2010年款奥迪A8中的FlexRay总线系统

2013-09-02刘春晖

汽车电器 2013年7期

刘春晖，张文

（山东华宇职业技术学院，山东德州 253034）

1 FlexRay总线的特征和基本原理

2010年款奥迪A8由奥迪公司位于巴登符腾堡州的内卡苏姆工厂生产，于2010年10月上市，其采用了一个新的总线系统，即FlexRay总线。FlexRay代表的含义:Flex的德语意义为Flexibilität（灵活），Ray的德文意义为Rochen（FlexRay联盟标志中的鳐鱼），其标志如图1所示。采用FlexRay总线是为了满足将来对汽车控制单元联网结构更高的要求，特别是为了实现更快的数据传输率、更强的实时控制和更高的容错运算。使用FlexRay总线之后才可以实现驾驶动态控制、车距控制ACC（Adaptive Cruise Control，自适应雷达巡航控制系统）和图像处理功能。

1.1 FlexRay总线特征

2010年款奥迪A8的FlexRay总线具有如下特征:①双绞线总线；②数据传输率:最快10 Mb／s；③传输3种信号状态:空闲、Data0、Data1；④主动星型拓扑结构；⑤实时控制；⑥实现分布式控制和与安全相关系统的使用。

1.2 FlexRay总线的基本原理

FlexRay总线的基本工作方式与使用至今的数据总线系统（CAN总线、LIN总线和MOST总线）不同。FlexRay总线的基本工作方式用索道做比喻就很恰当:索道的站点就像总线用户，即信息发送和接收器（控制单元）；索道的吊车就像数据帧，而乘客就是信息。

总线用户通过FlexRay总线发送信息的时间点可以精准地确定，发出信息到达接收器的时间也可以精确地识别，这就与索道既定不变的时刻表相同。

即使总线用户不发送任何信息，也为它预留一定的带宽，就像索道上，无论是否有乘客，索道都在运行。所以，不需要像在CAN总线上那样设定信息的优先级。奥迪将空吊车情况视作信息发送器发生故障，也就是说，控制单元总是发送信息，但用Update Bit标记新内容。如果没有可以使用的新数据，则再次发送旧数据。CAN总线与FlexRay总线的异同如表1所示。

表1 CAN总线与FlexRay总线的异同

2 FlexRay总线协议

在FlexRay总线上，信息通过通信周期（Communication Cycles）传输。通信周期不断循环，也就是说，接连不断。一个通信周期持续5ms，由静态段、动态段、网络空闲时间（空载）3部分组成。

1）静态段静态段在总线用户之间传递信息。为了传输数据，静态段被分为62个时隙，即时间槽，如图2所示。一个静态时隙只能发送到一个特定的总线用户中，但是，所有总线用户可以接收所有静态时隙，也包括那些与它没有确定关系的时隙。

所有静态时隙的长度都相等，都是42字节，时隙的顺序固定不变。在接连不断的通信周期中，各个静态段传输不同内容的信息。一般无论所有时隙是否都承载信息，整个时隙结构都会被传输。在奥迪车上，总线用户还会持续发送 “Update Bit”。

2）动态段动态段被分成若干最小时隙（Minislot），所有总线用户都会接收动态段。动态段是通信周期中为了能够传输事件触发的数据而预留的位置，FlexRay总线的动态段如图3所示。

3）网络空闲时间网络空闲时间就是网络静止时间，如图4所示。在这段时间内，FlexRay总线上没有信息在传输。数据总线诊断接口J533需要这段时间同步FlexRay总线上数据传输的过程。所有总线用户利用网络空闲时间使内部时钟与全球时基同步。

3 FlexRay总线的结构

FlexRay总线的拓扑结构如图5所示。FlexRay总线的拓扑结构可以分为点对点连接的主动星型拓扑结构（支路3）和总线型拓扑结构（支路1、2和4）。数据总线诊断接口J533用作控制器，上面有4个支路（支线）接口。其它总线用户围绕着数据总线诊断接口J533分布在若干支路上。

在2010年款奥迪A8中，每条支路上最多连接2个控制单元。其中主动星型连接器以及支路上的末端控制单元终接低电阻（内电阻较低），而中间控制单元则终接高电阻（内电阻较高）。

一条FlexRay支路上的中间控制单元通过4个芯脚与FlexRay总线连接，其中2个用来将总线信号转送给下一个控制单元；另外2个用于直接与FlexRay总线通信。节点控制单元，例如ABS控制单元J104（图6）只有2个芯脚。

4 功能流程

4.1 唤醒

如果FlexRay总线处于休眠模式，系统会先通过唤醒过程使FlexRay变成待机模式。即使激活所有接线端30的用户，FlexRay总线也无法主动进行通信。

4.2 启动阶段

启动后，FlexRay总线才有真正的通信。启动，指的就是网络的启动，只能由冷态启动控制单元完成。第1个向FlexRay总线发送信息的冷态启动控制单元开始启动过程。冷态启动和同步控制单元将会启动网络，并建立同步。冷态启动和同步控制单元有:数据总线诊断接口J533、ABS控制单元J104、电子传感器控制单元J849。

然而，非冷态启动控制单元则不会启动FlexRay总线，对建立同步也没有帮助。只有当2个以上其它总线用户在FlexRay总线上发送信息后，非冷态启动控制单元才可以发送信息。非冷态启动控制单元有:车距控制装置控制单元J428、车距控制装置控制单元2 J850、图像处理控制单元J851、四轮驱动系统控制单元J492、水平高度调节系统控制单元J197（图7，无法启动网络，但是对同步有帮助）。

4.3 信号状态

FlexRay总线的2条导线分别是Busplus和Busminus。2条导线上的电平在最低值1.5V和最高值3.5V之间变换，如图8所示。FlexRay的信号状态有3种:①空闲——两导线的电平都为2.5V；②Data0——Busplus上低电平，Busminus上高电平；③Data1——Busplus上高电平，Busminus上低电平。

一个比特占100ns带宽，传输时间与导线长度以及总线驱动器的传输用时有关。信号差别传输，也就是说，需要2条导线。接收器通过2个信号的差别确定本来的比特状态，典型的数值是1.8～2.0V的压差。发送器附近必须至少有1200mV的压差；接收器处的直接最小压差为800mV。如果在640～2660μs之内，总线上没有变化，FlexRay总线自动进入休眠模式（空闲）。