（通信与信息系统专业论文）基于flexray的内燃机车喷油控制系统研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着电子技术的不断发展，传统机械控制已经阻碍了内燃机车的进一步发 展，将电子控制技术运用在内燃机车显得尤为重要。与此同时，随着内燃机车上 的柴油机电子系统日益复杂，电子控制单元( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ，e c u ) 对 数据传输量不断的提高，传统的总线技术传输速率已经不能满足现代电子系统大 容量、高速率的要求。本文使用了f l e x r a y 作为内燃机车喷油系统的通信总线。 它在安全性，可靠性以及容量和传输速率上都能较好的满足系统需求。 论文基于m c 9 s 1 2 x e p l o o 微控制单元( m c u ) 进行开发，以一种双e c u 驱 动电控单体泵的方式，分别控制1 6 个单体泵来实现差别喷油的功能。为了保证 喷油系统的可靠性、有效性和安全性，在系统中使用双曲轴机制，论文对内燃机 车上的新型通信总线f l e x r a y 进行了详尽分析。同时，对整个内燃机喷射系统的 不同硬件模块进行了仔细研究，制定了各工况下的柴油机喷油控制策略。针对内 燃机车上复杂的环境进行了电磁干扰的设计。在论文的软件设计部分，按照内燃 机车的控制要求设计了底层驱动程序来辅助柴油机喷油控制，基于控制策略设计 了实时中断，信号捕捉中断，a d 转化模块和存储模块，分别把两块e c u 设计 成两个f l e x r a y 通信节点来实现e c u 之间相互通信的功能。 最后在内燃机试验平台进行测试，实验结果表明基于f l e x r a y 的内燃机车喷 油控制系统能够很好的完成预设功能。提高了系统的可靠性和安全性，有利于柴 油机喷射系统功能的进一步发展，为内燃机车上的电子控制提供一定的参考价 值。 关键词：内燃机车，f l e x r a y 总线，柴油机，电子控制单元 江苏大学硕上学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u s d e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t h e t r a d i t i o n a l m e c h a n i c a lc o n t r o lh a ss e v e r e l yh a m p e r e dt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to ft h ed i e s e l l o c o m o t i v e ，a n dt h ee l e c t r o n i cc o n t r o lt e c h n o l o g yu s e di nt h ed i e s e ll o c o m o t i v ei s p a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t a t t h es a m et i m e ，t h ed i e s e ll o c o m o t i v ed i e s e l e n g i n e e l e c t r o n i cs y s t e m sa lei n c r e a s i n g l yc o m p l e x ，a n dt h ee l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ( e c u ) f o r r e a l t i m ed a t at r a f f i cr e q u i r e m e n t sc o n t i n u et oi n c r e a s e ，t h eb u st r a n s f e rr a t ec a n n o l o n g e rm e e tm o d e me l e c t r o n i cs y s t e m sr e q u i r e m e n t sa b o u tl a r g ec a p a c i t ya n dh i g h s p e e d t h i sa r t i c l eu s e st h en e wb u st e c h n o l o g yf l e x r a yc o m m u n i c a t i o nb u s ，a st h e d i e s e ll o c o m o t i v ef u e l i n j e c t i o ns y s t e mo fs e c u r i t y , r e l i a b i l i t ya n dc a p a c i t ya n d t r a n s f e rr a t ea r ea b l et os a t i s f yt h en e e d so ft h es y s t e m p a p e ri sb a s e do nm c 9 s 12 x e p10 0m i c r oc o n t r o lu n i t ( m c u ) t h ee l e c t r o n i c c o n t r o lu n i to fad u a le c ud r i v ep u m pc o n t r o l16u n i tp u m pt or e a l i z et h ed i f f e r e n c e i nf u e li n j e c t i o n i no r d e rt oe n s u r et h er e l i a b i l i t y , e f f i c a c ya n ds a f e t yo ft h ef u e l i n j e c t i o ns y s t e m ，d o u b l ec r a n km e c h a n i s mu s e di nt h es y s t e m ，t h ep a p e rc a r r i e do u ta d e t a i l e da n a l y s i so ft h ed i e s e ll o c o m o t i v eo nan e wc o m m u n i c a t i o n sb u sf l e x r a y t h e s a m et i m e ，t h ee n t i r ei n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ei n j e c t i o ns y s t e mh a r d w a r em o d u l e s w e r ec a r e f u l l ys t u d i e d ，a n df o r m u l a t e dt h ec o n d i t i o n so ft h ed i e s e le n g i n ef u e l i n j e c t i o nc o n t r o ls t r a t e g y e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ei sd e s i g n e df o rt h ec o m p l e x e n v i r o n m e n to ft h ed i e s e ll o c o m o t i v e i nt h es o f t w a r ed e s i g ns e c t i o no ft h ep a p e r , a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o lo f t h ed i e s e ll o c o m o t i v et od e s i g nal o w l e v e ld r i v e r st oa s s i s t t h ed i e s e le n g i n ef u e li n j e c t i o nc o n t r o l ，r e a l - t i m e i n t e r r u p t b a s e dc o n t r o ls t r a t e g y d e s i g n , s i g n a lc a p t u r ei n t e r r u p t ，t h ea dc o n v e r s i o nm o d u l ea n ds t o r a g em o d u l e ， r e s p e c t i v e l y , t h et w oe c ud e s i g ni n t ot w of l e x r a yc o m m u n i c a t i o nn o d e st oa c h i e v e t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nf u n c t i o n si nt h ee c u f i n a l l y , t h ei n t e m a lc o m b u s t i o ne n g i n et e s tp l a t f o r mf o rt e s t i n g ，e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h ew e l lt oc o m p l e t et h ed e f a u l tf u n c t i o no ff l e x r a y - b a s e dd i e s e l l o c o m o t i v ef u e li n j e c t i o nc o n t r o ls y s t e m i m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t yo ft h e s y s t e m ，d i e s e li n j e c t i o ns y s t e mf e a t u r e s f u r t h e rd e v e l o p m e n to fac e r t a i nr e f e r e n c e 江苏大学硕士学位论文 v a l u et op r o v i d ef o rt h ee l e c t r o n i cc o n t r o lo nt h ed i e s e ll o c o m o t i v e k e y w o r d s ：d i e s e ll o c o m o t i v e s ，f l e x r a yb u s ，d i e s e le n g i n e s ，e l e c t r o n i c c o n t r o lu n i t s 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景和意义 第一章绪论 近年来，随着电子技术的快速发展，汽车电子技术也发生了翻天覆地的变化。 电子控制技术广泛的应用于汽车产业，已经成为解决汽车环保节能问题的有效手 段。内燃机车是国家轨道交通的重要动力牵引装置，与汽车相比，它的机动性较 强，具有应急响应快捷的特点l l j 。 现有的内燃机车采用大功率柴油机作为动力源，内燃机车柴油机喷油系统是 在整车的运行中是至关重要的一个环节，对整车的运行，柴油机的功耗、运转平 稳性、经济性和可靠性都有重要的影响。采用电子控制技术能够大幅度的提高喷 油效率【2 】，虽然电子控制技术没有改变柴油机的燃烧、排放等规律，但是很大程 度上影响着柴油机的控制精确性及性能。我国的机车柴油机普遍采用的是联合调 节器方式，只能保证柴油机在某个工况下较好地进行喷射、雾化和燃烧过程。在 柴油机喷射、雾化和燃烧质量较差的情况下，系统的燃油消耗率较高，排放性能 较差。相比于机械控制的方式，柴油机采用电子控制技术的优势在于【3 j ： 1 ) 电子控制技术较好的改善了喷油过程的控制，对参数的调节也更为精确 和灵活，易于实现，改善了柴油机的燃油消耗和排污能力。 2 ) 电子控制技术增加了柴油机工作的灵活性，可以对柴油机工作过程进行 优化控制、故障检测等一系列操作，实现最优化的调节。 3 ) 由于机械、液压控制在结构、工艺上的复杂性和局限性，许多无法在机 械方式下实现的功能在电子控制方式下能够较好的完成，提高了柴油机的性能。 1 2 内燃机车喷油控制的现状和发展 柴油机电子控制技术的发展大致可分为3 个阶段： 2 0 世纪7 0 年代的初始研发阶段，此时电控技术主要的应用对象是发电机组 上的柴油机。2 0 世纪8 0 年代的实用阶段，开发了多种位置控制式和时间控制式 电子喷射系统。2 0 世纪9 0 年代为成熟阶段，电子燃油喷射控制系统已在机车柴 油机上广泛应用。从控制喷油量的方式来看，首先研制出来的是位置控制式，随 江苏大学硕士学位论文 后是时间控制式，研究得最多的是压力时间控制式【4 】。 1 ) 位置控制式 位置控制式系统结构比较简单，在保留了传统的泵一管一嘴系统基础上，对 原有喷油系统进行小幅度的改动。其工作原理也是根据柴油机负荷变化来调节。 喷油泵的供油拉杆位置保留了原直列喷油泵基本结构，只是在喷油泵上装配了一 个由齿杆位移传感器、凸轮传感器和微处理器组成的控制系统，系统主要进行喷 油量的控制。 2 ) 时间控制式 这种控制系统不再使用传统的喷油系统结构泵一管嘴系统，而是用高速电 磁阀直接控制燃油，具体的喷油量由电磁阀开启和切断的时间来确定。时间控制 系统结构简单，将喷油量和喷油控制合二为一，控制的自由度更大，同时能有效 的提高喷油压力。但这种控制方式仍然采用的是脉冲高压供油原理，无法控制喷 油压力，对高速电磁阀的性能依赖较大，在实际的应用中存在一定的困难。使 用较多的是分配泵，分配泵时间控制的典型系统有日本电装公司的e c d v 3 和 e c d - v 4 ，电控泵一喷嘴喷油系统典型代表有美国底特律柴油机公司的d d e c 系 统，德国b o s c h 公司开发的e u p l 3 型电控单体泵系统1 5 】。 3 ) 共轨式电控喷油系统 2 0 世纪9 0 年代以后出现的共轨式喷油系统是柴油机电控技术发展过程中的 重大改变。它改变了传统喷油系统的组成结构，电控共轨式高压喷油系统的主要 特点是：将燃油高压建立过程和燃油喷射过程在时序上完全分开，通过对共轨管 内的油压实现精确控制，使高压油管压力大小不影响发动机转速。高压共轨式电 控喷射系统是指在系统中有一根各缸共用的高压油管，用高压输油泵向共轨( 公 共油管) 中泵油，并在共轨中设置压力传感器，监测共轨中的燃油压力，通过e c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ，电子控制单元) 控制设置在高压输油泵上的电磁阀对共 轨压力进行反馈控制，保证共轨压力保持恒定值。系统在工作时，高压油泵以高 压力将燃油输送到公共油管，高压泵，压力传感器和e c u 组成闭环对公共油管 内的油压实施精确控制，用高速电磁阀来控制喷油器的燃油计量和喷射定时。共 轨式电控喷射系统的供油和燃油计量是完全分开的，从而其喷油压力、喷油过程 和喷油持续期不受负荷和转速的影响，受到多个国家的青睐。 2 江苏大学硕士学位论文 其典型代表有德国b e n z 公司的o m 6 1 l 柴油机上的电控高压共轨喷油系统， 美国b k m 公司的s e r v o j e t 共轨蓄压式电控喷射系统，美国c a t e r p i l l a r 公司的 h e u i 共轨液压式喷射系统【6 1 。 1 2 1 国外发展现状 柴油机电控技术的核心部分是喷油模块的电子控制。在国外，电控技术已经 普遍运用在高速柴油机上，同时电控技术也迅速推广到机车柴油机上。北美铁路 的新型内燃机车大功率柴油机和欧洲许多国家铁路运用的内燃动车轻型柴油机 大都安装了电控燃油喷射系统i 刀。 从柴油机功耗水平和经济性角度来看，9 0 年代国外内燃机车柴油机的平均 有效压力都在2 0 m p a 以上，燃油消耗率普遍已处于2 0 0 9 k w h 以下。英国 r u s t o nr k 2 15 型柴油机的平均有效压力为2 2 m p a ，燃油消耗率为1 9 7 9 k w h ， 而g e 公司的7 h d l 型柴油机的平均有效压力为2 1 2 m p a ，燃油消耗率已达 1 8 6 9 k w h i 引。目前，国外较为先进的燃油喷油泵无故障使用寿命大都在2 万小 时以上。国外先进水平的机车柴油机用喷油器连续工作大都在2 0 万千米以上。 在国外高速柴油机上采用的高压电控燃油喷射系统已经发展得较为完善，其中泵 一喷嘴结构的电子喷射控制技术已经商品化。电控燃油喷射技术已经运用到了机 车柴油机领域。国外柴油机的燃油喷射系统一般采用高压喷射技术，喷油压力可 以达到1 2 0 1 5 0 m p a ，尤其是最近的几年，随着电控技术的不断发展，柴油机可 以在最佳运行状态下工作，能够满足了社会对现代柴油机经济性和排污能力的要 求。燃油高压喷射技术的发展可以有效的提高内燃机效率，提高平均有效压力可 以增大柴油机功率。目前国外先进水平柴油机的平均有效压力大约在2 2 m p a ， 而对应的燃油喷射压力达到1 2 0 1 5 0 m p a ，这就对喷射系统提出了更高要求。国 外已经能够解决高压喷射过程中的一些问题，特别是对燃油喷射系统的研究有了 突破性进展，美国s e r v o j e t 电子控制的柴油机燃油喷射系统采用共轨方式取消了 供油凸轮等零件，从本质上解决了原供油系统中存在的最大问题 9 1 。 1 2 2 国内发展现状 我国当前使用的机车柴油机主要是采用联合调节器控制的方式，采用电子控 江苏大学硕士学位论文 制技术的柴油机也开始逐步的推行，主要集中在电子燃油喷射系统方面，目前已 经在少量的机车上实验运行，并取得良好的效果。其中东风8 c j 内燃机车采用了 电子燃油喷射控制系统，其内燃机电子控制系统在国内属于领先水平。 我国内燃机车装备的主流柴油机一般分为两大系列，分别是2 4 0 和2 8 0 ，一 般是1 2 或1 6 缸，大都使用联合调节器方式，油耗一般在2 1 0 9 k w h 以上。而 且现役国产机车柴油机的强化水平比较低，其中东风1 1 型机车用的1 6 v 2 8 0 z j a 型柴油机的平均有效压力只有1 6 5 m p a ，最高的东风4 d 型机车用1 6 v 2 4 0 z j d 型 柴油机，其平均有效压力也只达到1 9 5 m p a 。目前，现役国产内燃机车柴油机的 燃油消耗率普遍超过t ( 2 0 s + 7 ) g k w h ，其中东风4 d 型机车柴油机的油耗率为 ( 2 0 5 + 6 ) g k w h ，而国外柴油机的油耗一般都在2 0 0 9 k w h 。因此我国机车柴 油机功耗水平和经济性与国外先进水平相比还存在较大差距l lo 】。 另外，从柴油机主要零部件使用寿命和可靠性的角度出发，与国外先进技术 相比较，国产机车柴油机的喷油泵的使用寿命只有8 0 0 0 h ，而强化型喷油泵差距 则更加的大。国外先进柴油机喷油器连续工作使用时间一般在2 0 万千米以上， 而国产机车柴油机用喷油器一般使用2 万千米就都必须进行检查，与此同时一般 每台机车在检查中需要更换5 8 个喷油器，这样造成的结果就是维修费用较高， 运营成本的上升，严重影响了机车的连续使用率和可靠性。 目前，国内的机车柴油机燃油喷射系统一般采用单体泵一高压油管一喷油嘴 结构形式。这种传统的喷油系统，由于工艺水平的复杂性和局限性，不可避免的 造成了供油凸轮型线和柱塞螺旋线对循环喷油量所产生的不良影响，难以保证柴 油机各缸保持相同的循环喷油量，所以传统的燃油喷射系统，在排放控制方面存 在着较大的局限性。在国外，高压电控燃油喷射系统的发展较为成熟，采用泵一 管一嘴方式的电控燃油喷射系统在美国g e 公司d a s h 9 型和a c 6 0 0 0 型机车上 取得了成功【1 1j 。 未来的发展趋势是将不断的提高采用柴油发动机动力的比例，电控燃油喷射 技术正是柴油机发展的重中之重。和汽油机相比较，虽然柴油机电控技术的发展 晚了一些，但是由于它特有的耐久性，良好的排放性以及经济性，在许多汽车上 也逐渐的开始推广起来，到目前为止已经发展到第三代。未来将向喷射压力灵活 调整、喷射量、喷油速度最佳控制的方向不断发展。 4 江苏大学硕士学位论文 1 3 通信总线的选择 随着现代工业的迅速发展，主流的车载通信总线c a n 在带宽、可靠性、实 时性、灵活性等方面的局限性日益突出，c a n 逐渐不能满足汽车上逐渐增长的 数据传输要求。现代车辆的电子控制系统对网络化的要求不断提高，只有及时的 提供更快的传输速度，车辆电子控制功能才能在付诸实施时产生效果。现代的汽 车为了实现大量的控制功能在设计之初就使总线达到最大的负载，几乎没有余留 的带宽。若采用增加总线数量的方法，不会提高数据速率，若为复杂的车载系统 设计相应的网关，不仅可能产生报文传输延迟，而且使系统变得更加复杂，缺乏 安全性。 作为新一代的车载总线技术，f l e x r a y 具有通信速率高，可靠性强，精确度 高等特点。在本文研究的领域，对传输数据和控制的精确性，实时性要求较高。 相比于c a n 总线，采用f l e x r a y 总线的电子控制单元( e c u ) ，在实际应用中可 以实现接口上的优化，节约了资源，降低了系统的不可靠性等优点，同时简化了 内燃机车发动机的主从喷油系统，降低了系统的复杂性。 1 4 课题研究的主要工作和结构安排 本课题研究的内容是一种基于f l e x r a y 通信协议的内燃机车发动机喷油系 统。针对于内燃机车自身的特点，在遵循柴油机和电控单体泵工作原理的基础上， 提出了一种双电子控制单元( e c u ) 控制柴油机喷油的工作方式，每块e c u 分 别承担不同的喷射控制任务。具体通过控制系统设计和软件设计来完成相应的工 作。在控制系统设计中，依照内燃机车不同的工况设计了控制策略，同时完成了 存储单元和f l e x r a y 通信单元的设计。通过了解内燃机系统复杂的工作环境后， 分析了电磁干扰兼容性，来保证系统的正常工作。在软件设计部分，本文结合了 f l e x r a y 总线技术和柴油机电子控制喷油技术，对电子喷油系统的控制原理进行 了全面的分析，以m c 9 s 1 2 x e p l o o i 洲v 1 为主芯片，设计了与之相对应的底层 驱动模块，f l e x r a y 通信模块和柴油机应用喷射模块。本课题研究的目标是完成 柴油机电控系统在f l e x r a y 通信下的喷油控制，并且通过实验平台来验证控制软 件的可靠性和有效性。 江苏大学硕士学位论文 本文的具体结构如下： 第一章分析了内燃机车发动机控制系统的研究背景和意义，国内外发展现 状和趋势，同时针对柴油机电子控制的数据传输要求，提出了新的总线技术 f l e x r a y ，并且进一步说明了需要开展的工作。 第二章阐明了f l e x r a y 通信协议，同时对f l e x r a y 、c a n 、l i n 总线进行了 比较分析。总结f l e x r a y 的特点，细述了具体的结构模块，对f l e x r a y 总线的 通信速率、帧格式、节点的逻辑结构、媒体接入控制、时钟同步和网络拓扑结构 进行了详细的说明。并且针对混合型拓扑结构分析了f l e x r a y 拓扑的特点。 第三章着重的分析了内燃机车控制系统，对相关硬件单元，主芯片、存储 单元和f l e x r a y 通信单位进行了仔细的研究。详细阐明了存储单元的寻址方式， 完成了f l e x r a y 节点上通信控制器，总线驱动和主芯片的连接工作。详细研究 了单体泵和柴油机的工作原理，在此基础上分析了不同工况下柴油机的控制策 略。同时针对内燃机车的工作环境进行了电磁干扰兼容性的研究。 。 第四章根据制定的控制策略完成软件设计。分别是基于m c 9 s 1 2 x e p l 0 0 底层驱动软件，f l e x r a y 的主从e c u 通信软件和柴油机喷油控制软件部分。对 三个软件部分分别进行具体的软件设计工作。 第五章针对第四章设计的软件完成相应的测试验证工作，来保证系统的可 靠性。对三个软件模块分别进行验证试验。 。 第六章总结展望全文，分析本文工作的得失，总结经验，为下一步内燃机 车改良提供了方向。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章f l e x r a y 协议特性 随着现代工业技术的发展，当前传统的的车载网络c a n ，l i n 已经广泛的 应用于汽车网络和控制部分中，但是随着汽车功能的日益多元化，车载通信复杂 性逐步的显现出来，而线控系统的出现，对车载网络提出了新的要求，而在实时 性和安全性都要求较高的线控系统中，对数据的可靠性有着苛刻的要求，基于这 样的事实，f l e x r a y 总线标准孕育而生。 2 1f l e x r a y 简介 为了提高汽车的可靠性，安全性和舒适性，现代的汽车都加入了更多的电子 设备，包括各式传感器，型号各异的执行器和电子控制单元( e c u ) 等，这些不 断接入的电子设备组成了一个复杂且高级的系统。由于目前传统的车载总线如 c a n ，l i n 已经不能满足人们对于传输速率日益增长的需要，无法适应现代的汽 车控制系统，所以产生了新的汽车总线。 在以往的汽车电控系统中，大部分汽车和电子设备的数据交流，主要是通过 c a n 总线来进行。然而随着线控系统思想的出现，对信息传送速度尤其是故障 容错与时间确定性的需求不断增加，传统通信总线很难保证车辆的可靠性和安全 性，如c a n ，l i n 等由于缺少同步性，确定性及容错机制。当今的解决方案并 不能满足汽车行业未来的需要，更不能满足汽车线控系统的要求。宝马和戴姆勒 克莱斯勒公司意识到了这样的难题，于是在2 0 0 0 年的9 月，宝马和戴姆勒克莱 斯勒联合飞利浦和摩托罗拉成立了f l e x r a y 的联盟。他们的主要任务分别是：制 定f l e x r a y 需求定义，开发f l e x r a y 协议，定义数据链路层，提供支持。f l e x r a y 的控制器，开发f l e x r a y 物理层规范并实现基础解决方案。 f l e x r a y 协议的解决方案使得汽车工业总线的实施方法更加的灵活，这种协 议为汽车电子系统提供了更加可靠和先进的标准。目前，f l e x r a y 协议已经被广 大的汽车生产商和单片机公司所接收采纳，很多公司已经研究生产出了相关的产 品供消费者选择。f l e x r a y 已经成为下一代车用网络标准。当前，f l e x r a y 协议 2 1 版本及电气层的规范已经发布。为今后f l e x r a y 标准化测试奠定了坚实的基 江苏大学硕士学位论文 础。f l e x r a y 是一种具有高速性，故障容错性和稳定性的先进的总线系统，它的 具备了戴姆勒克莱斯勒公司( 奔驰公司) 的相关产品的些优点，同时也兼容 了b m w 公司( 宝马公司) b y t e f l i g n t 通信系统开发的成功经验。因此f l e x r a y 总线系统具备了良好的性能和可靠的服务，在f l e x r a y 通信网络上，可以充分的 体验复杂和精密的电子控制系统给人们带来的便利，展现了新的总线变革。从中 可以看到巨大的科技进步给人类生活带来的巨大冲击u 引。 2 2f l e x r a y 特性分析 2 2 1 总线通信速率 f l e x r a y 总线技术支持双通道的工作模式，每个通道的传输速率都可以达到 1 0 m b i t s 。两个信道a ，b 主要用于冗余和故障信息的传输，在对容错要求不高 的情况下两个信道也可以传输相同的信息，这样理论上f l e x r a y 的的最大通信速 率可以达到2 0 m b i t s 。通过对通信控制器的寄存器设置可以使得总线工作在多个 波特率下。丰富了f l e x r a y 的应用范围。正是由于传输速率高的优势，和其它的 总线相比较，f l e x r a y 在应用领域的优势格外明显。通过下表2 1 可以发现它比 其它常用车载总线存在的优势。 表2 - 1l i n ，c a n 和f l e x r a y 总线基本参数 比较内容 l i n c a n f l e x r a y 传输速率 1 0 k b p si m b p s l0 m b p s ，最大可达2 0 m b p s 物理层拓扑结构总线型总线型星型，总线型，混合型 冗余结构 否否是 有效数据长度 1 - 8 字节8 字节2 5 4 字节 通信媒介双绞线双绞线，同轴电缆双绞线，光纤 校验检测奇偶校验c r c 检测c r c 检测 报文发送周期毫秒级 毫秒级 微秒级 总线复杂程度简单适中适中 成本低低适中 8 江苏大学硕士学位论文 2 2 2 帧格式 f l e x r a y 的一个标准帧格式是由三部分组成，分别是帧头，有效数据部分和 帧尾，如图2 一l 所示。其中帧头部分为5 个字节大小共4 0 b i t ，前5 个b i t 分别是 保留位，数据指示位，空帧指示位，同步帧指示位和启动指示位。 保留位o b i 0 数据指示位( 1 b i t ) 空帧指示位( 1b i t ) 同步帧指示( 1 b i t ) 启动帧指示( 1 b i t ) 数据 帧i d 头部c r c循环 数据0数据1数据r lc r c c r cc r c 长度 1 l b i t7 b i t1 l b i t6 b i t2 4 o 至2 5 4 字节 帧失 有效数据 。 帧尾 。 其中保留位的作用是为将来协议扩充预留的。 数据指示位表示在有效数据段开头是否包含可选择的变量。1 表示包含，0 表示不包含，本论文使用系统默认的表示。 空帧指示位指示帧的有效数据段中是否包含有用数据。1 表示包含，0 表示 不包含。 同步帧指示位1 代表是，0 代表不是。 启动帧指示位，只有启动节点允许发送启动帧，启动帧一定是同步帧，但是 同步帧不一定是启动帧。同步帧和启动帧必须是静态帧。 帧i d 为1 1 位，有效数据长度位为7 位，默认的有效数据长度单位是字，l l 位的头部c r c 校验，头部c r c 校验的范围是同步帧，启动指示位，帧l d 和有 效数据长度共2 0 b i t ，以及6 位的循环计数位【1 3 - 1 4 1 。 其中，帧标识符定义了该帧可以在那个时隙中发送，取值范围是1 - 2 0 4 7 ，0 不是有效标识符。起始c r c 的校验是离线计算后提供给通信控制器的。 帧周期计算位的范围是0 6 3 。 9 江苏大学硕士学位论文 有效数据部分是传送数据内容的。长度范围可以从0 到2 5 4 字节，远远大于 一般的c a n ，l i n 每帧的携带的数据。f l e x r a y 的有效数据帧，分为静态帧和动 态帧两种，其中静态帧长度固定，而动态帧的数据长度是不固定的。 帧尾部分是用来对整个数据进行c r c 校验，包括帧头和数据部分。 2 2 3f i e x r a y 节点的逻辑结构 f l e x r a y 的每个节点主要由主处理器( h o s t ) ，f l e x r a y 通信控制器( c c ) ， 总线驱动器( b d ) ，可选的总线监控器( b g ) 和电源组成的。主处理器的主要 作用是产生相应的数据，由f l e x r a y 通信控制器发送到总线上去。总线驱动器也 叫总线收发器，在个通信节点中一般有两个总线收发器，它一般连接着总线和 通信控制器，或者是连接着总线监控器和总线。可以使用双通道进行冗余备份， 或者使用一个通道使数据以最大传输速率2 0 m b p s 的波特率传输。 f l e x r a y 节点之间的通信过程一般是：某个节点的主处理器将数据发送给通 信控制器，通信控制器进行编码，形成相应的数据，然后通信控制器通过总线驱 动器将数据发送到信道上。在接收节点上，按照事先规定好的协议定义某一个确 定时间，通过总线驱动器访问总线，将数据在通信控制器处解码，最后将解码后 的有效数据发送到主机。主处理器先产生所需要的数据，然后把通信控制器( c c ) 分配的时间槽告诉总线监视器( b g ) ，随后总线监视器( b g ) 允许通信控制器 ( c c ) 在这些时槽上传输数据。数据可以在任何时间被接收。其中总线监控器 ( b g ) 是和主处理器和通信控制器( c c ) 连接的，但是又与其他节点的控制器 相互独立，主要目的是为了避免在信道中产生定时错误【i 卜m j 。 2 2 4 媒体接入控制 在一个通信周期中，f l e x r a y 提供两种网络访问方式，一种是静态的时分多 路访问( t d m a ) 方式，另一种是动态柔性时分多路访问方式，f l e x r a y 的媒体 接入控制是基于循环的通信周期。 按照时间等级可将f l e x r a y 的- - 个通信周期分为四层，从最高层到最低分别 是：通信周期层，仲裁网络层，最大时间节拍层和最小时间节拍层。如图2 2 所 示。 1 0 江苏大学硕士学位论文 图2 - 2 通信等级结构 通信周期层，即是最高层，包括静态段、动态段、符号窗和网络空闲时间。 其中静态段使用时分多址的方式发送信号，由数目固定的时槽组成，长度都是一 定的。在静态部分，无论静态段消息是否被发送，静态部分都是由固定数目的时 槽组成，每一个时槽( s l o t ) 长度都是一定的。静态时槽的长度是由f l e x r a y 的全 域组态( g l o b a lc o n f i g u r a t i o n ) 参数g d s t a t i c s l o t 确定的。 动态段使用微时槽方式发送信号，由数目不固定的时槽组成。在动态部分， 其带宽是动态变化的，若分配了节点给时槽，动态段将在需要时才进行数据传送。 当发送i d 和时槽号对应的时候，相应的节点才会进行传输。假如没有传输，所有 节点就会等候，所需要的时间是时槽的长度，时槽计数器会相应的增加。当时槽 计数增加后，所有节点检验此时槽号是否匹配。如果两者对应，该节点将发送消 息。 下一层是仲裁网络层，静态部分由连续时间间隔组成，叫做静态时槽( s t a t i c s l o t s ) ，也称作静态时间片，动态部分也是由连续的时间间隔组成，叫做微型时 槽( m i n i s l o t s ) ，也称作最小时问片，动态部分的长度是由其所包含的微型时槽数 目所决定的。 最大时间节拍层中，宏标记( m a c r o t i c k ) 是用于网络同步的时间单位，在 一个网络里，所有节点的宏标记的时间都是相同的。最低层是最小时间节拍层， 每个宏标记由多个微标记( m i c r o t i c k ) 组成，但是每个宏标记中的微标记个数不 一定是相同的。 一个数据帧在一个通信周期内传输，可能在动态段也可能在静态段，如图2 3 所示，f l e x r a y 的动态和静态帧示意图。 江苏大学硕士学位论文 l 。个f l e x r a y 数ll 一一i f i e 、r a y 数i 厂 据帧i i i 阿 l j l m ts l 葭a b 1 c l 皇b 回回 时槽1时槽2 微时槽 网络宅 静态段动态段符号窗 i j 时间 图2 - 3f l e x r a y 协议帧的静态、动态部分的结构示意图 在f l e x r a y 协议中，每个通信信道都被设置媒体接入控制的操作模式。在不 同的工作模式下，媒介接入控制的使用权限也不是一样的。例如：在s t a n d b y 模式下媒体接入是被终止；在n o c e 模式下，执行媒介接入控制，但是信道里面 没有用于发送的帧或符号【1 7 之o 】。 2 2 5 时钟同步 时钟同步指的是在同一个网络内的所有节点具有相同的时间概念。实际上这 种节点的同步要求不一定十分严格。如果节点之间的时间偏差在允许的误差范围 内，那么都是可以的。 在f l e x r a y 网络中，之所以能够准确收发消息是因为在整个网络里使用的是 同一时间基准。在通信过程中，一个节点在发送数据之前就知道准确的发送时间， 而接收节点也知道接收时间，因此每个节点都可以知道理论接收时间和实际接收 时间的具体时间差，f l e x r a y 的时钟同步就是基于这个时间差。 在通信的过程中每个节点都要保持时间同步也必须时间同步，最大偏差必须 在限制的范围内。时钟同步可分为相位偏差和频率偏差。相位偏差是指在某一时 间的绝对差值。频率偏差是系统频率的实际值与标准值之差，是随着相位偏差的 变化而变化的。通过相位修正和偏差修正可以实现时钟同步。 在一个通信周期内，时钟同步主要完成初始化，计算时间偏差值，计算频率 与相位的修正值。f l e x r a y 采用相位修正和频率修正同时进行的方法，同时对相 1 2 江苏大学硕士学位论文 位和频率进行修正，在此过程中，要测量每个时钟的偏差，每个节点都需要存储 数据帧到达的时刻，与标准的时间进行比较，可以得出时间偏差值的大小。这个 偏差值的大小反应的是在发送和接收过程中存在的具体时间误差。通过相应的算 法可以计算出每个节点对应的修正值，再通过修正值的来改善所存在的时钟偏 差。这个偏差算法的基本思想是：先计算出相位偏移和速率偏移量的值，再通过 时间同步算法来改变本地时间，使得本地时间尽量的接近全局时间，最终起到一 个修正的作用1 2 。 2 2 6 网络拓扑结构 网络拓扑结构对于车载网络系统的安全具有重要影响，保证通信系统可靠 性，f l e x r a y 可以支持多种网络拓扑结构，大体上可以分为三类，分别是：总线 型拓扑结构，星型拓扑结构和混合型拓扑结构。 总线型拓扑结构是指采用单根传输线作为总线，所有工作站都共用一条总 线。信息沿总线介质逐个节点广播传送，可以被总线介质上的所有节点接收，如 图2 4 所示。 图2 叫4 总线型拓扑结构 在图2 4 中，可以了解到，该拓扑结构在总线上通过电缆直接连接所有的节 点，因此，和其他拓扑结构相比，总线拓扑结构中所需要的电缆是最少的，这种 拓扑结构减轻了网络通信处理的负担，使得通信处理分布在每个站点进行。这是 它的优点，但是由于总线的负载能力是存在一个上限值的，所以每根总线上连接 的节点数量其实是固定的，不能超出它的承受能力之外。同时，因为所有的节点 使用的是同一条传输通道，所以每次只能有一个节点使用总线，其他的节点一直 处于等待的状态。 江苏大学硕士学位论文 总线拓扑结构的优点是接入成本较低，经济性强、方便新节点的接入，接入 方式较为灵活，在总线上节点发生断接的情况下不会影响线上其他节点的正常通 信。缺点是在总线上较多节点需要通信的状态下，只能保证一个节点处于通信状 态，其他节点按照一定的顺序排队等待，极大的消耗了总线资源，同时媒体访问 获取机制较复杂，效率低下。综上所述虽然这种拓扑结构存在着一些不足，但因 为铺设相对容易，接入节点快捷，成本低，子节点在网络上的断接不会影响到系 统的工作，所以它仍然普遍的在局域网中使用1 2 2 1 。 传统上的星型拓扑结构是由一个或者几个中心节点连接多个接入节点的方 式来构成一个星型网络。中心节点一般是星型连接设备和文件服务器。通常所用 的是集线器。如图2 5 所示。 图2 5 星型拓扑结构 可以看到，星型拓扑结构的特点是便于集中管理，易于控制。在这种总线拓 扑结构上，每个用户之间的通信必须要先经过中心节点才能实现，所以它易于维 护也能可靠的保证用户数据通信时的安全。同样当总线上的接入节点发生故障时 候也不会影响到总线上其他节点之间的通信。星型拓扑结构还具备网络延迟时问 较小和传输误码率低的优点，很好的弥补了总线拓扑结构的不足。但是前提条件 是，中心节点必须具备极强的可靠性，一旦中心节点出现了问题，整个网络上的 接入设备通信将全部瘫痪。因此在实际的应用中，一般中心节点采用备份的方式 进行保护，来提高系统的可靠性。 总线拓扑结构和星型拓扑结构融合为一体就成为了混合型网络拓扑结构。如 图2 - 6 所示，这种新颖的拓扑方式能够更好的满足不同网络的需要，它继承了星 型拓扑结构和总线拓扑结构的优点，克服了星型网络的传输距离问题和总线网络 1 4 江苏大学颤j 二学位论文 的节点数量问题。但是侮实际运用中，增加了系统结构的复杂度1 2 3 - 2 7 1 。 图2 石混合刑网络拓扑结构 下l 酊具体的来分析f l e x r a y 中的混合犁总线拓扑结构，图2 7 所反映的是一 个采用了f i ，e x r a y 系统的混合型总线结构，在一个连接线路上增加了一个主动 星型连接器，在实际的通信过程中，丰动星型连接器将信息发送到所有跟它相连 的每个节点巾去。这样做的好处是可以检测到每个节点的信息，查看是否存在故 障节点或者是超时的现象，便于进行下步的处理。在检测到异常情况时，卡动 星型连接器会断丌受影响的节点，来保证网络中的其他节点正常通信不受到影 响。 团 r 1 l 篓j 一 翻2 7 混合型网络拓扑结构图2 - 8 混合型网络拓扑结构 在图2 7 中，如果没有主动星型器不难发现，发生故障节点6 影响到其他节 点的通信，但是系统不会受到节点6 的影响仍然可以工作。如果故障发生在节点 5 而不是节点6 ，那么情况也完全类似。通过一个主动星型连接器，系统的可靠 性大大增加了。 将上述的的结构运用在f l e x r a y 系统上，例如可以加入两个l ：动星犁连接 江苏大学硕士学位论文 器，如图2 8 所示，在图中两个主动星型连接器分别连接着两条线路，当发生如 图所示的故障时，仍然不会影响到系统的稳定性。 2 3 本章小结 本章节主要介绍了f l e x r a y 协议的一些基本特性和优缺点，介绍了协议本身 稳定、快速、可靠、安全的一些优点，对f l e x r a y 的一般通信结构进行了介绍， 详细的介绍了它的数据帧格式和时钟同步部分，最后对f l e x r a y 的网络拓扑结构 做了细致的分析，详细的分析了混合型总线拓扑结构部分，并且举例说明了在 f l e x r a y 上的应用可能，为后续的网络平