线控制动系统控制器局域网FlexRay总线通信协议

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摘要：本文首先对FlexRay总线协议和线控制动系统的结构和工作原理做了简单的介绍，然后将Flexray应用于线控制动系统。并充分利用了Flexray通信的优势，对线控制动系统的各个节点的源地址分配、输出参数以及参数组定义等做出明确的规定，从而为Flexray总线在线控车辆领域的应用提供了一定的理论和实验方法。

关键词：线控制动；FlexRay总线；可靠性

1 前言

近年来，汽车制动系统发展的最大热点就是网络化。未来的汽车制动系统必定向无机械传动和液压装置的线控制动系统（Brake-By-Wire，简称BBW）转变。由于线控制动系统是一种安全关键性分布式实时控制系统，势必对系统总线也有更高的要求。原有的基于事件触发的CAN总线已无法满足要求，由FlexRay联盟提出的用于线控技术的c类网络FlexRay能有效的保证线控系统的安全性和可靠性，并且FlcxRay将逐渐取代CAN而成为未来车内网络的骨干。本文首先对FlexRay协议和线控制动系统组成及工作原理做了简单的介绍，对线控制动系统的各个节点的源地址分配、输出参数以及参数组定义等做出明确的规定。

2 BBW制动系统

2.1 BBW系统的结构及工作原理

BBW系统结构原理、基本结构如图1所示：主要由六个部分组成：踏板模块（包括位移传感器和力传感器）、传感器组（包括车轮转速传感器、转向盘转角传感器、侧滑率和横向减速度传感器）、电子控制模块ECU（主控节点）、四个独立的车轮制动模块ECM（制动节点）、电源模块和通信网络组成。

工作原理如下：刹车时，电子信息从踏板节点发送到中心控制器ECU，结合其它传感器信号ECU计算出最佳刹车力发送到车轮电控模块ECM，ECM接收到刹车踏板信号进行处理使之成为电压信号，从而使电机执行器能完成必要的扭矩响应。电机执行器将电能转化成机械能，通过减速器装置传输到刹车片上，刹车片再将刹车压力应用到刹车碟，从而完成了整个制动过程。

2.2 整车网络实现方式

线控制动系统结构复杂，相比传统汽车增加了电池模块等辅助设备，通过网络拓扑结构分析，理想的基于FlexRay协议的BBW系统的双冗余容错线控制动系统的网络拓扑结构如下图2所示。该结构对于汽车网络系统安全具有重要的影响，1、2、3、4分别为四个车轮制动节点，它们各自连接到5和6两个主控节点上以及7和8两个电源管理节点上，电源节点主要负责向其他节点供电。这种双冗余容错结构的特点是：如果主控节点（5）出现故障，在应用软件中采取相应的措施后，系统在另一个主控单元（6）的作用下可以继续运行。从而达到容错的目的。

3 制定FlexRay总线协议的基本原则

FlexRay是宝马、戴姆勒克莱斯勒、飞利浦和摩托罗拉等公司制定的功能强大的通信网络协议，具有支持高吞吐量、确定性、容错性三大特性，同时支持事件触发与时间触发通信。FlexRay的结构分为物理层，传输层，表示层和应用层。FlexRay总线的定义只是定义了总线上传送的帧规范，具体每一帧代表的内容要通过应用层来确定。FlexRay的应用层作为FlexRay网络的最高层，应用层协议在FlexRay规范中没有定义，但很多组织针对不同的应用制定了适用于不同领域的应用层协议。其中比较著名的有美国汽车工程协会（SAE）制定的通信规范J1939。

参照SAEJ1939协议可以制定适应于BBW系统的FlexRay应用层协议。该协议通过对标识符不同位的定义，定义了传送数据的性质、数据的长度、数据的意义、数据的种类、传送周期等，通过该协议使得总线汽车制动系统能够在该协议形成有效的数据传送，使得FlexRay总线通信在BBW系统的应用成为可能。

4 基于FlexRay协议的BBW系统的通信协议的定制

4.1 BBW系统FlexRay总线应用层协议

本系统中，我们采用8节点结构，分别为两个主节点（主控节点）、从节点（四个车轮制动节点）和两个电源管理节点。各个节点发送接收数据各有不同。在进行定义之前，首先应该对所传输的每个参数确定数据类型，数据的类型可以是响应类型、控制控制类型或者数据类型。

表1列出了两种类型节点的接收数据和发送数据表。

4.2 FlexRay总线应用层对标识符设定

由于本系统采用的是FlexRay总线将BBW系统的各个节点连接起来，FlexRay总线上的数据通过静态固定时隙分配或者动态最小时间片分配获得总线占有权，进而在总线上进行数据传输。而时隙分配是由每个数据帧的标识符所决定，本设计中应用的是FlexRay总线标准，具有11位标识符。我们通过标识符中特定的位表示数据的不同功能，使得数据能够及时、准确的进行发送。如表2所示。

在表2中前2位（ID10和ID9）定义了三种不同的数据类型，传输时将按照FlexRay协议中事先规定的固定时隙进行传输。传输的信息应根据优先级分配时隙，见表3所示。

下面将对标识符中数据任务属性（ID10、ID9、ID8）的3个代表不同意义的数据段进行说明。数据的任务属性指的是在同一个数据类型中不同的数据帧的表示，如轮速数据和踏板数据就是数据类型中的不同的数据任务属性。本系统将要传送的数据帧类型分为三种不同的类型分别为响应类型、控制类型和数据类型。本设计中利用ID8、ID7、ID6三位定义BBW系统中的传递数据类型，这三位通过固定的时隙分配参与总线仲裁，保证系统重要信息的发送。如表4、5、6所示。

（3）目的地址（ID5、ID4、ID3、ID2）表示在整个系统中数据具体被分配在总线的哪个时隙中。即该帧发送的目的节点在系统中的地址代码。我们给系统中所有的节点都有一个唯一的地址。现将各个节点的地址列表如表7所示。

（4）保留位（ID0、ID0）用来扩展标识符的未来的功能。

4.3 FlexRay总线应用层对数据的设定

FlexRay协议首先应对三种数据信息的参数位数进行确定，根据SAE193971，可以对各个数据参数位数进行定义，然后根据参数位数确定静态部分的宏节拍和动态部分的最小时间片长度。主控节点的输入/输出信号列表如表8所示。

数据类型包括BBW系统需要的制动轮速信息、踏板位置和力信息输出给四个制动节点的制动力信号；控制类型数据指主控节点向各类传感器采集相关传感器信号以及向四个车轮制动节点下达制动命令；响应类型指的是每个单元为了主控节点能够及时掌握系统的各个节点的工作状态，收集各个节点的运行状态信息，确保驾驶员能够随时掌握车辆的运行状态，避免事故发生，便于对车辆进行检修。表9、10、11中列出了三种类型帧的参数位数。

5 结论

本文首先对线控制动系统作了简要介绍，并且针对该系统制订了Flexray总线应用层协议。线控制动系统是一个全新的系统，未来它将整合ABS、车辆行驶稳定性、自动制动、制动助力、牵引力控制等功能于一体成为新一代智能制动控制系统。同时FlexRay良好的性能必将使其成为汽车制动系统上新的标准。随着汽车电子技术的发展，未来汽车将会引进更多的线控技术，如线控油门、线控悬吊、线控换挡等技术。FlexRay无疑最终将成为汽车的主要控制构架以及把所有汽车总线汇集在一起的主要方式。本文利用FlexRay总线协议的相关设计，为今后实现低成本、低功耗、易于实施的汽车安全系统开拓了一个新的思路。