目录
中文摘要与关键词……………………………………………………………………2 目录……………………………………………………………………………………1
1. 车载网络概述………………………………………………………………………3
2.CAN 总线……………………………………………………………………………4
2.1.CAN 简介 …………………………………………………………………………4
2.2.CAN 组成 …………………………………………………………………………4
2.2.1.CAN 收发器CAN 控制器………………………………………………………5
2.2.2. 数据总线终端电阻……………………………………………………………5
2.2.3. 数据传输总线…………………………………………………………………5
2.3.CAN 总线技术在汽车中应用的关键技术………………………………………5
3.FlexRay ……………………………………………………………………………6
3.1.FlexRay 简介……………………………………………………………………6
3.2.FlexRay 特点……………………………………………………………………6
3.3.FlexRay 两种结构………………………………………………………………6
3.3.1. 无源总线的优势………………………………………………………………7
3.3.2. 星型拓补的优势………………………………………………………………7
3.4.FlexRay 在车里的应用…………………………………………………………7
3.5.FlexRay 节点运算………………………………………………………………8
3.6.FlexRay 总线状态………………………………………………………………8
3.7. 富士通微电子提供的FlexRay 解决方案………………………………………9
4. 车载网络的发展趋势………………………………………………………………9
5. 结束语………………………………………………………………………………10 参考文献………………………………………………………………………………10
[摘要]车载网络是现代汽车电子技术发展的必然趋势，本文就车载网络形成和分类作了介绍，并详细论述了CAN 与FlexRay 的结构、组成、特点以及在车里的应用，将FlexRay 与CAN 作了比较，以便更好地理解新一代汽车电子控制系统及其发展趋势。
[关键词]车载网络；CAN ；FlexRay ；发展趋势
CAN 与FlexRay 比较
1车载网络概述
汽车电子化程度与日俱增，应用在车上的ECU 模块数量也随之增加，从而使线束也增加。汽车电子系统的成本已经超过总成本的20%，并且还将继续增加。由于汽车生产商对制造成本的严格控制，加上对车身质量的控制，减少线束已经成为一个必须要解决的问题。另一方面，以网络通讯为基础的线控技术（X-by-wire ）将在汽车上普遍应用。因此，车载网络时代终将来临。
车载网络种类有很多种，应用较多的有LIN ，CAN 、FlexRay 、TIP/C、SAEJ1850、TFCAN 、ASRB 、MOST 等。美国汽车工程师协会（SAE ）根据速率将汽车网络划分为
A 、B 、C3类。
A 类总线标准包括TTP/A（Time Triggered Protocol/A）和LIN （Local Interconnect Net-work），其传输速率较低。
B 类标准主要包括J1850、VAN ，低速CAN 。低速CAN 具有许多容错功能，一般用在车身电子控制中，而高速CAN 则大多用在汽车底盘和发动机的电子控制中。 C 类总线标准主要包括TTP/C，FlexRay 和高速CAN （ISO11898-2）。都用于与汽车安全相关以及实时性要求比较高的地方。
A 、B 、C 类总线应用如图1.1所示
图1.1
2 CAN总线
2.1CAN 简介
CAN ，全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，是由ISO 定义的串行通讯总线，主要用来实现车载各电控单元之间的信息交换，形成车载网络系统， CAN数据总线又称为CAN —BUS 总线。它具有信息共享，减少了导线数量，大大减轻配线束的重量，控制单元和控制单元插脚最小化，提高可靠性和可维修性等优点。
CAN 被设计作为汽车环境中的微控制器通信，在车载各电子控制装置ECU 之间交换信息，形成汽车电子控制网络。其工作采用单片机作为直接控制单元，用于对传感器和执行部件的直接控制。每个单片机都是控制网络上的一个节点，一辆汽车不管有多少块电控单元，不管信息容量有多大，每块电控单元都只需引出两条导线共同接在节点上，这两条导线就称作数据总线（Bus ）。CAN 数据总线中数据传递就像一个电话会议，一个电话用户就相当于控制单元，它将数据“讲入”网络中，其他用户通过网络“接听”数据，对这组数据感兴趣的用户就会利用数据，不感兴趣的用户可以忽略该数据。FlexRay 还能够提供很多CAN 网络所不具有的可靠性特点。尤其是FlexRay 具备的冗余通信能力可实现通过硬件完全复制网络配置，并进行进度监测。FlexRay 同时提供灵活的配置，可支持各种拓扑，如总线、星型和混合拓扑。设计人员可以通过结合两种或两种以上的该类型拓扑来配置分布式系统。
一个由CAN 总线构成的单一网络中，理论上可以挂接无数个节点，但实际应用中，所挂接的节点数目会受到网络硬件的电气特性或延迟时间的限制。使用计算机网络进行通信的前提是，各电控单元必须使用和解读相同的“电子语言”，这种语言称“协议”。汽车电脑网络常见的传输协议有多种，为了并实现与众多的控制与测试仪器之间的数据交换，就必须制定标准的通信协议。随着CAN 在各种领域的应用和推广，1991年9月Philips Semiconductors 制定并发布了CAN 技术规范（Version 2.0）。该技术包括A 和B 两部分。2.0A 给出了CAN 报文标准格式，而2.0B 给出了标准的和扩展的两种格式。1993年11月ISO 颁布了道路交通运输工具—数据信息交换—高速通信局域网国际标准ISO 11898，为控制局域网的标准化和规范化铺平了道路。美国的汽车工程学会SAE 2000年提出的J 1939，成为货车和客车中控制器局域网的通用标准。
2.2 CAN组成
动力CAN 数据总线一般连接3块电脑，它们是发动机、ABS/EDL及自动变速器
电脑（动力CAN 数据总线实际可以连接安全气囊、四轮驱动与组合仪表等电脑）。总线可以同时传递10组数据，发动机电脑5组、ABS/EDL电脑3组和自动变速器电脑2组。数据总线以500Kbit/s速率传递数据，每一数据组传递大约需要0.25ms ，每一电控单元7~20ms发送一次数据。优先权顺序为ABS/EDL电控单元→发动机电控单元→自动变速器电控单元。
CAN-BUS 系统主要包括以下部件：CAN 控制器、CAN 收发器、CAN-BUS 数据传输线和CAN-BUS 终端电阻。：
2.2.1 CAN控制器，CAN 收发器
CAN-BUS 上的每个控制单元中均设有一个CAN 控制器和一个CAN 收发器。CAN 控制器主要用来接收微处理器传来的信息，对这些信息进行处理并传给CAN 收发器，同时CAN 控制器也接收来自CAN 收发器传来的数据，对这些数据进行处理，并传给控制单元的微处理器。
CAN 收发器用来接收CAN 控制器送来的数据，并将其发送到CAN 数据传输总线上，同时CAN 收发器也接收CAN 数据总线上的数据，并将其传给CAN 控制器。
2.2.2 数据总线终端电阻
CAN-BUS 数据总线两端通过终端电阻连接，终端电阻可以防止数据在到达线路终端后象回声一样返回，并因此而干扰原始数据，从而保证了数据的正确传送，终端电阻装在控制单元内。
2.2.3．数据传输总线
数据传输总线大部分车型用的是两条双向数据线，分为高位﹝CAN-H ﹞和低位﹝CAN-L ﹞数据线。为了防止外界电磁波干扰和向外辐射，两条数据线缠绕在一起，要求至少每2.5cm 就要扭绞一次，两条线上的电位是相反的，电压的和总等于常值。
2.3 CAN总线技术在汽车中应用的关键技术
利用CAN 总线构建一个车内网络，需要解决的关键技术问题有：
（1）总线传输信息的速率、容量、优先等级、节点容量等技术问题
（2）高电磁干扰环境下的可靠数据传输
（3）确定最大传输时的延时大小
（4）网络的容错技术
（5）网络的监控和故障诊断功能
（6）实时控制网络的时间特性
（7）安装与维护中的布线
（8）网络节点的增加与软硬件更新(可扩展性)
3 FlexRay
3.1 FlexRay简介
FlexRay 可以进行同步（实时）和异步的数据传输，来满足车辆中各种系统的需求。譬如说，分布式控制系统通常要求同步数据传输。
为了满足不同的通信需求，FlexRay 在每个通信周期内都提供静态和动态通信段。静态通信段可以提供有界延迟，而动态通信段则有助于满足在系统运行时间内出现的不同带宽需求。FlexRay 帧的固定长度静态段用固定时间触发（fixed-time-trigger ）的方法来传输信息，而动态段则使用灵活时间触发的方法来传输信息。
FlexRay 不仅可以像CAN 和LIN 网络这样的单信道系统一般运行，而且还可以作为一个双信道系统运行。双信道系统可以通过冗余网络传输数据——这也是高可靠系统的一项重要性。
FlexRay 是由FlexRay 共同体（FlexRayConsortium ）制定的协议。该共同体为一企业合作组织，成立于2000年。到2005年，FlexRay 共同体的7个，核心成员是：BMWGROUP 、BOSCH 、DaimlerChrysler 、GM 、Motorola/Freescale、PHILIPS 和VWAG 。除此之外，它还有超过93个协作和发展成员。从2002年发布的V0.4.3协议规范到2005年的V2.1协议规范，共发布多达7个版本。
F1exRay 网络是一种高传输速率（每通道10Mb/s）的时间触发型网络。采用分时多址方式对总线进行访问，具有确定性和容错功能。非常适合于下一代汽车线控系统或分布式控制系统的通讯要求。
3.2 FlexRay特点
FlexRay 拓扑的灵活性及实现事件触发或时间触发的操作模式对收发器意义重大。下面列举其中一部分：
1）10Mbps 的数据处理速率；
2）支持FlexRay 节点和有源星型拓扑；
3）提供电源管理功能，提高ECU 效率；
4）为时间驱动和事件驱动模式集成两个专用的控制输入；
5）支持本地和远程唤醒功能；
6）提供错误检测；
7）符合汽车行业的严格规范要求(例如ESD 和EMC 领域，同时涉及上述各个方面) 。
3.3 FlexRay两种结构
FlexRay 可以应用在无源总线和星形网络拓扑结构中，也可以应用在两者的组合拓扑结构中。这两种拓扑均支持双通道ECU ，这种ECU 集成多个系统级功能，以节约生产成本并降低复杂性。双通道架构提供冗余功能，并使可用带宽翻了一番。每个通道的最大数据传输率达到10Mbps 。
3.3.1无源总线的优势
无源总线拓扑的主要优势在于，采用设计工程师熟悉的汽车网络架构，因而有效控制成本。在需要更高带宽、更短延迟时间或确定性行为，而同时容错功能并非必需的情况下，这种无源总线拓扑非常有用。典型的应用领域就是直接替换CAN 以满足带宽要求。
3.3．2星型拓扑的优势
而使用星型拓扑却可完全解决容错问题，因为如果出现意外情况，星型的支路可以有选择的切断。如果无源总线线缆长度超过规定限制，星型拓扑还可以用作复制器。
除了其拓扑的灵活性以外，FlexRay 尚有许多其他协议无法比拟的优势。它同时支持时间触发(确定性) 通信和事件触发通信，如启动制动顺序(braking sequence)。
FlexRay 还支持总线间的多种消息传递架构。随着FlexRay 在汽车上的广泛使用以及网络日益统一，这项功能将越发重要。例如，若干家汽车制造商已经实施或提议采用一种网络架构，不管采用何种通信协议，所有通信通过一个网关实现。为了跨越协议边界通信，要求网络支持多个消息传递选项。
3.4 FlexRay 在车里的应用
正如图1.2所示，FlexRay 面向的是众多的车内线控操作(X-by-Wire)。图中还展示了一个把FlexRay 和CAN 网络结合的网关。
图1.2
图1.2—带有CAN 网络扩充的FlexRay 线控操作
FlexRay 导线控制应用的例子包括：
线控操作转向－典型的是使用电子控制单元
防抱死制动系统(ABS)-包括车辆稳定控制(VSC)和车辆稳定助手（VSA ） 动力系——代替现有的机械系统控制电子节气门。该电子节气门和现有系统结合工作，如电脑化燃油喷射器、电脑化可变进气系统、电脑化怠速控制系统。
3.5 FlexRay 节点运算
主要由电源供给系统（Power Supply ），总线驱动器（Bus Driver ，简称BD ）、总线监控逻辑（Bus Guardian ，简称BG ）、固化有FlexRay 通讯协议的通讯控制器（CommunicationController ，简称CC ）及主机（Host ）5个部分组成，如图6所示。其中BD 和BG 的个数对应于通道数，而BG 是用于避免通道定时错误的一个独立部分，与通讯控制器和微处理器相连。总线监控逻辑必须独立于其他的通讯控制器。
每个FlexRay 节点都包括一个控制器和一个驱动器部件（见图1.3）。控制器部件包括一个主机处理器和一个通信控制器。驱动器部件通常包括总线驱动器和总线监控器（可选择）。总线驱动器将通信控制器与总线相连接，总线监控器监视接入总线的连接。主机通知总线监控器通信控制器分配了那些时槽。接下来，总线监控器只允许通信控制器在这些时槽中传输数据，并激活总线驱动器。若总线监控器发现时间时序有间隔，则断开通信信道的连接。
图1.3
3.6 FlexRay总线状态
FlexRay 总线的这些特性使其可以替代CAN 总线, 适合车载骨干网络、分布式控制系统以及安全系统等应用场合。目前，已有多家公司生产FlexRay 总线控制器。本文选用恩智浦半导体公司的TJA1080总线控制器，介绍其内部结构以及与DSP 的软硬件连接方法。
物理层通道有一个独立的接收发送通道，速度最高可以达到10Mbps 。在工作状态下，主机可以访问TJA1080的接收模块和发送器，通过对其操作实现对物理层数据的收发。总线上的数据帧都将到达总线上所有的TJA1080，每一个TJA1080在收到总线数据帧后，都将经过接收滤波器；滤波器将不属于自己地址的数据帧滤除，只将属于自己的数据帧和广播帧存储到接收FIFO 中。
3.7 富士通微电子提供的FlexRay 解决方案
经过数年的改进，FlexRay 网络标准已经成熟，系统开发商可以在新一代汽车中应用该标准。富士通已开发出了带有FlexRay IP的开发系统和微控制器。图1.4展示了该开发进程的路线图
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图1.4
4车载网络的发展趋势 当前，在汽车内一般使用的是CAN(Controller Area Network)车内网，使连在网上的一些器件和另一些器件互相通信，共同工作。例如，驱动轮打滑时，要求一些器件之间互相通信，使力矩减小；用CAN 将各种传感器的信息传送到仪表盘上的速度表、转速表、温度表、油表上。除此以外，调节车内环境以增加乘车人员的舒适度也使用CAN ，例如空调、照明、后视镜控制等。除了CAN 网以外，许
多车辆还使用一些子网控制车内设备，例如坐椅的调节，多媒体设备的调节，包括DVD 、喇叭等。这些子网作为一个单一的部件，通过网关与主CAN 相连。
现在汽车的发展趋势是自动化程度越来越高，使汽车更安全、可靠、舒适，在车内使用更多的传感器、传动装置、电子控制单元，所产生的信息和控制命令，许多要求现有的通信总线完成不了。例如，与安全有关的信息传递要求绝对的实时，这类高优先级的信息必须在指定的时间内传输到位。例如刹车，从刹车踏板踩下到刹车起作用的信息传递绝对重要，要求立即正确地传送，不能有任何不确定因素。这类与安全有关的系统还要绝对可靠，即抗故障能力要高。如果通信总线中某一根线松掉或短路，数据可以从另一路径送达目的地。车内电气电子设备的增加，使通信总线传输的数据量增加很大，要求通信总线有较高的带宽和数据传输率。数据传输率要远大于1Mb/s。
现今的汽车电子设备越来越多，早期的CAN 总线已经不能很好地解决众多电子设备之间的通信，通信速度更高和通信更安全的车内总线成为汽车电子的迫切需求。FlexRay 总线是最近推出的一种先进高速串行同步和异步通信系统。该总线具有故障容限，可提供500 kbps～10 Mbps的确定数据传输速率和24位CRC （循环冗余）校验码。其通信速度和安全机制均满足目前车内电子设备的需求。 5结束语
CAN 总线作为一种可靠的汽车计算机网络总线，现已开始在先进的汽车上得到应用。而做为比CAN 还要先进的FlexRay 更是比CAN 更加的优秀。从而使得各汽车计算机控制单元能够共享所有的信息和资源，以达到简化布线、减少传感器数量、避免控制功能重复、提高系统可靠性和可维护性、降低成本、更好地匹配和协调各个控制系统之目的。相信在不久的将来FlexRay 将会在更多的车型上被广泛的使用。
[参考文献]
[1] 杨维俊《汽车车载网络系统》，北京机械工业出版社，2006年版
[2] 李东江，张大成，《汽车车载网络系统原理与检修》，北京机械工业出版社，2005年版
[3] 潭本忠，《汽车车载网络维修教程》，北京机械工业出版，2008年版
[4] IIANEWS。COM 国际工业自动化网
[5]北京联创高科汽车电子研究所 《怎样维修汽车车载网络系统》， 北京机械工业出版社，2006年版