汽车通信网络技术：FlexRay总线的基本特点

1.总线拓扑结构

FlexRay总线系统可以有不同的拓扑结构，其主拓扑结构如下。

1）线性总线拓扑结构

如图3-4所示，在线性总线拓扑结构中所有控制单元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。在两根导线上传输相同的信息，但电压不同。

线性拓扑结构所传输的差分信号不易受到干扰，但仅适用于电气数据传输。

图3-4　线性总线拓扑结构

2）星形总线拓扑结构

在星形总线拓扑结构中，控制单元（节点2～5）分别通过一个独立的导线与中央主控控制单元（节点1）连接，如图3-5所示。星形拓扑结构既适用于电气数据传输，也适用于光学数据传输。

图3-5　星形总线拓扑结构

3）混合总线拓扑结构

在混合总线拓扑结构中，一个总线系统具有不同的拓扑结构，即总线系统的一部分采用线性结构，另一部分为星形结构。

例如，在中央网关模块内带有一个或两个星形连接器，每个星形连接器都有4个总线驱动器，最多可提供8个接口。

4）冗余数据传输

FlexRay支持两通道，可通过一个或两个通道进行数据传输。当其中某个通道出现故障或信息有误时，另一通道可继续正常传输，通过这种冗余备份实现很好的容错性，如图3-6所示。

2.信号特性

FlexRay总线信号必须在规定范围内。图3-7（a）为总线信号的正常图形，图3-7（b）为非正常图形。无论在时间轴上还是电压轴上，电信号都不应进入内部区域。FlexRay总线系统是数据传输率较高且电压电平变化较快的一种总线系统。

图3-6　冗余数据传输

电压高低以及电压上升沿和下降沿斜率有严格规定，必须达到规定数值，且不得进入所标记的区域，如图3-7（b）所示。电缆安装不正确、接触电阻等可能会导致数据传输出现问题。

图3-7　总线信号

（a）正常图形；（b）非正常图形

注意：

图3-7只能用速度很快的（实验室）示波器显示出来，目前的汽车专用示波器不适合显示这种图形。

3.FlexRay总线系统的电压范围

FlexRay总线系统的电压范围如图3-8所示。

图3-8　FlexRay总线系统的电压范围

当总线无信号时，FlexRay BP（“+”）线与FlexRay BM（“-”）线的总线电压为2.5V（平静电压）；当总线有信号时，FlexRay BP（“+”）线的总线电压为3.1 V（电压信号上升600mV）；FlexRay BM（“-”）线的总线电压为1.9 V（电压信号下降600mV）。电压值以对蓄电池负极测量的方式得到。

4.唤醒与休眠特性

以宝马E70车型为例，连接在PT-CAN上的控制单元如图3-9所示，该控制单元通过一个附加的唤醒导线起动。该唤醒导线的功能与PT-CAN内的唤醒导线相同，信号曲线与PT-CAN的信号一样。只要唤醒该总线系统，垂直动态管理（Vertical Dynamic Management，VDM）系统就会使PT-CAN切换到一个高电平并将这个信号传输到FlexRay的唤醒导线内，从而唤醒卫星式控制单元。

图3-9　连接在PT-CAN上的控制单元(www.xing528.com)

图3-10所示的唤醒电压曲线给出了车辆开锁和起动时典型的电压曲线状态，该状态分为1～4共4个阶段。

1）阶段1

驾驶员将车辆开锁，CAS控制单元启用K-CAN和PT-CAN，PT-CAN内的电压短时切换到高电压，VDM复制这个信号并将其传输至FlexRay上的唤醒导线。

图3-10　唤醒电压曲线

2）阶段2

打开车辆，总线端R仍处于关闭状态，总线系统内的电压再次下降。

3）阶段3

启动车辆，总线端15接通，电压电平保持在设定值，直至再次关闭总线端15。

4）阶段4

总线端R关闭时整个车辆网络都必须进入休眠模式，以免耗电过多。为确保所有控制单元都“休眠”，网络内的每个控制单元都自动注销。只有所有EDC卫星式控制单元都在VDM系统处注销后，后者才能将这条信息发送给PT-CAN，从而发送给整个网络。如果不是这种情况，就会存储一条故障信息。在进行能量诊断工作时评估这条故障信息。

5.总线终端电阻

与大多数总线系统一样，为了避免在导线上反射，FlexRay上的数据导线两端也使用了终端电阻（作为总线终端）。这些终端电阻的阻值由数据传输速率和导线长度决定。

1）宝马FlexRay总线终端电阻

（1）宝马FlexRay的终端电阻结构。以F01车型为例，FlexRay的终端电阻结构如图3-11所示。

图3-11　宝马F01车型FlexRay的终端电阻结构

（2）宝马车型端电阻结构特点如下。

①如果星形连接器中一个总线驱动器（BD0）上仅连接一个控制单元，如转向柱开关中心（SZL）控制单元与总线驱动器（BD0）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”，如图3-12所示。

②如果控制单元上的接口不是物理终止节点，如总线驱动器BD2上的DSC、ICM和DME相连，则称其为FlexRay传输和继续传输导线。在这种情况下，每个总线路径端部的两个组件都必须以终端电阻终止。

这种终端电阻既用于中央网关模块，还用于一些控制单元。带有传输和继续传输导线的控制单元还使用了一个“非终止节点终端”来获取数据，如图3-13所示。受终端形式的电阻/电容器电路所限，无法通过测量技术在控制单元插头上对其进行检查。

图3-12　终止节点式终端电阻

图3-13　形成环路的FlexRay

2）奔驰FlexRay总线终端电阻

以奔驰W222车型为例，FlexRay终端电阻结构如图3-14所示。

图3-14　奔驰W 222车型FlexRay终端电阻结构

奔驰车型采用双线制，星形和总线型混搭的拓扑结构。每个星形的分支，都有一个约为50Ω的终端电阻。每个星形分支末端节点控制模块，图3-14中：“E”表示内置终端电阻为102Ω；处于星形分支中间的节点控制模块；“M”表示在FlexRay的双线之间架有内置电阻为2 426Ω，每个星形分支通用节点控制模块；“U”表示内置终端电阻为102Ω。显然，奔驰FlexRay总线终端电阻结构与BMW FlexRay总线终端电阻结构是不同的。

有些控制模块，根据不同的配置，有可能作为分支的中间控制模块，也有可能作为分支的末端控制模块，因此，这些控制模块配备两个网络间的电阻，一个为2 596Ω，另一个为102Ω，当此控制模块作为分支的中间控制模块时，使用2 596Ω接口端子；当此控制模块作为末端控制模块时，FlexRay的线要回接至内部的102Ω，从而保证每个分支的总终端电阻约为50Ω。N127控制模块双电阻结构如图3-15所示。

图3-15　N127控制模块双电阻结构

3）FlexRay终端电阻测量

不论是对宝马车系FlexRay总线终端电阻测量，还是对奔驰车系FlexRay总线终端电阻测量，都必须使用车辆电路图。由于终端方案不同，可能错误判断测量结果。例如，按照“终止节点式终端电阻结构”的测量方法对“形成环路的端电阻结构”进行测量；按照“终止节点式终端电阻结构”的测量方法对“星形和总线型混搭的端电阻结构”进行测量等。