Flex Ray——下一代汽车网络标准

　　目前，世界上有多达十多种车辆网络标准，其中最主要的有控制器局域网CAN-BUS（ControllerAreaNetwork），局部互联协议LIN（LocalInterconnectProtocol），车辆多媒体网络IDB1394等。值得注意的是具有高速容错功能的FlexRay，它的发展非常迅速。FlexRay标准联盟的出现，以及面向对象联接的CANopen标准的广泛应用预示着汽车电子技术向智能化迈出了重要一步。

　　汽车网络标准的发展

　　国际上，在汽车工业巨头和电子信息技术公司的合力推动之下，国际标准化组织于1992年基于CAN-BUS发布了ISO11898标准，为日后汽车计算平台联盟和相关标准的出现奠定了工业化基础。CAN-BUS经过近20年的发展，目前在汽车动力总成中已占据85%的市场份额。2008年全球主要汽车生产厂商生产欧III/欧Ⅳ排放标准以上的汽车后，采用CAN-BUS的汽车即将超过95%，主要用于发动机、变速箱和仪表系统的互联。基于CAN和ISO11898标准，美国SAE（汽车工程学会）在10年前组织制定的SAEJ1939被认为是全球范围内最开放和最具响应力的汽车网络标准之一，在欧III以上的商用车型中100%采用J1939构造汽车计算平台。

　　在国际CAN行业组织CiA的推动下，2002年国际标准化组织ISO又发布了简称为ISOBUS的国际标准ISO11783，ISOBUS、J1939和CANopen均是基于CAN-BUS的网络标准，这些标准的相互连接构成了面向未来的复杂汽车系统的网络计算平台，特别是CANopen对未来主导市场的环保汽车（混合动力汽车、电动汽车和燃料电池汽车）、多功能汽车、工程机械及客车车身控制网络起着决定性的作用。2005年起FlexRay联盟V2.1版本的规范发布，进一步推动了汽车计算平台向车辆安全控制系统方面标准化的发展。

　　LIN作为CAN网络的补充，是一种低成本的通讯标准，1998年由国际上著名的汽车厂商和电子厂商在德国组成了LINBUS联盟组织，LINBUS主要用于车内灯光、后视镜和座椅调节等非安全性部件的互联。IDB1394和MOST总线则是目前为汽车多媒体网络和消费类电子产品的互联建立的平台型标准。

　　SAE（美国汽车工程师协会）按照速率将汽车网络分为A、B、C三类。A类总线为低速总线，目前的代表为LIN协议，采用SCI和UART等通用硬件接口，传输速度最高可达20kbps。B类总线传输速率在10~125kbps之间，当前主流协议为CAN（ISO11898）、SAEJ1850等。欧洲市场采用的B类网络协议是CAN，CAN分为低速和高速两部分，高速CAN属于C类网络协议。C类总线传输速率在125kbps~1Mbps之间主要用于与汽车安全相关以及对实时性要求很高的地方。

　　从车辆工程角度上看，CAN的速率、可靠性和成本指标在汽车的动力系统总成中应用是最为适宜的。但对于安全等级需求更高的系统,如转向控制和制动系统及安全气囊的网络互联问题则应制定一个新的标准，这就是FlexRay。CAN的成功应用及FlexRay的标准开发推动了新的X-by-Wire车辆系统设计思想的完善，也导致了车辆系统对信息传送速度尤其是对故障容错与时间确定性的需求的不断增加。FlexRay通过在确定的时间槽中传递信息，以及在两个通道上的故障容错和冗余信息的传送，满足了这些新增加的要求。

　　汽车安全与Flex Ray计算平台

　　FlexRay作为下一代汽车网络标准，提供了充足的带宽、可靠性和实时响应能力，以实现线控应用，如安全气囊、制动、转向和车辆稳定性控制系统。该标准已开始被越来越多的汽车制造商采用。

　　FlexRay是一种用于汽车的高速可确定性的，具备故障容错的网络计算系统，它的基础源于克莱斯勒公司的典型应用以及BMW公司（宝马公司）Byteflight通信系统开发的成功经验。Byteflight是BMW公司专门为被动安全系统而开发的，为了同时能够满足主动安全系统的需要，在Byteflight协议基础之上，被FlexRay协会进一步开发成了一个与确定性和故障容错有密切关系的，更可靠的高速汽车网络系统。

　　FlexRay与CAN-BUS构成的仿真单元和网络计算平台已可以方便的集成到汽车系统之中进行混合验证并建立实物控制模型。

　　汽车线控系统网络实际上就是一种特殊的局域网。这种系统是从飞机控制系统引申而来的。飞机控制系统中提到的Fly-by-Wire是一种电线代替机械的控制系统，它将飞机驾驶员的操纵控制和操作命令转换成电信号，利用机载计算机控制飞机的飞行。这种控制方式引入到汽车驾驶上，就称为Drive-by-Wire（电控驾驶），引入到制动上就产生了Brake-by-Wire（电控制动），引入到转向控制上就有Steering-by-Wire（电控转向），因此统称为X-by-Wire。这些创新功能的基础是一种能够满足实时和严格容错要求的宽带计算平台结构——FlexRay网络计算系统（汽车计算平台）。FlexRay的重要目标应用之一是线控操作（如线控转向、线控制动等），即利用有容错功能的电气/电子系统取代机械/液压部分。线控操作包括从转向到制动和加速等所有汽车控制应用互连技术，它的应用可以补充并将最终代替汽车的机械和液压解决方案。FlexRay的执行器是机电一体化的产物，将对全球汽车行业产生革命性的深远的影响。FlexRay的基础开发工作基于FlexRay控制器和嵌入式软件中间件，FlexRay和CAN的网关将是未来汽车计算平台的核心部件。这些应当成为我国汽车计算平台国家重大工程的研究和技术跟踪的重点和技术方向。国际上FlexRay的标准尚未定型，我们完全有机会参与广泛的国际合作，特别是在中间件和故障诊断方面，应加强标准化研究工作。

　　另一个值得注意的是CANopen在汽车中的应用，CANopen是在ISO11898标准之上真正面向对象联接的网络计算平台，（而J1939则是面向具体应用而联接的网络标准）。在CANopen网络中，可以将最多128个用CAN-BUS互联的嵌入式微处理器，看成是一个统一的计算机平台，通过对网络中的任何一个单片机中的电子表格（存储在E2PROM或Flash之中，称为CANopen的对象字典）的修改和重定义，即可改变整个系统的功能配置和构造，而无需通过CANopen节点的制造商，在每个节点的对象字典之中还存储全球唯一的制造商编码和相关的配置参数，我们称之为数字基因（DigitalDNA）。通过标准方法可以方便的访问到汽车中各个电子设备的“数字基因图谱”用于维护和诊断。CANopen在各种工业、交通、航空、海事领域的应用技术成果，可方便地移植和集成进入未来更复杂的汽车系统之中，特别是在电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车中CANopen有明显的优势。在通用单片机中加入CANopen中间件并为应用程序留下API接口，即可做成一种称之为CANopenChip的系统级芯片产品。

　　关于汽车计算平台的思考与机会

　　上世纪50年代航空电子占整个飞机造价的比例约为20%，90年代则上升为80%，随着CAN、FlexRay等网络计算平台技术的发展，汽车电子也将遵循航空电子的发展规律，得到更快速的发展。因此说，汽车网络计算平台对现代汽车工业将产生本质性的重大的影响。

　　从国际上看汽车电子的数字化进程，已有二十多年历史，回顾CAN-BUS的发展历史，直到1995年SAEJ1939、CANopen、网络计算平台标准的出现，才为汽车OEM关键零部件的互联、协同工作进而提升整车的系统性能、功能和灵活性建立了平台化的工业基础。

　　公元2000年和2005年国际上的LIN联盟和FlexRay联盟，均是由著名的汽车厂商和信息技术（IT）公司联合发起和推动的标准联盟和技术联盟，这标志着汽车产业和信息产业在共同推动着一个全新的、复合性的产业——汽车（电子）信息产业的出现，与传统的汽车电子产品开发强调单个部件功能和性能不同的是汽车（电子）信息产业更关心的是网络标准和平台技术。因为这些决定了行业的发展和兴衰。

　　当今，技术发展的专业化，分工的精细化和相互融合，以及系统性能的不断提高和电子技术日益复杂化趋势的挑战，同时还要考虑汽车电子产品的规模经济要求，使研发设计环节变得越来越至关重要。因此，类似于集成电路设计行业独立于制造行业一样，未来汽车电子设计产业作为一个独立的行业将会得到快速发展，在进行产业规划时，这一点应当引起我们的思考。