FlexRay總線原理及應(yīng)用

1、FlexRay總線原理及應(yīng)用1 FlexRay總線介紹1.1 FlexRay產(chǎn)生及發(fā)展隨著汽車中增強安全和舒適體驗的功能越來越多，用于實現(xiàn)這些功能的傳感器、傳輸裝置、電 子控制單元(ECU)的數(shù)量也在持續(xù)上升。如今高端汽車有100多個ECU,如果不采用新架構(gòu)，該數(shù)字可能還會增長，ECU操作和眾多車用總線之間的協(xié)調(diào)配合日益復(fù)雜，嚴(yán)重阻礙線控技術(shù)(X-by-Wire ,即利用重量輕、效率高、更簡單且具有容錯功能的電氣/電子系統(tǒng)取代笨重的機械 /液壓部分)的發(fā)展。即使可以解決復(fù)雜性問題，傳統(tǒng)的車用總線也缺乏線控所必需的確定性和容錯功 能。例如，與安全有關(guān)的信息傳遞要求絕對的實時，這類高優(yōu)先級的信息必

2、須在指定的時間內(nèi)傳輸 到位，如剎車，從剎車踏板踩下到剎車起作用的信息傳遞要求立即正確地傳輸不允許任何不確定因 素。同時，汽車網(wǎng)絡(luò)中不斷增加的通信總線傳輸數(shù)據(jù)量，要求通信總線有較高的帶寬和數(shù)據(jù)傳輸率。目前廣泛應(yīng)用的車載總線技術(shù)CAN、LIN等由于缺少同步性，確定性及容錯性等并不能滿足未來汽車應(yīng)用的要求。寶馬和戴姆勒克萊斯勒很早就意識到了，傳統(tǒng)的解決方案并不能滿足汽車行業(yè)未來的需要，更 不能滿足汽車線控系統(tǒng)(X-by-Wire )的要求。于是在 2000年9月，寶馬和戴姆勒克萊斯勒聯(lián)合飛 利浦和摩托羅拉成立了FlexRay聯(lián)盟。該聯(lián)盟致力于推廣FlexRay通信系統(tǒng)在全球的采用，使其成為高級動力總

3、成、底盤、線控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。其具體任務(wù)為制定FlexRay需求定義、開發(fā)FlexRay協(xié)議、定義數(shù)據(jù)鏈路層、提供支持FlexRay的控制器、開發(fā) FlexRay物理層規(guī)范并實現(xiàn)基礎(chǔ)解決方案。1.2 FlexRay 特點FlexRay提供了傳統(tǒng)車內(nèi)通信協(xié)議不具備的大量特性，包括：(1)高傳輸速率：FlexRay的每個信道具有10Mbps帶寬。由于它不僅可以像 CAN和LIN網(wǎng)絡(luò)這 樣的單信道系統(tǒng)一般運行，而且還可以作為一個雙信道系統(tǒng)運行，因此可以達(dá)到20Mbps的最大傳輸速率，是當(dāng)前 CAN最高運行速率的20倍。(2)同步時基：FlexRay中使用的訪問方法是基于同步時基的。該時基通過協(xié)議自動

4、建立和同步， 并提供給應(yīng)用。時基的精確度介于0.5科和10科之間(通常為12d(3)確定性：通信是在不斷循環(huán)的周期中進(jìn)行的，特定消息在通信周期中擁有固定位置，因此接 收器已經(jīng)提前知道了消息到達(dá)的時間。到達(dá)時間的臨時偏差幅度會非常小，并能得到保證。(4)高容錯：強大的錯誤檢測性能和容錯功能是FlexRay設(shè)計時考慮的重要方面。FlexRay總線使用循環(huán)冗余校驗 CRC(Cyclic redundancy cheek)來檢驗通信中的差錯。FlexRay總線通過雙通道通信，能夠提供冗余功能，并且使用星型拓?fù)淇赏耆鉀Q容錯問題。(5)靈活性：在FlexRay協(xié)議的開發(fā)過程中，關(guān)注的主要問題是靈活性，反

5、映在如下幾個方面：支持多種方式的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；消息長度可配置：可根據(jù)實際控制應(yīng)用需求，為其設(shè)定相應(yīng)的數(shù)據(jù)載荷長度；使用雙通道拓?fù)鋾r，即可用以增加帶寬，也可用于傳輸冗余的消息；周期內(nèi)靜態(tài)、動態(tài)消息傳輸部分的時間都可隨具體應(yīng)用而定。2 FlexRay通訊協(xié)議和機制原理1 .1 節(jié)點架構(gòu)ECU (Electronic Control Unit ),即節(jié)點node,是接入車載網(wǎng)絡(luò)中的獨立完成相應(yīng)功能的控制單 元。主要由電源供給系統(tǒng)(Power Supply )、主處理器(Host)、固化FlexRay通信控制器(Communication Controller)、可選的總線監(jiān)控器(Bus Guardi

6、an)和總線驅(qū)動器(Bus Driver)組成，如圖所示。主處 理器提供和產(chǎn)生數(shù)據(jù)， 并通過FlexRay通信控制器傳送出去。 其中BD和BG的個數(shù)對應(yīng)于通道數(shù)， 與通訊控制器和微處理器相連?？偩€監(jiān)控邏輯必須獨立于其他的通訊控制器?？偩€驅(qū)動器連接著通 信控制器和總線，或是連接總線監(jiān)控器和總線。M itrocontrollerf Host) 4 口O1B圖 2.1 FlexRay 節(jié)點4節(jié)點的兩個通訊過程為：(1)發(fā)送數(shù)據(jù)：Host將有效的數(shù)據(jù)送給 CC,在CC中進(jìn)行編碼，形成數(shù)據(jù)位流，通過 BD發(fā)送 到相應(yīng)的通道上。(2)接受數(shù)據(jù)：在某一時刻，由BD訪問棧，將數(shù)據(jù)位流送到 CC進(jìn)行解碼，將數(shù)據(jù)

7、部分由 CC 傳送給Host。2 .2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)FlexRay的拓?fù)渲饕譃?3種：總線式、星型、總線星型混合型。通常，F(xiàn)lexRay節(jié)點可以支持兩個信道，因而可以分為單信道和雙信道兩種系統(tǒng)。在雙信道系 統(tǒng)中，不是所有節(jié)點都必須與兩個信道連接。ND4H A雷IA&tHr IB圖2.3星型與總線結(jié)構(gòu)相比，星狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于：它在接收器和發(fā)送器之間提供點到點連接。該優(yōu)勢在 高傳輸速率和長傳輸線路中尤為明顯。另一個重要優(yōu)勢是錯誤分離功能。例如，如果信號傳輸使用 的兩條線路短路，總線系統(tǒng)在該信道不能進(jìn)行進(jìn)一步的通信。如果使用星狀結(jié)構(gòu)，則只有到連接短 路的節(jié)點才會受到影響，其它所有節(jié)點仍然可以繼

8、續(xù)與其它節(jié)點通信。Nude A Nod« A Node A Node A Ntde A圖2.2總線式Nod* A iNode ANode ANode ASl-Br1A圖2.4混合型3 .3數(shù)據(jù)幀一個數(shù)據(jù)幀由頭段（Header Segment）、有效負(fù)載段 （Payload Segment）和尾段（Trailer Segment）三部分組成。FlexRay數(shù)據(jù)幀格式如圖 2.5所示。圖2.5 FlexRay數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)（1）頭段共由5個字節(jié)（40位）組成，包括以下幾位：4 .保留位（1位）：為日后的擴展做準(zhǔn)備；5 .負(fù)載段前言指示（1位）：指明負(fù)載段的向量信息；6 .無效幀指示（1位）：

9、指明該幀是否為無效幀；7 .同步幀指示（1位）：指明這是否為一個同步幀；8 .起始幀指示（1位）：指明該幀是否為起始幀；9 .幀ID（11位）：用于識別該幀和該幀在時間觸發(fā)幀中的優(yōu)先級；10 負(fù)載段長度（7位）：標(biāo)注一幀中能傳送的字?jǐn)?shù)；11 頭部CRC（11位）：用于檢測傳輸中的錯誤；12 周期計數(shù)（6位）：每一通信開始，所有節(jié)點的周期計數(shù)器增1。（2）負(fù)載段是用于傳送數(shù)據(jù)的部分，F(xiàn)lexRay有效負(fù)載段包含0254個字節(jié)數(shù)據(jù)。對于動態(tài)幀，有效負(fù)載段的前兩個字節(jié)通常用作信息ID ,接受節(jié)點根據(jù)接受的ID來判斷是否為需要的數(shù)據(jù)幀。對于靜態(tài)幀，有效負(fù)載段的前13個字節(jié)為網(wǎng)絡(luò)管理向量（NM）,用于網(wǎng)

10、絡(luò)管理。（3）尾段只含有24位的校驗域，包含了由頭段與有效負(fù)載段計算得出的CRC校驗碼。計算CRC時，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸順序?qū)谋Ａ粑坏截?fù)載段最后一位的數(shù)據(jù)放入CRC生成器進(jìn)行計算。13 4編碼與解碼編碼的過程實際上就是對要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理打包”的過程，如加上各種校驗位、ID符等。編碼與解碼主要發(fā)生在通訊控制器與總線驅(qū)動器之間，如圖 2.6。RmD通信控制器gi總刨皿器的圖2.6編碼與解碼其中RxD位接受信號，TxD為發(fā)送信號，TxEN為通訊控制器請求數(shù)據(jù)信號。信息的二進(jìn)制TSS（傳輸啟動序列）：用于初始化節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)通信的對接，為一小段低電平。FSS（幀啟動序列）：用來補償TSS后第一個字節(jié)

11、可能出現(xiàn)的量化誤差，為一位的高電平 BSS（字節(jié)啟動序列）：給接受節(jié)點提供數(shù)據(jù)定時信息，由一位高電平和一位低電平組成。FES（幀結(jié)束序列）：用來標(biāo)識數(shù)據(jù)幀最后一個字節(jié)序列結(jié)束，由一位低電平和一位高電平組成。圖2.8動態(tài)幀編碼DST（動態(tài)段尾部序列）：僅用于動態(tài)幀傳輸，用來表明動態(tài)段中傳輸時隙動作點的精確時間點， 并防止接受段過早的檢測到網(wǎng)絡(luò)空閑狀態(tài)。由一個長度可變的低電平和一位高電平組成。將這些序列與有效位（從最大位MSB到最小位LSB）組裝起來就是編碼過程，最終形成能夠在網(wǎng)絡(luò)傳播的數(shù)據(jù)位流。14 5媒體訪問方式在媒體接入控制中，一個重要的概念就是通信周期（ Communication Cyc

12、le ）,如圖所示。一個通 信周期由靜態(tài)段（Static Segment）、動態(tài)段（Dynamic Segment）、特征窗（Symbol Window ）和網(wǎng)絡(luò)空閑 時間（Network Idle Time ） 4個部分組成。FlexRay提供兩種媒體接入時序的選擇：靜態(tài)段采用時分多 址方式（TDMA）,由固定的時隙數(shù)組成，不可修改，且所有時隙的大小一致。用來傳輸周期性的數(shù)據(jù) 信息；動態(tài)段采用靈活的時分多址（FTDMA）,由較小的時隙組成，可根據(jù)需要擴展變動，一般用于傳輸事件控制的消息。符號窗用于傳輸特征符號。網(wǎng)絡(luò)空閑時間用于時鐘同步處理。圖2.11媒體訪問方式仲裁層包含有仲裁網(wǎng)絡(luò)，它構(gòu)成了

13、FlexRay媒介仲裁的主干部分。在靜態(tài)段中，仲裁網(wǎng)絡(luò)由叫做靜態(tài)時槽(Static Slots)的連續(xù)時間間隔組成，在動態(tài)段中，由稱為微型時槽(Minislots)的連續(xù)時間間隔組成。仲裁網(wǎng)絡(luò)層是建立在由宏節(jié)拍(Marcotick)組成的宏節(jié)拍層之上的。每個本地宏節(jié)拍的時間都是一個整數(shù)倍的微節(jié)拍的時間。已分配的宏節(jié)拍邊緣叫做行動點(Action points)。行動點是一些特定的時刻，在這些時刻上，將會發(fā)生傳輸?shù)拈_始和結(jié)束。微節(jié)拍層是由微節(jié)拍組成的。微節(jié)拍是由通信控制器外部振蕩器時鐘刻度，選擇性地使用分頻 器導(dǎo)出的時間單元。微節(jié)拍是控制器中的特殊單元，它在不同的控制器中可能有不同的時間。節(jié)點

14、內(nèi)部的本地時間間隔尺寸就是微節(jié)拍。15 6 時鐘同步如果使用基于TDMA的通信協(xié)議，則通信媒介的訪問在時間域中控制。因此，每個節(jié)點都必須保持時間同步，這一點非常重要。所有節(jié)點的時鐘必須同步， 并且最大偏差(精度)必須在限定范圍內(nèi), 這是實現(xiàn)時鐘同步的前提條件。時鐘偏差可以分為相位和頻率偏差。相位偏差是兩個時鐘在某一特定時間的絕對差別。頻率偏 差是相位偏差隨時間推移的變化，它反映了相位偏差在特定時間的變化。FlexRay使用一種綜合方法， 同時實施相位糾正和頻率糾正，包含兩個主要過程：時間同步校正機制(最大時間節(jié)拍生成 MTG)和時鐘同步計算機制(時鐘同步進(jìn)程 CSP)。MTG控制時隙初值，即周

15、 期計數(shù)器和最大時鐘節(jié)拍的計數(shù)器，并對其進(jìn)行修正。CSP主要完成一個通信循環(huán)開始的初始化，測量并存儲偏差值，計算相位和頻率的修正值。C3P和位想正夠的計立胤謝工(n > 1 11Ml)口率糾飛的片n圖2.12時鐘同步機制相位修正僅在奇數(shù)通信周期的NIT段執(zhí)行，在下一個通信周期起始前結(jié)束。相位改變量指明了添加到NIT相位修正段的微節(jié)拍數(shù)目，它的值由時鐘同步算法決定，并有可能為負(fù)數(shù)。相位改變量 的計算發(fā)生在每個周期內(nèi)，但修正僅應(yīng)用在奇數(shù)通信周期的末尾。在頻率糾正中，需要使用兩個通信循環(huán)的測量值。這些測量值之間的差值反映每個通信循環(huán)中 5的時鐘偏差變化。它通常用于計算雙循環(huán)結(jié)束時的糾正值。在整

16、個后來的兩個通信周期中，都使用 該糾正值。16 7喚醒與啟動為了節(jié)省資源，部分節(jié)點處于不工作狀態(tài)時，進(jìn)入 節(jié)電模式當(dāng)這些節(jié)點需要再次工作時， 就需要“喚醒”它們。主機可以在通信信道上傳輸喚醒模式，當(dāng)節(jié)點接收到喚醒特征符(Wakeup Symbol)后，主機處理器和通信控制器才進(jìn)行上電。在通信啟動執(zhí)行之前，整個簇需要被喚醒。啟動節(jié)點工作需要在所有通道上同步執(zhí)行。初始一 個啟動過程的行為被稱為冷啟動(Coldstart),能啟動一個起始幀的節(jié)點是有限的，它們稱作冷啟動節(jié)點(Coldstart Node)。在至少由三個節(jié)點組成的簇中，至少要有三個節(jié)點被配置為冷啟動節(jié)點。冷啟 動節(jié)點中，主動啟動簇中消

17、息的節(jié)點稱之為主冷啟動節(jié)點(Leading Coldstart Node),其余的冷啟動節(jié)點則稱之為從冷啟動節(jié)點 (Following Coldstart Node)。當(dāng)節(jié)點被喚醒并完成初始化后，它就可以在相應(yīng)的主機控制命令發(fā)出之后進(jìn)入啟動程序。在非 冷啟動節(jié)點接收并識別至少兩個相互通信的冷啟動節(jié)點前，非冷啟動節(jié)點一直等待。同時，冷啟動 節(jié)點監(jiān)控兩個通信通道，確定是否有其他的節(jié)點正在進(jìn)行傳輸。當(dāng)檢測到通信信道沒有進(jìn)行傳輸時，該節(jié)點就成為主冷啟動節(jié)點。冷啟動嘗試以沖突避免操作符(Collision Avoidance Symbol)開始，只有傳輸CAS的冷啟動節(jié)點能在最開始的四個周期傳輸幀。主冷

18、啟動節(jié)點先在兩個通道上發(fā)送無格式的符號(一定數(shù)量的無效位)，然后啟動集群。在無格式符號發(fā)送完畢后，主冷啟動節(jié)點啟動該節(jié)點的時鐘，進(jìn)入第一個通信周期。從冷啟動節(jié)點可以接收主冷啟動節(jié)點發(fā)送的消息，在識別消息后，從冷啟動節(jié)點便可確認(rèn)主冷啟動 節(jié)點發(fā)送的消息的時槽位置。然后等待下一個通信周期，當(dāng)接收到第二個消息后，從冷啟動節(jié)點便 開始啟動它們的時鐘。根據(jù)兩條消息的時間間隔，測量與計算頻率修正值，盡可能地使從啟動節(jié)點 接近主冷啟動節(jié)點的時間基準(zhǔn)。為減少錯誤的出現(xiàn)，冷啟動節(jié)點在傳輸前需等待兩個通信周期。在 這期間，其余的冷啟動節(jié)點可繼續(xù)接收從主冷啟動節(jié)點及已完成集群冷啟動節(jié)點的消息。從第五個周期開始，其余

19、的冷啟動節(jié)點開始傳輸起始幀。主冷啟動節(jié)點接收第五與第六個周期 內(nèi)其余冷啟動節(jié)點的所有消息，并同時進(jìn)行時鐘修正。在這個過程中沒有故障發(fā)生，且冷啟動節(jié)點 至少收到一個有效的起始幀報文對，主冷啟動節(jié)點則完成啟動階段，開始進(jìn)入正常運行狀態(tài)。非冷啟動節(jié)點首先監(jiān)聽通信信道，并接收信道上傳輸?shù)男畔?。若接收到信道上傳輸?shù)男畔?，便開始嘗試融入到啟動節(jié)點。在接下來的兩個周期內(nèi)，非冷啟動節(jié)點要確定至少兩個發(fā)送啟動幀的 冷啟動節(jié)點，并符合它們的進(jìn)度。若無法滿足條件，非冷啟動節(jié)點將退出啟動程序。非冷啟動節(jié)點 接收到至少兩個啟動節(jié)點連續(xù)的兩組雙周期啟動幀后，開始進(jìn)入正常運行狀態(tài)。非冷啟動節(jié)點進(jìn)入 正常工作狀態(tài)，比主冷

20、啟動節(jié)點晚兩個周期。如下圖所示，描述了正確的啟動過程。其中，A是主冷啟動節(jié)點，B是從冷啟動節(jié)點，C是非冷啟動節(jié)點。【直喻。：匕Wi6di圖2.13 FlexRay啟動過程3 FlexRay的應(yīng)用目前FlexRay最主要的應(yīng)用領(lǐng)域即是汽車，業(yè)界正致力于在汽車設(shè)計中轉(zhuǎn)向全電子系統(tǒng)，它將 通過創(chuàng)新的智能駕駛輔助系統(tǒng)為司機和乘員提供更高的安全性以及更舒適的車內(nèi)環(huán)境。而這種智能 系統(tǒng)必然需要大量的采樣、通信以及協(xié)調(diào)控制，對車載網(wǎng)絡(luò)提出了較高的要求，這也應(yīng)該是FlexRay聯(lián)盟研發(fā)FlexRay的動力所在。（1）車載骨干網(wǎng)絡(luò)FlexRay的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常靈活，包括單/多通道總線結(jié)構(gòu)，單/多通道星型結(jié)構(gòu)一節(jié)多

21、種不同總線、 星型混合結(jié)構(gòu)等，網(wǎng)絡(luò)可與現(xiàn)有其他各種總線 （如LIN , CAN等）系統(tǒng)兼容。同時，其靈活的系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)，也可使設(shè)計者針對不同的應(yīng)用背景選擇不同的可靠等級以控制成本。（2）線控系統(tǒng)FlexRay的重要目標(biāo)應(yīng)用之一是線控操作（如線控轉(zhuǎn)向、線控制動等），即利用容錯的電氣/電子系統(tǒng)取代機械/液壓部分。汽車線控系統(tǒng)是從飛機控制系統(tǒng)引申而來的，飛機控制系統(tǒng)中提到的Fly-by-Wire是一種電線代替機械的控制系統(tǒng)，它將飛機駕駛員的操縱控制和操作命令轉(zhuǎn)換成電信號，利用機載計算機控制飛機的飛行。這種控制方式引入到汽車駕駛上，就稱為Drive-by-Wire（電控駕駛）,引入到制動上就產(chǎn)生了Bra

22、ke-by-Wire （電控剎車），引入到轉(zhuǎn)向控制上就有Steering-by-Wire （電控轉(zhuǎn)向），因此統(tǒng)稱為X-by-Wire。這些創(chuàng)新功能的基礎(chǔ)是一種能夠滿足嚴(yán)格容錯要求的寬帶總線結(jié)構(gòu)，而FlexRay的高傳輸速率和良好的容錯性使其具有該方面的應(yīng)用潛力。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：圖2.14線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)8（3）工業(yè)領(lǐng)域前景雖然現(xiàn)在現(xiàn)場總線種類繁多，各種總線處于共存狀態(tài)，工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用也越來越廣泛。但是 由于現(xiàn)場總線幾乎覆蓋了所有連續(xù)、斷續(xù)領(lǐng)域，不同運用領(lǐng)域的需求各異，還沒有哪種工業(yè)總線可 以完全適用于生產(chǎn)領(lǐng)域的各個方面。因此，F(xiàn)lexRay總線雖然不能涵蓋工業(yè)生產(chǎn)的全部領(lǐng)域，

23、但一定可以像其他總線技術(shù)那樣，在特定的領(lǐng)域中發(fā)揮優(yōu)勢，比如汽車制造領(lǐng)域以及對實時性可靠性有 很高要求的檢測控制領(lǐng)域。例如，可將FlexRay總線用于礦井集散式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)礦井的實際情況，可以采用 FlexRay總線，建立一種集散式混合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。以實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)和控制指令 的實時高速傳輸，并可保證網(wǎng)絡(luò)具有較高的魯棒性，能夠在突發(fā)事件下安全可靠運行，從而構(gòu)建煤 礦礦井上下可靠高效的安全預(yù)警機制和管理決策監(jiān)控平臺，形成兼容性強、有擴展和升級余量的開 放性監(jiān)測控制系統(tǒng)。系統(tǒng)可以分為井下和井上兩部分。井上采用FlexRay星型或者多星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的傳輸速度和容錯能力；井下使用FlexRay的總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以方便連接礦井中眾多的設(shè)備檢測裝置和傳感器等，減少布線長度，節(jié)約成本，并使系統(tǒng)具有分散性和完全可互操作等特點。此 外，F(xiàn)lexRay具有很強的靈活性， 可以方便地增加改變節(jié)點網(wǎng)絡(luò)布置，能夠適應(yīng)移動和隨機介入檢測設(shè)備