。隨著汽車電子技術的發展，未來汽車將會引進更多的線控技術，如線控油門、線控懸吊、線控換擋等技術。FlexRay無疑最終將成為汽車的主要控制構架以及把所有汽車總線匯集在一起的主要方式。本文利用FlexRay總線協議的相關設計，為今后實現低成本、低功耗、易于實施的汽車安全系統開拓了一個新的思路。