汽車車載網絡技術-張立新-主編6模塊六 FlexRay總線系統的檢測與修復5

2024/4/21汽車車載網絡技術全國交通運輸職業(yè)教育教學指導委員會組織編寫黃鵬主編悅中原景忠玉副主編全國交通運輸職業(yè)教育高職汽車運用與維修技術專業(yè)規(guī)劃教材2024/4/21高速CAN總線的檢測與修復低速CAN總線的檢測與修復LIN總線系統的檢測與修復MOST總線系統的檢測與修復模塊二模塊三模塊四模塊五模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復車載網絡的認知模塊一模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復學習目標

1．掌握FlexRay總線的應用領域及其組成、結構；

2．掌握FlexRay總線工作原理；

3．掌握FlexRay數據總線電壓和波形的檢測方法；

4．掌握FlexRay總線的故障處理與檢測的方法；

5．能夠繪制FlexRay總線拓撲圖；

6．能夠識別并描述寶馬、奧迪車系FlexRay總線部件的安裝位置及作用；

7．能用萬用表對FlexRay數據總線進行測量并進行分析；

8．能用示波器測量FlexRay總線數據波形并進行分析；

9．能用診斷儀對FlexRay總線進行診斷。建議課時10課時。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

一、FlexRay總線的認知

（一）FlexRay總線系統組成及架構

隨著汽車控制技術向智能化方向發(fā)展，智能網聯汽車、無人駕駛汽車的興起，汽車電子控制元件不斷增加，通過CAN總線、LIN總線實現聯網的方式接收、發(fā)送并處理大量的數據已經難以滿足要求，特別不能滿足分布式控制系統對通信時間離散性及延遲的要求。在這種背景下，傳輸速率更高、容錯功能更強、基于時間觸發(fā)、傳輸延遲小且固定的新型數據總線———FlexRay總線應運而生。

FlexRay總線采用快速以太網（100Mb/s，IEEE803.3u標準）作為編程接口，應用雙芯雙絞電纜線進行傳輸，最大數據傳輸速率為每通道10Mb/s，主要用于汽車安全及行駛動態(tài)管理系統控制單元的聯網。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

1．FlexRay總線應用領域

現階段，FlexRay總線主要用于行駛動態(tài)管理系統和發(fā)動機管理系統的聯網，是行駛管理系統的綜合性主總線系統。比如，動態(tài)穩(wěn)定控制系統（DSC）、垂直動態(tài)管理系統（VDM）、轉向柱開關控制（SZL）、后橋側偏角控制（HSR）、主動轉向（AL）、變換車道警告（SWW）、電子減震器控制系統衛(wèi)星控制單元、集成式底盤管理系統（ICM0）等。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

FlexRay總線的重要目標應用之一是線控操作（有線鏈路控制系統的操作，SystemsControlledbyWireLinks，如線控油門、線控轉向、線控制動、線控懸架等），即利用容錯的電氣/電子系統取代機械/液壓部分。汽車線控系統是從飛機控制系統引申而來的，飛機控制系統中提到的Fly-by-Wire是一種電線代替機械的控制系統，它將飛機駕駛員的操縱控制和操作命令轉換成電信號，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），相應還有：Brake-by-Wire（線控制動）、Steering-by-Wire（線控轉向）、Throttle-by-Wire（線控油門）、Suspension-by-Wire（線控懸架），統稱為X-by-Wire（線控），如圖6-1所示。這些創(chuàng)新功能的基礎是一種能夠滿足嚴格容錯要求的寬帶總線結構，而FlexRay總線的高傳輸速率和良好的容錯性使其具有該方面的應用潛力。線控轉向系統結構框圖如圖6-2所示。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復圖6-1線控技術（X-by-Wire）在車上的應用圖6-2線控轉向系統結構模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

FlexRay總線拓撲結構非常靈活，包括單/多通道總線結構，單/多通道星形結構以及多種不同總線、星形混合結構等，網絡可與現有其他各種總線（如LIN、CAN等）系統兼容，故具有成為聯系大量元件主干網的先天優(yōu)勢。同時，其靈活的系統結構，也可使設計者針對不同的應用背景選擇不同的可靠等級以控制成本。

FlexRay的訪問方法基于同步時基，該時基通過協議自動建立和同步。因此用戶可提前知道消息到達時間，消息周期偏差非常小，這使得FlexRay成為具有嚴格實時要求的分布式控制系統的首選技術。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

FlexRay總線支持靜態(tài)通信和動態(tài)事件驅動的通信，具有高的數據傳輸速率和頻帶寬度效率。靈活的容錯能力支持單通道和雙通道操作，使用循環(huán)冗余校驗CRC來檢驗通信中的差錯，還可以通過雙通道通信提供冗余功能，并且使用星形拓撲可完全解決容錯問題，如果出現意外情況，星形的支路可以有選擇地切斷。在初始化過程和運行過程中，具有硬件和配置數據的檢測錯誤機制，當發(fā)現嚴重故障時，終止控制器和發(fā)送接收器的正常操作并立即向主機發(fā)送錯誤信令。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

2．FlexRay節(jié)點架構

車載總線節(jié)點（NodeorNodus）是指汽車總線中能完成數據信號發(fā)送、接收及轉發(fā)的電子控制單元（控制模塊），是車載網絡系統中的通信端點或終端設備?？偩€節(jié)點的核心是ECU（ElectronicControlUnit），也就是節(jié)點在汽車聯網系統中屬于有源電子設備，線路連接點、配線架、插接板、線路結點不屬于總線節(jié)點。

如圖6-3所示，FlexRay總線節(jié)點由供電（PowerSupply）、控制部分和驅動部分組成。圖6-3FlexRay總線節(jié)點組成模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

如圖6-4所示，FlexRay總線節(jié)點控制部分包括一個主處理器Host（Microcontroller）和一個通信控制器CC（CommunicationController）。節(jié)點主機（Host）是一個節(jié)點中執(zhí)行應用程序的微控制器。CC提供與數據電路和與Host的電氣接口，將數據電路上的字符拆卸為串行比特流，或者將數據電路上的串行比特流裝配成字符。通信控制器是在一個FlexRay的節(jié)點中完成通信協議功能的部件。圖6-4FlexRay總線節(jié)點示意圖模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

驅動部分包括總線驅動器BD（BusDriver）和總線監(jiān)控器BG（BusGuardian），總線驅動器BD將通信控制器CC與總線（FlexRay-BUS，CH-A，CH-B）相連?？偩€監(jiān)控器BG用以監(jiān)視接入總線的連接，BG能識別通信錯誤和同步錯誤，并通過對報文傳輸施加直接影響的方式來達到減少錯誤的目的，如不激活含錯的網絡節(jié)點。總線監(jiān)控邏輯可用于避免通道定時錯誤的一個獨立部分，它與一個通信控制器和一個微控制器相連，總線監(jiān)控邏輯必須獨立于其他的通信控制器。

節(jié)點基本功能。節(jié)點中，一個通信控制器連接到1個或2個總線驅動器，即一個節(jié)點可以連接到一個或兩個總線通道上，節(jié)點與電源常連接。節(jié)點可以進入休眠態(tài)，處于休眠態(tài)的節(jié)點可以由總線事件喚醒。節(jié)點的總線活動可以由主控制器關閉。

節(jié)點的應用功能。網絡星節(jié)點是一個只有網絡功能的節(jié)點，沒有主控制器和通信控制器，一個星節(jié)點有1個以上總線驅動器，它可以由總線喚醒和由總線關閉。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

FlexRay總線節(jié)點結構如圖6-5所示。圖6-5FlexRay總線節(jié)點結構模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

FlexRay總線節(jié)點中的主處理器HOST負責提供和產生數據，把FlexRay總線控制器分配的時間槽通知給總線監(jiān)視器BG，同時激活總線驅動器BD，總線監(jiān)視器則允許FlexRay總線控制器在這些時間槽中實現介質共享，并通過FlexRay總線的通信控制器CC進行數據信號的傳送。發(fā)送數據可定義為在CC中進行編碼，接收數據可定義為在CC中進行解碼。一旦總線監(jiān)控器BG監(jiān)測到時間時序存在間隔，則會斷開通信信道的連接。

FlexRay網絡通信過程的完成，是協議規(guī)定的各個通信操作的核心機制的有序執(zhí)行。媒體訪問控制、編碼解碼、幀和符號處理以及時鐘同步構成了FlexRay網絡的核心機制，如圖6-6所示。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復圖6-6協議操作控制信息接口關系示意圖模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

節(jié)點的兩個通信過程如下：

①發(fā)送數據：HOST將有效的數據送給CC，在CC中進行編碼，形成數據位流（BitStream），通過BD發(fā)送到相應的通道上。

②接收數據：在某一時刻，由BD訪問，將數據位流送到CC進行解碼，將數據部分由CC傳送給HOST。

如圖6-7所示，FlexRay的節(jié)點有幾個基本的運行狀態(tài)。圖6-7FlexRay總線節(jié)點運行狀態(tài)模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

①配置狀態(tài)（默認配置/配置）：用于各種初始化設置，包括通信周期和數據速率。

②就緒狀態(tài)：用于進行內部的通信設置。

③喚醒狀態(tài)：用于喚醒沒有在通信的節(jié)點。在該狀態(tài)下，節(jié)點向另一節(jié)點發(fā)送喚醒信號，喚醒并激活通信控制器、總線驅動器和總線監(jiān)控器。

④啟動狀態(tài)：用于啟動時鐘同步，并為通信做準備。

⑤正常狀態(tài)（主動/被動）：可以進行通信的狀態(tài)。

⑥中斷狀態(tài)：表明通信中斷。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

3．FlexRay傳輸介質

FlexRay總線系統支持電氣和光纖物理接口。FlexRay系統的聯網傳輸一般采用雙芯雙絞電纜線，最大數據傳輸速率為每通道10Mb/s，與LIN、CAN總線相比較，FlexRay總線在傳輸速率、實時、確定性傳輸、冗余具有明顯優(yōu)勢，如圖6-8所示。圖6-8車載網絡總線數據傳輸速率1-實時、確定性（嚴格規(guī)定）和冗余（重復出現）；2-有條件實時（對于控制系統來說已足夠）；3-非實時模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

4．FlexRay總線拓撲結構

1）總線形拓撲結構

總線形拓撲結構如圖6-9、圖6-10所示。圖6-9所示所有節(jié)點（NodeA、NodeB、NodeC、NodeD、NodeE、NodeF、NodeG）都通過一個雙線與總線連接。圖6-10所示為所有控制單元（SG1…SG3）都通過一個雙線與總線連接。該總線采用銅芯雙絞線，在CAN總線中也使用這種連接方式。相同的信息在兩根導線上傳輸，但是其電壓電平不同，所傳輸的差動信號對干擾不敏感。線形拓撲結構僅適用于電氣數據傳輸。圖6-9總線形拓撲（可選擇冗余信道；可延用當前的物理層）模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復圖6-10總線形拓撲結構模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

2）星形拓撲結構

在星形總線拓撲結構如圖6-11、圖6-12所示。圖6-11所示是一個雙通道單星的結構，每個通道由一個星節(jié)點連接，一個節(jié)點可以連接到一個或兩個通道上（星節(jié)點上）。網絡星節(jié)點（ActiveStar）是指只具有網絡功能的通道連接節(jié)點。圖6-11星形雙通道拓撲結構（可選擇冗余信道；點對點形式的物理連接）模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復圖6-12FlexRay總線星形拓撲結構模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

圖6-12所示為衛(wèi)星式控制單元（控制單元SG2…SG5）分別通過一個獨立的導線與中央主控控制單元（SG1）連接。星形拓撲結構既適合于電氣數據傳輸，也適合于光學數據傳輸。

使用星形拓撲可解決容錯問題，因為如果出現意外情況，星形的支路可以有選擇的切斷。如果無源總線線纜長度超過規(guī)定限制，星形拓撲還可以用作復制器。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

3）混合型拓撲結構

混合總線拓撲結構如圖6-13、圖6-14所示。一個總線系統內使用不同的拓撲結構，總線系統的一部分采用總線型結構，另一部分為星形結構，只要級聯的每一個子網不超過節(jié)點數等限制，可以使用兩種結構混合的網絡拓撲結構。圖6-13FlexRay總線混合型拓撲結構模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復圖6-14星形與總線形構成的雙通道混合型拓撲結構模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

圖6-13所示是一個星節(jié)點（2A）直接連接節(jié)點（NodeC、NodeD）并連接到一個總線上，總線上又連接了一些其他節(jié)點（NodeE、NodeF、NodeG）；然后又與另外一個星節(jié)點（1A）相連，星節(jié)點（1A）也直接連接了一些節(jié)點（NodeA、NodeB），也可以再連接總線。

圖6-14所示是一個星形拓撲結構與總線構成的雙通道結構，節(jié)點（NodeA、NodeB、NodeC、NodeD、NodeE）與通道A（CHA）、通道B分別通過線形和星形連接。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

圖6-15所示為寶馬F01/F02汽車FlexRay總線混合型拓撲結構。根據車輛配置情況，中央網關模塊ZGM帶有一個或兩個星形連接器，每個星形連接器都有四個總線驅動器，總線驅動器將控制單元數據通過控制器傳輸給ZGM。根據FlexRay總線控制單元的終端形式，總線驅動器通過兩種方式與這些控制單元相連。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復圖6-15寶馬F01/F02FlexRay總線混合型拓撲結構AL-主動轉向系統；DME-數字式發(fā)動機電子系統；DSC-動態(tài)穩(wěn)定控制系統；ZGM-中央網關模塊；EDCSHL-左后電子減振器控制系統衛(wèi)星式控制單元；EDCSHR-右后電子減振器控制系統衛(wèi)星式控制單元；EDCSVL-左前電子減振器控制系統衛(wèi)星式控制單元；EDCSVR-右前電子減振器控制系統衛(wèi)星式控制單元；HSR-后橋側偏角控制系統；ICM-集成式底盤管理系統；SZL-轉向柱開關中心；VDM-垂直動態(tài)管理系統模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

（二）FlexRay總線通信機制

1．FlexRay總線通信周期

FlexRay總線網絡按周期循環(huán)組織信息的傳送，通信周期（CommunicationCycle）是FlexRay一個信息傳送的周期（Cycle）。在傳送信息時，一個通信周期有靜態(tài)和動態(tài)兩個部分。動態(tài)段和靜態(tài)段又由一些時間片構成，每個時間片傳輸一個FlexRay幀，FlexRay幀是一個有格式的位流。

所謂時間片（Slot），是FlexRay對通信過程劃分的時間段，在這些時間段上控制器按一定要求或條件訪問通信媒體。時間片編號（SlotNumber）是指在一個通信周期中各個時間片的編號，用于識別時間片。關鍵時間片（KeySolt）是用于傳輸同步幀和啟動幀的時間片。微時間片（Minislot）是指一個通信周期的動態(tài)段中的一個時間片，用于同步傳輸部分媒體訪問優(yōu)先級仲裁。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

周期數（CycleNumber）：用于識別一個通信周期的正整數，系統啟動后的第一個周期的周期數設為零，以后隨著通信周期遞增，到最大數后回零，以此往復。

周期時間（CycleTime）：一個通信周期持續(xù)的時間，單位為宏時鐘節(jié)拍（Macroticks）。

由于FlexRay是基于時間觸發(fā)的總線，FlexRay通信周期的靜態(tài)和動態(tài)兩個部分任何一個都可以是空的。類似于上山下山的纜車，不論每個纜車是否坐人，所有纜車都處于運行狀態(tài)，都按預先固定好的位置按順序有序運行。FlexRay一個通信周期可以有三種形式：純靜態(tài)的（動態(tài)部分為空）、靜態(tài)動態(tài)混合（既有靜態(tài)部分又有動態(tài)部分）和純動態(tài)（靜態(tài)部分為空）。通信控制器配置數據決定了通信周期的長度，可以由應用程序設置，只有總線處于允許狀態(tài)下，通信控制器才可以啟動一個通信周期。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

1）通信周期的時間層次

在FlexRay協議中，通信周期是FlexRay進行媒介訪問的基本單位。它是通過時間等級層次來定義的，具體的時間等級層次從最高層到最低層依次為由通信周期層（通信循環(huán)層）、仲裁層、宏節(jié)拍層（最大事件節(jié)拍層）、微節(jié)拍層（最小時間節(jié)拍層）組成，如圖6-16所示。圖6-16FlexRay通信周期的時間層次模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

通信周期層定義了通信周期（Cycle）。FlexRay總線一個通信周期包含靜態(tài)段（StaticSegment）、動態(tài)段（DynamicSegment）、符號窗（SymbolWindow）及總線空閑時間（NetworkIdleTime）。靜態(tài)基于時分多址（TimeDivisionMultipleAccess，TDMA）的訪問方式，動態(tài)基于微型時槽（Minislots）訪問方式，采用柔性時分多址（FlexibleTimeDivisionMultipleAccess），即FTDMA。符號窗是一段通信時間段，在這段時間內可以傳輸一個符號?？偩€空閑時間是一段總線通信空閑時間，一個通信周期在此后結束。

仲裁層包含有仲裁網絡，它構成了FlexRay媒介仲裁的主干部分。在靜態(tài)段中，仲裁網絡由靜態(tài)時槽（StaticSlots）的連續(xù)時間間隔組成，在動態(tài)段中，由微型時槽（Minslots）的連續(xù)時間間隔組成。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

仲裁網絡層是建立在由宏節(jié)拍（Marcotick）組成的宏節(jié)拍層之上的。宏時鐘節(jié)拍是由簇時鐘同步算法確定的一個時間段，用單位為微時鐘節(jié)拍的一個整數表示。時鐘同步算法會動態(tài)調節(jié)這個值，全局時鐘以宏時鐘節(jié)拍為單位。

宏節(jié)拍在簇寬度的基準內是同步的。簇（Cluster）是指由至少一條通信通道直接連接的多個節(jié)點構成的通信系統或子系統。宏節(jié)拍遍及所有簇中的同步節(jié)點，宏節(jié)拍的時間是完全相同的。每個本地宏節(jié)拍的時間都是一個整數倍的微節(jié)拍的時間。已分配的宏節(jié)拍邊緣叫作行動點（ActionPoints）。行動點是一些特定的時刻，在這些時刻上，將會發(fā)生傳輸的開始（在動態(tài)段，靜態(tài)段和符號窗）和結束（只發(fā)生在動態(tài)段）。

宏時鐘節(jié)拍的邊界點稱為工作點（ActionPoint），信息在這些點啟動或停止發(fā)送。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

微節(jié)拍層是由微節(jié)拍組成的。微時鐘節(jié)拍是一個節(jié)點的通信控制器外部振蕩器的時鐘刻度，選擇性地使用分頻器導出的基本時間單位。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)點內部的本地時間間隔尺寸就是微節(jié)拍。

除了在啟動期間，系統將周期性地執(zhí)行一個通信周期，一個周期是由數量不變的宏節(jié)拍組成的。一個通信周期總是包含有一個靜態(tài)段與一個總線空閑時間，而動態(tài)段與符號窗則可能包含，也可能不包含。

靜態(tài)段和動態(tài)段中的仲裁，基于分配給每個通道的節(jié)點簇中節(jié)點的獨特幀標識符及能計算出傳輸時槽的數目的計數方法進行。幀標識符能夠決定該幀由哪個段中的傳輸時槽在什么時候開始發(fā)送。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

2）靜態(tài)段

在通信周期靜態(tài)部分（StaticPart），信息按著固定的事先定義的TDMA方式傳送。一個FlexRay通信周期的靜態(tài)段，按照配置值設置其時間片數。所有靜態(tài)段中的時間片大小相同，由一個以宏時鐘為單位的數給出。每個時間片有一個序號，在靜態(tài)段中將固定的時間片分配給各個節(jié)點，在一個通信周期的靜態(tài)段中，每個節(jié)點在一個通道上只能在分配給它的時間片內發(fā)送數據幀，而在自己的時間片之外的時間只能接收數據。在FlexRay網絡運行的時候，這個時間片的分配情況是不允許動態(tài)發(fā)生改變的。靜態(tài)段結構見圖6-17，時序關系見圖6-18。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復圖6-17FlexRay通信周期靜態(tài)段結構模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復圖6-18FlexRay通信周期靜態(tài)段時序關系模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

3）動態(tài)段

在通信周期動態(tài)部分（DynamicPart），信息按最小時間片算法（Mini－slottingAlgorithm）發(fā)送，按信息標識符的優(yōu)先級確定發(fā)送的順序。一個FlexRay通信周期的動態(tài)段，可以配置一個FlexRay通信周期動態(tài)段的微時間片數量，并且從1開始依次編號。所有微時間片的大小相同，也由一個以宏時鐘為單位的數給出，不用動態(tài)段的時候可以設置微時間片數為0。在一個通信周期的動態(tài)段中，節(jié)點如果要發(fā)送消息，要通過競爭獲得總線使用權。在動態(tài)段部分，是按照發(fā)送數據的數據幀優(yōu)先級分配帶寬，優(yōu)先級由幀的標識ID確定。動態(tài)段結構見圖6-19、時序關系見圖6-20。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復圖6-19FlexRay通信周期動態(tài)段結構模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復圖6-20FlexRay通信周期動態(tài)段時序關系模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

4）符號窗

一個FlexRay通信周期可以有一個符號窗。符號窗通過配置設定一定數量宏時鐘的時間寬度，這個配置值為零表示不用符號窗。在符號窗內的內容及功能由高層協議規(guī)定，FlexRay節(jié)點發(fā)送一個符號表示某種自定義的特殊用途。

5）網絡空閑向量

一個FlexRay通信周期的網絡空閑向量用來對FlexRay網絡進行調整，是不可缺少的部分。一個周期除去前面幾個段使用的時間，余下的就是空閑段的長度。一個通信周期可以根據節(jié)點的實際需要，動態(tài)配置動態(tài)段和網絡空閑向量各部分的帶寬。在網絡空閑向量時間范圍內，FlexRay網絡中的節(jié)點不進行任何通信。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

2．FlexRay總線通信幀

幀（Frame），通信過程中交換信息的一個時間窗結構。FlexRay總線通信幀分為靜態(tài)通信幀（簡稱靜態(tài)幀）和動態(tài)通信幀（簡稱動態(tài)幀），靜態(tài)幀在靜態(tài)時隙中傳輸，占用靜態(tài)段的時隙；動態(tài)幀在動態(tài)時隙中傳輸，占用動態(tài)段的微時隙。

幀標識符（FrameIdentifier），是標識一個幀的值，在通信周期的靜態(tài)段，定義了這個幀的時間片位置；在動態(tài)段定義了這個幀的優(yōu)先級，數值越小優(yōu)先級越高。

作為實時型總線系統，FlexRay可以實現為報文定義持續(xù)時間和所處位置固定的時間段，這些時間段就是通信循環(huán)靜態(tài)段部分的“時隙時間”，簡稱“時隙”，如圖6-21所示。在汽車信息系統中，自發(fā)事件可能發(fā)生在任意時刻，如此這樣，便有了動態(tài)幀的微時隙概念。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復圖6-21總線通信幀時隙及微時隙模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

1）幀格式

靜態(tài)幀和動態(tài)幀的幀格式包括幀頭段（HeaderSegment）、有效載荷段（PayloadSegment）及幀尾段（TrailerSegment），如圖6-22所示。節(jié)點在網絡上傳輸數據時，首先傳輸的幀頭段，其次是有效載荷段（數據），最后傳輸的是幀尾段。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復圖6-22FlexRay幀的格式模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

（1）幀頭段。FlexRay幀頭段由5B（40b）組成。包括保留位（1b）、凈荷指示位（1b）、空幀指示位（1b）、同步幀指示位（1b）、啟動幀指示位（1b）、幀ID位（11）、有效數據長度（7b）、頭部CRC（11b）、周期（6b）。

①保留位（Reservedbit，1b）。保留位不能被應用功能使用，為日后的擴展做準備。發(fā)送時這一位置定義為邏輯“0”，接收時忽略這一位。

②凈荷指示位（有效載荷前導指示位）（PayloadPreambleIndicator，1b）。指明幀的負載段的向量信息，用于描述數據部分的一些特征。在靜態(tài)幀中，該位指明的是網絡管理矢量NetworkManagementVector，其值為1；在動態(tài)幀中，該位指明的是信息ID，其值為0，表示數據部分沒有這些特殊信息。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

③空幀指示位（Nullframeindicator，1b）。指明負載段的數據幀是否為零，空幀指示位為1時，表示本幀有效數據部分有數據；空幀指示位為0時，表示本幀為空幀，有效數據部分沒有數據。換而言之，沒有傳輸有效數據的幀，其數據部分都置為0。

④同步幀指示位（SycFrameIndicator，1b）。指明這是一個同步幀，幀頭含有一個標識部分，其中有幀實際到達時間和預計到達時間的偏差，其可用于時鐘同步算法。

⑤啟動幀指示位（StartupFrameIndicator，1b）。指明發(fā)送幀的節(jié)點是否為啟始幀，幀頭含有一個標識部分，幀中的時間信息可以在啟動過程用來初始化系統。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

⑥幀ID（FrameID，11b）。指明在系統設計過程中分配到每個節(jié)點的ID（有效范圍：1～2047）；長度：說明負載段的數據長度。

⑦有效載荷段長度（有效數據長度PayloadLength，7b）。指示有效數據的的長度，以字節(jié)為單位。

⑧頭部CRC（幀頭CRC，HeaderCRC，11b）。表明同步幀指示器和起始幀指示器的CRC計算值，以及由主機計算的幀ID和幀長度。

⑨周期計數（CycleCount，6b）。指明在幀傳輸時間內傳輸幀的節(jié)點的周期計數。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

（2）有效載荷段。FlexRay有效載荷段有0～254B，在圖中分別以Data0、Data1…Datan表示。該信息ID使用負載段的前兩個字節(jié)進行定義，可以在接收方作為可過濾數據使用。

①數據?？梢允?～254B或者說0～127個字，在圖中分別以Data0、Data1…表示。

②信息ID。使用負載段的前兩個字節(jié)進行定義，可以在接收方作為可過濾數據使用。

③網絡管理向量（NMVEctor）。該向量長度必須為0～10B，并和所有節(jié)點相同。該幀的尾段包括硬件規(guī)定的CRC值。這些CRC值會在連接的信道上面改變種子值，以防不正確的校正。網絡管理向量僅用于靜態(tài)幀，發(fā)送節(jié)點的主機將網絡管理向量作為應用數據寫入通信控制器。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

（3）幀尾段。FlexRay幀尾只含有3B（24b）的校驗域，這個域包含了由幀頭段與有效載荷段計算得出的CRC校驗碼。只含有單個的數據域，即CRC部分，包括幀頭CRC和數據幀的CRC。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

2）幀編碼與解碼

一個信息幀在物理層傳輸要進行編碼。把一幀本身要傳輸的信息加上位置標識以及同步等需要的信息編碼成一個二進制位流，每一幀以一組位流在物理層由發(fā)送節(jié)點發(fā)出；接收端接收到這些位流進行解碼，分解出一幀的信息，提供給鏈路層。

在物理層，FlexRay總線采用NRZ（非歸零）編碼，如圖6-23所示。節(jié)點處理來自物理層的位流，分離出幀和符號信息，并將這些信息傳遞給相關的FlexRay處理機制。在節(jié)點的兩個通信信道中，各有一套獨立的編碼和解碼處理程序，一個給通信信道A，一個給通信信道B。圖6-23FlexRay總線編碼模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

NRZ編碼能確保報文緊湊，從而相同帶寬下信息量更大。NRZ編碼不能保證有足夠的跳變沿用于同步，容易帶來節(jié)點間計時器誤差的累計。

編碼的過程實際上就是對要發(fā)送的數據進行相應的處理“打包”的過程，如加上各種校驗位、ID符等。解碼的過程就是對收到的數據幀進行“解包”的過程。編碼與解碼主要發(fā)生在通信控制器與總線驅動器之間，如圖6-24所示。編碼插入序列是對一幀進行編碼時加到幀中的二進制序列。圖6-24FlexRay幀編碼與解碼模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

其中，RxD為接收信號、TxD為發(fā)送信號、TxEN為通信控制器請求數據信號。對于雙通道的節(jié)點，每個通道上的編碼與解碼的過程是同時完成的。編碼與解碼的過程主要由3個過程組成：主編碼與解碼過程（CODEC）、位過濾（BitStrobing）過程和喚醒模式解碼過程（WUPDEC），以主編碼與解碼過程為主要過程。

（1）幀編碼。傳輸一個幀的時候，節(jié)點按照一定的要求把要發(fā)送的信息和插入序列組成一個位流，依次發(fā)送到物理層上。這個裝配過程就是所謂的編碼，基本步驟如下：

①把一幀的所有信息分成字節(jié)。

②在位流的最前面加入一個傳輸起始序列TSS（TransmissionStartSequence）。發(fā)送節(jié)點在開始發(fā)送時，首先輸出一個連續(xù)低位序列，長度可以通過配置設置，表示一個傳輸開始并建立發(fā)送與接收端的路徑，接收端節(jié)點檢測到這個狀態(tài)，就判定總線由空閑進入忙狀態(tài)，一個幀的傳輸過程開始。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

③在TSS后面加入幀起始序列FSS（FrameStartSequence），在TSS之后加入的一個高位，以補償TSS部分同步的量化誤差。

④在幀數據的每一個字節(jié)前面插入BSS得到擴展字節(jié)。字節(jié)起始序列BSS（ByteStartSequence）包含連續(xù)的一個高位和一個低位。發(fā)送節(jié)點在一幀每一個字節(jié)信息（每8位數據）前面都加上BSS，為接收端提供時間同步信息。

⑤按照原來幀信息的數據順序排列所有擴展字節(jié)。

⑥計算幀的CRC校驗碼，并把校驗碼各個字節(jié)加BSS進行字節(jié)擴展。

⑦在如上形成的位流后面加上一個幀結束序列FES（FrameEndSequence）。一幀所有的信息發(fā)出之后，發(fā)送節(jié)點緊接著發(fā)送的連續(xù)一個低位一個高位，表示一幀結束。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

⑧如果是動態(tài)段的幀，再在后面加上一個DTS。動態(tài)段幀尾序列DTS（DynamicTrailingSequence），用于動態(tài)段的幀尾，指示發(fā)送端微時間片工作點的準確時間。DTS包括先低后高兩部分，低的部分可變長，至少保持一個位時間，在下一個微時間片的工作點變高，高的部分固定為一個位時間。發(fā)送節(jié)點在發(fā)送動態(tài)段的幀時，緊接FES之后發(fā)送DTS。

靜態(tài)段幀和動態(tài)段幀的編碼如圖6-25和圖6-26所示。圖6-25FlexRay靜態(tài)段幀編碼模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復圖6-26FlexRay動態(tài)段幀編碼模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

（2）幀解碼。對于接收端，在總線空閑時監(jiān)測到總線上傳輸起始序列TSS，表示有幀將要啟動傳輸，這時啟動幀接受過程，按照同步機制定時，開始接收后續(xù)位流，并按照編碼規(guī)則進行解碼處理。當接收端節(jié)點檢測到錯誤的時候，終止通信位流的解碼過程，并一直等待總線回到空閑狀態(tài)。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

3．時鐘同步

為了能夠在聯網控制單元內同步執(zhí)行各項功能，需要一個共同的時基。因為所有控制單元利用其自身的時鐘脈沖發(fā)生器工作，所以必須通過總線進行時間匹配。

控制單元測量某些同步位的持續(xù)時間，據此計算平均值并根據這個數值調整總線時鐘脈沖。同步位在總線信息的靜態(tài)部分中發(fā)送。

系統啟動后，只要CAS控制單元發(fā)送一個喚醒脈沖，FlexRay上的兩個授權喚醒控制單元之間就會開始進行同步化。該過程結束時，其余控制單元相繼自動在FlexRay上注冊，計算出各自的差值并進行校正。此外，在運行期間還會對同步化進行計算校正。這樣可以確保最小的時間差，從而在較長時間內不會導致傳輸錯誤。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

1）時鐘同步測量過程

每個通信周期計算相位偏差；每兩個通信周期計算頻率偏差，如圖6-27、圖6-28所示。圖6-27時鐘同步測量過程模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復圖6-28時鐘同步流程模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

2）時鐘同步機制

FlexRay時鐘同步機制。時鐘偏差分為相位（Offset）偏差和頻率偏差，通過單次增加或減少每個周期中網絡空閑時間（NetwrokIdleTime，NIT）內的微節(jié)拍個數來修正相位偏差，奇數周期的NIT內修正，必須在下一周期開始前完成。通過長期調整NIT微節(jié)拍數量來修正頻率偏差，如圖6-29所示。圖6-29時鐘同步修正過程模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

3）時鐘的層次結構

在FlexRay簇和節(jié)點中，時間單位的層次有周期、宏時鐘節(jié)拍、微時鐘節(jié)拍，其關系見圖6-30。微時鐘直接由通信控制器的振蕩器產生，是面向通信控制器的時間單位，也是一個節(jié)點里面最小時間單位。圖6-30時間單位的層次模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

4）時鐘的同步過程

FlexRay的時鐘同步過程。時鐘同步包含兩個主要的過程：一個是宏時鐘產生過程（MTG），其控制宏時鐘計數器和周期計數器，并進行頻率和相位偏移的校正；另一個是時鐘同步過程（CSP），其完成周期開始時的初始化、檢測并存儲偏差值以及計算速率和偏移的校正值。這兩個過程的定時關系以及與媒體訪問的關系如圖6-31。圖6-31MTG、CSP與MAC的時間關系表模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

FlexRay的通信是在周期循環(huán)中進行的，如圖6-32所示。一個通信循環(huán)始終包括靜態(tài)段（ST）和網絡閑置時間（NIT），還可能包括動態(tài)段（DYN）、符號窗口（SW）。ST和DYN由時槽Slot構成，通過時槽傳輸幀信息，時槽經固定的周期而重復。協議內部流程需要網絡閑置時間，并且在這個時段內，集群的節(jié)點之間不進行任何通信。所謂集群（Clique）是指一組具有一定相同系統屬性的通信控制器。圖6-32帶靜態(tài)和動態(tài)段的通信循環(huán)模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

在靜態(tài)段中，采用時分多址TDMA技術實現時間觸發(fā)。將多個時槽固定分配給每個節(jié)點，這些時槽內，只允許該節(jié)點傳輸數據。所有時槽的大小相同，并且是從1開始向上編號，在運行期間，該時槽的分配不能修改，靜態(tài)部分傳送的信息在通信開始時就應該組合好，傳輸數據的最大量不能超過固定長度。這種訪問方法，可保證在靜態(tài)段中傳輸的特定消息，在周期循環(huán)中擁有固定的位置，接收器可提前知曉消息到達的時間，并且到達時間的臨時偏差幅度會非常小。因此，即便行車環(huán)境惡劣多變，干擾了系統傳輸，FlexRay協議也可確保將信息延遲和抖動降至最低，從而盡可能保持傳輸的同步與可測試。這對需要持續(xù)的高速性能的應用（如線控制動、線控轉向等）來說非常重要（圖6-32）。

動態(tài)段采用更靈活的時分多址技術FTDMA，使用小時槽Mini-Slot作為訪問動態(tài)部分的通信媒介。各個節(jié)點利用信息ID（報文ID）中定義好的優(yōu)先級競爭帶寬。如果在小時槽中出現了總線訪問，時槽就會按照需要的時間來擴展，因而總線的帶寬是動態(tài)可變動。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

4．FlexRay總線數據傳輸

1）冗余數據傳輸

FlexRay總線節(jié)點能夠同時支持兩個完全獨立的物理通道：通道A和通道B，兩個通道傳輸的信息是相同的，可通過冗余備份來實現容錯。雙通道保證了網絡正常運行期間通信速度更快，同時確保某個傳輸通道出現故障時提供數據傳輸冗余，增強系統容錯能力。在FlexRay容錯性系統中，為確保數據能持續(xù)可靠傳輸，即使總線系統某一傳輸通道發(fā)生故障，另一通道支持冗余數據的并發(fā)傳輸，并且知道進行故障處理的位置，如圖6-33所示。圖6-33冗余數據傳輸模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

例如，線控制動（Brake-by-Wire）通過與制動卡鉗安裝在一起的精密電機和電子設備來控制蝸桿，不再使用任意泄露的主缸、分泵、各類管道和專用液體等。為了確保制動操作的可靠運行，采用一定的冗余是十分必要的。

具有冗余數據傳輸能力的總線系統使用兩個彼此無關的通道。每個通道都由一個雙絞線連接組成。一個通道失靈時，故障通道應傳輸的信息放到非故障通道上一起傳輸。即使帶有冗余數據傳輸，也可以利用FlexRay使用混合拓撲結構。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

2）確定性數據傳輸（時間控制型）

FlexRay總線系統是一種時間控制型總線系統，該系統也可以用于以事件控制方式傳輸據傳輸的部分區(qū)域，如圖6-34所示。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

CAN總線系統是一種事件觸發(fā)（控制）型總線系統，存在一個事件時就會傳輸數據，事件觸發(fā)不可避免地會產生報文不確定、總線負載率接近極限、沒有帶寬儲備及對應容錯設計。如果許多事件匯集在一起，則可能在另一條信息能夠發(fā)送前出現延遲現象。如果無法成功且無錯誤地傳輸一條信息，則該信息將一直發(fā)送到通信設備作出確認。如果總線系統內出現故障，則可能導致這些事件控制的信息匯集在一起并造成這些系統過載，就是說各信號的傳輸要延遲很長時間，這種情況可能導致各系統的控制特性變差。

FlexRay總線系統在時間控制的區(qū)域內時隙分配給確定信息。一個時隙是指一個規(guī)定的時間段，該時間段對某一信息開放。這樣，在FlexRay總線系統內重要的周期性信息以固定的時間間隔傳輸，因此不會造成FlexRay總線過載。對時間要求不高的其他信息則在事件控制的區(qū)域內傳輸。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

FlexRay為時間控制型總線，確定性數據傳輸用于確保時間控制區(qū)域內的每條信息都實時傳輸，即每條信息都在規(guī)定時間內進行傳輸。因此不會由于總線系統過載而導致重要總線信息發(fā)送過遲。如果由于暫時性故障（例如EMC故障）而造成一條信息丟失，則這條信息不會再次發(fā)送。

由于FlexRay總線通信是基于時間觸發(fā)的總線系統，因此在時間控制區(qū)域內，時隙會分配給確定的消息，即會將規(guī)定好的時間段分配給特定的消息，時隙是經固定周期重復，也就是說信息在總線上的時間可以被預測出來，因此保證了確定性數據傳輸。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

3）FlexRay數據通信過程

（1）初始化流程。由于FlexRay通信主要是基于時間觸發(fā)的周期性通信循環(huán)，時間同步是FlexRay網絡的通信基礎；FlexRay網絡將啟動節(jié)點的時鐘作為參考，通過啟動，建立整個網絡的同步時間，且在通信的過程中，其他節(jié)點不斷地以此為基準進行自我校正。FlexRay的初始化，主要是實現FlexRay網絡通信之間的喚醒、啟動、時間同步，是現實FlexRay網絡正常通信的基礎，FlexRay網絡的具體啟動配置流程圖如圖6-35所示。圖6-35FlexRay初始化流程模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

（2）數據發(fā)送流程。當FlexRay網絡正常啟動后，才可以進行FlexRay數據通信。在靜態(tài)段中，它是基于TDMA（時分多址）技術的時間觸發(fā)，是通過事先安排好的時刻表贏得總線。所謂時分多址（TimeDivisionMultipleAccess，TDMA）是指把時間分割成周期性的幀（Frame），每一個幀再分割成若干個時隙向基站發(fā)送信號，在滿足定時和同步的條件下，基站可以分別在各時隙中接收到各終端的信號而不混擾。同時，基站發(fā)向各終端的信號都按順序安排在預定的時隙中傳輸，各終端只要在指定的時隙內接收。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

FlexRay消息發(fā)送的中斷產生過程：TDMA時分表中的每個時槽都會對應一個中斷，且這些中斷按時分表在時間軸上分布開來，只有在其對應的時槽時刻，才會由FlexRay模塊自動置位中斷，且每個時槽的發(fā)送中斷產生與標志置位都是在該時槽數據發(fā)送完畢之后，由FlexRay模塊自動產生相應的置位與中斷；當進入FlexRay對應時槽的中斷服務程序后，調用發(fā)送函數，鎖定發(fā)送時槽對應的發(fā)送緩存，對發(fā)送緩存賦值并置位發(fā)送，最后解鎖發(fā)送緩存，等待下一個周期該時槽的發(fā)送刻到來發(fā)送。FlexRay總線數據發(fā)送中斷流程如圖6-36所示。圖6-36FlexRay數據發(fā)送流程模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

（3）數據接收流程。FlexRay通信接收流程，如圖6-37所示。FlexRay數據接收也是采用中斷方式，FlexRay協議控制器采用“提前搜索算法”來保證數據準時接收。在FlexRay中，每一個接收時槽的接收中斷產生都是在時槽接收數據完畢并確認有效后，由FlexRay模塊自動產生相應的接收中斷。當進入FlexRay對應時槽中斷服務程序后，程序調用接收函數，鎖定接收時槽對應的接收緩存，確認為數據幀后，讀取接收緩存中的數據與幀長度，最后解鎖接收緩存，等待下一個周期該時槽的接收時刻到來。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復圖6-37FlexRay數據接收流程模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

5．FlexRay總線喚醒與啟動

1）FlexRay總線喚醒與啟動

當FlexRay總線節(jié)點處于睡眠模式時，除了驅動器一直與電壓源相連外，其他元件的供電電源都被切斷，而驅動器能夠喚醒或激活這種模式的節(jié)點。當節(jié)點接收到喚醒特征符（WakeupSymbol）后，主機處理器和通信控制器才進行上電。喚醒特征符如圖6-38所示，一個節(jié)點只能喚醒一條總線，多個節(jié)點可以同時喚醒同一總線。圖6-38FlexRay喚醒特征符模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

在喚醒階段，簇中的每個節(jié)點有兩個方面的操作：①從“斷電（PowerOff）狀態(tài)”進入“上電（PowerOn）狀態(tài)”；②進入“就緒（Ready）狀態(tài)”。

在通信啟動執(zhí)行之前，整個簇需要被喚醒。啟動節(jié)點工作時，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（ColdstartNode）。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。組成簇的節(jié)點少于三個時，每個節(jié)點都應配置為冷啟動節(jié)點。每個起始幀同樣應為同步幀，因此每個冷啟動節(jié)點同樣應為同步節(jié)點。冷啟動節(jié)點中，主動啟動簇中消息的節(jié)點稱為主冷啟動節(jié)點（LeadingColdstartNode），其余的冷啟動節(jié)點則稱為從冷啟動節(jié)點（FollowingColdstartNode）。被配置傳輸同步幀的節(jié)點稱為同步節(jié)點（Syncnode）。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

當節(jié)點被喚醒并完成初始化后，它就可以在相應的主機控制命令發(fā)出之后進入啟動程序。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)點正在進行傳輸。當檢測到通信信道沒有進行傳輸時，該節(jié)點就成為主冷啟動節(jié)點。如圖6-39所示為啟動的過程。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。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復圖6-39FlexRay啟動過程模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

FlexRay具有在沒有外部同步時鐘信號的情況下同步網絡上的節(jié)點的獨特能力。為此，它使用兩種特殊類型的幀：啟動框架和同步框架。要啟動FlexRay集群，至少需要兩個不同的節(jié)點來發(fā)送啟動幀。啟動FlexRay總線的動作稱為冷啟動，發(fā)送啟動幀的節(jié)點通常稱為冷啟動節(jié)點。啟動幀類似于啟動觸發(fā)器，它告訴網絡上的所有節(jié)點啟動。

一旦網絡啟動，所有節(jié)點必須將其內部振蕩器與網絡的宏標記同步。這可以使用另外兩個同步節(jié)點來完成。這些可以是網絡上預先指定在第一次打開時廣播特殊同步幀的任何兩個獨立節(jié)點。網絡上的其他節(jié)點等待同步幀被廣播，并測量連續(xù)廣播之間的時間，以便將其內部時鐘校準到FlexRay時間。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

一旦網絡被同步和在線，就測量網絡空閑時間，并用于從一個周期到另一個周期調整時鐘，以保持緊密的同步，如圖6-40所示。圖6-40FlexRay總線啟動模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

2）寶馬FlexRay總線喚醒及休眠

在寶馬F01/F02車型中，盡管可以通過總線信號喚醒FlexRay總線控制單元，但大部分FlexRay控制單元由CAS（便捷登車及起動系統）通過一個附加喚醒導線啟用，該喚醒導線的功能與以前PT-CAN內的喚醒導線（15WUP）相同，其信號曲線與PT-CAN的信號曲線一樣。

主動轉向系統（AL）和垂直動態(tài)管理系統（VDM）不通過喚醒導線，而是通過總線信號喚醒。隨后通過接通供電直接由VDM啟用四個減振器衛(wèi)星式控制單元。FlexRay的喚醒信號曲線如圖6-41所示，從中可以清楚地看出車輛開鎖（打開車門鎖）和起動時的典型的電壓曲線。圖6-41F01/F02車型FlexRay的喚醒信號曲線模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

階段1：駕駛員將車輛開鎖。便捷登車及起動系統CAS控制單元啟用喚醒脈沖并通過喚醒導線將駕駛員開鎖信號傳輸給所連接的FlexRay控制單元。

階段2：駕駛員進入車內，在車鑰匙插入點火開關之前，打開車輛，總線端R仍處于關閉狀態(tài)，總線系統內的電壓電平再次下降?？偩€端R如圖6-42所示。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復圖6-42F01/F02車型FlexRay總線端控制模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

階段3：起動車輛，總線端15接通，電壓電平保持在設定值，直至再次關閉總線端15?？偩€端15如圖6-42所示。

階段4：駕駛員關閉發(fā)動機，鎖好車門，總線端R再次關閉，此時整個車輛網絡必須進入休眠模式，以免耗電過多。為確保所有控制單元都“休眠”，網絡內的每個控制單元都自動注銷。

供電總線端包括：總線端30、總線端30B、總線端30F、總線端15N，通過不同總線端為車載網絡內的設備供電。喚醒車輛時，便捷登車及起動系統控制繼電器顯示狀態(tài)信息，并通過K-CAN發(fā)送總線端狀態(tài)信號。邏輯總線端（包括總線端R、總線端15、總線端50，寶馬新車型總線端名稱有變化）不能作為供電總線端使用，只能表示一種狀態(tài)。通過按壓START-STOP按鈕啟用或停用。例如，總線端15用于發(fā)出“點火開關打開/點火開關關閉”狀態(tài)信號，不用于供電。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

電源模塊通過總線端0～60min后進入休眠電流監(jiān)控功能，如果在60min以內對車輛進行操作（例如，打開中控鎖、行李艙蓋），就會開始執(zhí)行休眠電流監(jiān)控功能。如果3周內沒有任何操作請求，就會斷開蓄電池與車載網絡的連接，從而避免蓄電池過度放電。

為了防止用電器持續(xù)啟用期間蓄電池放電，總線端R關閉16min后將執(zhí)行中央用電器關閉功能。這些用電器包括：IB（車內照明裝置）、VAK（車身區(qū)域的用電器關閉）、VAD（車頂區(qū)域的用電器關閉）。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

F01/F02車型FlexRay總線端控制過程（圖6-42）：

（1）操作START-STOP按鈕和制動踏板→啟用總線端50且起動發(fā)動機。

（2）發(fā)動機運轉（總線端50>線端15）。

（3）操作START-STOP按鈕和制動踏板→起動發(fā)動機。

（4）將換擋桿掛入N擋且通過START-STOP按鈕使發(fā)動機停止運轉時，總線端15接通15min。

（5）車輛上鎖或達到起動能力限值時，總線端15關閉。

模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復（6）通過操作START-STOP按鈕在總線端15和總線端0之間切換總線端狀態(tài)。

（7）通過操作START-STOP按鈕使總線端狀態(tài)從總線端R切換至總線端0。

（8）超過8min或車輛上鎖或達到起動能力限值時，從總線端R切換至總線端0。

（9）短促按壓START-STOP按鈕→發(fā)動機停止運轉。

（10）操作START-STOP按鈕和制動踏板→起動發(fā)動機。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

二、FlexRay總線的檢測

（一）FlexRay總線終端電阻檢測

1．FlexRay總線終端電阻的設置

與大多數總線系統一樣，為了避免在總線上產生信號反射，FlexRay總線的數據導線兩端也使用了終端電阻，這些終端電阻的阻值由數據傳輸速率和導線長度決定，終端電阻位于控制單元內部。只有個別情況下才會直接安裝在導線束內，例如D-CAN。如果一個總線驅動器上僅連接一個控制單元（例如，SZL與總線驅動器BD0相連），則總線驅動器和控制單元的接口各有一個終端電阻。中央網關模塊的這種連接方式稱為“終止節(jié)點終端”（圖6-43、圖6-44）。圖6-43終止節(jié)點終端內部的終端電阻模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復圖6-44形成環(huán)路的FlexRay終端電阻的設置模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

如果控制單元上的接口不是物理終止節(jié)點（例如，總線驅動器BD2上的DSC、ICM和DME），則稱為FlexRay傳輸和繼續(xù)傳輸導線。在這種情況下，每個總線路徑兩端的組件都必須以終端電阻終止。這種連接方式既用于中央網關模塊，也用于一些控制單元。但帶有傳輸和繼續(xù)傳輸導線的控制單元使用一個“非終止節(jié)點終端”獲取數據。

為了有效防止網絡中的電磁干擾，可按如圖6-45所示，在BP和BM之間使用共模抑制線圈。對共模抑制線圈的要求，如引線電阻功率（<1W）、電感（>50mH）以及雜散電感（<1mH）。圖6-45具有共模抑制線圈和終端電阻的節(jié)點ECU模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

為避免信號的反射和回波，在FlexRay通信網絡中物理上最遠的兩個節(jié)點間分別加上終端電阻。為了獲得更好的EMC性能，將在BP和BM兩根線之間的終端電阻分成RTA和RTB，總線上的共模信號通過RC電路連接到搭鐵，如圖6-45所示。終端電阻各參數推薦值見表6-1。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

寶馬E70車型FlexRay總線所有衛(wèi)星式控制單元EDC都分別通過插接連接件連接在VDM控制單元上。終端電阻位于EDC衛(wèi)星式控制單元內。每個衛(wèi)星式控制單元都帶有一個終端電阻。由于導線的波涌阻抗（高頻導線阻抗）取決于外部影響因素，所以針對所要求的電阻值精確匹配了終端電阻，如圖6-46所示。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復圖6-46E70車型FlexRay總線拓撲結構模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

在內部左側和右側EDC衛(wèi)星式控制單元則連接為一個線形拓撲結構。兩個線形結構通過一個由兩個總線驅動器組成的雙星形結構連接在一起。由某一個EDC衛(wèi)星式控制單元或由中央VDM控制單元發(fā)出的每一條信息都會到達所連接的所有控制單元處。

如圖6-47所示為奧迪A6LFlexRay總線終端電阻網絡圖，中間控制單元有四個總線接口，有兩個1.3kΩ的串聯電阻，末端控制單元有兩個總線接口，有兩個47Ω的串聯電阻，中間控制單元不會阻礙信號的傳送。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復圖6-47奧迪A6LFlexRay總線拓撲結構及終端電阻模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

奧迪FlexRay總線終端電阻，如圖6-48所示。圖6-48奧迪FlexRay總線終端電阻模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

如圖6-49所示為路虎發(fā)現轎車FlexRay網絡拓撲圖，網絡包含三個分支，每個分支均使用一對扭結電線構建，每個分支的末端均配有終端電阻器，這些電阻器按串聯方式連接。圖6-49路虎發(fā)現FlexRay網絡拓撲圖1-BCM/GWM；2-ECM；3-ABS；4-TCCM（分動器模塊）；5-TCM；6-FlexRayTM終端電阻器電路；7-電阻器模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

FlexRay總線在E70車型垂直動態(tài)管理系統上的應用，如圖6-50所示。圖6-50FlexRay總線在E70車型垂直動態(tài)管理系統上的應用1-接線盒控制單元；2-垂直動態(tài)管理系統VDM；3-診斷插座；4-前部車輛高度傳感器；5-帶有垂直加速度傳感器和電磁閥的EDC衛(wèi)星式控制單元；6-后部車輛高度傳感器；D-CAN-診斷CAN；F-CAN-底盤CAN；PT-CAN-動力傳動系CAN模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

2．FlexRay總線終端電阻的檢測

一般可通過測量終端電阻來初步判斷總線故障。對于寶馬E70而言，借助電阻測量儀（歐姆表、萬用表）可以相對簡單地檢測到衛(wèi)星式控制單元的四部分導線。從VDM控制單元處進行測量終端電阻，可得出如下結論：

RBP－BM＝10Ω，這部分導線短路。

RBP－BM＝10～90Ω，這部分導線損壞，如插頭潮濕、導線擠壓變形。

RBP－BM＝90～110Ω，這部分導線正常且衛(wèi)星控制單元EDC已連接。

RBP－BM>110Ω，這部分導線斷路、衛(wèi)星控制單元EDC未連接或者至衛(wèi)星控制單元EDC的連接斷開。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

（二）FlexRay總線電壓

1）信號的創(chuàng)建

FlexRay總線傳輸的電信號是二進制碼元，如位、幀等，它們是由CC創(chuàng)建的。CC可以是位于微控制器之外的專用集成電路，也可以直接集成到微控制器中。在傳輸速率為10Mb/s時，它的作用是產生標稱持續(xù)時間為100ms的一系列二進制位。傳輸媒體所攜帶的信號是符合二進制邏輯的電氣信號，這類信號應具有三個特征：編碼、速度和物理表示。

FlexRay總線被傳輸的數據是由“0”和“1”組成的，位編碼方法使用了不歸零（NRZ）編碼，它用正電壓表示一種二進制值，負電壓表示另一種二進制值，物理信號一旦確定下來，在整個二進制位持續(xù)時間內不會改變。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

當位編碼確定后，就要定義位編碼的物理表示。位的物理表示形式多種多樣?，F有的FlexRay物理層規(guī)范只針對差分對型有線媒體給出了物理表示形式。在這種情況下，電氣信號以“差分模式”進行傳輸。如圖6-51所示，BP和BM表示FlexRay總線的兩條總線電纜，兩條線纜之間的差分電壓定義為：uBus＝uBP－uBM，BP（BusPlus）為正線、BM（BusMinus）為負線。根據uBP和uBM的不同電壓，使用不同的信號BP（BusPlus）和BM（BusMinus）進行通信。圖6-51FlexRay總線信號狀態(tài)模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

四個信號代表了FlexRay總線的四種狀態(tài)：低功耗、空閑、數值1、數值0，各個總線狀態(tài)的意義如下（注意在Data＿1和Data＿0之間不允許有沖突）：

Idle＿L狀態(tài)：低功耗模式，如休眠（Sleep）、安息（GotoSleep）、待機（Standby）等。導線BP和BM都通過下拉電阻搭鐵，差分電壓信號為0V。

Idle狀態(tài)：無通信狀態(tài)（總線空閑模式），網絡上沒有數據，但簇內至少有一個節(jié)點不處于低功耗模式。BP和BM都處于空閑電壓電平（IdleVoltageLevel），兩個總線導線的電平為2.5V，差分電壓信號為0V。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

Data＿1：邏輯高，uBus＝uBP－uBM為正?？偩€正極導線具有高電平，總線負極導線具有低電平。總線驅動器BD在BP和BM之間建立正差分電壓，差分電壓信號為+600～2000mV。

Data＿0：邏輯低，uBus＝uBP－uBM為負?？偩€正極導線具有低電平，總線負極導線具有高電平。總線驅動器BD在BP和BM之間建立負差分電壓，差分電壓信號為-600～2000mV。

需要說明的是，uBP－uBM這個差值的數量級為700mV，因此，FlexRay網絡信號產生的電磁輻射很小。模塊六FlexRay總線系統的檢測與修復

FlexRay總線三種狀態(tài)下的電平如圖6-52所示。圖6-52Fl