FlexRay设计解析.docx

1、FlexRay设计解析FlexRay设计、功能和应用 Mathias Rausch博士，飞思卡尔半导体 在协议制定5年后，该协议规范（V2.1）的第二版也在2005年春季出版1。第一批产品已于2003年推出，另外还将在今年推出更多产品。由于新技术能实现经济高效的新应用的实施，整个行业对它产生了浓厚的兴趣。 在FlexRay功能的基础上，我们将在下文中探讨潜在的应用领域。然后，我们将更加详细地介绍在FlexRay中使用的三种机制，并列举一系列示例来讨论FlexRay的几种应用。最后，我们将讨论可行和不可行拓扑的示例，并简要论述唤醒集群的场景。在本文的最后，我们将讨论如何计算最优的消息大小。 本文

2、的主要目的是介绍FlexRay的相关知识，帮助用户了解FlexRay及其应用的潜力。 返回 FlexRay概况 特性 FlexRay提供了传统车内通信协议所不具备的大量特性。这些特性能为新型应用创造大量的机会。这些基本特性包括： 2 x 10 Mbit/s的数据速率 FlexRay支持两个通信信道：每个信道的速度达到10 Mbit/sec。与CAN协议相比，取决于配置和比较模式的不同，它能将可用带宽提高10-40倍。 同步时基 FlexRay中使用的访问方法是基于同步时基的。该时基通过协议自动建立和同步，以提供给应用。时基的精确度介于0.5 s 和 10 s之间（通常为1-2s）。 提前知道消

3、息的延迟时间，保证偏差幅度 通信是在周期循环中进行的。特定消息在通信循环中拥有固定位置，因此接收器已经提前知道了消息到达时间。到达时间的临时偏差幅度会非常小，并能得到保证。 冗余和非冗余通信 为了增强系统的可用性，FlexRay提供了冗余传输消息的选项。消息能够冗余传输，但并不是所有消息都必须冗余传输，否则会导致带宽的过多损失。 灵活性 在FlexRay开发过程中，主要重点是灵活性。不仅提供消息冗余传输或非冗余传输两种选择，系统还可以进行优化，以提高可用性（静态带宽分配）或吞吐量（动态带宽分配）。用户还可以扩展系统，而无需调整现有节点中的软件。同时，它还支持总线或星状拓扑。它提供了大量配置参数

4、，可以支持对系统进行调整，以满足特定应用的需求，如通信循环的持续时间、消息长度等。 应用领域 2.1章节中列出的特性使它适合于大量应用领域： CAN的替代技术 在数据速率要求超过CAN的应用中，人们现在同时使用了两条或多条CAN总线。FlexRay是替代这种多总线解决方案的理想技术。 骨干 FlexRay具备很高的数据速率，因而非常适合汽车骨干网络，用于连接多个独立网络。 实时应用，分布式控制系统 用户可以提前知道消息到达时间，消息循环偏差非常小，这就使FlexRay成为具有严格的实时要求的分布式控制系统的首选技术。 以安全为导向的系统 FlexRay本身不能确保系统安全，但它具备大量功能，可

5、以支持以安全为导向的系统（如线控系统）的设计。 在车内通信方面，FlexRay提供了一次典型转移，从事件驱动通信（CAN）迁移到时间驱动通信。这种迁移需要一定时间，因为它不仅会影响新技术的推出，还要求对涉及到的所有方面都进行重新培训。一旦这个迁移步骤完成，就会发现更多应用领域。 协议分类 目前已经存在大量专门为汽车应用设计的各种协议。图1进行了简要介绍。历史最悠久、同时最广为人知的协议是CAN（大多数情况下是高速CAN：CAN-C）。该协议既部署在动力系统中，也部署在车身应用中（低速CAN最为普遍）。它能够实现的最高数据速率为1 Mbit/sec，但网络的传输速率通常低于500 kbit/se

6、c。 虽然LIN协议在几年前才制定，但其应用却已十分广泛。该协议是为传输速率要求较低的经济高效的模块开发的。它还特别部署在车身应用中，如座位和后视镜调整、电动窗等。它可以达到20 kbit/sec的速率，足以满足此类应用的需求。 图1：汽车通信协议 D2B协议、MOST协议及其新版本协议是专为多媒体应用开发的，并且通常只在该领域使用。该协议不适合部署到其它领域。 在速度方面，FlexRay的速度介于CAN协议和MOST协议之间，但是由于它具有容错功能，所以更为复杂。 返回 功能 本章节将更详细地介绍FlexRay中使用的部分机制，包括访问方法、时钟同步和集群启动等。 访问方法 使用FlexRa

7、y的通信是在周期循环中进行的。一个通信循环始终包括静态部分和网络闲置时间（NIT）。协议内部流程需要网络闲置时间，并且，在这个时段内，集群的节点之间不进行任何通信（图2）。 通信循环的静态部分基于TDMA（时分多址）技术。该技术将固定时槽分配给各个节点，在这个时槽内，允许节点传输数据。所有时槽大小相同，并且是从1开始向上编号。将1个或1个以上时槽固定分配给每个节点。在运行期间，该时槽的分配不能修改。 图2：带静态和动态段的通信循环 除了静态部分以外，通信循环还选择性地组成动态部分。所谓的小时槽法用来访问动态部分的通信媒介。呼出消息永远分配给动态时槽。与大小都相同、始终用于传输的静态时槽相反，只

8、要时槽分配给了节点，动态部分就只能在需要时才进行传输。因此，动态部分的可用带宽是动态分配的。如果消息号码（ID）和时槽号码对应，带有待发呼出消息的节点就会进行传输。如果没有节点传输，所有节点就会等候，等待的时间长度正是时槽的长度，然后它们的时槽读数也会增加。在时槽读数增加以后，所有节点都将检查该时槽号码是否与呼出消息对应。如果两者匹配，该节点将发送消息。所有节点接受这条消息，并且一直等到它们完全接收了这条消息后再增加时槽读数。这一过程将会持续，直至到达动态部分。如果在循环中，没有或者只有少数节点传输消息，在动态部分的结尾，就会达到更高的时槽数量。如果有大量节点进行传输，则到达的时槽数量就比较少

9、。因此，拥有较高编号的（即优先权较低）呼出消息的节点可能在一个循环中传输，而不在另一个循环中传输，具体取决于动态部分在其之前已经传输的节点的数量。要确定消息已经传输，用户必须在静态部分发送该消息，或者必须将它分配给动态部分中的较低消息编号（即优先权较高）。 时钟同步 如果使用基于TDMA的通信协议，则通信媒介的访问在时间域中控制。因此，每个节点都必须保持时间同步，这一点非常重要。所有节点的时钟必须同步，并且最大偏差必须在限定范围内，这是实现时钟同步的前提条件。最大偏差称为精确。 图3：时钟同步机制 时钟偏差可以分为相位和频率偏差。相位偏差是两个时钟在某一特定时间的绝对差别。频率偏差是相位偏差随

10、着时间推移的变化。它反映了相位偏差在特定时间的变化。 有多种方法可以通过相位纠正和频率纠正实施时钟同步。FlexRay使用了一种综合方法，同时实施相位纠正和频率纠正。时钟同步是一个控制环路，与其它控制环路一样，它也由测量、计算和设定功能组成。 要测量每个时钟与其它时钟的偏差，所有节点都要在接收期间测量消息的到达时间。通过静态部分的定时机制，每个节点都知道消息应当何时到达。如果消息比预计时间早到或晚到，将能测量得出实际时间与预定时间之间的偏差。该偏差代表了传输和接收节点之间的时钟偏差。借助获得的测量值，可用容错平均算法计算出每个节点的纠正值2。 在频率纠正中，需要使用两个通信循环的测量值。这些测

11、量值之间的差值反映每个通信循环中的时钟偏差变化。它通常用于计算双循环结束时的纠正值（见上文提及的方法）。在整个后来的双循环中，都使用该纠正值。 相位纠正值的计算只需一个循环周期的测量值，一旦接收了所有测量值，即可开始实施计算，并且它必须在开始相位纠正前完成。在通信循环末尾，网络闲置时间（NIT）的一部分被保留，用于相位纠正。相位纠正要相隔一个循环实施，避免影响时钟频率偏差的确定。 图3概述了时钟同步的相位，以及不同访问方法的分配。如需了解时钟同步机制的详细消息，请参见3。 集群启动 与许多技术流程或程序一样，FlexRay中的启动阶段同样也是最复杂的操作阶段之一。这是因为FlexRay中的通信

12、基于同步时钟体制，但在启动阶段，这种体制还未建立。由于具备容错功能，FlexRay中不存在主时钟，因而时基不是由主时钟定义的。 启动集群时，将会启动coldstarter程序，该程序始终会出现在多个实例中。首先，启动传输消息的coldstarter被称为引导coldstarter，其它coldstarter则被称为后续coldstarter。 一旦节点被唤醒并完成初始化，它就能在发出相应的主机命令后进入启动流程。不属于coldstarter的节点会等候，直到它们至少识别到两个相互通讯的coldstarter为止。coldstarter自己会监控两个通信循环的传输信道，以确定其它节点是否正在传输

13、。如果没有，该节点会开始进行传输，从而成为主要coldstarter。主要coldstarter首先会传输无格式符号，向其它节点说明：目前它正在启动该集群，作为主要coldstarter。在传输符号后（符号即特定数量的无效位），该节点开始启动它自己的时钟，并且开始第一个通信循环。根据预先定义的集群范围的通信机制，主要coldstarter将在其分配的时槽中传输，与其它所有节点一样，它将只在一个时槽的启动阶段传输。 主要coldstarter发送的消息可由后续coldstarter接收。在消息身份识别号码（ID）（该号码与时槽编号相同）的帮助下，接收器能够确定发送器位于哪个时槽。传输节点的当前循

14、环编号附带在每条消息中发送。在接收第一条消息后，其它节点等待在下一个通信循环中发送的第二条消息。一旦收到第二条消息，后续coldstarter将开始启动他们的时钟，该时钟由循环编号和接收消息的时槽编号进行初始化。这样就可以为传输器和接收器之间的同步时间操作奠定基础。此外，接收节点会测量第一条消息和第二条消息之间的时间，该时间与通信循环的循环时间对应。测量出的时间与本地coldstarter时间进行比较。还可以通过减法确定可能偏差，频率纠正机制使用该偏差值作为纠正值。因此，下列coldstarter不能使用接收到的循环号码和时间值（与传输的时间槽对应）来启动时钟，但是它会修改其时基的频率，使它尽

15、可能地接近主要coldstarter的值。 图4：FlexRay 集群启动 原则上，在启动时，后续coldstarter的时钟会与主要coldstarter时钟同步。为了减少可能的错误，下列coldstarter在传输前必须等待两个循环。在这两个循环之间，下列coldstarter继续接受领先coldstarter的消息和其它已集成了下列coldstarter的消息。从接收的消息看，接收时间将与本地coldstarter进行比较。预测的和规定的接收之间的偏差需要测量出来，纠正数值则按照3.2介绍的时钟同步算法进行计算和应用。如果计算出的纠正值没有超过特定的阈值，节点就可以从下一个循环开始传输。它已经成功完成了启动阶段，并且现在正在正常运行（正常的通信状态）。 在确定和验证计算出的纠正值后，主要coldstarter会收到来自两个循环中的后续coldstarter的消息，完成启动阶段。图4对主要coldstarter和后续coldstarter的启动阶段进行了介绍。 返回 应用 可行和不可行的拓扑 FlexRay可以实现大量不同拓扑的应用。通常，FlexRay节点可以支持两个信道，因而可以开发单信道和双信道两种系统。在双信道系统中，不是所有节点都必须与两个信道连接。图5和图6的示例显示了一个系统，其中的节点1、3、5都与两个信道连接，而节点2和4都只与一个信道连接。