FlexRay總線調(diào)研分析報(bào)告

1、FlexRay總線調(diào)研報(bào)告作者:日期:FlexRay總線調(diào)研報(bào)告汽車電子已成為汽車行業(yè)的一個(gè)重要市場。汽車電子行業(yè)最大的熱點(diǎn)就是網(wǎng)絡(luò)化1。如今的汽車，已然是一個(gè)移動(dòng)式的信息裝置，通過車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以 接收、發(fā)送并處理大量的數(shù)據(jù)，對某些狀況做出必要的反應(yīng)。未來汽車的發(fā)展趨 勢必然是自動(dòng)化程度越來越高，使汽車更安全、更可靠、更舒適，這意味著在車 內(nèi)使用更多的傳感器、傳動(dòng)裝置及電子控制單元，這也將對車載網(wǎng)絡(luò)提出更高的 要求。針對未來汽車車載網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展要求，F(xiàn)lexRay應(yīng)運(yùn)而生。FlexRay關(guān)注的是當(dāng)今汽車行業(yè)的一些核心需求， 包括更快的數(shù)據(jù)速率，更靈活的數(shù)據(jù)通信，更 全面的拓?fù)溥x擇和容錯(cuò)運(yùn)算等

2、。FlexRay的出現(xiàn)，彌補(bǔ)了既有總線協(xié)議應(yīng)用在汽 車線控系統(tǒng)或者同安全相關(guān)的系統(tǒng)時(shí)容錯(cuò)性和傳輸速率太低的不足，并將逐步取代CAN總線成為新一代的汽車總線2o1 FlexRay總線介紹1.1 車載網(wǎng)絡(luò)概述現(xiàn)代科技推動(dòng)了汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，早在20世紀(jì)80年代國際上眾多知名汽車公司就積極致力于汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究及應(yīng)用，迄今為止，已有多種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。1994年，SAE車輛網(wǎng)絡(luò)委員會(huì)將汽車數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)劃分為 A、B、C等3 類。A類為面向傳感器/執(zhí)行器控制的低速網(wǎng)絡(luò)，B類為面向數(shù)據(jù)共享的中速網(wǎng)絡(luò)，C類為面向高速、實(shí)時(shí)閉環(huán)控制的多路傳輸網(wǎng)絡(luò)3。另外它還保留了 D類網(wǎng) 的定義，這類網(wǎng)絡(luò)主要是面向車內(nèi)的娛

3、樂設(shè)備的信息傳輸。四種汽車網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)總結(jié)如表1所示。表1汽車網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)CI*CQmrriuniQmiQri"plicationsLINCANFlex 尺口 VMOSTM394Class A10Kto 125Kbps (body)Lamps, lights, power wis, door locks pnweretcX125Kto 1MbpsmTormaitoniElcc：rjnic ndicEtcrsh driving inromnation; automatic ar conditioner, failure di日gnomi, etc.tClass CIM to 10Mbps tr

4、eal-time ointi olEngne control, ABS, ：ranmission control. brtd LQiiLrol. suspension cgntruh etcClass D10Mbpi or 'aster immtiired ajCar navigationsysrem. audio sys代in.eic1A類網(wǎng)絡(luò)主要面向傳感器、執(zhí)行器控制，是低速網(wǎng)絡(luò)。在該類網(wǎng)絡(luò)中對實(shí)時(shí) 性要求不高，且不需要診斷功能，數(shù)據(jù)速率一般在110Kbps,主要應(yīng)用于電動(dòng)門窗、座椅調(diào)節(jié)、燈光照明等控制。目前A類網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要有 TTP/A(Time-Triggered Protoc

5、ol)、LIN(Local Interconnect Network)等協(xié)議。B類網(wǎng)絡(luò)主要面向獨(dú)立模塊間的數(shù)據(jù)共享，是中速網(wǎng)絡(luò)，該類網(wǎng)絡(luò)適用于對 實(shí)時(shí)性要求不高的通信場合，數(shù)據(jù)速率一般在10100Kbps,主要應(yīng)用于電子車輛信心中心、故障診斷、儀表顯示、安全氣囊等系統(tǒng)，以減少冗余的傳感器和其 他電子部件。在 B類網(wǎng)絡(luò)中，具有代表性的有SAEJ1850、VAN(Vehicle AreaNetwork)、CAN (ISO11595-2,不高于 125Kbps)等協(xié)議。其中，CAN 憑其優(yōu)越 的性能，目前已經(jīng)成為被全世界接受的主流協(xié)議。C類網(wǎng)絡(luò)主要面向高速、實(shí)時(shí)閉環(huán)控制的多路傳輸網(wǎng)，該類網(wǎng)絡(luò)適用于與

6、安 全性相關(guān)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，如發(fā)動(dòng)機(jī)定時(shí)、燃油供給等系統(tǒng)，數(shù)據(jù)速率通常在 125kbps1Mbps之間。目前，C類網(wǎng)絡(luò)中的主要協(xié)議包括高速 CAN(ISO118982)、 正在發(fā)展中的TTP/C和FlexRay等協(xié)議。其中高速CAN基于優(yōu)先級的隨機(jī)訪問 方式，總線傳輸速率通常在125kbps1Mbps之間而其它幾種協(xié)議基于 TDMA(Time Division Multiple Access)或 FTDMA(Flexible Time Division Multiple Access)的確定性訪問方式，數(shù)據(jù)傳輸具有確定的延遲時(shí)間，且有很高的傳輸速 率(110Mbps)。D類網(wǎng)絡(luò)主要面向汽車信息娛樂

7、和遠(yuǎn)程信息設(shè)備，特別是汽車導(dǎo)航系統(tǒng)，需 要功能強(qiáng)大的操作系統(tǒng)和連接能力。在D類網(wǎng)絡(luò)中，具有代表性的有 MOST、IDBC、IDB1394、D2B、藍(lán)牙等協(xié)議 ”1.2 FlexRay的產(chǎn)生及發(fā)展隨著汽車中增強(qiáng)安全和舒適體驗(yàn)的功能越來越多，實(shí)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(gè) ECU,如果不采用新架構(gòu)，該數(shù)字可能還會(huì)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(cuò)功能的電氣/電子系統(tǒng)取代笨重的機(jī)械/液壓部分)的發(fā)展。 即使可以解決復(fù)雜性問題，傳統(tǒng)

8、的車用總線也缺乏線控所必需的確定性和容錯(cuò)功 能，例如，與安全有關(guān)的信息傳遞要求絕對的實(shí)時(shí)， 這類高優(yōu)先級的信息必須在 指定的時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)轿唬鐒x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(shí)，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(cuò)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 的9月，寶馬和戴姆勒克萊斯勒聯(lián)合飛

9、利浦和摩托羅拉成立了FlexRay的聯(lián)盟。由于FlexRay的優(yōu)秀特性和廣大的發(fā)展前景，又有很多的汽車，半導(dǎo)體和電子系 統(tǒng)的生產(chǎn)商陸續(xù)加入了FlexRay聯(lián)盟，為聯(lián)盟的壯大注入更強(qiáng)的活力，并使FlexRay通信系統(tǒng)很快獲得了動(dòng)力。目前，F(xiàn)lexRay聯(lián)盟包括了汽車工業(yè)中絕大 多數(shù)實(shí)力強(qiáng)勁而且影響力極強(qiáng)的角色，包括博世，通用汽車，福特等等。FlexRay 成員分為四個(gè)等級，分別是核心成員國，重要聯(lián)系成員國，聯(lián)系成員國和最外層 的開發(fā)成員國。其中核心成員包括寶馬，戴姆勒克萊斯勒，通用汽車，大眾，博 世，飛思卡爾和飛利浦。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(dòng)力總 成、

10、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(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)解決方案。由FlexRay聯(lián)盟制定的FlexRay協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)給出了 汽車工業(yè)總線更為理想的解決方案,當(dāng)前,FlexRay協(xié)議已經(jīng)得到業(yè)界各大汽車生產(chǎn)廠家以及汽車半導(dǎo)體公司的支持，成為下一代車用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過幾年的測試與修改，F(xiàn)lexRay協(xié)議2.1版本已經(jīng)發(fā)布。1.3 FlexRay 的特性在FlexRay協(xié)計(jì)設(shè)時(shí)，該聯(lián)盟就規(guī)定其三大主要目標(biāo)特性為：(1)高速：比目前其它車用主干網(wǎng)高出數(shù)倍；(2)確定的傳輸：以便有效的

11、應(yīng)用簡化的分布式控制算法；(3)高容錯(cuò)的通信：以便實(shí)施更高安全需要的控制機(jī)制或以電控系統(tǒng)替代液壓 系。為了能實(shí)現(xiàn)這些既定目標(biāo)，F(xiàn)lexRay協(xié)議設(shè)計(jì)了一些新特性，正是這些優(yōu)勢 技術(shù)使FlexRay成為下一代車用通信網(wǎng)絡(luò)的首選。FlexRay提供了傳統(tǒng)車內(nèi)通信 協(xié)議不具備的大量特性6,包括：(1)高傳輸速率：FlexRay的每個(gè)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(yùn)行，而且還可以作為一個(gè)雙信道系統(tǒng)運(yùn)行，因此可以達(dá) 到20Mbps的最大傳輸速率，是當(dāng)前 CAN最高運(yùn)行速率的20倍。(2)同步時(shí)基：FlexRay中使用的訪問方法是基于同步時(shí)基的。該時(shí)基通

12、過協(xié)議自動(dòng)建立和同步，并提供給應(yīng)用。時(shí)基的精確度介于0.5仙和10仙之間(通常為12口。(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(shí)間。到達(dá)時(shí)間的臨時(shí)偏差幅度會(huì)非常 小，并能得到保證。(4)高容錯(cuò)：強(qiáng)大的錯(cuò)誤檢測性能和容錯(cuò)功能是 FlexRay設(shè)計(jì)時(shí)考慮的重要方面。FlexRay 總線使用循環(huán)冗余校驗(yàn)CRC(Cyclic redundancy cheek)來檢驗(yàn)通信中的差錯(cuò)。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?決容錯(cuò)問題，如果出現(xiàn)意外情況，星型的支路可以有選擇的切斷。(5)靈活性

13、：在FlexRay協(xié)議的開發(fā)過程中，關(guān)注的主要問題是靈活性。不僅提供消息冗 余傳輸或非冗余傳輸兩種選擇，系統(tǒng)還可以進(jìn)行優(yōu)化，以提高可用性(靜態(tài)帶寬 分配)或吞吐量(動(dòng)態(tài)帶寬分配)。用戶還可以擴(kuò)展系統(tǒng)，而無需調(diào)整現(xiàn)有節(jié)點(diǎn) 中的軟件。同時(shí)，還支持總線或星型拓?fù)洹lexRay提供了大量配置參數(shù)，可以支持對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，如通信周期、消息長度等，以滿足特定應(yīng)用的需求。2 FlexRay總線技術(shù)原理2.1 幀格式結(jié)構(gòu)FlexRay幀格式包括幀頭段(Header segment'有效載荷段(payload segment) 與幀尾段(Trailer segments部分，如圖1所示網(wǎng)。節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)上

14、傳輸幀時(shí)，首先傳輸?shù)氖菐^段，其次傳輸?shù)氖怯行лd荷段，最后傳輸?shù)氖菐捕伪Ａ趔糜行лd荷引 述至佳片摩簿je 場刨也起始里!旨正住數(shù)據(jù)|» CRC CRC CRC幀有效栽荷段長度幀買CRC冏期計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)Q數(shù)據(jù)I數(shù)據(jù)Zilfaihlllilbii1IHH有效爨荷段> T 岫尾段FlrRkiyM： 5字節(jié)+(1254)字節(jié)+3字節(jié)圖1 FlexRay幀格式FlexRay幀頭段包括5個(gè)字節(jié)的信息，包括保留位(Reserved bit)、有效載荷段 前言指示位(Payload preamble indicator 空幀才旨示位(Null frame indicator)、同步 幀指示位(S

15、ync frame indicator) > 起始幀指示位 (Startup frame indicator) > 幀 ID(Frame ID)、有效載荷段長度(Payload length)、幀頭 CRC(Header CRC)、周期計(jì)數(shù)(cycle count)。幀ID的范圍從1到2047,幀0是無效的幀ID。在每個(gè)通道的一個(gè)通信周期 內(nèi)，幀ID僅被使用一次。一簇中每個(gè)可能被傳輸?shù)膸假x予了一個(gè)幀ID。ID數(shù)字越小，則優(yōu)先級越高。有效載荷段長度用來指明有效載荷段的尺寸。 有效載荷段的尺寸被編碼為有 效載荷段數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)值的二分之一 (即word的個(gè)數(shù))。在靜態(tài)時(shí)序部分的一個(gè)通 信

16、周期內(nèi)，所有發(fā)送幀的有效載荷段長度應(yīng)該是穩(wěn)定不變的。在動(dòng)態(tài)時(shí)序部分的 一個(gè)通信周期內(nèi)，不同幀的有效載荷段長度可能不同。 另外，在不同周期內(nèi)特殊 動(dòng)態(tài)時(shí)序部分的幀有效載荷段長度可能變化。FlexRay有效載荷段包含0254個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。在動(dòng)態(tài)時(shí)序部分，有效載荷段 的前兩個(gè)字節(jié)通常用作信息ID域(Message ID Field),接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)域中的內(nèi)容 去過濾或者引導(dǎo)數(shù)據(jù)。在靜態(tài)時(shí)序部分，有效載荷段的前13個(gè)字節(jié)(數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)12)通常用作網(wǎng)絡(luò)管理向量，在同一個(gè)簇內(nèi)所有的節(jié)點(diǎn)應(yīng)具有相同長度的網(wǎng) 絡(luò)管理向量。幀頭段的有效載荷前言指示位指明了有效載荷段是網(wǎng)絡(luò)管理向量還 是信息ID。FlexRay幀尾段只

17、含有24位的校驗(yàn)域，這個(gè)域包含了由幀頭段與有效載荷段 計(jì)算得出的CRC校驗(yàn)碼。計(jì)算幀CRC時(shí)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸順序?qū)谋Ａ粑婚_始， 到有效載荷段最后一個(gè)字節(jié)的最后一位結(jié)束，這些數(shù)據(jù)都放入CRC生成器中進(jìn)行計(jì)算。2.2 編碼與解碼FlexRay總線協(xié)議獨(dú)立于底層物理層，有兩個(gè)不同級的二進(jìn)制媒介。這兩個(gè) 不同級媒介所產(chǎn)生的比特流叫做通信要素(Communication Element)0節(jié)點(diǎn)使用“不歸零”編碼的方式對通信要素CE進(jìn)行編解碼。編碼與解碼(Coding andDecoding)實(shí)際講述了通信控制器與總線驅(qū)動(dòng)器之間，TxD、RXD和TxEN接口信號的編碼與解碼行為。具體結(jié)構(gòu)如 圖2所示。圖2

18、通信控制器與總線驅(qū)動(dòng)器間接口圖中TxEN是通信控制器請求數(shù)據(jù)信號，TxD是發(fā)送信號，RxD是接收信號, 當(dāng)總線上有一個(gè)傳輸給本節(jié)點(diǎn)的幀時(shí)，總線驅(qū)動(dòng)器先把接收到的物理電平信號轉(zhuǎn) 變?yōu)橐粋€(gè)用行信號，然后發(fā)送給通信控制器。當(dāng)通信控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送到總線 7時(shí)，過程剛好相反。編碼與解碼主要包括 3個(gè)過程：編碼與解碼過程、位過濾過程(Bit strobing)與喚醒模式解碼過程(Wakeup pattern Decoding)這些過程主要涉 及到以下三項(xiàng)技術(shù)：位時(shí)鐘對齊(Bit Clock Alignment)、采樣與多數(shù)表決(SamPling and Majority Voting)與通道空閑檢測(C

19、hannel Idle Detection)。2.2.1 位時(shí)鐘對齊位時(shí)鐘對齊機(jī)制是用來同步本地位時(shí)鐘的。位同步邊緣(Bit SynchronizationEdge混用來對接收器的位時(shí)間進(jìn)行重新對齊的。除了在對幀頭段、幀數(shù)據(jù)載荷 段或幀尾段的字節(jié)進(jìn)行位解碼時(shí)檢測到一個(gè)高位的情況外，節(jié)點(diǎn)在每次檢測到一 個(gè)高位時(shí)，可以使能位同步沿檢測。當(dāng)檢測到一個(gè)位同步時(shí)沿時(shí)，位時(shí)鐘對齊不 會(huì)增加采樣計(jì)數(shù)器的值，而是為了下次采樣將其設(shè)置為2。節(jié)點(diǎn)只能在從高到低的轉(zhuǎn)變時(shí)，執(zhí)行位同步。不管位同步在何時(shí)執(zhí)行，位時(shí)鐘對齊機(jī)制應(yīng)使進(jìn)一步的 位同步失效，直到上面所說的再次被使能。比特流解碼過程在任何兩個(gè)連續(xù)的位 檢測點(diǎn)之間至

20、多執(zhí)行一次的位同步。2.2.2 采樣與多數(shù)表決節(jié)點(diǎn)在RxD輸入處執(zhí)行采樣，對于每個(gè)通道的采樣時(shí)鐘周期，節(jié)點(diǎn)應(yīng)采樣 并存儲(chǔ)RxD輸入處的電平。節(jié)點(diǎn)在采樣的RxD信號處執(zhí)行多數(shù)表決操作，它的 目的是過濾RxD信號。多數(shù)表決機(jī)制實(shí)際上是一個(gè)用于阻止 RxD輸入信號故障的過濾器。信號故障被定義為一個(gè)事件，它可以改變當(dāng)前物理層條件。解碼器可 以連續(xù)的對最后一個(gè)存儲(chǔ)的采樣值進(jìn)行估值， 還可以計(jì)算高位采樣的數(shù)量。如果 采樣的位大多數(shù)是高位，那么決策單元輸出信號就是高位，否則就是低位。 圖3 描述了一個(gè)采樣和多數(shù)表決的例子通道采樣時(shí)髀次次窗口輸出他圖3采樣與多數(shù)表決通道采樣時(shí)鐘的上升沿能夠引起對 RxD比特流

21、當(dāng)前值的采樣動(dòng)作，并將其 保存在表決窗口內(nèi)。表決窗口內(nèi)的采樣位的多數(shù)能決定輸出情況，輸出位的高低隨多數(shù)的改變而改變。單個(gè)只會(huì)影響一個(gè)或者兩個(gè)通道采樣時(shí)鐘周期的故障就會(huì)被阻止。在采樣和表決結(jié)果的計(jì)算之間是有一定延遲的。這個(gè)延遲并沒在圖中顯示。任何一個(gè)投票或者采樣的延遲在時(shí)鐘同步上的作用必須在內(nèi)部進(jìn)行補(bǔ)償。在沒有故障錯(cuò)誤的情況下，輸出值有一個(gè)與采樣的RxD信號值相關(guān)的固定采樣時(shí)鐘周期的延遲。2.2.3 通道空閑檢測節(jié)點(diǎn)使用一個(gè)通道空閑檢測機(jī)制來標(biāo)識當(dāng)前通信要素的結(jié)束。不管何時(shí)只要在一個(gè)通道中連續(xù)檢測到n個(gè)高位，無論該通道當(dāng)前是否空閑，通道都將進(jìn)行通 道空閑檢測。但是，當(dāng)檢測到節(jié)點(diǎn)在編碼一個(gè)通信要素

22、時(shí)，通道空閑檢測是不會(huì)執(zhí)行的。編碼和解碼機(jī)制是相互排斥的，通道空閑檢測是一個(gè)解碼機(jī)制的邏輯組 件。2.3 媒體訪問控制在FlexRay協(xié)議中，媒介訪問控制是以一個(gè)循環(huán)進(jìn)行的通信周期為基礎(chǔ)的。 在一個(gè)通信周期中，F(xiàn)lexRay提供了兩種訪問的方式，分別為靜態(tài)的基于時(shí)分多 址(Time Division Multiple Access)的訪問方式和動(dòng)態(tài)的基于微型時(shí)槽 (Minislots)的 訪問方式。通信周期是FlexRay進(jìn)行媒介訪問的基本單位。它是通過時(shí)間等級層次來定 義的，具體的時(shí)間等級層次由圖4中所描述的4個(gè)時(shí)間層次組成。圖中的通信周 期層，定義了通信周期(Cycle) o它包含靜態(tài)段(

23、Static Segment)動(dòng)態(tài)段(Dynamic Segment)符號窗(Symbol Window)及總線空閑時(shí)間(Network Idle Time)。在靜態(tài) 段中，靜態(tài)的時(shí)分多址方式用來仲裁靜態(tài)段傳輸?shù)膬?yōu)先級。在動(dòng)態(tài)段中，動(dòng)態(tài)的基于微型時(shí)槽方式用來仲裁動(dòng)態(tài)段傳輸?shù)膬?yōu)先級。符號窗是一段通信時(shí)間段，在這段時(shí)間內(nèi)可以傳輸一個(gè)符號。總線空閑時(shí)間是一段總線通信空閑時(shí)間，一個(gè)通信周期在此后結(jié)束。仲裁層包含有仲裁網(wǎng)絡(luò)，它構(gòu)成了 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(shí)槽(Static Slots)的連續(xù)時(shí)間間隔組成，在動(dòng)態(tài)段中， 由稱為微型時(shí)槽(Minislots)的連續(xù)

24、時(shí)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。宏節(jié)拍在 簇寬度的基準(zhǔn)內(nèi)是同步的。遍及所有簇中的同步節(jié)點(diǎn)，宏節(jié)拍的時(shí)間是完全相同 的。每個(gè)本地宏節(jié)拍的時(shí)間都是一個(gè)整數(shù)倍的微節(jié)拍的時(shí)間。已分配的宏節(jié)拍邊緣叫做行動(dòng)點(diǎn)(Action points)。行動(dòng)點(diǎn)是一些特定的時(shí)刻，在這些時(shí)刻上，將會(huì)發(fā) 生傳輸?shù)拈_始(在動(dòng)態(tài)段，靜態(tài)段和符號窗)和結(jié)束(只發(fā)生在動(dòng)態(tài)段)。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(shí)鐘刻度， 選擇性地使用分頻器導(dǎo)出的時(shí)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(shí)間。節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的本地時(shí)間間隔尺寸就是微節(jié)拍。除了

25、在啟動(dòng)期間，系統(tǒng)將周期性的執(zhí)行一個(gè)通信周期，一個(gè)周期是由數(shù)量不 變的宏節(jié)拍組成的。一個(gè)通信周期總是包含有一個(gè)靜態(tài)段與一個(gè)總線空閑時(shí)間， 而動(dòng)態(tài)段與符號窗則可能包含，也可能不包含。靜態(tài)段和動(dòng)態(tài)段中的仲裁是基于分配給每個(gè)通道的節(jié)點(diǎn)簇中節(jié)點(diǎn)的獨(dú)特幀 標(biāo)識符及能計(jì)算出傳輸時(shí)槽的數(shù)目的計(jì)數(shù)方法進(jìn)行的。幀標(biāo)識符能夠決定該幀由哪個(gè)段中的傳輸時(shí)槽在什么時(shí)候開始發(fā)送。2.4 時(shí)鐘同步在分布式通信系統(tǒng)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都擁有自己的時(shí)鐘。由于溫度、電壓以及時(shí) 鐘源的產(chǎn)品誤差(如晶振)的影響，即使所有節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部時(shí)鐘基準(zhǔn)最初是同步的， 在經(jīng)過一段時(shí)間后，不同節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部時(shí)間基準(zhǔn)仍會(huì)產(chǎn)生差異。時(shí)間觸發(fā)系統(tǒng)的基礎(chǔ)假設(shè)是簇中的每個(gè)節(jié)

26、點(diǎn)有幾近相同的時(shí)間，這個(gè)共同的全局時(shí)間作為每個(gè)節(jié)點(diǎn)通信定時(shí)的基礎(chǔ)?！皫捉嗤币馕吨我鈨蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)全局 時(shí)間的差異在一個(gè)指定的容許范圍內(nèi)。FlexRay協(xié)議使用分布式時(shí)鐘同步機(jī)制，機(jī)制中每個(gè)節(jié)點(diǎn)觀測從其他節(jié)點(diǎn)發(fā) 送來的時(shí)間同步幀，根據(jù)這個(gè)時(shí)間同步幀每個(gè)節(jié)點(diǎn)各自地同步于整個(gè)簇。時(shí)鐘同步包含兩個(gè)主要的并發(fā)過程：宏節(jié)拍產(chǎn)生過程與時(shí)鐘同步過程。宏節(jié)拍產(chǎn)生過程 MTG(Macrotick Generation Process應(yīng)用相位與速率修正值，控制周期與宏節(jié)拍計(jì) 數(shù)器。時(shí)鐘同步過程 CSP(Clock synchronization Process發(fā)現(xiàn)了周期起始的初始 化、偏差值的測量與存儲(chǔ)、相位(Of

27、fset)與速率(Rate澹正值的計(jì)算三個(gè)過程。圖5 表明了這兩種過程與媒體訪問時(shí)間表之間的時(shí)間關(guān)系。媒體加向控制a周期2口+1周期2 n+3靜態(tài)段動(dòng)態(tài)段符號絡(luò)網(wǎng)量 網(wǎng)空向 符號宙 動(dòng)杰段 酢態(tài)段 絡(luò)用量 網(wǎng)空間動(dòng)杰段符號窗培雨量網(wǎng)空向靜杰段符號窗絡(luò)鬧盤網(wǎng)空向I_圖5 MTG、CSP與MAC的時(shí)間關(guān)系表時(shí)鐘同步功能的主要任務(wù)是確保將簇中不同節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘偏差抑制在一個(gè) 精度內(nèi)節(jié)點(diǎn)問兩種不同的時(shí)間偏差可以區(qū)別為相位偏差和頻率偏差。同步不同節(jié)點(diǎn)本地時(shí)間基準(zhǔn)，可以對相位偏差及速率偏差進(jìn)行修正。FlexRay使用了兩種方法的結(jié)合，相位修正與速率修正在所有節(jié)點(diǎn)中使用的處理方法相同。相位修正僅在奇數(shù)通信周期

28、的 NIT段執(zhí)行，在下一個(gè)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(shí)鐘同步算 法決定，并有可能為負(fù)數(shù)。相位改變量的計(jì)算發(fā)生在每個(gè)周期內(nèi)， 但修正僅應(yīng)用 在奇數(shù)通信周期的末尾。相位改變量的計(jì)算是基于單個(gè)通信周期內(nèi)測量到的值。 這個(gè)計(jì)算不會(huì)在NIT之前開始，只要計(jì)算的反應(yīng)被延遲到NIT,執(zhí)行就能在動(dòng)態(tài) 段或符號窗啟動(dòng)這個(gè)參數(shù)的計(jì)算，計(jì)算必須在相位修正開始前完成。速率修正應(yīng)在整個(gè)周期內(nèi)被執(zhí)行。速率改變量為一個(gè)整數(shù)倍的微節(jié)拍。在一 個(gè)通信周期內(nèi)，它被添加到已設(shè)置的微節(jié)拍中，其值可能為負(fù)數(shù)。速率改變量的 值由時(shí)鐘同步算法決定，并且每雙周期僅計(jì)算一次。速率改變量

29、的計(jì)算發(fā)生在靜 態(tài)段的奇數(shù)周期內(nèi)，它是基于奇偶雙周期內(nèi)測量到的值。這個(gè)計(jì)算不會(huì)在NIT之前開始，只要計(jì)算的反應(yīng)被延遲到NIT ,執(zhí)行就能在動(dòng)態(tài)段或符號窗啟動(dòng)這個(gè) 參數(shù)的計(jì)算，計(jì)算必須在下一個(gè)偶數(shù)周期開始前完成。2.5 喚醒與啟動(dòng)為了節(jié)省資源，部分節(jié)點(diǎn)處于不工作狀態(tài)時(shí)，進(jìn)入“節(jié)電模式”。當(dāng)這些節(jié)點(diǎn)需要再次工作時(shí)，就需要“喚醒”它們。主機(jī)可以在通信信道上傳輸喚醒模式， 當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到喚醒特征符(Wakeup Symbol)后，主機(jī)處理器和通信控制器才進(jìn)行 上電。在通信啟動(dòng)執(zhí)行之前，整個(gè)簇需要被喚醒。啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)工作時(shí)，需要在所有通 道上同步執(zhí)行。初始一個(gè)啟動(dòng)過程的行為被稱為冷啟動(dòng)(Coldstart),

30、能啟動(dòng)一個(gè)起始幀的節(jié)點(diǎn)是有限的，它們稱作冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)(Coldstart Node)。在至少由三個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的簇中，至少要有三個(gè)節(jié)點(diǎn)被配置為冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)。組成簇的節(jié)點(diǎn)少于三個(gè) 時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都應(yīng)配置為冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)。 每個(gè)起始幀同樣應(yīng)為同步幀，因此每個(gè)冷 啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)同樣應(yīng)為同步節(jié)點(diǎn)。冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)中，主動(dòng)啟動(dòng)簇中消息的節(jié)點(diǎn)稱之為主 冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)(Leading Coldstart Node),其余的冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)則稱之為從冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn) (Following Coldstart Node)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)被喚醒并完成初始化后，它就可以在相應(yīng)的主機(jī)控制命令發(fā)出之后進(jìn) 入啟動(dòng)程序。在非冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收并識別至少兩個(gè)相互通信的冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)

31、前，非冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)一直等待。同時(shí)，冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)監(jiān)控兩個(gè)通信通道，確定是否有其他的 節(jié)點(diǎn)正在進(jìn)行傳輸。當(dāng)檢測到通信信道沒有進(jìn)行傳輸時(shí)，該節(jié)點(diǎn)就成為主冷啟動(dòng) 節(jié)點(diǎn)。冷啟動(dòng)嘗試以沖突避免操作符(Collision Avoidance Symbol)開始，只有傳輸 CAS的冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)能在最開始的四個(gè)周期傳輸幀。主冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)先在兩個(gè)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(dòng)集群。在無格式符號發(fā)送完 畢后，主冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)該節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘， 進(jìn)入第一個(gè)通信周期。從冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)可 以接收主冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的消息，在識別消息后，從冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)便可確認(rèn)主冷啟 動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的消息的時(shí)槽位置。然后等待下一個(gè)通信周期，當(dāng)

32、接收到第二個(gè)消息 后，從冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)便開始啟動(dòng)它們的時(shí)鐘。根據(jù)兩條消息的時(shí)間問隔，測量與計(jì)算頻率修正值，盡可能地使從啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)接近主冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間基準(zhǔn)。為減少錯(cuò) 誤的出現(xiàn)，冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)在傳輸前需等待兩個(gè)通信周期。在這期間，其余的冷啟動(dòng) 節(jié)點(diǎn)可繼續(xù)接收從主冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)及已完成集群冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)的消息。從第五個(gè)周期開始，其余的冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)開始傳輸起始幀。主冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收 第五與第六個(gè)周期內(nèi)其余冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)的所有消息，并同時(shí)進(jìn)行時(shí)鐘修正。在這個(gè) 過程中沒有故障發(fā)生，且冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)至少收到一個(gè)有效的起始幀報(bào)文對，主冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)則完成啟動(dòng)階段，開始進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。若從冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)在前四個(gè)周期計(jì)算得出的修正值沒有超過閉值，

33、 則從第五個(gè) 周期開始傳輸幀。在第五個(gè)周期到第七個(gè)周期內(nèi)，若時(shí)鐘修正沒有問題，則從節(jié) 點(diǎn)完成啟動(dòng)過程，開始進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。從冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)， 比 主冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)晚一個(gè)周期。非冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)首先監(jiān)聽通信信道，并接收信道上傳輸?shù)男畔?。若接收到?道上傳輸?shù)男畔汩_始嘗試融入到啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)。非冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過接收一對啟 動(dòng)幀來修正它的進(jìn)度及時(shí)鐘。在接下來的兩個(gè)周期內(nèi)，非冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)要確定至少 兩個(gè)發(fā)送啟動(dòng)幀的冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)，并符合它們的進(jìn)度。若無法滿足條件，非冷啟動(dòng) 節(jié)點(diǎn)將退出啟動(dòng)程序。非冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收到至少兩個(gè)啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)連續(xù)的兩組雙周期 啟動(dòng)幀后，開始進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。非冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入正常工作狀態(tài)

34、，比主冷啟 動(dòng)節(jié)點(diǎn)晚兩個(gè)周期。圖6描述了啟動(dòng)的過程。其中，A是主冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)，B是從冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)，C 是非冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)A冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)I 淮疆凈啟動(dòng)監(jiān)聽冷后動(dòng)沖突解決冷啟動(dòng)一致性推測正常運(yùn)行周期。周期I周期2周期3周期周期5周期6周期才周期如準(zhǔn)備普啟動(dòng)眈所集群后動(dòng)檢復(fù)冷啟動(dòng)加入正常運(yùn)行集辭足動(dòng)蚊費(fèi)群里一致性檢漸節(jié)點(diǎn)C圖6 FlexRay啟動(dòng)過程初蛤化時(shí)同表正常隹打節(jié)點(diǎn)B冷 啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)生肝猿聽初蛤化時(shí)同表3 FlexRay的解決方案3.1 FlexRay硬件實(shí)現(xiàn)方式如圖7所示，每個(gè)FlexRay節(jié)點(diǎn)都包括控制器部分和驅(qū)動(dòng)器部分?？刂破鞑?分包括一個(gè)微控制單元MCU(Micro Control Unit

35、)和一個(gè)通信控制器 CC(Communication Controller)。驅(qū)動(dòng)器部分通常包括總線驅(qū)動(dòng)器 BD(Bus Driver) 和總線監(jiān)控器BG(Bus Guardian),其中總線監(jiān)控器為可選擇組件。主控芯片MCU 主要負(fù)責(zé)計(jì)算、信息的處理和發(fā)送，通信控制器CC負(fù)責(zé)FlexRay相關(guān)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，總線驅(qū)動(dòng)器BD負(fù)責(zé)FlexRay物理層的實(shí)現(xiàn)?？偩€驅(qū)動(dòng)器將通信控制器與總線相連接，總線監(jiān)控器監(jiān)視接入總線的連接。主機(jī)通知總線監(jiān)控器通信控制器分配了哪些時(shí)槽。 接下來，總線監(jiān)控器只允許通 信控制器在這些時(shí)槽中傳輸數(shù)據(jù)，并激活總線驅(qū)動(dòng)器。若總線監(jiān)控器發(fā)現(xiàn)時(shí)間時(shí) 序有間隔，則斷開通信信道的連接。P

36、owerFlexRay Nodecontroller (Host)1tBUSCh BBDBDPowerSupplyDataControl圖7 FlexRay節(jié)點(diǎn)架構(gòu)基于FlexRay節(jié)點(diǎn)架構(gòu)，其硬件實(shí)現(xiàn)方式主要有 2種：(1) MCU+CC+BD如圖8所示，該方式下每一個(gè)模塊相對獨(dú)立，具優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)比較方便，能夠選擇的芯片的種類相當(dāng)?shù)亩啵秉c(diǎn)是集成度比較低。主控芯片MCU可以任意選擇，只要其與通信控制器 CC的傳輸速率滿足FlexRay的要求即可。通信控制 器主要有飛思卡爾 (Freescales的MFR4100、MFR4200和MFR43xx系列，英飛 凌(Infineon)的CIC310,

37、以及富士通的MB88121A等?？偩€驅(qū)動(dòng)器BD中應(yīng)用最 為廣泛的為恩智浦(NXP)的TJA1080,而奧地利微電子的 AS8221應(yīng)用較少。PowerDataBUSChi A_Ch BControl圖8 FlexRay的硬件實(shí)現(xiàn)方式 128(2) MCU+BD如圖9所示，主控芯片集成了 FlexRay通信控制器，整個(gè)節(jié)點(diǎn)的集成度得到了提高。目前市面上這種形式的芯片也有了一定數(shù)量,但是價(jià)格比MCU+CC+BD的形式偏高。主要有飛思卡爾的 MC9s12XF、MPC55xx等系列控制器，恩智浦的SJA2510,富士通的 MB91F465XA,德州儀器公司(TI)的TMS570等。圖9 FlexRay

38、的硬件實(shí)現(xiàn)方式 2除了上述兩種硬件實(shí)現(xiàn)方式外，理論上還有一種集成度最高的形式，即把主 控MCU、通信控制器CC和收發(fā)器BD都集成到一個(gè)芯片當(dāng)中。這是未來FlexRay 的發(fā)展趨勢，但是要實(shí)現(xiàn)這樣高集成度的目標(biāo)，還有很多困難。這是因?yàn)椋現(xiàn)lexRay 協(xié)會(huì)規(guī)定，為了盡可能的提高系統(tǒng)的安全性，應(yīng)該將控制器和收發(fā)器分開，第二 個(gè)原因就是半導(dǎo)體工藝面臨一些難題。3.2 相關(guān)硬件介紹3.2.1 FlexRay總線驅(qū)動(dòng)器恩智浦的TJA10803TJA1080控制器是恩智浦公司出品的一款針對 FlexRay的具有高速時(shí)間觸 發(fā)通訊系統(tǒng)的收發(fā)芯片，也是全球第一款符合FlexRay協(xié)議2.1規(guī)定的FlexRay

39、收發(fā)器。3TJA1080本身可作為節(jié)點(diǎn)收發(fā)器或有源星型收發(fā)器，并且具有卓越的 ESD保護(hù)和功耗管理性能。其溫度范圍-40C125C,具有高達(dá)10Mbit/s數(shù)據(jù)傳 輸速度。TJA1080內(nèi)置自動(dòng)電壓管理系統(tǒng)，支持 2.5V、3.0V、3.3V和5V的微 處理器，并能自動(dòng)適配接口標(biāo)準(zhǔn)。TJA1080擁有優(yōu)秀的電磁兼容性（EMC）,內(nèi) 置電壓和溫度檢測，具有總線錯(cuò)誤檢測和一個(gè)安全超時(shí)保護(hù)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如 圖 10所示。因其優(yōu)良的性能，TJA1080得到了廣泛的應(yīng)用。圖10 TJA1080內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 奧地利微電子的 AS8221AS8221是奧地利微電子公司推出的 FlexRay標(biāo)準(zhǔn)收發(fā)器，其能提供

40、全部功 能，以使其整合到永久性電池電壓供電的電子控制單元中。微芯片僅靠汽車電池（12V或24V）供電，但它可通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)喚醒功能，進(jìn)而能夠控制本地電源電壓。AS8221適合車載應(yīng)用，工作溫度為-40C125C,支持2.5V、3.0V、3.3V和 5V的微處理器，并能自動(dòng)適配接口標(biāo)準(zhǔn)。止匕外，AS8221還具有溫度保護(hù)以及總 線短路保護(hù)功能。具體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖11所示。由于其推出時(shí)間稍晚于CIC310,所以應(yīng)用相對較少。F目 CcntrQl er rti曲/AS8221BPIncemal Logic ：IL1TranEmrderCcmrnricatKr CcntroHer hterfacftB

41、us Failure Detedc*Fqwer$y(pf IntactEg Guard.anWait-UpVBfiT VIO WC圖11 AS8221內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖WAXE3.2.2 FlexRay通信控制器(1)飛思卡爾的 MFR4X00系列MFR4X00 系歹U包括 MFR4200,MFR4300,MFR4310,三者分另I是基于 FlexRay 協(xié)議v1.1、v2.1和v2.1a版本。MFR4200控制器是業(yè)界第一款面向汽車的 FlexRay 設(shè)備，主要面向汽車應(yīng)用的底盤控制、車身電子和動(dòng)力傳輸應(yīng)用。MFR4200的傳輸速率最高可達(dá)10 Mbps,環(huán)境溫度-40C125c ,內(nèi)部40MHz石

42、英振蕩器， I/O 口工作電平最大值5.5V,提供兩個(gè)硬件可選的主機(jī)接口： HCS12接口用于直 接連接飛思卡爾半導(dǎo)體的HCS12系列微控制器；異步存儲(chǔ)器接口(AMI)用來異步 連接微控制器。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如 圖12所示。該系列芯片應(yīng)用相對較多，并且有 開發(fā)板出售。iicsn 察口電瓊看時(shí)期首 理模法控制主機(jī)接口加圖12 FMR4300內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（2）英飛凌的CIC310英飛凌現(xiàn)有的FlexRay解決方案白核心是FlexRay通信控制器CIC310,其為 基于博世 E-RAY核的專用于 FlexRay的通信控制器。CIC310的環(huán)境溫度-40c125C,核心供電是1.5V,端口電壓是3.3V,具

43、有3種接口方式將數(shù)據(jù)傳 輸?shù)教幚砥?，分別為 SSC （ Synchronous Serial Channel串行接口）方式、XM U （De-multiplexer 8/16 bit Parallel Interface,非復(fù)用的 8/16 位并行接口 ）方式和 MLI方式。其中SSC為一般的串口連接方式，具有連接簡單和連接線少的特點(diǎn)， 但數(shù)據(jù)傳輸速率較低；XMU接口為并口連接方式，數(shù)據(jù)傳輸速度比串口方式快很多，但連接線較多；ML I接口為專用接口方式，一般可以和專用車載控制 器連接。CIC310的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖13所示。圖13 CIC310的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖CIC310由于采用了基于英飛凌微型鏈路

44、接口 （MLI）和標(biāo)準(zhǔn)串口與并口的可開 級、快速接口理念，可與目前市場上絕大多數(shù)的汽車微控器或微處理器架構(gòu)結(jié)合 使用。另外，如需快速實(shí)現(xiàn)FlexRay的應(yīng)用，經(jīng)過AUTOSAR Validator項(xiàng)目驗(yàn)證、 符合AUTOSAR要求的CIC-310驅(qū)動(dòng)軟件已經(jīng)可以向客戶提供。將飛思卡爾的MFR4310和英飛凌的CIC310兩種芯片的主要參數(shù)進(jìn)行總結(jié)對 比，可得表2。表2 MFR4310 與CIC310參數(shù)對比飛思卡爾MFR4310英飛凌CIC310支持 FlexRayv2.1av2.1協(xié)議版本工作溫度-40C125C-40 C 125 cI/O 工作電平3.3V （最大5.5V）3.3V核心供電

45、2.5V(可由內(nèi)部 電壓調(diào)節(jié)器得 到)1.5V數(shù)據(jù)傳輸速率每通道支持2.5、5、8 和 10Mb/s的數(shù)據(jù)速率每通道最大10Mb/s的數(shù)據(jù)速率接口方式異步存儲(chǔ)器接口 (AMI)和 專用HCS12接口串行接口 SSG 并行接口 XMU 和專用MLI接 口可配置的消息 緩沖區(qū)128個(gè)128個(gè)存儲(chǔ)RAM8K bytes8.25K bytes引腳數(shù)64643.2.3集成FlexRay通信控制器的主控芯片(1)飛思卡爾的MC9s12XF和MPC56xx系歹U飛思卡爾的S12和S12X產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了可擴(kuò)展性，支持硬件和軟件的重復(fù)使用， 提供一系列汽車電子平臺(tái)之間的兼容性。S12 MCU系列是汽車市場中應(yīng)用最廣

46、泛的16位架構(gòu)?；赟12的設(shè)備的年發(fā)貨量現(xiàn)已超過1億?？蓴U(kuò)展的S12系列 可為開發(fā)人員提供廣泛的選擇，具片上閃存容量可從32KB擴(kuò)展到1MB,并能平穩(wěn)移植到更高性能的S12X設(shè)備。MC9s12XF擁有50MHz S12X內(nèi)核，基于高效的16位CISC架構(gòu)；集成的 單/雙通道FlexRay v2.1,每通道支持2.5、5、8和10 Mb/s的數(shù)據(jù)速率；FlexRay 時(shí)鐘，采用頻率從4MHz到40MHz不等的水晶振蕩器，使用PLL (鎖相環(huán))實(shí) 現(xiàn)成本和EMC的優(yōu)化；512KB、384KB、256KB和128KB的汽車質(zhì)量閃存選擇； 2KB和4KB的EEPROM; 16KB、 24KB和32K

47、B的RAM ; 16通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換 器(ADC)可配置8/10/12位分辨率；集成了電機(jī)控制模塊，使用 6通道脈沖寬度 調(diào)制器(PWM),具有故障保護(hù)和電流感應(yīng)輸入。MPC56xx系列則是32位處理器，最高頻率可達(dá)64MHz，集成了支持FlexRay 協(xié)議v2.1版本的FlexRay模塊。具具有內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器，只需單一電平的輸入 電源。(2)恩智浦的SJA2510SJA2510是32位ARM9微控制器，最高頻率可達(dá) 80MHz,具有32個(gè)模擬 輸入和24個(gè)16位脈寬調(diào)制(PWM)輸出，六個(gè)CAN控制器，八個(gè)LIN主控制器 和多種高級電源模式。SJA2510內(nèi)含一個(gè)嵌入式并完全整合的 FlexR

48、ay控制器， 是第一個(gè)成功采用FlexRay v2.1標(biāo)準(zhǔn)的整合設(shè)備。SJA2510嵌入式控制器具有可 變動(dòng)式緩沖存儲(chǔ)器容量，可依實(shí)際需求提供設(shè)計(jì)彈性和易失存儲(chǔ)器配置。這種彈 性使裝置上所有內(nèi)存都可被應(yīng)用，大幅提升產(chǎn)品的成本 /性能比。(3)德州儀器公司(TI)的TMS570系列TMS570是基于兩個(gè)相同的新一代 ARM? R4 CortexTM 內(nèi)核之上的對稱型 雙核MCU。每個(gè)Cortex-R4內(nèi)核的性能均可達(dá)到 300 MIPS,而且TMS570還 集成了 2MB的片上閃存、FlexRayTM網(wǎng)絡(luò)、BIST、CAN及多種外設(shè)，止匕外 還有TI高端定時(shí)器協(xié)處理器與兩個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD

49、C)。TMS570F MCU是 業(yè)界首款基于雙內(nèi)核Cortex-R4F處理器的浮點(diǎn)MCU ,使車載系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可根 據(jù)性能要求執(zhí)行單雙高精度浮點(diǎn)數(shù)學(xué)算法，加速的乘法、除法以及平方根等功能。 該產(chǎn)品所面向的應(yīng)用包括底盤控制、 制動(dòng)、電子車輛穩(wěn)定與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以及高級駕 駛輔助等，可充分滿足開發(fā)過程中不同大小的存儲(chǔ)器容量與性能差異的要求。3.3 FlexRay通信系統(tǒng)的軟件流程FlexRay通信是實(shí)現(xiàn) FlexRay數(shù)據(jù)采集和標(biāo)定數(shù)據(jù)發(fā)送，因此主要包括 FlexRay數(shù)據(jù)接收和FlexRay數(shù)據(jù)發(fā)送兩部分。由于FlexRay總線對于總線上數(shù) 據(jù)收發(fā)的實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格，因此在程序設(shè)計(jì)時(shí)采用中斷的方式來執(zhí)行

50、FlexRay總線的數(shù)據(jù)通信。FlexRay數(shù)據(jù)接收中斷處理程序，讀取 FlexRay中斷中接收到的 數(shù)據(jù)，并按照固定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存入單片機(jī)的緩存中，實(shí)現(xiàn)FlexRay總線數(shù)據(jù)采集；FlexRay數(shù)據(jù)發(fā)送中斷處理程序，將數(shù)據(jù)按照特定的時(shí)槽發(fā)送到 FlexRay總線上， 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。3.3.1 FlexRay初始化流程由于FlexRay通信主要基于時(shí)間觸發(fā)的周期性通信循環(huán)，時(shí)間同步是FlexRay 網(wǎng)絡(luò)的通信基礎(chǔ)；FlexRay網(wǎng)絡(luò)將啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘作為參考，通過啟動(dòng)，建立整 個(gè)網(wǎng)絡(luò)的同步時(shí)間，且在通信的過程中，其它節(jié)點(diǎn)不斷地以此為基準(zhǔn)進(jìn)行自我校 正。FlexRay的初始化，主要是實(shí)現(xiàn)FlexR

51、ay網(wǎng)絡(luò)通信之間的的喚醒、啟動(dòng)、時(shí) 間同步，是現(xiàn)實(shí)FlexRay網(wǎng)絡(luò)正常通信的基礎(chǔ)，F(xiàn)lexRay網(wǎng)絡(luò)的具體啟動(dòng)配置流 程圖如圖14所示。叱 "1"八R紇同期.同步.早初、唳推等群數(shù)市門口門上小，內(nèi)在H '麗育配置我發(fā)緞?dòng)驼净驁D14 FlexRay初始化流程3.3.2 FlexRay通信發(fā)送流程當(dāng)FlexRay網(wǎng)絡(luò)正常啟動(dòng)后，才可以進(jìn)行 FlexRay數(shù)據(jù)通信。FlexRay總線 通信主要是基于時(shí)間觸發(fā)，在靜態(tài)段中，它是基于TDMA技術(shù)的時(shí)間觸發(fā)，是通過事先安排好的時(shí)亥【J表贏得總線。FlexRay消息發(fā)送的中斷產(chǎn)生過程：TDMA 時(shí)分表中的每個(gè)時(shí)槽都會(huì)對應(yīng)一個(gè)中斷

52、，且這些中斷按時(shí)分表在時(shí)間軸上分布開 來，只有在其對應(yīng)的時(shí)槽時(shí)刻，才會(huì)由 FlexRay模塊自動(dòng)置位中斷，且每個(gè)時(shí)槽 的發(fā)送中斷產(chǎn)生與標(biāo)志置位都是在該時(shí)槽數(shù)據(jù)發(fā)送完畢之后，由FlexRay模塊自動(dòng)產(chǎn)生相應(yīng)的置位與中斷；當(dāng)進(jìn)入FlexRay對應(yīng)時(shí)槽的中斷服務(wù)程序后，調(diào)用發(fā) 送函數(shù)，鎖定發(fā)送時(shí)槽對應(yīng)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(gè)周期該時(shí)槽的發(fā)送刻到來發(fā)送。具體的FlexRay總線數(shù)據(jù) 發(fā)送中斷流程如圖15所示。圖15 FlexRay數(shù)據(jù)發(fā)送過程3.3.3 FlexRay通信接收流程FlexRay數(shù)據(jù)接收也是采用中斷方式，F(xiàn)lexRay協(xié)議控制器采用“提前搜索

53、算 法”來保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)時(shí)接收。在FlexRay中，每一個(gè)接收時(shí)槽的接收中斷產(chǎn)生都是 在時(shí)槽接收數(shù)據(jù)完畢并確認(rèn)有效后，由FlexRay模塊自動(dòng)產(chǎn)生相應(yīng)的接收中斷。當(dāng)進(jìn)入FlexRay對應(yīng)時(shí)槽中斷服務(wù)程序后，程序調(diào)用接收函數(shù)，鎖定接收時(shí)槽對 應(yīng)的接收緩存，確認(rèn)為數(shù)據(jù)幀后，讀取接收緩存中的數(shù)據(jù)與幀長度，最后解鎖接收緩存，等待下一個(gè)周期該時(shí)槽的接收時(shí)刻到來。具體的FlexRay總線數(shù)據(jù)接收 中斷流程如圖16所示。4 FlexRay的應(yīng)用4.1 FlexRay的應(yīng)用領(lǐng)域FlexRay擁有的高傳輸速率、容錯(cuò)性好以及可靈活應(yīng)用等特點(diǎn)使其適用于較 多應(yīng)用領(lǐng)域：替代CAN總線在數(shù)據(jù)速率要求超過CAN的應(yīng)用中，人們

54、現(xiàn)在同時(shí)使用了兩條或多條 CAN 總線，而數(shù)據(jù)傳輸速率高于 CAN的1020倍的FlexRay則可以輕松應(yīng)用于這些 場合。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/多通道星形結(jié)構(gòu) 以及多種不同總線、星形混合結(jié)構(gòu)等，網(wǎng)絡(luò)可與現(xiàn)有其它各種總線（如LIN,CAN 等）系統(tǒng)兼容，故具有成為聯(lián)系大量元件器主干網(wǎng)的先天優(yōu)勢。同時(shí)，其靈活的 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，也可使設(shè)計(jì)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。實(shí)時(shí)應(yīng)用，分布式控制系統(tǒng)FlexRay的訪問方法基于同步時(shí)基，該時(shí)基通過協(xié)議自動(dòng)建立和同步。因此 用戶可提前知道消息到達(dá)時(shí)間，消息周期偏差非常小，這使得FlexRay成為具

55、有 嚴(yán)格實(shí)時(shí)要求的分布式控制系統(tǒng)的首選技術(shù)。（4）面向安全的系統(tǒng)FlexRay使用循環(huán)冗余校驗(yàn) CRC來檢驗(yàn)通信中的差錯(cuò)，還可以通過雙通道 通信提供冗余功能，并且使用星型拓?fù)淇赏耆鉀Q容錯(cuò)問題，如果出現(xiàn)意外情況， 星型的支路可以有選擇的切斷。因此，F(xiàn)lexRay的高容錯(cuò)性和可靠性可以支持面 向安全的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如線控系統(tǒng)。4.2 FlexRay的車用前景目前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(jì)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(jī)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

56、求，這也應(yīng)該是FlexRay聯(lián)盟研發(fā)FlexRay的動(dòng)力所在。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(dòng)等），即利 用容錯(cuò)的電氣/電子系統(tǒng)取代機(jī)械/液壓部分。汽車線控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上就是一種 特殊的局域網(wǎng)。這種系統(tǒng)是從飛機(jī)控制系統(tǒng)引申而來的，飛機(jī)控制系統(tǒng)中提到的 Fly-by-Wire是一種電線代替機(jī)械的控制系統(tǒng)，它將飛機(jī)駕駛員的操縱控制和操 作命令轉(zhuǎn)換成電信號，利用機(jī)載計(jì)算機(jī)控制飛機(jī)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(dòng)上就產(chǎn)生了 Brake-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(cuò)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(cuò)性使其具有該方面的應(yīng)用潛 力。盡管研發(fā)FlexRay最早的設(shè)想是實(shí)現(xiàn)汽車中的線控操作，然而其它發(fā)展趨勢 也在推動(dòng)FlexRay技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。除了線控操作以外， FlexRay在汽車動(dòng)力 總成和安全電子系統(tǒng)方面也有很大的應(yīng)用空間，這些應(yīng)用都需要高速數(shù)據(jù)傳輸， 如作為中央電子骨干總線連接車內(nèi)各種總