陳廣偉　董曉丹

摘要：本文首先對FlexRay總線協(xié)議和線控制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理做了簡單的介紹，然后將Flexray應(yīng)用于線控制動系統(tǒng)。并充分利用了Flexray通信的優(yōu)勢，對線控制動系統(tǒng)的各個節(jié)點的源地址分配、輸出參數(shù)以及參數(shù)組定義等做出明確的規(guī)定，從而為Flexray總線在線控車輛領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一定的理論和實驗方法。

關(guān)鍵詞：線控制動；FlexRay總線；可靠性

1 前言

近年來，汽車制動系統(tǒng)發(fā)展的最大熱點就是網(wǎng)絡(luò)化。未來的汽車制動系統(tǒng)必定向無機械傳動和液壓裝置的線控制動系統(tǒng)（Brake-By-Wire，簡稱BBW）轉(zhuǎn)變。由于線控制動系統(tǒng)是一種安全關(guān)鍵性分布式實時控制系統(tǒng)，勢必對系統(tǒng)總線也有更高的要求。原有的基于事件觸發(fā)的CAN總線已無法滿足要求，由FlexRay聯(lián)盟提出的用于線控技術(shù)的c類網(wǎng)絡(luò)FlexRay能有效的保證線控系統(tǒng)的安全性和可靠性，并且FlcxRay將逐漸取代CAN而成為未來車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的骨干。本文首先對FlexRay協(xié)議和線控制動系統(tǒng)組成及工作原理做了簡單的介紹，對線控制動系統(tǒng)的各個節(jié)點的源地址分配、輸出參數(shù)以及參數(shù)組定義等做出明確的規(guī)定。

2 BBW制動系統(tǒng)

2.1 BBW系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

BBW系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理、基本結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器、側(cè)滑率和橫向減速度傳感器）、電子控制模塊ECU（主控節(jié)點）、四個獨立的車輪制動模塊ECM（制動節(jié)點）、電源模塊和通信網(wǎng)絡(luò)組成。

工作原理如下：剎車時，電子信息從踏板節(jié)點發(fā)送到中心控制器ECU，結(jié)合其它傳感器信號ECU計算出最佳剎車力發(fā)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(zhí)行器能完成必要的扭矩響應(yīng)。電機執(zhí)行器將電能轉(zhuǎn)化成機械能，通過減速器裝置傳輸?shù)絼x車片上，剎車片再將剎車壓力應(yīng)用到剎車碟，從而完成了整個制動過程。

2.2 整車網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)方式

線控制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相比傳統(tǒng)汽車增加了電池模塊等輔助設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)分析，理想的基于FlexRay協(xié)議的BBW系統(tǒng)的雙冗余容錯線控制動系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如下圖2所示。該結(jié)構(gòu)對于汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全具有重要的影響，1、2、3、4分別為四個車輪制動節(jié)點，它們各自連接到5和6兩個主控節(jié)點上以及7和8兩個電源管理節(jié)點上，電源節(jié)點主要負責(zé)向其他節(jié)點供電。這種雙冗余容錯結(jié)構(gòu)的特點是：如果主控節(jié)點（5）出現(xiàn)故障，在應(yīng)用軟件中采取相應(yīng)的措施后，系統(tǒng)在另一個主控單元（6）的作用下可以繼續(xù)運行。從而達到容錯的目的。

3 制定FlexRay總線協(xié)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(wǎng)絡(luò)協(xié)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(fā)與時間觸發(fā)通信。FlexRay的結(jié)構(gòu)分為物理層，傳輸層，表示層和應(yīng)用層。FlexRay總線的定義只是定義了總線上傳送的幀規(guī)范，具體每一幀代表的內(nèi)容要通過應(yīng)用層來確定。FlexRay的應(yīng)用層作為FlexRay網(wǎng)絡(luò)的最高層，應(yīng)用層協(xié)議在FlexRay規(guī)范中沒有定義，但很多組織針對不同的應(yīng)用制定了適用于不同領(lǐng)域的應(yīng)用層協(xié)議。其中比較著名的有美國汽車工程協(xié)會（SAE）制定的通信規(guī)范J1939。

參照SAEJ1939協(xié)議可以制定適應(yīng)于BBW系統(tǒng)的FlexRay應(yīng)用層協(xié)議。該協(xié)議通過對標識符不同位的定義，定義了傳送數(shù)據(jù)的性質(zhì)、數(shù)據(jù)的長度、數(shù)據(jù)的意義、數(shù)據(jù)的種類、傳送周期等，通過該協(xié)議使得總線汽車制動系統(tǒng)能夠在該協(xié)議形成有效的數(shù)據(jù)傳送，使得FlexRay總線通信在BBW系統(tǒng)的應(yīng)用成為可能。

4 基于FlexRay協(xié)議的BBW系統(tǒng)的通信協(xié)議的定制

4.1 BBW系統(tǒng)FlexRay總線應(yīng)用層協(xié)議

本系統(tǒng)中，我們采用8節(jié)點結(jié)構(gòu)，分別為兩個主節(jié)點（主控節(jié)點）、從節(jié)點（四個車輪制動節(jié)點）和兩個電源管理節(jié)點。各個節(jié)點發(fā)送接收數(shù)據(jù)各有不同。在進行定義之前，首先應(yīng)該對所傳輸?shù)拿總€參數(shù)確定數(shù)據(jù)類型，數(shù)據(jù)的類型可以是響應(yīng)類型、控制控制類型或者數(shù)據(jù)類型。

表1列出了兩種類型節(jié)點的接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)表。

4.2 FlexRay總線應(yīng)用層對標識符設(shè)定

由于本系統(tǒng)采用的是FlexRay總線將BBW系統(tǒng)的各個節(jié)點連接起來，F(xiàn)lexRay總線上的數(shù)據(jù)通過靜態(tài)固定時隙分配或者動態(tài)最小時間片分配獲得總線占有權(quán)，進而在總線上進行數(shù)據(jù)傳輸。而時隙分配是由每個數(shù)據(jù)幀的標識符所決定，本設(shè)計中應(yīng)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(shù)據(jù)的不同功能，使得數(shù)據(jù)能夠及時、準確的進行發(fā)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(shù)據(jù)類型，傳輸時將按照FlexRay協(xié)議中事先規(guī)定的固定時隙進行傳輸。傳輸?shù)男畔?yīng)根據(jù)優(yōu)先級分配時隙，見表3所示。

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

（3）目的地址（ID5、ID4、ID3、ID2）表示在整個系統(tǒng)中數(shù)據(jù)具體被分配在總線的哪個時隙中。即該幀發(fā)送的目的節(jié)點在系統(tǒng)中的地址代碼。我們給系統(tǒng)中所有的節(jié)點都有一個唯一的地址?，F(xiàn)將各個節(jié)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(yīng)用層對數(shù)據(jù)的設(shè)定

FlexRay協(xié)議首先應(yīng)對三種數(shù)據(jù)信息的參數(shù)位數(shù)進行確定，根據(jù)SAE193971，可以對各個數(shù)據(jù)參數(shù)位數(shù)進行定義，然后根據(jù)參數(shù)位數(shù)確定靜態(tài)部分的宏節(jié)拍和動態(tài)部分的最小時間片長度。主控節(jié)點的輸入/輸出信號列表如表8所示。

數(shù)據(jù)類型包括BBW系統(tǒng)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(jié)點的制動力信號；控制類型數(shù)據(jù)指主控節(jié)點向各類傳感器采集相關(guān)傳感器信號以及向四個車輪制動節(jié)點下達制動命令；響應(yīng)類型指的是每個單元為了主控節(jié)點能夠及時掌握系統(tǒng)的各個節(jié)點的工作狀態(tài)，收集各個節(jié)點的運行狀態(tài)信息，確保駕駛員能夠隨時掌握車輛的運行狀態(tài)，避免事故發(fā)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(shù)位數(shù)。

5 結(jié)論

本文首先對線控制動系統(tǒng)作了簡要介紹，并且針對該系統(tǒng)制訂了Flexray總線應(yīng)用層協(xié)議。線控制動系統(tǒng)是一個全新的系統(tǒng)，未來它將整合ABS、車輛行駛穩(wěn)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(tǒng)。同時FlexRay良好的性能必將使其成為汽車制動系統(tǒng)上新的標準。隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，未來汽車將會引進更多的線控技術(shù)，如線控油門、線控懸吊、線控換擋等技術(shù)。FlexRay無疑最終將成為汽車的主要控制構(gòu)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(xié)議的相關(guān)設(shè)計，為今后實現(xiàn)低成本、低功耗、易于實施的汽車安全系統(tǒng)開拓了一個新的思路。