FlexRay设计分析

1、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。本文的主要目的是介绍 F

2、lexRay的相关知识，帮助用户了解 FlexRay及其应用的潜力。上返回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 gs和10 rs之间（通常为1-2rs）。 提前知道消息的延迟时间，保

3、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，可以支持对系

4、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，可以支持以安全为导向的

5、系统（如线控系 统）的设计。在车内通彳t方面，FlexRay提供了一次"典型转移二从事件驱动通信（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500kbit/

6、sec 。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 :汽车通信协议一£亘出修一击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。上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。

7、访问方法使用FlexRay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。通信循环fiinm 她 jiin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

8、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

9、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。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）c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。CycleStatic dyn. NIT纠正频率

10、纠正I I计其Meas I IpCycle +1Cycle 2(n+1)JStaledynMTStaticdyn.NET相位频率纠正频率纠正Mea$.Meas1 P-a*Cycle 2(n+1 )+1Siatltdyn.NT一L般住频率纠正Moas. P If测量 相位纠正值的计茸频率纠正值的计篁图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

11、，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 o在频率纠正中，需要使用两个通信循环的测量值。这些测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

12、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。在通信彳1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"coldstarteL程

13、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"弓 I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。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

14、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

15、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。止匕外，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，使它尽可能地接近主要 coldstarter 的值。无循环1花环0循环：循环2 循环工循环4 循环

16、S 彳盾环6 循环T循环8coldslsirter节点2 后续coldstarter信道Aft.测验证I04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

17、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。上返回 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

18、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。图 5和图6中的例子 表示接口逻辑相同的拓扑。两个拓扑的不同之处在于，图5的总线用于节点连接，而图 6的星状耦合器则用于各个信道。与总线结构相比，星状耦合器的优势在于：它在接收器和发送器之间提供点到点连接。该优势在高传输速率和长传输线路中尤为明显。另一个重要优势是错误分离功能。例如，如果信号传输使用的两条线路短路,4.所示。图7的拓扑由3个信道组成，每两个信道分别与一个节点相连。该拓扑不是FlexRay允许的拓扑形式。FlexRay不支持该拓扑，也不支持其功能。原因很简单，在 FlexRay中，信道A和B使用不同的CR

19、C ,以确保传输中的数据安全。这样可以防止两个信道的意外混合。这还意味着：连接到信道A的节点不能与连接到信道B的节点通信，无法满足图 拓扑设计时钟同步。7中的信道C的通信要求。除了 CRC不兼容以外，也没有为这种总线系统在该信道不能进行进一步的通信。如果使用星状结构，则只有到星状连接短路的节点才会受到影 响。其它所有节点仍然可以继续与其它节点通信。更多支持拓扑的例子如图7： FlexRay的不可行拓扑举例唤醒集群FlexRay提供了一些通过通信信道来唤醒集群的功能。这种唤醒要与主机应用协作进行。现在，有几个可 能的方案，我们将对其中一个方案进行详细介绍。图8显示了带4个节点的集群。本图中的数字

20、号码表示唤醒每个模块的步骤，并且与顺序编号相同。;外部事件主机1。主机2 ©通信控制器1（CC）总线躯动总线驱动1B （BD）日DBDBD图8 :通过通信信道唤醒集群1 .外部事件唤醒了主机控制器 1 O它从睡眠模式切换到正常模式，然后开始初始化。在初始化阶段 后，它将FlexRay CC从睡眠（关机）状态切换到正常状态（开机状态）。2 . 主机1唤醒FlexRay CC ,进行初始化。3 . 主机唤醒总线驱动（BD 1A 和BD 1B）。4 .主机通过通信信道，向CC发出唤醒集群的命令。CC进入唤醒状态，生成唤醒模式，该模式先发 送到总线驱动，总线驱动再将它发送到总线。5 .信道A

21、上的所有总线驱动均采用唤醒模式。它们从睡眠模式进入正常模式，然后唤醒主机。6 .主机控制器2和3执行初始化程序。7 .主机2和3唤醒CC ,然后进行初始化。此时该流程已实施完毕。8 .检查信道B上的总线驱动是否被同时唤醒。如果没有，主机应唤醒第二台总线驱动。9 .选择主机，验证两条信道是否都已被唤醒。如果没有，一台或多台主机应向 CC发送唤醒命令（参 见图4）,以唤醒第二个信道。 信道B上的唤醒模式可以唤醒该信道上未被唤醒的所有总线驱动。10 .只连接到信道B的节点只能由信道 B （节点4）上的唤醒模式唤醒。总线驱动唤醒主机。11 .初始化后，它又唤醒 CC。12 .如果两个信道都已被唤醒，则

22、可以执行启动。为了实现启动，每个主机应向CC发送启动命令。所有唤醒只能由总线驱动、CC和主机一起协作实现。上述任何一种设备都不能单独执行自己的唤醒操作。唤醒不是完全由FlexRay执行的一项功能。相反，它还要求应用软件的介入。帧的大小选择在设计基于FlexRay的通信系统时，用户必须作出一系列决定，这会影响效率、可靠性、安全性和用户友 好性。因此，除了选择正确的拓扑外，还需要定义大量参数。其中的参数之一就是帧的大小。在静态部分中，所有帧都具有相同的尺寸，该尺寸实质上决定着时槽的大小。这种通信系统的目标是尽量 传输更多的用户数据，同时将开销控制在尽量小的范围内。帧的大小在这个方面发挥着重要作用。

23、下面将 举例演示用户拥有哪些配置选项。节点号码1234567数据数量31211162279表1:示例：集群中的传输数据分配表1显示了带有7个节点的集群中的可能传输数据分配的示例。根据这个分配方式，表2计算了几种不同场景。为进行计算，首先选择了消息大小（净数据）。在本过程中，FlexRay必须遵循一些规则。静态部分的所有消息的大小都是相同的。止匕外，消息大小必须为偶数。 表2的第2列选择了 4种不同的消息大小。第3列显示要在一个循环中传输所有数据，相应地需要多少消息（要根据消息大小确定）。将消息大小（第2歹U）与消息数量（第3歹U）相乘，就可以得出一个循环中的总的净数据量（第 4歹U）。选项编号消息大小（字节）消息数量总的字节数线头+CRC+TSS+J 置时钟+安全122715421022425224249628833643231681281922082404129108180198234表2:最优帧大小的计算根据净数据的数量，第2号应当是最佳解决方案。但是，要选择最适合的方案，在实际操作中必须考虑到： 消息不只是由有效载荷数据组成的。在传输时还可能增加其它数据，如识别符和CRC。因此，第5列在显示总的消息大小时，还考虑了 5字节的报头和3字节的CRC。除了报头和CRC外，还会将起始顺序（TS