汽车车载网络技术详解(第2版)第5章以太网与FlexRay总线

1、目 录,前言 第1章 车载网络系统基础知识 第2章 CAN总线传输系统 第3章 常用车载网络系统的结构与原理 第4章 光学总线系统 第5章 以太网与FlexRay总线 第6章 丰田汽车多路传输系统 第7章 奥迪大众车系车载网络系统 第8章 通用车系车载网络系统 第9章 本田多路集成控制系统 第10章 汽车车载网络系统检修,第5章 以太网与FlexRay总线,第一节 以太网 第二节 FlexRay总线 第三节 FlexRay总线在BMW车系中的应用 第四节 FlexRay总线在2010年款奥迪A8中的应用,第一节 以太网,1以太网 以太网（Ethernet）最早由Xerox（施乐）公司创建，1980年由DEC（美国数字设备公司）、Intel（英特尔公司）和Xerox三家公司联合开发成为一个网络标准。以太网是一项使用电缆连接的网络技术，可供任何制造商使用。,2以太网的标准,以太网是应用最为广泛的局域网，包括标准的以太网（10Mbit/s）、快速以太网（100Mbit/s）和10G以太网（10Gbit/s）等。以太网采用的是CSMA/CD访问控制法，符合IEEE802.3标准。,二、以太网在

2、汽车上的应用,在BMW车系的F01/F02车型上采用快速以太网（100Mb/s）作为快速编程接口。同时，快速以太网负责在CIC（车辆信息计算机）与RSE（后座区娱乐系统）之间传输媒体数据。,1在F01/F02上的应用,只有插入BMW编程系统（ICOMA）时才会启用诊断插座内的以太网。编程插头内的线脚8与线脚16之间有一个启用电桥，该电桥负责接通中央网关模块内以太网控制器的供电电路。也就是说，车辆行驶时通过以太网连接中央网关模块的功能处于停用状态。信息和通信系统间的以太网连接不受诊断插座内启用电桥的影响，始终处于启用状态。,2以太网的安全性,以太网上的所有设备都有单独分配的识别号，即MAC（媒体访问控制）地址。建立连接时，BMW编程系统通过该地址和VIN（车辆识别号）识别车辆，以此避免第三方更改数据记录和存储值。与办公室内的计算机网络一样，以太网网络内的所有设备都必须拥有唯一的识别号。,3以太网的特点,1）数据传输速率很高，可达100Mb/s。 2）建立连接和分配地址时系统启动用时3s，进入休眠模式时用时1s。 3）只能通过BMW编程系统访问以太网。,BMW车系F01/F02总线系统概览

3、 ACSM碰撞和安全模块（高级碰撞和安全模块） AHM挂车模块 AL主动转向系统 CAS便捷登车及起动系统 CIC车辆信息计算机 CID中央信息显示屏 CON控制器 DDE数字式柴油机电子系统 DME数字式发动机电子系统 DSC动态稳定控制系统 DVDDVD换碟机 EDC SHL左后电子减振器控制系统卫星式控制单元 EDC SHR右后电子减振器控制系统卫星式控制单元 EDC SVL左前电子减振器控制系统卫星式控制单元 EDC SVR右前电子减振器控制系统卫星式控制单元 EGS变速箱电子控制系统 EHC车辆高度电子控制系统 EKPS电动燃油泵控制系统 EMA LI左侧电动安全带收卷装置（安全带） EMA RE右侧电动安全带收卷装置（安全带） EMF电动机械式驻车制动器 FCON后座区控制器 FD后座区显示屏 FD2后座区显示屏 2 FKA后座区暖风和空调系统 FLA远光灯辅助系统 FRM脚部空间模块 FZD车顶功能中心 GWS选档开关 HiFi高保真音响放大器 HKL行李箱盖举升装置 HSR后桥侧偏角控制系统 HUD平视显示屏 ICM集成式底盘管理系统 IHKA自动恒温空调 JBE接线盒

4、电子装置 KAFAS基于摄像机原理的驾驶员辅助系统 KOMBI组合仪表 NVE夜视系统电子装置 PDC驻车距离监控系统 RDC轮胎压力监控系统 OBD诊断插座 RSE-Mid后座区娱乐系统 RSE-HighProfessional后座区娱乐系统 SDARS卫星调谐器（美规） SMBF前乘客座椅模块 SMBFH前乘客侧后部座椅模块 SMFA驾驶员座椅模块 SMFAH驾驶员侧后部座椅模块 SWW换车道警告 SZL转向柱开关中心 TCU远程通信系统控制单元 TOP-HIFI顶级高保真音响系统 TRSVC倒车摄像机和侧视系统控制单元（顶部后方侧视摄像机） ULF-SBX接口盒（ULF 功能） ULF-SBX High高级接口盒（蓝牙电话技术、语音输入和 USB /音频接口） VDM垂直动态管理系统（电子减振器控制系统的中央控制单元） VM视频模块 VSW视频开关 ZGM中央网关模块,4以太网的功能,1）进行汽车维修时能更迅速地进行车辆编程。 2）在CIC与RSE间传输媒体数据。如图5-3所示，在OBD诊断插座、ZGM和CIC之间通过两个没有附加屏蔽层的双绞线连接。此外还有一个为各控制单元内以太

5、网控制器供电的启用导线。CIC与RSE之间的导线带有屏蔽层，取代了启用导线。,以太网的导线连接,第二节 FlexRay总线,1FlexRay总线的发展 FlexRay是一种用于汽车的高速、可确定性的，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特点，可以作为新一代汽车内部网络的主干网络。目前，FlexRay总线已经成为汽车网络系统的标准，将在未来很多年内，引领汽车网络系统的发展方向。FlexRay是继CAN 和LIN之后的最新研发成果，可以有效管理多重安全和舒适功能，如FlexRay适用于线控操作（X-by-Wire）。,2FlexRay的数据传输速率,FlexRay的最大数据传输速率为每通道10Mbit/s，明显高于以前在车身和动力传动系统/底盘方面所用的数据总线。以前只有使用光导纤维才能达到该数据传输速率。除较高的带宽外，FlexRay还支持确定性数据传输且能以容错方式进行配置，即个别组件失灵后其余的通信系统仍能继续可靠地工作。,各总线系统的数据传输速率 1实时、确定性（严格规定）和冗余（重复出现） 2有条件实时（对于控制系统来

6、说已足够） 3非实时,3FlexRay的优点,作为汽车网络系统的标准，FlexRay具有以下优点： 1）数据传输速率较高（可达l0Mb/s，而CAN仅为0.5Mb/s）。 2）确定性（实时）数据传输。 3）数据通信可靠。 4）支持系统集成。,二、FlexRay的特性,1总线拓扑结构 FlexRay 总线系统可以不同的拓扑结构和形式安装在车内，既可以采用线形总线拓扑结构，也可以采用星形总线拓扑结构，还可以采用混合总线拓扑结构。,（1）线形总线拓扑结构,在线形总线拓扑结构中，所有控制单元（例如SG1至SG3）都通过一个双线总线连接。该总线采用两个铜芯双绞线，CAN总线也使用这种连接方式。线形拓扑结构在两根导线上传输相同的信息，但电平不同。线形拓扑结构所传输的差动（差分）信号不易受到干扰，仅适用于电气数据传输。,线形总线拓扑结构,（2）星形总线拓扑结构,在星形总线拓扑结构中，卫星式控制单元（控制单元SG2至SG5）分别通过一个独立的导线与中央主控控制单元（SG1）连接。这种星形拓扑结构既适合于电气数据传输，也适合于光学数据传输。,星形总线拓扑结构,2冗余数据传输,在容错性系统中，即使某一总线

7、导线断路，也必须确保数据能继续可靠传输。这一要求可以通过在第二个数据信道上进行冗余数据传输（见图5-7）来实现。具有冗余数据传输能力的总线系统使用两个相互独立的信道。每个信道都由一组双线导线组成。一个信道失灵时，该信道应传输的信息可在另外一条没有发生故障的信道上传输。,冗余数据传输 A信道1 B信道2,3信号特性,FlexRay总线信号必须在规定范围内。图5-8和图5-9给出了总线信号的正常波形和非正常波形。无论在时间轴上还是电压轴上，总线信号都不应进入内部区域。,FlexRay总线系统的电压范围如下。,1）系统接通。系统接通时，如果无总线通信，则其电压为2.5V。 2）高电平信号。高电平信号的电压为3.1V（电压信号上升600mV）。 3）低电平信号。低电平信号的电压为1.9V（电压信号下降600mV）。 注：电压值以对地（搭铁）测量方式得到。,4确定性数据传输,图5-10 FlexRay总线系统内确定性数据的传输过程 1循环数据传输的时间触发区域 2循环数据传输的事件触发区域 3循环总循环时间5ms，其中3ms 为静态（时间触发），2ms为动态（事件触发） n转速,角度；t温度 v

8、车速 xyz.，abc. 事件触发的信息 t时间,5唤醒和休眠特性,FlexRay的唤醒信号曲线,第一阶段，驾驶员用车钥匙或遥控器将车辆开锁。CAS控制单元启用唤醒脉冲并通过唤醒导线将车辆开锁信号（高电平）传输给所连接的FlexRay控制单元。 第二阶段，驾驶员打开车门，进入车内。在将车钥匙插入点火开关之前，由于总线端R仍处于断开状态，总线系统内的信号电平再次下降（低电平）。 第三阶段，驾驶员起动发动机，总线端15接通，则总线系统内的信号电平保持在设定值（高电平），直至再次关闭总线端15。 第四阶段，驾驶员关闭发动机，拔出车钥匙，锁好车门。此时，总线端R再次处于断开状态。当总线端R处于断开状态时，FlexRay总线系统进入休眠模式，以免耗电过多。,6同步化,为了能够在联网控制单元内同步执行各项功能，需要有一个共同的时基。由于在所有控制单元内部都是利用其自身的时钟脉冲发生器工作的，因此，必须通过总线进行时间匹配。控制单元测量某些同步位的持续时间，据此计算平均值并根据这个数值调整总线时钟脉冲。同步位在总线信息的静态部分中发送。,第三节 FlexRay总线在BMW车系中的应用,1FlexRa

9、y总线应用概述 在BMW车系F01/F02车型中，通过FlexRay总线系统以跨系统方式实现汽车行驶动态管理系统和发动机管理系统的联网。同时，FlexRay是行驶动态管理系统的综合性主总线系统，中央网关模块用于不同总线系统与FlexRay之间的连接,FlexRay是行驶动态管理系统的综合性主总线系统,中央网关模块（ZGM）用于不同总线系统与FlexRay之间的连接,F01/F02车型 FlexRay总线系统的拓扑结构 AL主动转向系统 BD总线驱动器 DME数字式发动机电子系统 DSC动态稳定控制系统 EDCSHL左后电子减振器控制系统卫星式控制单元 EDCSHR右后电子减振器控制系统卫星式控制单元 EDCSVL左前电子减振器控制系统卫星式控制单元 EDCSVR右前电子减振器控制系统卫星式控制单元 HSR后桥侧偏角控制系统 ICM集成式底盘管理系统 SZL转向柱开关中心 VDM垂直动态管理系统 ZGM中央网关模块,2终端电阻的设置,如果一个总线驱动器上仅连接一个控制单元（例如SZL与总线驱动器BDO相连），则总线驱动器和控制单元的接口各有一个终端电阻。中央网关模块的这种连接方式称为“终止节点终端”。,终止节点终端内部的终端电阻,二、FlexRay的故障处理与检测,1故障处理 FlexRay总线导线出现故障（例如短路或对地短路）或FlexRay控制单元自身出现故障时，可能会切断各控制单元或整个支路与总线之间的通信。带有4个授权唤醒FlexRay控制单元（ZGM、DME、DSC、ICM）的分支除外。如果这些控制单元之间的通信中断，则发动机无法起动。,2布线,BMW车系F01/F02车型的FlexRay总线采用带电缆套的双芯双绞线电缆。电缆套用于防止电缆机械损坏。终端电阻位于中央网关模块和终端设备内。由于导线的波阻抗（高频导线的阻抗）取决于外部影响因素，因此终端电阻根据所需阻值进行了精确调节。借助万用表（欧姆表）可以相对简单地检测至终端设备的部分导线。为此，应从中央网关模块处进行测量。,3导线电阻的检测,检测FlexRay导线电阻时必须使用车辆电路图。

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