網絡拓撲結構對于汽車網絡系統安全具有重要的影響，要保證汽車環境下通訊系統的可用性和可*性，需要面向特定應用進行優化。在這方面，最近出現的FlexRay物理層技術具有很大潛力。本文將從簡單的網絡例子入手，由簡至繁，最后推出一種可*精密的解決方案，在此過程中我們將討論幾種可能的不同網絡配置以及它們的優缺點。

FlexRay具有創新的功能和安全的特點，能夠使汽車系統安全達到一個很高的水平。FlexRay不僅能簡化汽車電子和通信系統架構，同時還可幫助汽車電子單元變得更加穩定和可*。包括豐田、日產、本田、現代以及起亞汽車公司在內的主要亞洲汽車生產商都已經加入FlexRay聯盟，進一步加強了該聯盟在創建針對汽車線控操作（by-wire）技術通用標準上所做的努力。隨著一些新汽車生產商的加入，全球每年生產的汽車中每10輛幾乎有7輛是由FlexRay成員生產。

在開始討論之前，我們先簡單介紹一下FlexRay協議。FlexRay是一種靈活的通訊系統，能夠滿足未來先進汽車高速控制應用的需要。同時FlexRay支持分布式控制系統，并可補充CAN、LIN和面向媒體應用的MOST光學數據總線等主要車內網絡標準。FlexRay協議旨在應用于需要高通信帶寬和決定性容錯數據傳輸能力的底盤控制、車身和動力總成等場合。

但FlexRay通信系統并非僅僅是一個通信協議，它還包括一種特殊設計的高速收發器，并定義了FlexRay節點不同部件間的硬件和軟件接口。FlexRay協議定義了網絡汽車系統中的通信過程格式和功能。除了開發中的協議、軟件和支持服務外，FlexRay聯盟還致力于通過聯盟成員中的領先工具廠商和測試機構來保證提供通信系統設計、測試測量以及仿真所需要的工具。

無論什么時候，控制系統都必須收集實際系統中足夠多的信息以保持對汽車的控制并增強其性能。汽車內采用的傳感器越來越多，特別是感知外部信息的傳感器，用來感知路面信息以及前方、鄰近以車輛后面的障礙物，此類傳感器包括視頻、雷達和光電傳感器，它們所捕捉的大量數據都實時傳輸到車內ECU進行處理。

FlexRay利用兩條獨立的物理線路進行通信，每條的數據速率為10Mbps。兩條通信線路主要用來實現冗余，因此消息傳輸具有容錯能力，當然也可以利用兩條線路來傳輸不同的消息，這樣數據吞吐量可以加倍。

FlexRay還可以工作在較低的數據速率。速度低于1Mbps時，允許支持傳輸總線結構（如CAN）；速度在1Mbps以上時，不同的節點利用主動星型耦合器以點到點方式進行連接。

FlexRay的重要目標應用之一是線控操作（如線控轉向、線控剎車等），即利用容錯的電氣/電子系統取代機械/液壓部分。線控操作包括從轉向到剎車和加速等所有汽車控制應用互連技術，它可以補充并將最終代替目前的機械和液壓解決方案。車內部件特別是機械和液壓部件減少后就不必再支付這部分費用，因此就總體器件和組裝成本來說，采用電子系統比采用機械和液壓部件更便宜。

業界正致力于在汽車設計中轉向全電子系統，它將通過創新的智能駕駛輔助系統為司機和乘員提供更高的安全性以及更舒適的車內環境。

對于汽車購買者來說，另一項可以感受得到的好處是FlexRay將帶來更高設計自由，特別是在汽車內飾方面。由于沒有占用很大空間的駕駛桿，未來的汽車將具有全新的面貌和乘坐感覺。除了線控操作以外，FlexRay在汽車動力總成和安全電子系統方面也有很大的應用空間，這些應用都需要高速數據傳輸，如作為中央電子骨干總線連接車內各種總線網絡，而且便于在車內引入新的電子控制系統。

對于亞洲汽車生產商來說，FlexRay標準化所帶來的好處包括可削減開發和生產成本，降低采用這種創新性技術的風險，從而使這種新系統在市場中得到廣泛采用。目前汽車中不同控制設備、傳感器和制動器之間的數據交換主要是通過CAN網絡完成的，但新出現的線控操作系統對于通信網絡提出了更高的要求，特別是在消息傳輸的容錯性和時間確定性方面。通過在固定時隙內進行消息傳輸，并同時利用兩個通道提供消息傳輸容錯和冗余機制，FlexRay可滿足這些方面的要求。

完全冗余系統

圖1是一個汽車網絡應用的例子，其中有四個車輪節點（1至4）、一個中央電子控制單元（ECU）（5）以及一個備份ECU（6）。在應用軟件中采取適當措施后，一個ECU出現故障系統并不會受到影響。

然而簡單的FMEA（故障模式和效果分析）提醒我們可能會出現更嚴重的故障，如水進入連接器導致連接到某個ECU的兩個通道都出現問題、ECU印刷電路板斷裂或機械沖擊使電纜固定套脫落或變形等等，這些都會導致兩個通道出現同種故障模式（如圖2），使得某些節點的通信完全中斷。

部分冗余系統

避免上述事故的一種方法是降低網絡拓撲的復雜性。讓我們回到熟知的兩條獨立對角線這一原則，那么可以得到一種可能的簡單解決方案（圖3）。

現在，車輪節點僅連接到一個通道，中央ECU及備份ECU仍連接到兩個通道。ECU及其備份可以針對機械沖擊進行更好的保護，因為可以將它們放在乘員單元，如中央控制臺的后面。連線更少意味著故障模式更少，對有些應用這種解決方案可能適用，但上面提到的共同故障模式風險仍然沒有消除，因此有必要尋求進一步的改進。FlexRay通過引入主動星型（active star）連接器來解決這一問題。

采用主動星型連接器的FlexRay系統

圖4給出的網絡拓撲與上面的類似，只是在一個通道中增加了一個主動星型連接器。

主動星型連接器作為一個路由器，在正常通信工作過程中將來自一個分支的輸入消息發送到所有其它分支。主動星型連接器的好處是可以檢測到出現問題的分支或者傳輸時間超過時間限制的消息，當檢測到此類非法異常問題時，主動星型連接器會斷開受影響的網絡分支，從而保證網絡中其它分支的通信不受影響。與其它物理層連接方式相比，主動星型連接器可斷開出現故障的區域，這也是其最主要的優點。

假設結點6出現的故障影響到兩個分支（圖5），系統仍然可以工作，盡管性能有所降低（但還是可以接受的），當然節點2和3的通信會丟失。如果故障發生在節點5而不是節點6，那么情況也完全類似。這一結果非常有趣，因為僅僅在一個通道中使用了主動星型連接器，因此整個網絡拓撲是非對稱的。

采用兩個主動星型連接器的FlexRay系統

在另一個通道中也引入一個主動星型連接器可使網絡更為對稱，同時在應用軟件中采用相應的措施后，甚至在如圖6的故障情況下系統性能也不會降低。此時，所有四個輪胎節點仍然處于可訪問狀態，中央ECU之一（這里是節點5）擁有對整個系統的控制。

當一個輪胎節點的線纜連接短路時，連接到這一對角線的另一個輪胎也會受到影響，在這樣的故障模式下，這種網絡拓撲與用一個主動星型連接器的網絡相比并沒有什么優勢。然而對于有些應用同時有兩個輪胎節點失去通信可能是無法接受的，這時就需要尋找一種不同的解決方案。其實也很容易找到，先連到短接線纜再連接至主動星型連接器的節點可以直接連接到主動星型連接器，這樣每個主動星型連接器需要再多一個支路。

不使用短接線纜的FlexRay系統

與前面所討論的所有故障模式相比，圖7中的配置保證了最大網絡可用性。順便說一句，在本文所討論的所有例子中，這種網絡拓撲還提供了最好的電磁兼容（EMC）性，因為這里不再有短接線纜。

總結

如前所述，網絡拓撲布局主要由通信鏈路最低可用性要求所決定。對于確定的故障模式，總能夠找到滿足可用性要求的解決方案。FlexRay的可擴展能力允許在系統成本和安全性之間進行最優的平衡。支持這種物理層方法的第一款FlexRay收發器（Philips TJA 1080）已經推出，這款收發器還可用于構建主動星型連接器。目前正在進行的車輛測試和進一步理論分析將會應用這些結果，并推廣到多于6個節點的要求更為苛刻的應用網絡。

除了這里所討論的故障模式外，在時域也存在一些嚴重的故障模式，此時主動星型連接器也具有一定的優勢。出現傳送錯誤的節點不會影響連到主動星型連接器的其它節點正在進行的通信，因為主動星型連接器會繼續路由其它分支消息。此外，主動星型連接器還會斷開或拋棄超出一定時間限制的消息，因此可防止通信信道被獨占。

某些情況下為保證特殊的安全性要求可能對“時域信號安全性”有更高的要求，此時可能需要采用所謂的總線監控器（bus guardian），FlexRay總線監控器可以監視通信控制器在每個節點的時序是否符合要求。

責任編輯：gt