（机械工程专业论文）车载网络flexray在线控制动系统中的应用与研究.pdf

硕 ：学位论文 摘要 汽车电子化是当前汽车技术发展的必然趋势。继电子技术在发动机、变速器、 转向器和悬架等系统中得到广泛应用之后，汽车制动系统也有了飞速的发展，未 来的制动系统将转变成没有机械和液压后备、完全由电驱动的线控制动系统 ( b r a k e b y w i r e ，简称b b w 系统) 。它具有响应快速而准确、质量轻和维修方 便等优点。是当前汽车技术发展的研究热点和前沿技术之一。 对b b w 系统来说，数据的实时性、安全性和可靠性是必须解决的关键问题。 本文首先对各类现有车载网络的特点进行了分析，并结合b b w 系统的性能要求， 选用符合s a ec 类标准的f l e x r a y 协议作为通信协议对系统进行研究与应用。 其次，在对b b w 系统进行系统功能建模与分解的基础上，利用故障模式与 效果( f m e a ) 和故障树( f t a ) 综合分析法对b b w 系统进行可靠性分析，提出 了一种双冗余容错结构，研究结果表明该结构可满足系统可靠性要求。 然后，根据f l e x r a y 总线的特点和容错机制对b b w 系统的网络拓扑结构进 行优化，提出了较为理想的结构优化后的双主动星型连接器结构，与总线结 构相比，该结构具有故障隔离作用，提高了系统的可靠性；针对该系统，且考虑 到信息在不同节点上的共享性，搭建了f l e x r a y 网络传递采集的输入信号，并制 定相应的f l e x r a y 总线应用层定义，使各个节点接收f l e x r a y 网络的信息，完成 线控制动功能，最终实现数据安全、可靠的传输。 最后，本文选用m c 9 s 1 2 x f 5 1 2 单片机、m f r 4 2 0 0 通信控制器和t j a l 0 8 0 总 线驱动器进行硬件设计，构造b b w 系统的主控节点，并对其外围接口电路进行 设计，从而实现数据的接收与发送。并针对上文所制定的f l e x r a y 应用层协议和 硬件设计对相关的软件流程进行了设计。 关键词：线控制动系统；f l e x r a y ：容错；网络拓扑；可靠性分析 车载网络f 1e x r a yn ：线控制动系统中的心用与研究 a b s t r a c t i t sa ni n e v i t a b l et r e n df o ra u t o m o b i l e st ou n d e r g oap r o c e s so fe l e c t r o n i z a t i o n a f t e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di ne n g i n e ，t r a n s m i s s i o n ，s t r e e r i n g a n ds u s p e n s i o n ，c a r sb o t hm a d ea th o m ea n da b r o a da d o p tb r a k e b y w i r e ( h e n c e f o r t h b b w ) ，w h i c hi st h ed e v e l o p i n gt r e n do fm o d e r na u t o m o t i v eb r a k et e c h n o l o g y b b w i san e wb r a k es y s t e mw i t h o u tm e c h a n i c a lo rh y d r a u l i ca n dn e e d sh i g h e rs a f e t ya n d r e l i a b i l i t y t h a nt r a d i t i o n a lb r a k e s y s t e m ，w h i c h h a ss u c h a d v a n t a g e s a s ： e n v i r o n m e n t a l l y f r i e n d l y ，e n e r g y s a v i n g ，a n dc o n v e n i e n ti nr e p a i r i n g ，e t c t h eb b w s y s t e mi sb o t hat o p i ch o t l yt a l k e di nc u r r e n tv e h i c l et e c h n o l o g ya n do n eo ft h et o p t e c h n i q u e s f o rb b w s y s t e m ，r e a l - t i m e ，s a f e t ya n dr e l i a b i l i t ym u s tb er e v o l v e df i r s t l y a l l k i n d so fi n v e h i c l en e t w o r k sw e r ee l a b o r a t e di nt h i s t h e s i s c o m b i n e i n gw i t h p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so fb b ws y s t e m ，f l e x r a yi sc h o s e da sc o m m u n i c a t i o n p r o t o c 0 1 s e c o n d l y ，r e l i a b i l i t yo fb b ws y s t e mi sa n a l y z e db a s e do nf u n c t i o nm o d e l i n ga n d d e c o m p o s i t i o no f t h es y s t e ma n du s i n gi n t e g r a t e da n a l y s i sm e t h o do ff m e aa n d f t a s u g g e s t e dt h ef a u l t - t o l e r a n c ts t r u c t u r e t h er e s e a r c hs h o w st h a tt h es y s t e mm e e t s w i t hr e l i a b i l i t yr e q u i r e m e n t b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n df a u l t - t o l e r a n tm e c h a n i s mo ff l e x r a y ，n e t w o r k t o p o l o g ys t r u c t u r ei so p t i m i z e da n ds u g g e s t e db e t t e rs t r u c t u r e - - d o u b l ea c t i v es t a r s t r u c t u r e ；a c c o r d i n gt ot h es y s t e m ，f l e x r a ya p p l i c a t i o nl a y e ri sd e s i g n e da n dm a k e d a t at r a n s p o r tc o r r e c t l y a tl a s t ，m a i n - c o n t r o ln o d ei sb u i l tb yu s i n gm c 9 s12 x f 512 ，m f r 4 2 0 0a n d t j a10 8 0 ，t h e np e r i p h e r a lc i r c u i t sa n ds o f t w a r ea r ed e s i g n e d k e yw o r d s ：b r a k e b y w i r e ；f l e x r a y ；f a u l t t o l e r a n t ；n e t w o r k t o p o l o g y ；r e l i a b i l i t y a n a l y n i s i s i i i 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： 咨姗吼叫”月9 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 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 刷帷名哆畦 厶“l 、刮_ 年y 具8 日 年r 玛b 硕 ：学位论文 1 1 车载网络概述 第1 章绪论 随着汽车工业与电子工业的不断发展，汽车功能的不断增加，越来越多的电 子控制系统被应用到汽车中。可以说，今天的汽车已经进入了电子控制时代。但 是同时，汽车电子设备的增加导致汽车的制造和安装变得困难，制造成本增加， 而且线束的增加不利于汽车轻量化设计，扩大了粗大的线束与汽车有限的可用空 间之间的矛盾，同时也存在冗余的传感器、大量的连接器导致汽车可靠性降低， 为了使不同汽车电子系统的e c u 能够在一个共同的环境下协调工作，进一步降低 成本，人们设计了基于数据通信的车载网络。汽车电器网络通过总线将汽车上的 各种电子装置与设备连成一个网络，实现相互之间的信息共享，其应用减少了连 接导线的数量和重量，简化了布线。减少了电气节点的数量和导线的用量，同时 也增加了信息传送的可靠性，使布线简单、设计简化、成本降低、可靠性和可维 护性提高，实现了信息共享，提高了汽车性能，满足了现代汽车电子设备的功能 要求【1 2 】。另一方面，以网络通信为基础的线控技术( x b y w i r e ) 将在汽车上普 遍应用，车辆网络时代终将来临。 在我国，对于汽车总线的研究只是处于初步阶段。为了缩短同国外汽车技术 水平的差距，提高自身的竞争力，单纯靠技术引进不利于我国汽车电子技术的长 期发展。消化、吸收、研究和开发我国自己的汽车应用技术势在必行。 1 1 1 车载网络的产生及发展过程 与其它控制现场相比，汽车内温度变化范围大( 4 5 10 0 。c ) 。电磁干扰 强，环境恶劣，使得网络在车内的运行可靠性显得尤其重要。这不但体现在网络 结构自身的容错能力和抗干扰能力上，而且也体现在信号的编码方式和传输方式 上。为此汽车载网络无不例外地都采用了同步串行传输方式，数据信号多采用 p w m 和n r z 编码，通常位速率高于10 0 k b s 采用n r z 编码，位速率低于l0 0 k b s 采 用p w m 编码。 众多国际知名汽车公司早在2 0 世纪8 0 年代就积极致力于汽车网络技术的研究 和应用。早期的汽车没有发展自身的通用网络标准，只不过是两个处理器之间的 u a r t ( u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e r t r a n s m i t t e r ) 连接。这种串行连接使两个控 制器之间能容易地共享信息，u a r t 在汽车上的成功应用，标志着汽车电器系统 在融入汽车电子之后，再一次向汽车网络化方向迈进。但这样的网络却无法简单 地增加节点。北美汽车制造商和汽车工程师协会s a e ( s o c i e t yo fa u t o m o t i v e 乍载网络f 1 e x r a y 相域控制动系统巾的应用i 研究 e n g i n e e r s ) 丌发了儿8 5 0 ，这是一个汽车网络的专用规程。j 18 5 0 艮快就成了车内 联网的标准，并取代了u a r t 串行通讯。通用汽车公司和克莱斯勒汽车公司采用 速率更高的1o 4 k b s 可变脉宽规程的相似版本，在单根线的总线上通讯。福特汽车 公司采用速率更高的4 1 6 k b sp w m 型，在两条线的差分总线上通讯。欧洲汽车制 造商则采用了控制器局域网络c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 4 9 】。 在2 0 世纪8 0 年代初，出现了一种基于数据网络的车内信息交互方式车载网络。 1 9 8 6 年，德国博世( b o s c h ) 公司为解决现代汽车中众多测量控制部件之间的数据交 换而丌发了一种串行数据通信网络一c a n l 3 ，4 j 。1 9 9 3 年1 1 月，i s o 正式颁布了道路 交通运载工具一数字信息交换一高速通信控制器局部网c a n 国际标准i s 0 1 1 8 9 8 j 为控制器局部网标准化规范化的推广铺平了道路。今天，不但大多数汽车网络采 用c a n 作为网络标准，而且它已成为多个行业数据通信的主流技术。但c a n 只包 括物理层和数据链路层，在此基础之上，美国汽车工程师协会s a e 增加了网络层、 应用层和网络管理规范，扩展形成了s a e 儿9 3 9 。为满足实时分布式系统的实时 性要求和容错能力，2 0 0 3 年b o s c h 公司于在c a n 的物理层与数据链路层上添加了 一个带有时间触发功能的会话层，扩展后形成t t - c a n ( t i m et r i g g e r e dc a n ) 。 l9 9 9 年6 月，奥迪、宝马、戴姆勒一克莱斯勒、大众、沃尔沃以及摩托罗拉等 公司创建了l i n ( l o c a li n t e r c o n n e c tn e t w o r k ) 标准的1 0 版本，到2 0 0 0 年1 1 月制定 了l i n 标准1 2 版本，遵从i s o 9 1 4 1 标准。l i n 是用于连接智能传感器和执行器的 低成本串行通信总线，主要由各个汽车制造商和半导体生产商共同开发。2 0 0 0 年 下半年，欧洲的1 6 家主要汽车制造商共同制订了m o s t ( t m e d i ao r i e n t e ds y s t e m s t r a n s p o r t ) 标准。m o s t 具备较强的数据流能力，通信传输速率为2 5 m b p s ，用于 车载多媒体、个人计算机和导航系统等的连接。 近年来，伴随着汽车电子系统网络化进程的加快，出现“线控”技术，它使 用重量轻、效率高、更简单的电子机械系统来取代笨重的液压系统和污秽的有毒 气体。但是向线控技术发展的进程并不是一帆风顺的，现存的网络协议不是针对 高级汽车控制系统如线控制动( b r a k e b y w i r e ) 技术和线控转向( s t e e r b y w i r e ) 技术而设计的，c a n 作为一种事件驱动型的网络，无法提供下一代线控系统应用 所需的容错功能或带宽。大量研究表明，基于时间触发的确定性通信网络协议是 满足安全关键性实时控制的最佳选择【5 】。正是应这种需求，又有许多新型网络被 开发出来。这些车载网络因其新颖的网络属性或独特的应用方式而受到重视。 如以t t p c ( t i m et r i g g e r e dp r o t o c o l ，c l a s sc 1 、b y t e f l i g h t 矛lf l e x r a y 为代表的 车载网络在线控( x b y w i r e ) 技术中的应用目益成熟。 t t p c 最初由维也纳理工大学的h k o p e t z 教授开发。现在，t t a ( t i m e t r i g g e r e da r c h i t e c t u r e ) 集团的成员则包括奥迪、德尔福汽车系统公司( d e l p h i a u t o m o t i v es y s t e m s ) 、霍尼韦尔、标志一雪铁龙以及开发了t t p 协议的t t t e c h 公 2 硕l j 学位论文 司。这项工作后来作为一个被欧洲委员会资助的项目进一步开发为一种汽车自动 驾驶应用系统。t t p c 仓j 立了大量汽车线控系统，如转向控制和制动控制。 b y t e f l i g h t 协议由宝马联合摩托罗拉、e l m o s 以及i n f i n e o n 公司联合开发，该系统应 用在b m w 7 系列汽车中，主要用于安全气囊系统中时间临界( t i m ec r i t i c a l ) 数据的 传输。 f l e x r a y 联盟成立于2 0 0 0 年9 月。该联盟已经拥有宝马、博世汽车集团、戴姆 勒一克莱斯勒、大众、福特、通用汽车、摩托罗拉、飞利浦半导体公司和德州仪 器公司等成员。另外，据f l e x r a y 协会得知，德国戴姆勒一克莱斯勒与宝马公司在 2 0 0 4 - - 一2 0 0 6 年间对使用f l e x r a y 网络通讯系统的汽车进行可靠性测试，计划于2 0 0 6 年开始批量生产。f l e x r a y 联盟现有1 2 5 名成员，致力于推广f l e x r a y 通信系统在全 球的使用，使其成为高级动力总成、底盘、线控系统的标准协议。f l e x r a y 专为车 内联网而设计，它不会取代现有网络，但可以与现有系统结合使用。目前国内外 对f l e x r a y 的研究都处于起步阶段。国际市场上有p h i l i p s 、f u j i s t u 矛l f r e e s c a l e 等几 家知名半导体厂商推出了其初步的f l e x r a y 收发器和控制器【6 。9 】。一些汽车公司和 研究单位对其做了理论上的分析；在应用方面，有b m w 等公司对其实现及性能做 了初步的探索【l0 1 。目前国内这方面的的研究工作还很少。 数据通信对速度的要求是永无止境的。在车载网络的发展过程中，介质的通 信速度是制约车载网络应用和发展的一个重要因素。图1 1 所示为车载网络协议成 本比例及数据速率的比较： 图1 1 几种协议的成本比例及通讯速度 到目前为止，我国还没有自己的汽车网络标准。国产汽车距网络化还有一定 距离。要提升我国汽车电子的技术水平，就要在我国汽车电子网络技术发展初期 开始注重网络标准规范的建设，参照国际主流技术和中国国情，逐步建立与完善 3 卞找刚络f l e x r a y 和：线控制动系统中的j 妊用了研究 我国自己的汽车电子网络规范，以适应汽车电子网络对部件模块化和标准化的要 求，适应我国汽车制造业技术走向世界的迫切需要。 1 1 2 车载网络的分类 车载网络种类有很多种，目前正在高速发展。当今存在很多汽车网络标准， 侧重的功能各有不同，为了方便研究和设计，2 0 世纪9 0 年代中期s a e 把车载网络 分为a 、b 、c - - - 类【1 l 】，其中a 类网为面向执行器、传感器的低速网络，b 类为面 向数据共享的低速网络，c 类为面向实时控制的高速网络。最近几年，随着汽车 电子技术的高速发展，世界各大汽车公司、电子元器件公司及各类研究机构对当 前网络协议的研究，应将现有的网络协议划分为六类：除了原有的三类外，还增 加了三类网络，称之为：d 、e 、f 类网络1 1 2 j 。 a 类网络主要面向传感器、执行器控制，是低速网络。在该类网络中对实时 性要求不高，且不需要诊断功能，位速率一般在1 lo k b p s ，主要应用于电动门窗、 座椅调节、灯光照明等控制。目前a 类网络协议主要有t t p a ( t i m e 。t r i g g e r e d p r o t o c 0 1 ) 、l i n ( l o c a li n t e r c o n n e c tn e t w o r k ) 等协议。t t p a 协议由t t t e c h 组织 提出，是一种基于时间触发机制的网络协议，而l i n 协议由m o t o r o l a 、b m w 等公 司提出，它采用s c i 、u a r t 等通用硬件接口，辅以相应的驱动程序，因此适用面 较广，且成本低廉，配置灵活，是一种较有前途的a 类网络网络协议。估计l i n 协议将成为a 类网络的世界标准。 b 类网络主要面向独立模块间的数据共享，是中速网络，该类网络适用于对 实时性要求不高的通信场合，以减少冗余的传感器和其他电子部件。b 类网络的 位速率一般在1o 1 0 0 k b p s ，主要应用于电子车辆信心中心、故障诊断、仪表显示、 安全气囊等系统，在b 类网络中，具有代表性的有s a e j l8 5 0 、v a n ( v e h i c l ea r e a n e t w o r k ) 、c a n ( i s 0 1 15 9 5 2 ，不高于1 2 5 k b p s ) 等协议。其中，s a e j l8 5 0 最早 用在美国f o r d 、g m 以及前c h r y s l e r 公司的汽车中，v a n 为法国汽车公司所用，c a n 凭其优越的性能，可能成为被全世界接受的主流协议。 c 类网络主要面向高速、实时闭环控制的多路传输网，该类网络适用于与安 全性相关的实时系统，如发动机定时、燃油供给等系统，目前最高位速率能达到 1 0 m b p s 。在c 类网络中较为成熟的有高速c a n ( i s o1 18 9 8 ) 、s a e j 2 1 0 6 以及正在 发展中的t t p ( t i m e t r i g g e r e dp r o t o c 0 1 ) 、f l e x r a y 等协议，其中c a n 基于优先级 的随机访问方式，而其它几种协议基于t d m a ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 或f t d m a ( f l e x i b l et i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 的确定性访问方式，数据传 输具有确定的延迟时间，且有很高的传输速率( 1 l0 m b p s ) 。在不同的领域中， 上述协议各有长短，相互之间的竞争还要持续一段时间。据估计，在下一代汽车 中，动力系统网络( 除了x b y w i r e 系统外) 还是采用c a n 协议网络，在x b y w i r e 4 硕i j 学位论文 系统中可能倾向于采用时间触发的通信协议，女h f l e x r a y 和t t p c 、b y t e f l i g h t 等。 d 类网络主要面向多媒体、导航系统等。该类网络主要用于娱乐以及利用g p s 系统与外界互联的场合。其位速率最高能达到2 5 6 m b p s 。目前该类网络的主流协 议为m o s t 。 e 类网络主要面向与排放相关的诊断系统，该协议必须满足6 b o i i ，o b d i i i 或者e o b d 等法规。其传输速率大约在10 k b p s 左右，目前使用的诊断类协议有： j 2 4 8 0 、i s o l 5 7 6 5 、j 1 8 5 0 以及i s o1 4 2 3 0 等。 f 类网络主要面向乘员的安全系统，主要就是安全气囊系统。在f 类网络的应 用场合中可能存在两条或者多条总线，例如点火、传感器总线等。该类网络协议 有p l a n e t 等。 1 2 汽车制动系统的发展趋势 随着消费者对车辆安全性的重视日益提高，车辆制动系统也历经了数次变迁 和改进。从最初的皮革摩擦制动，到后来出现鼓式、盘式制动器，再到后来出现 机械式a b s 制动系统，紧接着伴随电子技术的发展又出现了模拟电子a b s 制动 系统、数字式电控a b s 制动系统等等【l 引。由于人们对制动性能要求的不断提高， 传统的液压或者空气制动系统除了在加入了a b s 以外，还加入了大量的电子控制 系统如t c s 、e s p 、e b d 等，结构和管路布置越发复杂。液压( 空气) 回路泄露的 隐患也加大，同时装配和维修的难度也随之提高。因此结构相对简单、功能集成 可靠的线控制动( b r a k e b y w i r e ) 技术越来越受到青睐。 线控制动技术在未来将是十分重要的技术，其实线控技术离我们并不遥远， 对飞机的控制系统来说，已经有名为f l y b y w i r e 的系统，直译为靠电线飞行的系 统，实际上，它表示飞机的工作方式，或者说是控制方式，即将飞行员的操纵、 操作命令转换成电信号，利用计算机控制飞行的工作方式。这种操作方式引入到 汽车上，则出现了d r i v e b y w i r e 系统，直译为靠电线行驶的系统，在汽车上类似 的系统还有s t e e r b y w i r e 系统、b r a k e b y w i r e 系统( 即b b w 系统) 等。因此， 可以预见一种完全无液压油、完全电路连接的b b w 系统将最终取代传统的液压 制动系统，成为未来车辆的发展方向 1 4 , 1 5 】。 b b w 系统有如下几个优点： ( 1 ) 结构简单，省去传统制动系统中的制动油箱、制动主缸、助力装置、液 压阀、复杂的管路系统等部件； ( 2 ) 制动响应时间短，提高了制动性能； ( 3 ) 制造、装配、测试简单快捷，采用模块化结构； ( 4 ) 因无制动液，维护简单，易于环保； ( 5 ) 采用电线连接，系统耐久性能良好； 乍找m 络f l e x r a y 和! 线控制动系统中的j 虹用j 研究 ( 6 ) 易于集成a b s ，t c s ，e p s 、e b d 等功能，提高制动效能； ( 7 ) 从消费者的角度看，提高了驾驶的舒适性和安全性； ( 8 ) 极大地减轻了重量，提高来了汽车燃油经济性。 b r a k e b y w i r e 技术，使汽车的操纵性、安全性以及汽车的总体结构大大改善， 设计的灵活度也大大增加。目前线控制动已经在一个欧洲车型上被采用，在这个 系统中已经削减了相当多的机械部件，如液压泵等。 随着线控技术的使用，更多传统的机械部件将会在未来的汽车上消失。在未 来的几年内，传统的汽车机械系统( 如制动和驾驶系统) 将变成通过高速容错通信 总线与高性能c p u 相连的电子系统。在一辆装备了综合驾驶辅助系统的汽车上， 诸如线控制动( b r a k e 。b y w i r e ) 、线控转向( s t e e r b y w i r e ) 和线控油门 ( t h r o t t l e b y w i r e ) 等技术。其中有部分车厂投下巨资与电子业共同合作，研发 一套名为f l e x r a y 的新一代应用于汽车上的网络通讯系统。f l e x r a y 网络通讯系 统是用以整合包括线控制动、线控转向等“线传控制”系统，目前最快数据传送速 度为1 0 m b p s ，让汽车发展成1 0 0 由单一电子系统控制的线控系统。 目前线控技术已有样车研制开发出来，预计到2 0 1 0 年将有小批量生产。2 0 0 2 年1 月份美国通用汽车公司研制出的“自主魔力”概念车，操纵系统、制动系统 和动力系统就采用了线控技术，使其整车控制采用电子而不是传统的机械方式进 行。2 0 0 2 年9 月通用公司在巴黎车展上亮相一款世界上首辆可驾驶的采用线控技 术的氢燃料电池概念车名为h y w i r e ，h y w i r e 为h y d r o g e n 与b y w i r e 的合成词， 意为氢燃料驱动线传操控。3 7 届东京车展上丰田燃料电池f i n e n 也采用了 线控转向、制动以及油门控制技术。 1 3b b w 系统对总线技术的基本要求 可靠性、安全性和实时性是线控制动系统能否在汽车上得到应用的关键，同 时也对新一代汽车内部网络通信协议也有了更高的要求，必须包括更快的数据速 率，更灵活的数据通信，更全面的拓扑选择和容错运算，具体要求如下： ( 1 ) 整个网络必须是高吞吐量的，即必须是高速率的，网络带宽最大要可达 到1 0 m b p s ； ( 2 ) 整个网络必须是高可靠性和支持容错的，能够支持两个通信信道的故障 容错和冗余信息的传输； ( 3 ) 整个网络必须满足消息传输时间是实时和确定性的，节点的接收和发送 都应该事先设定好，特定消息在通信周期中拥有固定位置，以完成有严格时序和 参数定时刷新等实时性要求很高的控制任务。 针对以上三种要求可以表明，基于时间触发的确定性通信协议是满足安全关 键性实时控制的最佳选择。在目前较成熟的时间触发网络协议中，t t p c 和 6 硕j j 学位论文 f l e x r a y 是x b y - w i r e 系统使用较多的两种。本文将采纳f l e x r a y 总线协议进行 b b w 系统实时通信研究。 1 4 本文的研究内容 纵观国内外b b w 系统的发展，我国在这方面与国际先进水平依然存在很大的 差距。着眼于未来的汽车制动系统巨大的市场潜力，进行b b w 系统的开发将是一 件非常有意义的工作。随着入世后关税的降低，国外的汽车厂商纷纷进入中国市 场，而中国本土汽车生产商由于起步晚，规模小，技术落后等等原因与国外大厂 商存在很大的差距，因此要加快汽车零部件本土化的研发工作。开发b b w 系统， 对于提高我国汽车行业的竞争力也有很大的意义。 本文对车载网络f l e x r a y 协议进行了简要介绍，而且利用可靠性分析方法和容 错技术对b b w 系统进行分析研究，建立了b b w 系统的容错结构。将车载网络 f l e x r a y 应用到b b w 系统中，展开相关的研究，主要内容如下： 第一章为绪论，分析了车载网络的发展过程及其主要分类，总结了汽车制动 系统的发展趋势，对b b w 系统提出了总线方面的基本要求。 第二章首先运用和故障模式效果分析( f e m a ) 和故障树分析( f t a ) 综合分析 法对b b w 系统进行可靠性分析，总结提出该系统的故障树结构图；然后，针对故 障树分析得出的结论，提出一种高可靠性的容错结构双冗余容错结构。 第三章对车载网络f l e x r a y 特性、通信功能和容错机理进行一些相关理论的介 绍，为f l e x r a y 协议在b b w 系统中的应用与研究提供理论基础。 第四章对f l e x r a y 协议三种网络拓扑结构进行优缺点分析，实现网络拓扑结构 的优化，最终提出一种较为理想的网络拓扑结构优化后的双主动星型连接器 结构，该结构能起到故障隔离的功能，一定程度上提高了系统的可靠性能。然后 根据f l e x r a y 协议的相关特点，制定b b w 系统应用层通信协议，从而实现数据实 时、准确的传输。 第五章选取m c 9 s 1 2 x f 51 2 单片机系统、m f r 4 2 0 0 f l e x r a y 通信控制器和 t j a l 0 8 0 总线驱动器组成b b w 系统的主控节点，然后进行相关的硬件设计和软件 设计。 最后对全文进行总结，概述本文主要完成的工作，并对下一步的研究进行了 展望，指出了一些方向，给出了一些建议。 7 乍找嗍络f l e x r a y 存线挡制动系统巾的麻用0 研究 第2 章基于可靠性分析和容错技术的b b w 系统冗余 结构设计 可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力【l 引。对 b b w 系统可靠性技术进行研究的目的就是通过实施提高可靠性的各种手段来满 足b b w 系统的研制目标及需求，最终达到系统的最优设计，即性能好、可靠性高、 成本低和体积小。 目前提高系统可靠性的技术途径有很多种，但归纳起来大体上可分为两大类 【1 7 】：一是从可靠性分析的角度提高系统的固有可靠性，主动积极地挖掘系统中可 能存在的隐患，并找出其薄弱环节，从而控制系统发生故障的概率并使其减低到 可以接受的程度，即避错技术。目前可靠性分析方法有很多种，应用较为广泛的 是故障模式及效果分析( f m e a ) 和故障树分析( f t a ) 综合分析法弘2 0 】。下文 将对两种方法做具体介绍。二是采用容错技术，它是从系统结构方面来提高系统 的可靠性。即当系统中的一部分( 或者全部) 出现故障时，可以由冗余的部分( 或 者全部) 顶替故障的部分( 或全部) 工作，以保证系统在规定的时间内正常的完 成规定的功能。这两种可靠性技术并不是相互对立的，它们可以相互补充，构成 高可靠性的计算机系统。 为了对b b w 系统进行可靠性分析，有必要先了解其功能、结构和工作原理等， 再对该系统常见的故障模式及其原因进行深入分析，这样有利于建立故障树，进 而展开故障树分析。最终针对可靠性分析的结果建立一套适合于b b w 系统的双冗 余容错结构。 2 1b b w 系统的工作原理 b b w 系统是一种没有机械或液压后备的电子制动机构，驾驶员的控制命令直 接通过通信网络传输给电机执行机构，从而进行制动控制。它集成了一系列智能 制动控制系统，提供如防抱死控制、车辆稳定性控制、电子制动力分配、助力制 动、牵引力控制等现有制动系统的功能，并通过车载网络把子系统有机结合成一 个完整的功能体系。它采用一个电子踏板取代了原有的机械制动踏板，用以接受 驾驶员的制动意图。电子控制单元通过接收踏板、轮速和总线上的其他信号，进 行内部运算，计算出制动力，并经过车载网络传送给四个车轮制动控制器，从而 控制电子执行器实现减速、制动功能。并将信号反馈给驾驶员，同时e c u 还对电 源进行管理。这种结构不仅使汽车结构发生根本性变革，更重要的它是改善了汽 车的主动和被动安全性。b b w 系统的工作流程如下图2 1 所示。 8 硕一 j 学位论文 图2 1b b w 系统工作流程图 2 2b b w 系统的非冗余结构及功能描述 2 2 1 功能建模 在各个领域中，功能都是人们必须考虑的重要因素。比如当系统发生故障时， 人们要根据未能实现的功能推断故障的原因；当设计新的系统时，设计者的目的 就是要寻找能够实现预期功能的部件，并将其组织起来；当人们要对系统在各种 使用条件下的行为结果进行预测时，也需要知道设备的功能是什么；而危险分析 任务则要计算出各种内部或外部事件对功能产生的影响。功能建模就是对系统的 一种理论性的描述，也是一种包含了系统功能知识的模型，人们可以针对上述三 种目的的不同，对同一个系统从不同的方面以不同的方式建模。作为一种新的建 模方法，已引起了国内外研究者的高度重视，应用也越来越普遍，目前在汽车行 业中也得到了广泛的应用。 由于b b w 系统是一种机电化的电子控制系统，它不仅包含了通信网络、传感 器、控制器、执行器等硬件及其相应的控制软件，同时还融合了诸女h a b s 、a s r 、 e s p 、e b d 、c b c 、b a s 、e b a 等智能化功能，使得制动系统变得越来越复杂， 因此，在设计开发的早期阶段必须进行功能模型的建立。用例图是功能建模行之 有效的方法，它能更好的从整体上描述系统应提供给使用者的功能。b b w 及与之 相关的功能模型如图2 2 所示，具体分为以下四个部分： 常规行驶稳定控制：主要包括主动偏航控制( a y c ) ，用来分配后桥左右轮之 间的动力。假设左轮受到更大的阻力，更多的动力便会传输给右轮，而此时恰恰 是左轮需要更大的动力，此时就需要a y c 的介入。不仅如此，a y c 的介入能控制 车身的姿态，尤其是在弯道中有相当大的作用，弯前将更多动力分配给外侧车轮， 9 乍载网络f l e x r a y 神! 线控制动系统中的应用j 研究 弯后a y c 再次将更多动力分配给外侧轮胎，加强过渡转向，将车辆顺利送出弯道。 制动稳定控制：主要指为了避免汽车在制动过程中出现跑偏或侧滑等危险工 况，使其回到稳定状态所采取的控制措施。主要包括a b s 、e b d 、c b c 、e s p 等 智能控制。 车身牵引力控制：主要作用是使汽车在各种行驶状况下都能获得最佳的牵引 力。例如，汽车在光滑路面制动时，车轮打滑，甚至使方向失控，或者汽车在起 步或急加速时，驱动轮也有可能打滑，在冰雪等光滑路面上还会使方向失控，这 时需要该系统进行控制。主要包括a s r 、t c s 、t r c 等智能控制。 制动辅助控制：主要是指在一些非常紧急的事件中，驾驶员往往不能迅速踩 下制动踏板，此时该控制系统可以感应驾驶者对制动踏板的作动需求程度，从制 动踏板所侦测到的制动动作，来判断驾驶人此次的制动意图。主要包括e b a 和b a s 两种智能控制。 e 廿 图2 2b b w 功能用例图 2 2 2 功台皂分角翠 根据分析，b b w 系统的功能可以分解成制动信号输入、系统周期自检、制动 力计算与分配、制动力控制四个部分，每个部分由对应的传感器、控制器、执行 器等硬件以及相关软件来实现【2 1 1 。图2 3 所示的任务流程图表达了各元素之间的相 互关系及其功能，作为总线布局以及网络节点分配的依据。 制动信号输入：系统主要接收来自各种传感器的输入信号，例如：制动踏板 位置传感器信号、踏板力传感器信号、系统周期自检信号、轮速传感器信号等； 系统周期白检：为了保证系统正常运行，系统必须周期自检各个组成节点的 运行状态，检测是否处于正常状态，例如，系统是否处于就绪状态、传感器信息 是否有效、制动执行器是否失效、是否有足够电能提供给执行器或用于实现其它 功能( 如a b s 、e s p 、a s r 、e b d 、b a s 、e b a ) ； 1 0 硕卜学位论文 制动力计算与分配：根据输入的踏板信号、驾驶环境、实际车速与轮速等信 息计算出制动力，然后分配给四个车轮进行制动； 制动力控制：将计算出的制动力转换为制动执行器控制输入，完成相应的转 矩和力输出，作用至制动蝶片上，实现制动力控制；根据车速和轮速计算车轮滑 移量，以增大或减少制动力，实现防抱死控制；控制驻车制动；控制制动信号灯； 若有故障则输出故障指示信息。 图2 3b b w 任务流程图 2 2 3b b w 系统的非冗余结构 按照b b w 系统的工作流程及其功能介绍，可将b b w 分成三个模块：主控模块、 车轮制动模块以及电源管理模块。同时整个系统在相应的位置还安装有用来采集 信号的各种传感器元件，b b w 系统非冗余结构如图2 4 所示。 图2 。4b b w 分布式非冗余结构 2 3 基于f m e a 和f t a 的b b w 可靠性综合分析法 b b w 系统是个包括机械、电子等多种类型的元部件和控制软件在内的复杂 7 f 找m 络f l e x r a y 在线控制动系统中的戍用勺研究 控制系统。与传统的制动系统相比，它虽然在一定程度上缩短了制动响应时间、 提高了制动性能、减轻了整车质量、减少了环境污染和燃油消耗，但是这种电子 控制系统由于没有机械后备，一旦出现故障，可能会给人类带来极大的危险。从 某种意义来说，b b w 系统必须比机械制动系统的故障率更低，否则难以推广和应 用。因此，可靠性和安全性是b b w 系统面临的最大挑战。如果将b b w 系统的可靠 性完全归结为元器件的可靠性和制造工艺水平，而不考虑系统设计对可靠性的作 用，这种方法十分不完善。在b b w 系统功能日益复杂的情况下，并不能很好地解 决其可靠性问题。因此，将f m e a 和f t a 方法综合运用到b b w 系统可靠性分析是 一种有效的方法，以此来提高系统的可靠性。 故障模式与效果分析( f m e a ) 方法是指在系统的设计过程中，通过对系统 的各组成元件潜在的各种故障模式及其对系统功能的影响进行分析，并把每一个 潜在的故障模式按它的严酷程度进行分类，以提高b b w 系统可靠性的一种设计分 析方法【2 2 1 。 f t a ( 故障树分析法) 是在产品设计过程中，对可能造成系统故障的各种因 素进行分析，设计出树状结构，从而确定系统故障原因的各种可能组合方式或其 发生概率，以便计算系统故障概率，并采取相应的纠j 下措施，以提高系统可靠性 的一种设计分析方法。f t a 通常把不希望发生的事件( 失效状态) 作为故障树的 顶事件，用规定的逻辑符号表示，找出导致这一不希望事件所有可能发生的直接 因素和原因。它们是从处于过渡状态的中间事件开始，并由此逐步深入分析，直 到找出事故的基本原因，即故障树的底事件为止。这些底事件又成为基本事件， 它们的数据是已知的，或者已经有过统计和实验的结果。 f t a 与f m e a 是两种不同思路的故障分析技术，通常f m e a 是全面进行的，能 够对所分析系统的故障模式及其影响进行全面系统的分析。f t a 是常用的故障演 绎分析法，可作为分析“故障”及问题原因的手段，它具有深入细致、善于处理多 重故障模式的问题的热点，还易于考虑环境因素、人为因素对系统故障的影响。 主要应用在影响系统安全或任务成功的故障分析。 单独利用f t a 和单独利用f m e a 进行故障分析各有弊端。只利用f t a 分析容易 漏掉造成顶事件发生的底事件；只利用f m e a 分析又显得工作量非常大，容易漏 掉故障模式和故障影响。因此，在实际应用中，提出了f m e a 和f t a 综合分析法 2 3 - 2 5 】，两者具有优势互补的特点。如果侧重于分析系统的性能和要求，故障树的 顶事件应从f m e a 中的所有“最终影响中选取，依故障树分析的目的的不同而 选取不同的顶事件或顶事件的集合。对于b b w 系统而言，主要选择严酷度类别高、 故障发生概率大或危害度大的最终影响作为顶事件来进行建树。最后，在利用 f m e a 建立的初始故障树的基础上，进行修改完善