FlexRay总线在车门车载网络系统中的应用研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 6 4 2.39MB 63 页 15积分

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摘要

随着汽车车载网络技术的发展，汽车的安全性和舒适性也日益被人们重视，

对车内通信总线技术提出了新的要求。它要有高速、实时、容错、网络控制、高

带宽的能力。而新型汽车总线——FlexRay 完全满足这些要求。FlexRay 是一种

用于汽车的高速、可确定性、具备故障容错能力的总线技术，它将事件触发和时

间触发两种方式相结合，具有高效的网络利用率和系统灵活性的特点，将作为新

一代汽车车载网络的标准被应用到汽车中。特别是随着线控技术在汽车中的应用，

未来 FlexRay 总线替代 CAN 在汽车中的地位已是大势所趋。

车门系统是车身系统中一个重要的部分。车门系统的质量直接决定了车身系

统的性能，它直接影响着车辆和人身安全。本文通过深入分析现有车门车载系统

的通信总线，提出使用最新的 FlexRay 总线替代 CAN、LIN 总线的解决方案，

在实现车门应有功能的正常运转的前提下，实现车门车载网络系统。从而推动车

内总线一体化的进程。

车门控制单元一般包含四个基本功能，即车窗升降、防夹、门锁控制和后视

镜调节。本文基于 FlexRay 协议，设计了整车车门总线控制架构，进行了车门控

制单元器件选型和线路设计。文中采用半导体芯片驱动策略取代传统的继电器驱

动策略，实现了上述四个基本功能，以及各个功能之间的实时联动效应，来提高

系统的可靠性。在车载网络通信过程中，发送节点使用双传输消息传出区的机制，

确保在一个通信循环内，触发的事件传递到接受节点中，并得到响应。

论文对各项设计进行了实验验证，结果表明，本文设计的基于 FlexRay 总线

的车门车载网络系统工作正常且满足设计要求。

关键词：车载网络

FlexRay

总线

车门系统

防夹

总线一体化

ABSTRACT

With the development of the Vehicle network technology, car safety and comfort

is also increasingly taken by the people. To improve vehicle safety, comfort, economy,

and entertainment, the quantity of electrical and electronic devices in the car was

sharply increased, and the design of automotive control systems became very

complicated. There are more new demands are proposed for vehicle communication

bus. It must have the capability of high-speed, real-time, network control,

high-bandwidth and fault-tolerant. The new automotive FlexRay bus fully meets these

requirements. The high-speed FlexRay bus with fault tolerant and deterministic was

used for the car, it combines the event-triggered and time-triggered, will be applied to

the car as the standard for next generation automotive vehicle networks. In particular,

with by-wire technology in automotive applications, FlexRay bus will replace CAN

bus in the car, in the future.

The door system is an important part of the vehicle system. The quality of the

door systems directly determines the performance of the body system, which directly

affects the vehicle and personal safety. Through in-depth analysis of existing

communication bus in the door vehicle, this paper proposed a solution used to

repelace CAN\LIN bus, by using the latest FlexRay bus. Under the door normal

working premise, achieve door vehicle network systems. Thus promote the process of

integration of the bus interior.

The door control unit generally contains four basic functions, which are window

lift, pinch, central locking and mirror adjustment. Based on the FlexRay protocol, the

door bus control architecture has been sketched, the components selected, and circuits

designed. This paper uses a semiconductor chip to replace the traditional relay-driven

strategy driven strategy, achieve these four basic functions as well as real-time linkage

effects between the various functions. This strategy improves the reliability of the

system. In the in-vehicle network communication, the sending node transmits the

message using the double transfer message buffer, ensure that, within one

communication cycle, the event trigger is transmitted to the receiving node, and get a

response.

By building the hardware platform and writing the software code, along with the

final system integration, test on the Volkswagen POLO1.4L. The result shows that the

whole system can run normally and achieve the desired results.

Key Word: Vehicle Network, FlexRay-bus

，

Door system, Bus

Integration, Pinch

摘要

ABSTRACT

第一章

绪论

............................................................................................................. 1

1.1 课题的背景和意义......................................................................................... 1

1.2 车载网络......................................................................................................... 2

1.3 车门车载网络国内外研究现状...................................................................... 5

1.4 研究基础......................................................................................................... 6

1.5 本文所做的主要工作...................................................................................... 7

第二章

FlexRay

通信原理

...................................................................................... 9

2.1 概述................................................................................................................. 9

2.2 节点结构.......................................................................................................... 9

2.3 协议引擎........................................................................................................ 10

2.3.1 帧格式..................................................................................................... 11

2.3.2 编码和解码............................................................................................. 14

2.3.3 媒体访问控制......................................................................................... 15

2.3.4 时钟同步................................................................................................. 17

2.4 控制器主机接口........................................................................................... 18

2.5 网络启动过程................................................................................................ 18

第三章

车门系统的设计需求和实现方案

........................................................... 19

3.1 设计需求........................................................................................................ 19

3.2 总体方案........................................................................................................ 19

3.3 方案可行性验证............................................................................................ 20

3.3.1 定义全局参数........................................................................................ 20

3.3.2 定义信号................................................................................................ 20

3.3.3 数据帧及收发关系................................................................................ 21

3.3.4 定义数据帧和信号对应关系................................................................ 21

3.3.5 定义通信调度表.................................................................................... 23

3.4 CANoe.FlexRay 仿真 ................................................................................... 23

3.4.1 CANoe 简介 ........................................................................................... 23

3.4.2 FlexRay 总线开发 .................................................................................. 23

3.4.3 系统验证结果......................................................................................... 25

第四章

车门功能的控制和实现方式

................................................................... 27

4.1 车门门锁....................................................................................................... 27

4.1.1 车门门锁控制方式................................................................................ 27

4.1.2 车门门锁连接方式................................................................................ 27

4.1.3 门锁控制硬件电路................................................................................ 28

4.2 车门电动车窗............................................................................................... 29

4.2.1 车窗升降控制方式................................................................................ 29

4.2.2 车窗控制连接方式................................................................................ 30

4.2.3 车窗控制硬件电路................................................................................ 31

4.3 后视镜........................................................................................................... 31

4.3.1 后视镜控制方式.................................................................................... 31

4.3.2 后视镜连接方式.................................................................................... 32

4.3.3 后视镜控制硬件电路............................................................................ 32

4.4 主控和车门通信的连接............................................................................... 33

第五章

软件实现

................................................................................................... 34

5.1 系统参数的设计............................................................................................ 34

5.1.1 静态段的应用......................................................................................... 34

5.1.2 动态段的应用......................................................................................... 35

5.1.3 FlexRay 动态消息最坏响应时间的计算 .............................................. 37

5.2 车门节点控制算法........................................................................................ 41

5.2.1 车窗控制算法......................................................................................... 41

5.2.2 防夹算法................................................................................................. 42

5.2.3 车门门锁和后视镜调节算法................................................................. 43

5.3 系统集成和验证............................................................................................ 44

第六章

总结和展望

............................................................................................... 48

6.1 课题总结....................................................................................................... 48

6.2 技术展望....................................................................................................... 48

6.2.1 时间触发展望........................................................................................ 48

6.2.2 线控技术展望........................................................................................ 48

参考文献

................................................................................................................. 50

附

录

....................................................................................................................... 53

附录 A PCB 板 ................................................................................................ 53

附录 B 软件部分代码 ..................................................................................... 54

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果

..................................... 59

致

谢

....................................................................................................................... 60

第一章绪论

随着汽车车载网络技术的发展，汽车的安全性和舒适性也日益被人们重视，

对车内通信总线技术提出了新的要求。它要有高速、实时、容错、网络控制、高

带宽的能力。而新型汽车总线——FlexRay 完全满足这些要求。FlexRay 是一种用

于汽车的高速、可确定性、具备故障容错能力的总线技术，它将事件触发和时间

触发两种方式相结合，具有高效的网络利用率和系统灵活性的特点，将作为新一

代汽车车载网络的标准被应用到汽车中。特别是随着线控技术在汽车中的应用，

未来 FlexRay 总线替代 CAN 在汽车中的地位已是大势所趋。

1.1

课题的背景和意义

随着车用电子设备的不断增加，汽车电子系统日益复杂。传统的点对点的

单一通信方式不但使得布线困难，也占用汽车有限的空间增加汽车的成本。传统

的布线方式已不适应汽车的发展。为了解决传统线束控制方式的不足，人们讲网

络和总线技术引入到汽车系统的设计和应用中，从而产生了车载网络。

汽车系统是个庞大而又复杂的系统。通常分为车身系统、发动机系统、底盘

系统、电子及电器设备系统。各部分功能不同对总线的带宽和实时性的要求也不

同，在加上各总线各自的特点和对于成本的控制等多方面的原因，目前汽车中存

在着多种网络。CAN 总线用于发动机控制单元、ABS 电控单元等对数据传输速率

和带宽要求较高的场合。LIN 总线多使用在不需要总线的宽和多功能的场合，一般

作为 CAN 网络的辅助。FlexRay 总线则用于动力系统和底盘系统等对安全性要求

较高的场合。车载多媒体系统、导航系统、车载娱乐系统则多采用 MOST 场合。

这种汽车网络多种总线组合方式的成功使用必须用到网关技术。网关通过完成复

杂的协议转换工作，实现信息的传输，将不同的总线网络连接在一起。汽车网关

处于汽车网络的中心，负责整车信息的交互和共享，它连接的几种不同网络是不

同的协议，它们的有效载荷、数据传输速率和对实时性的要求都不一样，网关必

须能够有效的处理所有来自不同网络的进出数据，解决消息的不对等性。这一方

面不但增加的设计和生产成本，另一方面也增加了数据的传输时间、降低了实时

性。而汽车中只使用一种总线的话，就可以省去了多余的网关环节，给全车实时

通信带来不少好处。因此，总线一体化有着非常积极的现实意义。

虽然目前的汽车行业已形成成熟的产业结构，但是随着总线技术、汽车技术

的发展，汽车的安全性、可靠性、舒适性的要求不断提高。这就要求车内通信系

上海理工大学硕士学位论文

统具有高速、实时、容错和高带宽的能力。很显然已成为行业标准的 CAN 由于传

输速率、拓扑结构的灵活性、拓扑冗余和媒体访问的实时性等方面的限制达不到

以上的要求。而 FlexRay 所具有的高带宽、确定陛、可靠性及灵活性的特点，使

得其完全满足未来先进汽车高速控制应用的需要。ABI 研究公司的高级汽车分析

师 Roben Laguerra 先生：“随着汽车中的机械系统慢慢被电子机械系统所取代，网

络在其中扮演重要的角色。对于电动系统应用的不断介绍和发展的一个关键是

FlexRay 这样的通信网络以及其所提供支持技术的可用性。FlexRay 能够把所有的

系统连接在一起，同时为汽车系统以一个整体而不是分散的多个系统提供机会。

使用 FlexRay 后，汽车的安全系统将从这一全新的整合中获益，从而显著提高汽车

的安全性能[1]。因此，在整个电子系统中使用 FlexRay 替代 CAN 不仅可行，而且

必要[2]。

车门系统是车身系统中一个重要的部分。车门系统的质量直接决定了车身系

统的性能，它直接影响着车辆和人身安全。因此对于汽车车载网络设计和应用时，

有必要着重考虑车门网络系统这一部分。随着人们对汽车空间和性能要求的不断

增加，未来的汽车车门也将不仅局限于车窗升降、门锁开关和后视镜调节等功能，

因此，对于车门的开发利用将是一个研究方向。现在现在车门车载网络系统普遍

采用 CAN/LIN 网络节点，而并没有涉及到 FlexRay。因此不得不使用 FlexRay/CAN

以及 CAN/LIN 的双重网关[3]。通过对 FlexRay 在车门控制系统中的研究，用 FlexRay

替代 CAN 实现了车门车载网络系统，将省去网关的设计，提高实时性，既可以为

以后车门功能的扩展提供条件，又可以推进总线一体化的进一步发展。

车载网络的出现加快了汽车智能化的发展，各大汽车公司也都致力于总线标

准的研究。一方面由于商业原因，另一方面由于各总线根据应用对象不同性能，

造成了目前汽车中多种总线组合使用的现象。目前使用较多的主要有 CAN、LIN、

MOST、FlexRay 等。

1.2

车载网络

美国汽车工程师协会 SAE 将汽车网络按照协议特性分为 A、B、C、D四类，

如表 1-1 所示：

A类网络。A类网络的位速率为小于 10/kbps，为低速网络，这类总线的性能

最低，用作低端的、非放射性诊断的通信通信。目前主要的协议有由 TTTech 组织

提出的基于时间触发机制的 TTP／A(Time Triggered Protoc01)协议和由 Motorola、

BMW 等公司提出的 LIN(Local Interconnect Network)协议。这类网络主要应用在电

动车门、座椅调节、灯光照明等对实时性要求不高且不需要进行诊断的控制上。

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摘要：

摘要随着汽车车载网络技术的发展，汽车的安全性和舒适性也日益被人们重视，对车内通信总线技术提出了新的要求。它要有高速、实时、容错、网络控制、高带宽的能力。而新型汽车总线——FlexRay完全满足这些要求。FlexRay是一种用于汽车的高速、可确定性、具备故障容错能力的总线技术，它将事件触发和时间触发两种方式相结合，具有高效的网络利用率和系统灵活性的特点，将作为新一代汽车车载网络的标准被应用到汽车中。特别是随着线控技术在汽车中的应用，未来FlexRay总线替代CAN在汽车中的地位已是大势所趋。车门系统是车身系统中一个重要的部分。车门系统的质量直接决定了车身系统的性能，它直接影响着车辆和人身安全。本...

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