（计算机科学与技术专业论文）车用flexray网络应用原型系统的研究与实现.pdf

t h er e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fa p p l i c a t i o np r o t o t y p e s y s t e mb a s e do nf l e x r a yv e h i c l en e t w o r k b y x i e y i q u n b e ( c e n t r a lc h i n an o r m a lu n i v e r s i t y ) 2 0 0 5 at h e s i ss u b m i a e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g c o m p u t e ra p p l i c a t i o n i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e ：s s o rl i r e n f a m a y ，2 0 1 1 6 83川609 舢1脚y 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由 本人承担。 作者签名： 卸张君穹 日期：加i j 年r 月知日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 磐文 孙、氓 日期：矧1 年堂月哆j 日 日期：狮1 年岁月事。日 硕i ：学位论文 摘要 f l e x r a y 是下一代车用网络的主流协议，它具有传输速率快和实时性强的特 点，能够满足汽车对安全性和操控性的苛刻要求。目前整个汽车行业对f l e x r a y 技术的研究和推广程度非常有限，相关应用也非常有限，本文以f l e x r a y 协议为 基础，提出了实现车用f l e x r a y 网络原型系统的方法，并对f l e x r a y 网络进行了 性能测试和评估。 首先，对车用网络和f l e x r a y 技术进行分析，全面总结了车用网络产生、发 展和成熟的历程，介绍了车用网络的基本类别、典型特征、研究现状及发展趋势， 分析了作为下一代主流车用网络的f l e x r a y 网络的特性、应用领域和研究现状， 研究了f l e x r a y 协议的数据编码与解码方式、数据帧结构、媒体访问方式和时钟 同步等机制。 其次，以车用网络和f l e x r a y 技术为基础，提出了f l e x r a y 网络节点的设计 方法，先采用m c 9 s 1 2 x f 5 1 2 和t j a l 0 8 0 搭建了f l e x r a y 网络节点硬件平台，再 利用c o d e w a r r i o r 编写f l e x r a y 网络节点底层驱动程序。以节点的软硬件设计为基 础，提出了构建车用f l e x r a y 网络应用原型系统的方案，采用四个子节点作为控 制汽车四个车轮的电子控制单元，主节点作为总控节点，通过监控各子节点的状 态，实现车轮转速、加速度、温度、胎压等状态信息的监控，通过采集和分析监 控过程中的数据，实现网络传输速率、安全性和实时性的测试和评估。 最后，以网络应用原型系统为平台，对f l e x r a y 网络的实时性、可靠性和数 据传输速率进行了测试；以c a n 网络为参照，对f l e x r a y 网络的性能进行了有效 评估。f l e x r a y 是一种高速、实时、可靠的车用网络通信协议，符合下一代车用 网络的发展需求，对f l e x r a y 协议进行合理配置能有效地将其应用于车用网络中， 提高整车性能。 关键词：车用网络；f l e x r a y 协议；电子控制单元；节点监控：性能评估； i i 车用f l e x r a y 网络应用原型系统的研究与实现 a b s t r a c t f l e x r a yi st h en e x tg e n e r a t i o nv e h i c l en e t w o r kp r o t o c o l ，i th a saf a s tt r a n s f e r r a t ea n ds t r o n gr e a l t i m e ，a n dc a nm e e tt h ev e h i c l es a f e t ya n dd y n a m i cc o n t r o l r e q u i r e m e n t s a tp r e s e n t t h er e s e a r c ha n dp r o m o t i o no fa u t o m o t i v ei n d u s t r yo n f l e x r a yt e c h n o l o g yi sv e r yl i m i t e d ，r e l a t e da p p l i c a t i o n sa r ea l s ov e r yl i m i t e d t h i s p a p e ra n a l y z e st h ew a yt o a c h i e v et h ev e h i c l ep r o t o t y p es y s t e mw h i c hm e e tt h e f l e x r a yp r o t o c o l ，p r o p o s e dat e s t a n de v a l u a t i o np r o g r a mo ff l e x r a yn e t w o r k p e r f o r m a n c e f i r s t ，t h i sp a p e ra n a l y z e s t h ev e h i c l en e t w o r ka n d f l e x r a yt e c h n o l o g y s u m m a r i z e st h ev e h i c l en e t w o r kf r o mt h eg e n e r a t i o nt om a t u r a t i o n d e s c r i b e st h e b a s i cc a t e g o r i e so fv e h i c l en e t w o r k s ，t h et y p i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，r e s e a r c hs t a t u sa n d d e v e l o p m e n tt r e n d e x p l o r et h ef l e x r a yp r o t o c o ld a t ae n c o d i n ga n dd e c o d i n g ，d a t a f r a m e ，t h em e d i aa c c e s sm e t h o da n dc l o c ks y n c h r o n i z a t i o na n do t h e rf u n c t i o n s s e c o n d ，t h i sp a p e rp r o p o s et h ed e s i g nm e t h o do ff l e x r a yn e t w o r kn o d ew h i c h b a s e do nt h ev e h i c l en e t w o r ka n df l e x r a yt e c h n o l o g y t ob u i l dh a r d w a r ep l a t f o r mo f f l e x r a yn e t w o r kn o d e ，w e u s em c 9 s12 x f 512a n dt j a10 8 0 t ow r i t es o f t w a r e d r i v e r so ft h ef l e x r a yn e t w o r kn o d e ，w eu s ec o d e w a r r i o r u s i n gt h ep r e v i o u sd e s i g n ， t h i sp a p e rp r o p o s et h ew a yt oa c h i e v ev e h i c l ep r o t o t y p es y s t e m w ec a nu s et h ef o u r s l a v en o d e sa st h ee l e c t r o n i cc o n t r o lu n i to ff o u rw h e e lv e h i c l e ，u s et h em a s t e rn o d ea s t h em a s t e rc o n t r o ln o d e b ym o n i t o r i n gt h es t a t u so fe a c hc h i l d ，w ec a na c h i e v et h e w h e e ls p e e d ，a c c e l e r a t i o n ，t e m p e r a t u r e ，t i r ep r e s s u r em o n i t o r i n ga n do t h e rs t a t u s i n f o r m a t i o n b yc o l l e c t i n ga n da n a l y z i n gm o n i t o r i n gd a t a ，w ec a nt e s ta n de v a l u a t e t h en e t w o r kt r a n s m i s s i o ns p e e d ，s e c u r i t ya n dr e a l t i m e f i n a l l y , i nt h i sp a p e r , b a s e do n t h ev e h i c l ep r o t o t y p es y s t e m ，t h ef l e x r a yn e t w o r k r e l i a b i l i t y , r e a l t i m ea n dd a t at r a n s f e rr a t e sw e r et e s t e d r e f e r e n c et oc a nn e t w o r k ， t h ep e r f o r m a n c eo ft h ef l e x r a yn e t w o r kw a se v a l u a t e d f l e x r a yi sah i g hs p e e d ， r e a l t i m e 。r e l i a b l ev e h i c l en e t w o r kc o m m u n i c a t i o n sp r o t o c o lw h i c hc o n s i s t e n tw i t h d e v e l o p m e n to fn e x t g e n e r a t i o nv e h i c l en e t w o r kn e e d s r e a s o n a b l ea l l o c a t i o no ft h e f l e x r a yp r o t o c o l c a ne f f e c t i v e l ya p p l yt ov e h i c l en e t w o r k st oi m p r o v ev e h i c l e p e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：v e h i c l en e t w o r k ；f l e x r a yp r o t o c o l ；e c u ；n o d em o n i t o r i n g ； p e r f o r m a n e ee v a l u a t i o n ； i i i 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明一i 摘要”i i a b s t r a c t - i i i 插图索引 附表索引 第1 章绪论 1 1 研究目的 1 2 研究内容 1 3 本文主要 1 4 本文结构 第2 章相关研究 2 1 引言一 2 2 车用网络 和意义 工作” 综述一 2 3 f l e x r a y 技术综述 2 3 1 f l e x r a y 技术简介 2 3 2 f l e x r a y 技术的特性 2 3 3f l e x r a y 技术的应用领域 2 3 4f l e x r a y 技术的研究现状 2 4 f l e x r a y 网络原型系统综述 2 5 第3 章 3 1 3 2 2 4 1v e c t o r 12 2 4 2e t a s “1 2 2 4 3 i n t r e p i d 12 本章小结” 车用f l e x r a y 网络通信协议分析 引言 f l e x r a y 网络拓扑结构- 14 3 2 1 总线型网络拓扑结构1 4 3 2 2 星型网络拓扑结构1 5 i v n 3 5 5 5 5 6 8 8 9 9 类 一 景分状势背和现趋展点究展发特研发络络络络网网网网用用用用车车车车 1 2 3 4 2 2 2 2 2 2 2 2 0 0 1 1ll，ii 3 4 4l，ii 车用f l e x r a y 网络应用原型系统的研究与实现 3 2 3 混合型网络拓扑结构1 6 3 3 f l e x r a y 协议数据编码与解码”1 6 3 3 1 编码与解码”1 6 3 3 2 帧编码1 7 3 4 f l e x r a y 协议数据帧结构”1 7 3 4 1 数据帧格式1 7 3 4 2 数据帧的头部段”1 8 3 4 3 数据帧的负载段1 9 3 4 4 数据帧的尾部段1 9 3 5 f l e x r a y 协议媒体访问方式1 9 3 5 1 静态段通信2 0 3 5 2 动态段通信2 l 3 6 f l e x r a y 协议时钟同步机制2 l 3 7 本章小结21 第4 章f l e x r a y 网络节点硬件设计2 2 4 1 引言2 2 4 j 2 硬件设计工具和平台2 2 - 4 3 节点硬件选型2 3 4 3 1 节点核心m c 9 s 1 2 x f 5 1 2 ”2 3 4 3 2f l e x r a y 收发器t j a l 0 8 0 2 3 4 3 3 其他硬件模块2 4 4 4 节点硬件整体框架设计“2 4 4 5 节点硬件详细设计2 5 4 5 1 节点最小系统设计”2 6 4 5 2f l e x r a y 收发器模块设计2 8 4 5 3u s b 接口模块设计”2 8 4 5 4 节点其他输入输出模块设计2 9 4 5 5c a n 收发器模块设计3 1 4 5 6 节点p c b 图设计3 l 4 6 本章小结3 2 第5 章f l e x r a y 网络节点软件驱动设计3 3 5 1 引言 5 2 软件开发工具和平台 5 3 节点驱动程序的功能和结构分析 5 4 节点驱动程序详细设计 v 3 3 3 3 3 4 3 5 硕士学位论文 5 4 1 主文件模块设计一3 5 5 4 2 时钟模块驱动设计”3 6 5 4 3f l e x r a y 模块驱动设计3 7 5 4 4u s b 模块驱动设计3 7 5 4 5 中断模块驱动设计“3 8 5 4 6 通用i o 端口的设计一3 9 5 5 本章小结4 0 第6 章原型系统应用及网络性能评估”4 l 6 1 引言41 6 2 原型系统的实现及应用“4 1 6 3 应用的仿真实验一4 2 6 3 1 实验方案设计4 3 6 3 2 实验数据的帧结构”4 3 6 4 网络性能评估4 4 6 4 1 性能评估指标4 5 6 4 2 网络性能评估分析4 5 6 4 3c a n 数据对比分析4 8 6 5 本章小结5 l 结论5 2 参考文献5 4 附录a ( 攻读硕士学位期间所发表的学术论文) 5 7 附录b ( 攻读硕士学位期间所参与科研项目) 5 8 致 谢j 5 9 车用f l e x r a y 网络应用原型系统的研究与实现 插图索引 图3 1 总线型网络拓扑结构”1 5 图3 2 星型网络拓扑结构1 5 图3 3 混合型网络拓扑结构一1 6 图3 4f l e x r a y 网络原型系统应用的抽象结构图1 6 图3 5f l e x r a y 数据编码与解码流程“1 7 图3 6f l e x r a y 协议数据帧格式18 图3 7 通信循环里的时间层次2 0 图3 8f l e x r a y 静态段通信循环“2 1 图3 9f l e x r a y 动态段通信循环2 1 图4 1t j a l 0 8 0 总线控制器内部结构2 4 图4 2f l e x r a y 网络节点原理框图2 5 图4 3f l e x r a y 网络节点电源电路原理图2 6 图4 4f l e x r a y 网络节点供电滤波电路原理图2 7 图4 5f l e x r a y 网络节点时钟、复位和调试电路原理图2 7 一 图4 6f l e x r a y 网络节点收发器t j a l 0 8 0 电路原理图2 8 图4 7u s b 接口电路原理图2 9 图4 8 按键模块电路原理图2 9 图4 9l e d 显示模块电路原理图3 0 图4 1 0 预留的a d 采样模块电路原理图3 0 图4 1 1c a n 收发器t j a l 0 4 0 电路原理图3 l 图4 1 2 电路板实物图3 2 图5 1 底层驱动体系结构3 4 图5 2 底层驱动程序的文件构成”3 5 图5 3 节点驱动程序主函数算法流程3 6 图6 1 网络中主从节点之间的通信4 l 图6 2f l e x r a y 网络节点数据监测和状态控制的算法流程4 2 图6 3f l e x r a y 网络的数据帧结构4 4 图6 4 上位机采集到的f l e x r a y 网络通信数据4 6 图6 5 上位机采集到的c a n 网络通信数据4 8 图6 6f l e x r a y 网络和c a n 网络的通信有效传输速率对比5 0 图6 7f l e x r a y 网络和c a n 网络的通信最短完成时间对比一5 0 v l l 硕士学位论文 附表索引 表5 1m a i n c 中引用的头文件及功能3 5 表5 2m a i n c 中调用的函数模块及功能一3 6 表5 3f l e x r a yh a n d l e r c 中引用的头文件及功能3 7 表5 4f l e x r a yh a n d l e r c 中调用的函数模块及功能3 7 表6 1f l e x r a y 通信静态段时间片分配表一4 4 表6 2f l e x r a y 网络不同通信模式的性能对比分析4 7 表6 3f l e x r a y 网络和c a n 网络的通信性能对比分析4 9 v i i i 硕士学位论文 1 1 研究目的和意义 第1 章绪论 随着汽车工业与电子工业的不断发展，电子化和智能化成为汽车产业发展不 可扭转的方向。在现代汽车中，许多传统的机械控制部件逐渐被e c u ( e 1 e c t r o n i c c o n t r o lu n i t ) 电子控制单元所取代，如：发动机管理系统e m s ( e n g i n em a n a g e m e n t s y s t e m ) 。同时，随着微电子及传感器技术的进步，汽车也增加了很多新的功能， 如：电动助力转向、主动巡航、主动悬架控制、电子车身稳定、车道偏离报警、 车载前视雷达、胎压监测、车载多媒体及3 g 网络服务等，这些功能给汽车带来 更好的操控性、更高的安全性和更佳的用户体验【l 】。 汽车功能需求不断增加，必然会导致汽车各个功能子系统e c u 数量不断增 加，因而也会产生一系列的相关问题，如：汽车内部线束增多，重量增加，制造 成本升高等。汽车需要尽可能地降低成本，减轻重量，提高可靠性，减少制造难 度，因而也需要优化各个e c u 的功能，需要通过各个e c u 之间的协调通信更好 地完成工作，在这个需求下汽车网络应运而生1 2 j 。 当前主流的汽车网络包括l i n 网络( l o c a li n t e r c o n n e c tn e t w o r k ) 和c a n 网络 ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 等。由于它们网络传输机制的原因，很多数据无法实时 可靠传输，因而也无法满足电子控制系统所需要的高带宽、高可靠性和强实时性 要求，于是产生了一批具有高带宽、高可靠性、强实时性特点的网络系统，这其 中最主流并获得大多数汽车厂商支持的当属f l e x r a y 网络。 f l e x r a y 网络是新一代的车用网络，具有很多性能优势，适用于汽车上对带 宽和实时性要求较高的各种功能子系统【3 】，同时，作为一种新型的汽车网络，推 广和普及它需要一段时间。虽然汽车设计生产厂商和汽车电子设备供应商正在慢 慢增加f l e x r a y 网络在整车上的应用，但目前应用f l e x r a y 网络的工程实例不多， 在全世界范围内仅有为数不多的汽车厂商在汽车上实际使用了f l e x r a y 技术，如 宝马公司率先在宝马x 5 的主动悬架系统中使用了f l e x r a y 总线作为其网络载体， 用于实时控制悬架参数。 整个汽车行业对f l e x r a y 网络的应用程度非常有限，推广程度也不够，缺乏 应用该网络的工程经验，也缺乏对f l e x r a y 网络性能的全面评估。f l e x r a y 网络 自身也存在亟待解决的问题，可参考应用实例太少，与c a n 网络相比它缺少配 套的软硬件支持。所以，实现车用f l e x r a y 网络原型系统并对其进行研究具有重 要意义。f l e x r a y 网络高带宽、高可靠性和强实时性的特点也值得我们去研究和 车用f l e x r a y 网络应用原型系统的研究与实现 推广该技术，使其在汽车领域乃至其他行业都发挥出最大的优势，推进网络技术 的新发展。 1 2 研究内容 车用网络作为一种依附于汽车的特殊网络，具有其他网络所没有的特点。由 于汽车对安全性的要求，所以车用网络必须具备可靠性；由于汽车需要通过众多 的电子控制单元实现控制功能，所以车用网络必须具备较高的通信带宽；由于汽 车需要快速处理一些信息并随时作出反应，所以车用网络需要较强的实时性【4 】； 综合可知，车用网络的可靠性、带宽及实时性是其最主要的指标。除满足上述指 标之外，布线简易，维护方便，成本低也是不可或缺的指标。针对f l e x r a y 网络 当前应用较少的现状，f l e x r a y 相关软硬件平台的搭建需要进一步完善，对车用 f l e x r a y 网络的研究内容主要有以下几个方面： ( 1 ) 研究f l e x r a y 协议和规范：f l e x r a y 提供了很多新的特性，支持动态段和 静态段两种数据传输方式，支持星型、总线型和混合型网络拓扑结构。为了确保 信息在网络中快速可靠地传输，最大限度地发挥f l e x r a y 的优势，需要深入研究 f l e x r a y 协议和规范。 ( 2 ) 研究f l e x r a y 软硬件平台构建方案：目前各大i c 生产厂商纷纷推出了包 含f l e x r a y 控制器的m c u 芯片，这些芯片都拥有f l e x r a y 协议控制器，同时还 拥有各自不同的微处理器核心，为了实现处理器核心部件对f l e x r a y 协议控制器 地有效控制，需要研究软硬件平台的构建方案，更好地满足软件和硬件的协同性。 ( 3 ) 研究f l e x r a y 在汽车上的应用领域：目前f l e x r a y 主要应用于高级汽车中 主动空气悬架以及全电制动等实时性和速率要求较高的系统，并非所有车用设备 都需要高速、实时的网络，如何融合f l e x r a y 和其他低速网络使之都能发挥最大 效能，这是一个与f l e x r a y 相关的重要研究方向。 ( 4 ) 研究f l e x r a y 网络性能评估方案：f l e x r a y 协议与c a n 、l i n 等上一代总 线协议相比有很多优势，这些优势需要通过具体实践来验证，研究网络性能评估 方案能有效验证f l e x r a y 协议的优势，推进f l e x r a y 技术的发展和应用。 1 3 本文主要工作 本文结合车用网络的研究背景，针对f l e x r a y 网络当前的研究领域和研究现 状，从以下几个方面展开工作： ( 1 ) 总结了车用网络的发展背景、特点及分类；结合车用网络的应用现状分析 了车用网络的发展趋势；分析了f l e x r a y 技术的特点、发展现状及应用领域；深 入研究了f l e x r a y 协议的功能机制。 2 硕士学位论文 ( 2 ) 采用飞思卡尔公司的1 6 位单片机m c 9 s 1 2 x f 5 1 2 和n x p 公司的f l e x r a y 收发器t j a l 0 8 0 搭建了f l e x r a y 网络节点硬件平台；利用飞思卡尔公司的单片机 调试软件c o d e w a r r i o r 编写并调试了f l e x r a y 网络节点底层驱动程序；研究了 f l e x r a y 网络的拓扑结构；结合软件、硬件和网络结构实现了车用f l e x r a y 网络 应用原型系统，该原型系统具有输入和输出端口，可以方便地移植到汽车的实际 应用中去。 ( 3 ) 利用应用原型系统平台实现了网络节点监控仿真实验，模拟了汽车主动安 全系统模型；利用网络节点、u s b 接口和上位机软件采集了网络通信数据，对数 据进行了统计与分析；通过与c a n 网络的对比实验，评估了f l e x r a y 网络的最大 数据传输速率、最快响应时间和大数据量下的误码率等性能指标。 1 4 本文结构 论文的组织结构如下： 第1 章，绪论：本章主要介绍了本课题的研究目的和意义，研究内容，最后 介绍了本文的主要工作。 第2 章，相关研究：本章首先介绍了车用网络技术的综述，包括车用网络的 发展背景、应用现状、发展趋势及车用网络技术的特点和分类；然后对f l e x r a y 技术进行了分析，包括f l e x r a y 技术简介、f l e x r a y 技术的特性、f l e x r a y 技术的 应用领域和研究现状。本章是本文研究的理论基础。 第3 章，车用f l e x r a y 网络通信协议分析：本章首先介绍了f l e x r a y 网络的 拓扑结构，包括：总线型网络拓扑结构、星型网络拓扑结构和混合型网络拓扑结 构；然后深入分析了f l e x r a y 网络的协议驱动层，包括f l e x r a y 数据编码和解码 方式、协议数据帧格式、媒体访问方式、网络运行状态和时钟同步机制。本章关 于f l e x r a y 协议和网络结构的研究是后续章节中网络原型系统实现的前提。 第4 章，f l e x r a y 网络节点硬件设计：本章首先确定了应用原型系统硬件设 计的工具和平台；然后分析了对节点的硬件选型，包括节点核心m c 9 s 1 2 x f 51 2 、 f l e x r a y 收发器t j a l 0 8 0 和其他硬件模块；最后提出了节点硬件设计整体框架和 详细设计方案，包括节点最小系统设计、f l e x r a y 收发器模块设计、u s b 接口模 块设计以及按键和显示输出模块的设计。 第5 章，f l e x r a y 网络节点软件驱动设计：本章首先确定了应用原型系统软 件开发的工具和平台；然后分析了节点驱动程序的功能；最后提出了节点驱动程 序的详细设计方案，包括主文件模块设计、时钟模块驱动设计、f l e x r a y 模块驱 动设计、u s b 模块驱动设计、中断模块驱动设计和通用i o 端口的设计。 第6 章，原型系统应用及网络性能评估：本章首先提出了原型系统的实现方 法和应用领域；然后设计了原型系统应用仿真实验，包括实验方案设计和实验数 3 车用f l e x r a y 网络应用原型系统的研究与实现 据结构设计；最后提出了网络性能评估的指标并进行了评估结果分析。 本文最后对所完成的工作和主要贡献进行了总结，在此基础之上对下一步研 究进行了展望。 4 硕 ：学位论文 第2 章相关研究 2 1 引言 车用网络是指借助双绞线、同轴电缆或光纤等通讯介质，将车内多个控制模 块或节点联结起来，让若干的传感部件、执行部件和电子控制单元共用一个公共 的数据通道进行数据通信的网络。f l e x r a y 是一种全新的汽车网络通讯协议，灵 活性强，能够满足未来先进汽车在高速控制方面的需求。本章首先对车用网络进 行了综述，包括车用网络发展背景、车用网络特点和分类、车用网络应用现状及 发展趋势，然后介绍了f l e x r a y 网络的特性、应用领域以及研究现状。全章重点 围绕选题对相关研究进行了综述，是全文的理论基础。 2 2 车用网络综述 由于现代电子技术在汽车上应用的不断发展和更新，汽车的功能需求也越来 越复杂，随之也产生了功能更加细化、结构更加完善的汽车控制系统及相应的电 子控制单元。各个控制子系统相互独立地实现汽车的控制功能，同时各个电子控 制单元之间还需要进行数据通信和资源共享，为了更好地提高电子控制单元之间 的交互能力，需要在汽车中使用网络实现各系统的连接和通信。因此，在现代汽 车电子中采用网络技术是一种必然趋势1 5 j 。 2 2 1 车用网络发展背景 从2 0 世纪6 0 年代中期开始，晶体管和集成电路技术开始发展，在汽车领域 也逐渐被采用，这给汽车工业的进一步发展带来了新的生命力，在汽车中电子控 制系统开始取代传统的机械控制系统。电子控制系统以电子技术为基础，它具有 控制精准、响应快速，集成度高、应用灵活、体积小、重量轻等特点，将其应用 于汽车之后可使汽车在各种工况和环境下都拥有最佳的工作状态，各项性能参数 均能获得较大的改善，这是采用任何机械控制系统都难以实现的。 7 0 年代末到8 0 年代中期，汽车电子控制技术开始成型。大规模集成电路得 到了广泛应用，减小了汽车电子产品的体积，特别是8 位单片机的广泛应用，大 幅度提高了电子装置的可靠性、稳定性及智能化水平。 8 0 年代中期到9 0 年代末，以微处理器为核心的微机控制系统在汽车上的应 用趋于成熟，它们广泛应用于发动机控制、底盘控制和车载多媒体控制等方面， 汽车全面进入电子化时代。 车用f l e x r a y 网络应用原型系统的研究与实现 在传统汽车中，控制开关等部件是汽车电器的基本构件，通过这些部件可以 实现电气信号的采集、控制和显示。电器部件之间采用线束连接实现信息的传输， 汽车中电器技术含量和数量增加能够优化汽车的性能，但也会增加线束及其配套 接插件的数量。1 9 5 5 年一辆汽车中线束的平均总长度为4 5 米，到2 0 0 2 年时增加 了1 0 0 倍以上，达到了4 0 0 0 米的平均总长度。线束的增加带来一系列相关问题， 如车内有效空间减少、装配和维修难度增大、整车成本升高等。为了在提高汽车 性能和控制汽车线束之间寻求一种有效的解决途径，出现了一种新的车内信息交 互方式车用网络。 2 0 0 0 年以后，汽车电子全面进入网络化时代。在这一阶段中，汽车电子产品 大量采用人工智能技术，并利用网络进行信息的传递和共享。广泛应用计算机网 络和信息技术到汽车电子技术中，使汽车更加自动化、智能化。 在汽车网络形成的初期，并未形成统一的网络标准，由于没有统一的标准， 各种汽车零部件缺乏互通，相互之间不能很好的兼容。网络标准形成后，供应商 都按照相同的标准来设计和生产汽车部件，这不仅可以增加各汽车制造商之间的 交互，还有效提高了汽车制造业的生产效率，节约了整个行业的生产成本。 世界著名的汽车制造商和零部件供应商对汽车网络技术的研究已经持续了近 半个世纪，它们先后制定了包括儿8 5 0 ，v a n ( v e h i c l ea r e an e t w o r k ) 和c a n 在内 的多种网络标准。在各种汽车网络中，c a n 网络标准应用最为广泛，它具有设计 独特和性能突出的特点，得到了b w m ，v o l v o 等公司的大力支持，这些公司都将 c a n 作为他们汽车网络化的首选标准；美国的制造商早期主要采用j 1 8 5 0 实现汽 车网络化，在随后的发展过程中也逐渐开始采用c a n 网络标准。随着汽车网络 技术的飞速发展，最近几年汽车行业又出现了计多新的网络标准，如：f l e x r a y 、 t t p ( t i m et r i g g e r e dp r o t o c 0 1 ) 等。 汽车电子控制系统采用网络化设计可大大降低设计成本，缩短设计周期，其 经济效益是十分明显的。最初只属于高档车的网络逐步扩展到大批量生产的经济 型车，网络互联的电子系统已成为所有级别汽车的重要部件，车用网络在汽车领 域的地位越来越突出，并且将会随着网络技术的不断发展而逐步走向成熟。 2 2 2 车用网络特点和分类 车用网络类型丰富，每种网络在功能、特点和应用侧重点等方面都各不相同， 为了方便对车用网络进行研究，更有效地发挥各种网络的优势，汽车工程学会把 车用网络分为了a 、b 、c 、d 四大类【6 】。a 类网络是指通信速率在1 0 k b s 到1 2 5 k b s 之间的低速网络，它主要应用于电动门窗控制、座椅调节、灯光照明设置等系统； b 类网络是指通信速率在1 2 5 k b s 到1m b s 之间的中速网络，它主要应用于车辆 故障诊断、仪表显示等系统；c 类网络是指通信速率在l m b s 到1 0 m b s 之间的 6 硕士学位论文 高速网络，它主要适用于与安全性相关的实时系统，如悬架、发动机、a b s 等实 时控制系统；d 类网络是指通信速率在1 0 m b s 以上的超高速网络，它主要适用 于车内的多媒体系统。 a 类网络的典型代表是t t p a 和l i n 。t t p a 协议是由维也纳工业大学制定 的一种网络通信协议，它能够识别网络节点的通信状态，能够确定网络节点通信 触发的时间段，广泛应用于实时系统中。l i n 协议是由m o t o r o l a 、v o l k s w a g e n 和 v o l v o 等公司提出的一种汽车底层网络协议，其目的是给出一个价格低廉、性能 可靠的低速网，但是其局限性主要在于传输速率较低1 7j 。 b 类网络的典型代表主要有低速c a n 、j 1 8 5 0 和v a n 三种。j 1 8 5 0 协议是汽 车工程学会在1 9 9 4 年确定的b 类网络协议，它主要应用于汽车的诊断和数据共 享等产品中。v a n 协议是由法国雷诺汽车公司和标致集团联合开发的现场总线协 议，也主要为法国汽车公司所用。c a n 协议是德国b o s c h 公司在2 0 世纪8 0 年代 初推出的一种串行数据通信协议，它的通信介质