車載信息第三章-基于時(shí)間觸發(fā)的車載網(wǎng)絡(luò)課件

1、第三章 基于時(shí)間觸發(fā)的車載網(wǎng)絡(luò)FlexRay第一節(jié)FlexRay概述FlexRay是一個(gè)為車上應(yīng)用系統(tǒng)高層網(wǎng)絡(luò)和“線控”系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的通信標(biāo)準(zhǔn)。它最突出的特點(diǎn)，是在提高數(shù)據(jù)傳輸率的條件下，能夠滿足汽車安全要求的可靠性指標(biāo)。車上“線控”系統(tǒng)要求網(wǎng)絡(luò)具有傳輸速度高、可靠性好和支持分布控制的性能；FlexRay不僅僅是一個(gè)通信協(xié)議，而且包括協(xié)議控制器、發(fā)送接收驅(qū)動(dòng)器、以及各種FlexRay元件的硬件和軟件接口標(biāo)準(zhǔn)。2第一節(jié)FlexRay概述FlexRay相對(duì)于傳統(tǒng)的車內(nèi)通信協(xié)議具有很多新特性。這些特性為新的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)，也是FlexRay能夠成為面向?qū)崟r(shí)控制的車載總線標(biāo)準(zhǔn)的重要原因。這些基本的特性包括

2、：高傳輸速率同步時(shí)間觸發(fā)冗余和非冗余通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活3第一節(jié)FlexRay概述FlexRay提供了兩個(gè)獨(dú)立的通信信道，每一個(gè)通信信道的速率都可以達(dá)到10Mbit/s。這兩個(gè)通道可以配置為冗余通信或非冗余通信。冗余通信就是兩個(gè)通道上傳輸一樣的數(shù)據(jù)，通過(guò)信息的冗余來(lái)提高可靠性。非冗余通信就是兩個(gè)通道上各自傳輸自己的數(shù)據(jù)，借此來(lái)達(dá)到高速率要求。4第一節(jié)FlexRay概述作為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，按照ISO的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)OSI通信模型，F(xiàn)lexRay的分層結(jié)構(gòu)如圖3-1。5第一節(jié)FlexRay概述一、基本術(shù)語(yǔ)時(shí)間片（Slot）：是FlexRay對(duì)通信過(guò)程劃分的時(shí)間段，在這些時(shí)間段上控制器按一定要求或條件訪

3、問(wèn)通信媒體。TDMA（Time Division Multiple Access）：分時(shí)多路復(fù)用訪問(wèn)方式。FlexRay支持TDMA媒體訪問(wèn)方式。通信周期（Communication Cycle）：FlexRay一個(gè)信息傳送的周期(Cycle)稱為通信周期(Communication Cycle)。一個(gè)通信周期由靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩個(gè)部分構(gòu)成，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的兩個(gè)部分任何一個(gè)都可以是空的。通信周期靜態(tài)部分(Static Part)：在這一部分中，信息按著固定的事先定義的TDMA方式傳送。6第一節(jié)FlexRay概述通信周期動(dòng)態(tài)部分(Dynamic Part)：在這一部分，信息按最小時(shí)間片算法（Mini-sl

4、otting Algorithm）發(fā)送；按信息標(biāo)識(shí)符的優(yōu)先級(jí)確定發(fā)送的順序。電控單元（ECU）節(jié)點(diǎn)：連接到網(wǎng)絡(luò)上的具有一定應(yīng)用功能的節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)星節(jié)點(diǎn)（Active Star）：只具有網(wǎng)絡(luò)功能的通道連接節(jié)點(diǎn)?？偩€監(jiān)控邏輯（Bus Guardian）：用于避免通道定時(shí)錯(cuò)誤的一個(gè)獨(dú)立部分，它與一個(gè)通信控制器和一個(gè)微控制器相連；總線監(jiān)控邏輯必須獨(dú)立于其它的通信控制器。7第一節(jié)FlexRay概述通道（Channel）：在FlexRay系統(tǒng)中，通道指通信控制器的物理連接。節(jié)點(diǎn)主機(jī)（Host）：一個(gè)節(jié)點(diǎn)中執(zhí)行應(yīng)用程序的微控制器。集群（clique）：一組具有一定相同系統(tǒng)屬性的通信控制器。簇（cluster）

5、：由至少一條通信通道直接連接的多個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的通信系統(tǒng)或子系統(tǒng)。通信控制器（CC，communication controller）：在一個(gè)FexRay的節(jié)點(diǎn)中完成通信協(xié)議功能的部件。8第一節(jié)FlexRay概述周期數(shù)（cycle number）：用于識(shí)別一個(gè)通信周期的正整數(shù)，系統(tǒng)啟動(dòng)后的第一個(gè)周期的周期數(shù)設(shè)為零，以后隨著通信周期遞增，到最大數(shù)后回零，以此往復(fù)。周期時(shí)間（cycle time）：一個(gè)通信周期持續(xù)的時(shí)間，單位為宏時(shí)鐘節(jié)拍（macroticks）。幀（frame）：通信過(guò)程中交換信息的一個(gè)時(shí)間窗結(jié)構(gòu)。幀標(biāo)識(shí)符（frame identifier）：標(biāo)識(shí)一個(gè)幀的值，在通信周期的靜態(tài)段，定義

6、了這個(gè)幀的時(shí)間片位置；在動(dòng)態(tài)段定義了這個(gè)幀的優(yōu)先級(jí)，數(shù)值越小優(yōu)先級(jí)越高。9第一節(jié)FlexRay概述關(guān)鍵時(shí)間片（key slot）：用于傳輸同步幀和啟動(dòng)幀的時(shí)間片。宏時(shí)鐘節(jié)拍（macrotick）：由簇時(shí)鐘同步算法確定的一個(gè)時(shí)間段，用單位為微時(shí)鐘節(jié)拍的一個(gè)整數(shù)表示。時(shí)鐘同步算法會(huì)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)這個(gè)值。全局時(shí)鐘以宏時(shí)鐘節(jié)拍為單位。微時(shí)鐘節(jié)拍（microtick）：一個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信控制器時(shí)鐘振蕩器產(chǎn)生的一個(gè)基本時(shí)間單位。微時(shí)間片（minislot）：一個(gè)通信周期的動(dòng)態(tài)段中的一個(gè)時(shí)間片，用于同步傳輸部分媒體訪問(wèn)優(yōu)先級(jí)仲裁。空幀（null frame）：沒(méi)有傳輸有效數(shù)據(jù)的幀，其數(shù)據(jù)部分都置為0。10第一節(jié)Fle

7、xRay概述時(shí)間片編號(hào)（slot number）：在一個(gè)通信周期中各個(gè)時(shí)間片的編號(hào)，用于識(shí)別時(shí)間片。啟動(dòng)幀（startup frame）：幀頭含有一個(gè)標(biāo)識(shí)部分，幀中的時(shí)間信息可以在啟動(dòng)過(guò)程用來(lái)初始化系統(tǒng)。同步幀（sync frame）：幀頭含有一個(gè)標(biāo)識(shí)部分，其中有幀實(shí)際到達(dá)時(shí)間和預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間的偏差，其可用于時(shí)鐘同步算法。同步節(jié)點(diǎn)（sync node）：被配置傳輸同步幀的節(jié)點(diǎn)。工作點(diǎn)（action point）：宏時(shí)鐘節(jié)拍的邊界點(diǎn)，在這些點(diǎn)啟動(dòng)或停止發(fā)送。11第一節(jié)FlexRay概述二、節(jié)點(diǎn)基本結(jié)構(gòu)在FlexRay網(wǎng)絡(luò)中，有節(jié)點(diǎn)三種基本類型：同步節(jié)點(diǎn)、冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)和應(yīng)用任務(wù)節(jié)點(diǎn)。同步節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中提

8、供時(shí)鐘同步算法的支持，實(shí)現(xiàn)同步的功能。冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)是在網(wǎng)絡(luò)尚未同步之前就可以發(fā)送啟動(dòng)幀，支持節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)的通信的初始化過(guò)程。冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)一定是一個(gè)同步節(jié)點(diǎn)。這兩種節(jié)點(diǎn)之外，網(wǎng)絡(luò)中還有一些完成一定應(yīng)用功能的節(jié)點(diǎn)，就是應(yīng)用任務(wù)節(jié)點(diǎn)。12第一節(jié)FlexRay概述1. 節(jié)點(diǎn)基本構(gòu)成及接口信息一個(gè)節(jié)點(diǎn)的基本構(gòu)成如圖3-2，一般由微控制器（也稱為主控制器、節(jié)點(diǎn)主機(jī)）、通信控制器、總線管理邏輯、總線驅(qū)動(dòng)邏輯（發(fā)送/接收驅(qū)動(dòng)器）和電源系統(tǒng)等5個(gè)部分組成。通信功能主要由通信控制器、總線管理及驅(qū)動(dòng)邏輯、以及這些部分與主機(jī)的接口完成。節(jié)點(diǎn)各個(gè)部分之間的信息接口關(guān)系如圖3-3。131415第一節(jié)FlexRay概述2.

9、 節(jié)點(diǎn)基本功能節(jié)點(diǎn)中，一個(gè)通信控制器連接到1個(gè)或2個(gè)總線驅(qū)動(dòng)器，即一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以連接到一個(gè)或兩個(gè)總線通道上；節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)入休眠態(tài)；處于休眠態(tài)的節(jié)點(diǎn)可以由總線事件喚醒；節(jié)點(diǎn)的總線活動(dòng)可以由主控制器關(guān)閉；節(jié)點(diǎn)與電源常連接；節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用功能。網(wǎng)絡(luò)星節(jié)點(diǎn)是一個(gè)只有網(wǎng)絡(luò)功能的節(jié)點(diǎn)，沒(méi)有主控制器和通信控制器，一個(gè)星節(jié)點(diǎn)有1個(gè)以上總線驅(qū)動(dòng)器，它可以由總線喚醒和由總線關(guān)閉。16第一節(jié)FlexRay概述三、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)FlexRay網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有總線型、星型結(jié)構(gòu)，也可以由這些結(jié)構(gòu)混合構(gòu)成混合型結(jié)構(gòu)。17第一節(jié)FlexRay概述1. 總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)FlexRay網(wǎng)絡(luò)雙總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3-4，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以連到兩個(gè)總線

10、上，也可以只連接到一個(gè)總線上。18第一節(jié)FlexRay概述2. 星型結(jié)構(gòu)FlexRay網(wǎng)絡(luò)的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有多種連接方式。圖3-5是一個(gè)雙通道單星的結(jié)構(gòu)，每個(gè)通道由一個(gè)星節(jié)點(diǎn)連接，一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以連接到一個(gè)或兩個(gè)通道上（星節(jié)點(diǎn)上）。19第一節(jié)FlexRay概述圖3-6是兩個(gè)單通道星型結(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)，每個(gè)通道由一個(gè)星節(jié)點(diǎn)連接，一個(gè)節(jié)點(diǎn)連接到一個(gè)通道上（星節(jié)點(diǎn)上），兩個(gè)星節(jié)點(diǎn)之間互聯(lián)。在這樣的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，也可以構(gòu)建冗余通道的結(jié)構(gòu)，如圖3-7所示。2021第一節(jié)FlexRay概述3. 總線與星型的混合結(jié)構(gòu)FlexRay網(wǎng)絡(luò)除了可以使用總線和星型結(jié)構(gòu)外，只要級(jí)聯(lián)的每一個(gè)子網(wǎng)不超過(guò)節(jié)點(diǎn)數(shù)等限制，還可以使用兩種

11、結(jié)構(gòu)混合的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖3-8是兩個(gè)混合結(jié)構(gòu)的例子。圖3-8（a）是一個(gè)星節(jié)點(diǎn)（2A）直接連接節(jié)點(diǎn)并連接到一個(gè)總線上，總線上又連接了一些其他節(jié)點(diǎn)；然后又與另外一個(gè)星節(jié)點(diǎn)（1A）相連，星節(jié)點(diǎn)（1A）也直接連接了一些節(jié)點(diǎn)，也可以再連接總線。圖3-8（b）是一個(gè)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與總線構(gòu)成的雙通道結(jié)構(gòu)。2223第一節(jié)FlexRay概述四、FlexRay協(xié)議操作控制FlexRay網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程的完成，是協(xié)議規(guī)定的各個(gè)通信操作的核心機(jī)制的有序執(zhí)行。媒體訪問(wèn)控制、編碼解碼、幀和符號(hào)處理以及時(shí)鐘同步構(gòu)成了FlexRay網(wǎng)絡(luò)的核心機(jī)制。如圖3-9所示2425第一節(jié)FlexRay概述通信控制器（CC，Communic

12、ation Controller）與主控制器的接口（CHI，Controller Host Interface）的作用是POC部分和主控制器之間的信息交互。包括主控制器向POC部分發(fā)送各種控制命令及回讀POC部分的各種狀態(tài)。編碼解碼（CODEC，Coding and Decoding）模塊定義的是通信控制器和總線驅(qū)動(dòng)器（BD，Bus Driver）之間通過(guò)串行數(shù)據(jù)線TxD，RxD，TxEN進(jìn)行信息轉(zhuǎn)換。媒體訪問(wèn)控制（MAC，Media Access Controll）完成FlexRay網(wǎng)絡(luò)的媒體訪問(wèn)操作。26第一節(jié)FlexRay概述FlexRay網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議操作控制過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖

13、3-10。27第二節(jié) FlexRay網(wǎng)絡(luò)中信息的基本傳輸過(guò)程FlexRay網(wǎng)絡(luò)按周期循環(huán)組織信息的傳送。在傳送信息時(shí)，一個(gè)通信周期有靜態(tài)的和動(dòng)態(tài)的兩個(gè)部分。動(dòng)態(tài)段和靜態(tài)段又由一些時(shí)間片構(gòu)成，每個(gè)時(shí)間片傳輸一個(gè)FlexRay幀。FlexRay幀是一個(gè)有格式的位流。28第二節(jié) FlexRay網(wǎng)絡(luò)中信息的基本傳輸過(guò)程一、FlexRay通信周期FlexRay的一個(gè)通信周期包含靜態(tài)段（Static Segment）、動(dòng)態(tài)段（Dynamic Segment）、符號(hào)窗（Symbol Window）和網(wǎng)絡(luò)空閑向量（Network Idle Time）。29第二節(jié) FlexRay網(wǎng)絡(luò)中信息的基本傳輸過(guò)程圖3-1

14、1是FlexRay一個(gè)通信周的時(shí)間分層結(jié)構(gòu)。圖3-12是只包含靜態(tài)段和動(dòng)態(tài)段的通信周期例。30第二節(jié) FlexRay網(wǎng)絡(luò)中信息的基本傳輸過(guò)程31第二節(jié) FlexRay網(wǎng)絡(luò)中信息的基本傳輸過(guò)程1. 通信周期的基本執(zhí)行過(guò)程除了啟動(dòng)階段，F(xiàn)lexRay通信周期以一個(gè)固定的宏時(shí)鐘數(shù)周期性地循環(huán)執(zhí)行。通信周期依次從0到一個(gè)可設(shè)置的最大值依次計(jì)數(shù)?？偩€仲裁基于在靜態(tài)段和動(dòng)態(tài)段的幀標(biāo)識(shí)符。幀標(biāo)識(shí)符決定了其在通信周期的哪個(gè)段和這個(gè)段的哪個(gè)時(shí)間片發(fā)送。圖3-13是一個(gè)FlexRay通信周期執(zhí)行的示意圖。32第二節(jié) FlexRay網(wǎng)絡(luò)中信息的基本傳輸過(guò)程33第二節(jié) FlexRay網(wǎng)絡(luò)中信息的基本傳輸過(guò)程2. 靜態(tài)

15、段一個(gè)FlexRay通信周期的靜態(tài)段，按照配置值設(shè)置其時(shí)間片數(shù)。所有靜態(tài)段中的時(shí)間片大小相同，由一個(gè)以宏時(shí)鐘為單位的數(shù)給出。每個(gè)時(shí)間片有一個(gè)序號(hào)，在靜態(tài)段中將固定的時(shí)間片分配給各個(gè)節(jié)點(diǎn)，在一個(gè)通信周期的靜態(tài)段中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)通道上只能在分配給它的時(shí)間片內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，而在自己的時(shí)間片之外的時(shí)間只能接收數(shù)據(jù)。在FlexRay網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的時(shí)候，這個(gè)時(shí)間片的分配情況是不允許動(dòng)態(tài)發(fā)生改變的。靜態(tài)段結(jié)構(gòu)如圖3-14，時(shí)序關(guān)系如圖3-15。34第二節(jié) FlexRay網(wǎng)絡(luò)中信息的基本傳輸過(guò)程3. 動(dòng)態(tài)段可以配置一個(gè)FlexRay通信周期動(dòng)態(tài)段的微時(shí)間片數(shù)量，并且從1開(kāi)始依次編號(hào)。所有微時(shí)間片的大小相同，也由一

16、個(gè)以宏時(shí)鐘為單位的數(shù)給出，不用動(dòng)態(tài)段的時(shí)候可以設(shè)置微時(shí)間片數(shù)為0。在一個(gè)通信周期的動(dòng)態(tài)段中，節(jié)點(diǎn)如果要發(fā)送消息，要通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)獲得總線使用權(quán)。在動(dòng)態(tài)段部分，是按照發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀優(yōu)先級(jí)分配帶寬，優(yōu)先級(jí)由幀的標(biāo)識(shí)ID確定。動(dòng)態(tài)段結(jié)構(gòu)如圖3-16，時(shí)序關(guān)系如圖3-17。353637第二節(jié) FlexRay網(wǎng)絡(luò)中信息的基本傳輸過(guò)程4. 符號(hào)窗一個(gè)FlexRay通信周期可以有一個(gè)符號(hào)窗。符號(hào)窗通過(guò)配置設(shè)定一定數(shù)量宏時(shí)鐘的時(shí)間寬度，這個(gè)配置值為零表示不用符號(hào)窗。在符號(hào)窗內(nèi)的內(nèi)容及功能由高層協(xié)議規(guī)定，F(xiàn)lexRay節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)符號(hào)表示某種自定義的特殊用途。38第二節(jié) FlexRay網(wǎng)絡(luò)中信息的基本傳輸過(guò)程5.

17、網(wǎng)絡(luò)空閑向量一個(gè)FlexRay通信周期的網(wǎng)絡(luò)空閑向量用來(lái)對(duì)FlexRay網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)整，是不可缺少的部分。一個(gè)周期除去前面幾個(gè)段使用的時(shí)間，余下的就是空閑段的長(zhǎng)度。一個(gè)通信周期可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際需要，動(dòng)態(tài)配置動(dòng)態(tài)段和網(wǎng)絡(luò)空閑向量各部分的帶寬。在網(wǎng)絡(luò)空閑向量時(shí)間范圍內(nèi)，F(xiàn)lexRay網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)不進(jìn)行任何通信。39第二節(jié) FlexRay網(wǎng)絡(luò)中信息的基本傳輸過(guò)程二、 FlexRay幀格式在FlexRay網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)把要發(fā)送的信息打包成幀在靜態(tài)段或動(dòng)態(tài)段的時(shí)間片發(fā)送，一個(gè)幀的格式如圖3-18。由幀頭段、有效數(shù)據(jù)段和幀尾構(gòu)成。每個(gè)字段又分成具有不同意義的位段。40第二節(jié) FlexRay網(wǎng)絡(luò)中信息的基本傳

18、輸過(guò)程三. 幀位流的編碼解碼一個(gè)信息幀在物理層傳輸要進(jìn)行編碼。把一幀本身要傳輸?shù)男畔⒓由衔恢脴?biāo)識(shí)以及同步等需要的信息編碼成一個(gè)二進(jìn)制位流，每一幀以一組位流在物理層由發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)出；接收端接收到這些位流進(jìn)行解碼，分解出一幀的信息，提供給鏈路層。41第二節(jié) FlexRay網(wǎng)絡(luò)中信息的基本傳輸過(guò)程1. 編碼插入序列編碼插入序列，是對(duì)一幀進(jìn)行編碼時(shí)加到幀中的二進(jìn)制序列。有以下幾種：傳輸起始序列幀起始序列字節(jié)起始序列幀結(jié)束序列動(dòng)態(tài)段幀尾序列42第二節(jié) FlexRay網(wǎng)絡(luò)中信息的基本傳輸過(guò)程2. 幀位流的編碼傳輸一個(gè)幀的時(shí)候，節(jié)點(diǎn)按照一定的要求把要發(fā)送的信息和插入序列成一個(gè)位流，依次發(fā)送到物理層上。靜態(tài)段幀

19、和動(dòng)態(tài)段幀的編碼圖示如圖3-19，3-20。4344第二節(jié) FlexRay網(wǎng)絡(luò)中信息的基本傳輸過(guò)程3. 幀位流解碼對(duì)于接收端，在總線空閑時(shí)監(jiān)測(cè)到總線上傳輸起始序列TSS，表示有幀將要啟動(dòng)傳輸，這時(shí)啟動(dòng)幀接受過(guò)程，按照同步機(jī)制定時(shí)，開(kāi)始接收后續(xù)位流，并按照編碼規(guī)則進(jìn)行解碼處理。當(dāng)接收端節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到錯(cuò)誤的時(shí)候，終止通信位流的解碼過(guò)程，并一直等待總線回到空閑狀態(tài)。45第三節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)的同步及啟動(dòng)在FlexRay的通信周期，靜態(tài)段中使用的是基于TDMA的通信協(xié)議，通信媒介的訪問(wèn)是在時(shí)間域中各個(gè)節(jié)點(diǎn)分時(shí)進(jìn)行的。這種方式，要求每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都必須保持時(shí)間上的一致，并且每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的最大時(shí)間偏差在限定的范圍

20、之內(nèi)，才能真正實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步，并按照這個(gè)時(shí)間安排發(fā)送順序。所有的節(jié)點(diǎn)在時(shí)鐘同步的前提下才能進(jìn)行正確的通信。46第三節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)的同步及啟動(dòng)一、時(shí)鐘同步方式時(shí)鐘同步的主要任務(wù)是確保一個(gè)簇中所有節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間偏差在允許的范圍。在 FlexRay 協(xié)議中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)由同步幀傳來(lái)其它節(jié)點(diǎn)的定時(shí)信息，進(jìn)而可以計(jì)算出與本地時(shí)間（本節(jié)點(diǎn)的時(shí)間）的偏差，使用分布式時(shí)鐘同步機(jī)制，使其本地時(shí)鐘同步到所在簇的全局時(shí)鐘。47第三節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)的同步及啟動(dòng)1. 時(shí)鐘同步方法一個(gè)FlexRay節(jié)點(diǎn)可以使用三種不同的時(shí)鐘同步方式，一個(gè)FlexRay簇的節(jié)點(diǎn)的同步方式影響其工作特點(diǎn)。1）TT-D 時(shí)鐘同步方法

21、2）TT-L時(shí)鐘同步方法3）TT-E時(shí)鐘同步方法48第三節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)的同步及啟動(dòng)2. 時(shí)鐘的層次結(jié)構(gòu)1）全局時(shí)間與局部時(shí)間一個(gè)FlexRay簇范圍公共的時(shí)間稱為全局時(shí)間，F(xiàn)lexRay協(xié)議本身沒(méi)有一個(gè)絕對(duì)的全局時(shí)間，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)有一個(gè)從其角度看到的全局時(shí)間。局部時(shí)間是一個(gè)節(jié)點(diǎn)自己的時(shí)鐘給出的時(shí)間，一個(gè)節(jié)點(diǎn)的局部時(shí)間是基于其認(rèn)知的全局時(shí)間的，通過(guò)時(shí)鐘同步算法盡量調(diào)節(jié)它的局部時(shí)間與全局時(shí)間一致。一個(gè)FlexRay簇的定時(shí)精度是簇內(nèi)任意兩個(gè)同步了的節(jié)點(diǎn)的局部時(shí)間之差。49第三節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)的同步及啟動(dòng)2）時(shí)間單位層次在FlexRay簇和節(jié)點(diǎn)中，時(shí)間單位的層次有周期、宏時(shí)鐘節(jié)拍、微時(shí)鐘節(jié)拍

22、，其關(guān)系如圖3-21。微時(shí)鐘直接由通信控制器的振蕩器產(chǎn)生，是面向通信控制器的時(shí)間單位，也是一個(gè)節(jié)點(diǎn)里面最小時(shí)間單位。50第三節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)的同步及啟動(dòng)3. 時(shí)鐘同步過(guò)程FlexRay的時(shí)鐘同步包含兩個(gè)主要的過(guò)程。一個(gè)是宏時(shí)鐘產(chǎn)生過(guò)程(MTG)，其控制宏時(shí)鐘計(jì)數(shù)器和周期計(jì)數(shù)器，并進(jìn)行頻率和相位偏移的校正；一個(gè)是時(shí)鐘同步過(guò)程(CSP)，其完成周期開(kāi)始時(shí)的初始化、檢測(cè)并存儲(chǔ)偏差值、以及計(jì)算速率和偏移的校正值。這兩個(gè)過(guò)程的定時(shí)關(guān)系以及與媒體訪問(wèn)的關(guān)系如圖3-22。5152第三節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)的同步及啟動(dòng)FlexRay中允許的最大時(shí)鐘偏差稱為精確度。FlexRay中的時(shí)鐘偏差包括兩部分，一個(gè)是

23、相位上的偏差，一個(gè)是頻率上的偏差。其中相位上的偏差指的是在某一個(gè)時(shí)間的絕對(duì)差別。而頻率上的偏差是相位偏差隨著時(shí)間推移的變化。實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步，是通過(guò)相位的更正和頻率的更正實(shí)現(xiàn)的。 FlexRay使用了一種綜合的方法，來(lái)同時(shí)實(shí)現(xiàn)相位上的校正和頻率上的校正。53第三節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)的同步及啟動(dòng)圖3-23是FlexRay時(shí)鐘同步基本過(guò)程54第三節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)的同步及啟動(dòng)二、FlexRay簇啟動(dòng)所謂啟動(dòng)就是使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)從休眠狀態(tài)進(jìn)入同步操作，并初始化同步操作或并入一個(gè)已經(jīng)在運(yùn)行狀態(tài)的簇中。系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程包含兩個(gè)邏輯步驟，一個(gè)是冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)的啟動(dòng)，一個(gè)是其他節(jié)點(diǎn)響應(yīng)冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)。55第三節(jié)FlexRay網(wǎng)

24、絡(luò)的同步及啟動(dòng)當(dāng)使用TT-D 同步方法，每個(gè) TT-D冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)完成其啟動(dòng)并建立起與另一個(gè)冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定通信表示啟動(dòng)完成。一個(gè)TT-L冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)在六個(gè)周期后完成其啟動(dòng)。一個(gè)TT-E冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)，在接收到對(duì)應(yīng)的簇中與其對(duì)偶的節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步參數(shù)之后，第一個(gè)周期開(kāi)始就完成了啟動(dòng)。56第三節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)的同步及啟動(dòng)在FlexRay簇進(jìn)行啟動(dòng)的時(shí)候，先執(zhí)行冷啟動(dòng)程序（Coldstart Node）。首先主動(dòng)傳輸啟動(dòng)消息的節(jié)點(diǎn)稱為主冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)（Leading Coldstart Node），其他的冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)稱為從冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)（Following Coldstart Node）。57第三節(jié)FlexRay

25、網(wǎng)絡(luò)的同步及啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)完成冷啟動(dòng)階段后進(jìn)入正常操作模式，進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。在確定和驗(yàn)證算法計(jì)算得出的校正值之后，主冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)會(huì)收到來(lái)自兩個(gè)通信周期的從冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)的消息，進(jìn)而完成啟動(dòng)階段。圖3-24是主冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)和從冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)的啟動(dòng)階段的一個(gè)圖例。58第四節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)一、概述FlexRay網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)主要包括網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及各個(gè)功能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。59第四節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)建一個(gè)FlexRay節(jié)點(diǎn)，有3種結(jié)構(gòu)方式，分別是MCU+CC+BD形式、MCU+BD形式以及MCU形式。60第四節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)圖3-25是FlexRay結(jié)點(diǎn)基本結(jié)構(gòu)。61第四節(jié)F

26、lexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)62第四節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)二、FlexRay節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)例本例中，MCU選用英飛凌生產(chǎn)的XC164CM，CC選用的英飛凌生產(chǎn)的SAK-CIC310，BD選用的是飛利浦的TJA1080。XC164CM為16位單片機(jī)，它通過(guò)SSC(高速同步串行接口)和CIC310的SSC口進(jìn)行連接，完成各個(gè)模塊間的數(shù)據(jù)交換。63第四節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)1.結(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)主控控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能及通信過(guò)程。通信控制器和總線收發(fā)器之間通過(guò)一個(gè)串口交換數(shù)據(jù)。由于主機(jī)及端口電壓是5V，通信控制器的端口電壓是3.3V，所以它們不能直接進(jìn)行相連，需要在它們之間加一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換模塊。電壓轉(zhuǎn)換模塊

27、采用SN74ALVC164245，它的功能就是完成XC164CM和CIC310之間的電壓匹配，以及TJA1080和CIC310之間的電壓匹配。節(jié)點(diǎn)總體結(jié)構(gòu)如圖3-26。6465第四節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)2.結(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)（1）XC164CM連接電路 微控制器XC164CM是整個(gè)節(jié)點(diǎn)的控制核心，它通過(guò)SSC端口和通信控制器CIC310相連，并通過(guò)這個(gè)端口向CIC310發(fā)送數(shù)據(jù)控制CIC310和讀取CIC310的狀態(tài)。XC164CM有SSC功能端口，可直接與CIC310的SSC端口進(jìn)行連接。標(biāo)準(zhǔn)的SSC端口有5條信號(hào)線：時(shí)鐘SCLK、主機(jī)發(fā)送MOSI、從機(jī)發(fā)送MISO、片選信號(hào)SLS和就緒RD

28、Y。與兩個(gè)TJA1080總線收發(fā)器通過(guò)EN，ERRN和RXEN引腳進(jìn)行相連，并通過(guò)這些引腳控制總線收發(fā)器的使能、禁止和工作模式。XC164CM的主體電路的連接如圖3-27，圖3-27中XC164CM各引腳的基本功能如表3-3。666768表3-3 XC164CM引腳功能引腳序號(hào)引腳功能1-5連接LED，給出模式選擇9-18輸入功能，可用于模數(shù)轉(zhuǎn)變21-24輸入功能，可用于模數(shù)轉(zhuǎn)變28-31對(duì)應(yīng)OCDS的接口，用于調(diào)試33復(fù)用通信控制器35-39SSC0接口，通過(guò)配置，XC164CM的SSC0可以作為SSC端口使用49-55用于連接兩個(gè)總線收發(fā)器60-64系統(tǒng)支持功能：復(fù)位、時(shí)鐘信號(hào)端第四節(jié)Fl

29、exRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)圖3-28為復(fù)位電路以調(diào)試支持接口電路。6970第四節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)圖3-28(a)為XC164CM的復(fù)位電路，以TL7705芯片為核心產(chǎn)生XC164CM的復(fù)位信號(hào)。TL7705的復(fù)位信號(hào)比常規(guī)的RC復(fù)位電路穩(wěn)定，可以使XC164CM進(jìn)行可靠的復(fù)位。圖3-28(b)為OCDS調(diào)試接口電路。使用OCDS雙列直插16針的接口，支持對(duì)XC164CM開(kāi)發(fā)調(diào)試的連接。71第四節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)選用的具體芯片為XC164CM-8F20F，其最大系統(tǒng)時(shí)鐘為20MHZ。XC164CM內(nèi)部具有鎖相環(huán)電路，可以通過(guò)對(duì)相應(yīng)寄存器的設(shè)置，來(lái)對(duì)輸入晶振信號(hào)進(jìn)行倍頻、分頻。當(dāng)系

30、統(tǒng)采用8MHZ晶振，按公式3-1編程配置有關(guān)寄存器就可得到20MHZ的系統(tǒng)時(shí)鐘。式中fin代表鎖相環(huán)PLL的輸入頻率，fosc表示晶振頻率，fcpu表示系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。PLLIDIV，PLLMUL，PLLODIV，CPSYS是XC164CM中寄存器的一些可編程位域。fin=fosc/2=8M/2=4M（通過(guò)PLLIDIV配置）fvco=fin*25=4M*25=100M(通過(guò)PLLMUL配置)fpll=fvco/5=100M/2=20M(通過(guò)PLLODIV配置)fcpu=fpll/1=20M/1=20M(通過(guò)CPSYS配置) （3-1）72第四節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)（2）CIC310I電路

31、連接CIC310的主要功能是接收來(lái)自節(jié)點(diǎn)主控制器XC164CM的控制命令，配置自己的工作模式。CIC310連接主控制器和總線收發(fā)器，用來(lái)發(fā)送和接受數(shù)據(jù)。73第四節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)CIC310和主機(jī)之間通過(guò)SSC口連接。其復(fù)位信號(hào)由主機(jī)提供，在主控制器啟動(dòng)正常工作之后，向CIC310發(fā)送復(fù)位信號(hào)，使CIC310復(fù)位。復(fù)位之后，主控制器通過(guò)SSC口向CIC310的內(nèi)部寄存器寫控制命令，配置CIC310工作模式等信息。當(dāng)ERAY配置完畢之后，就可以開(kāi)始進(jìn)行正常通信的數(shù)據(jù)收發(fā)操作，有在接收到總線來(lái)的報(bào)文時(shí)向主控制器發(fā)送中斷，通知主控制器讀取剛收到的報(bào)文；發(fā)送時(shí)，接收主控制器發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)并發(fā)送給

32、收發(fā)器送上物理線路上。74第四節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)CIC310和TJA1080之間通過(guò)FlexRay收發(fā)線連接。系統(tǒng)設(shè)計(jì)為雙通道，所以兩個(gè)FlexRay的端口都連到物理線路上。圖3-29為CIC310的主體電路。表3-4為CIC310引腳連接關(guān)系。7576引腳序號(hào)引腳功能1-6與總線收發(fā)器TJA1080進(jìn)行相連12-13晶振信號(hào)輸入22-23測(cè)試用LED的引腳27-28測(cè)試用LED的引腳35模式選擇，通過(guò)上拉電阻接電源，選擇SSC接口模式46模式選擇，通過(guò)上拉電阻接電源，選擇SSC接口模式36-40SSC端口，實(shí)現(xiàn)和主控制器之間的信息交互31連接上拉電阻，置“1”47連接上拉電阻，置“

33、1”48復(fù)位引腳輸入端60中斷請(qǐng)求信號(hào)輸出端77表3-4 CIC310引腳連接第四節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)中，CIC310的核供電電壓為1.5V，端口供電電壓為3.3V。主控制器XC164CM的核心供電電壓為2.5V，端口電壓為5V。如圖3-30的圖a、圖b，為了滿足不同芯片的電源需求并簡(jiǎn)化電路，使用電壓轉(zhuǎn)化芯片AMS1117來(lái)產(chǎn)生所需的電源。系統(tǒng)輸入5V供電電源，通過(guò)AMS1117-2.5將5V電壓轉(zhuǎn)為2.5V供XC164CM使用，轉(zhuǎn)換為3.3V供CIC310端口使用。7879第四節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)產(chǎn)生CIC310的1.5V電源如圖3-30（c），LM1117-ADJ的參考

34、電壓為1.25V，輸出電壓和參考電壓的關(guān)系為：Vout=Vref*(1+R36/R35)。欲使輸出電壓Vout=1.5V，需要滿足R36/R35=1/5。在LM1117-ADJ輸入輸出端的電容必須使用鉭電容。使用普通的電解電容輸出電壓會(huì)不夠穩(wěn)定。80第四節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)（3）TJA1080連接電路TJA1080是FlexRay節(jié)點(diǎn)的物理層收發(fā)器，如圖3-31。TJA1080共有20個(gè)引腳。通過(guò)TRXD0和TRXD1引腳可以配置TJA1080的工作模式。工作在普通的收/發(fā)模式時(shí)TRXD0和TRXD1都必須為“0”，即必須使用下拉電阻接地。1-2引腳用作電源管理，需要配合FlexRay

35、節(jié)點(diǎn)中的總線監(jiān)控器（Bus Guardian）使用。5-7為TJA1080和通信控制器CIC310的接口，用來(lái)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。12-13引腳用于向主控制器芯片反饋狀態(tài)信息。15腳WAKE為喚醒引腳。BP，BM為TJA1080的差分信號(hào)線。為了減少信號(hào)線上的干擾，需要接共模電感（Common Mode Chock）。8182第四節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)（4）SN74ALVC164245電路連接為了解決主控芯片端口電壓和通信控制器端口電壓的匹配問(wèn)題，使用了一片SN74ALVC164245。這個(gè)芯片專用于高速串行通信的電壓匹配。如圖3-32，1腳和24腳為DIR功能，也就是方向選擇。DIR=0傳

36、輸方向?yàn)锽A，DIR=1傳輸方向?yàn)锳B。A側(cè)電壓為3.3V供電，B側(cè)電壓為5V供電。25腳和48腳為OE片選信號(hào)，分別對(duì)應(yīng)組1和組2的使能。這兩個(gè)引腳同時(shí)接到主控制器芯片上，由主控制器芯片控制SN74ALVC164245的使能。8384第四節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)3.結(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的軟件部分主要包括FlexRay通信驅(qū)動(dòng)程序以及節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用功能程序。一個(gè)FlexRay節(jié)點(diǎn)最基本的功能，就是能夠完成正常的FlexRay通信接口控制及數(shù)據(jù)收發(fā)操作，包括主控制器芯片正確地控制節(jié)點(diǎn)內(nèi)各個(gè)部分、完成FlexRay節(jié)點(diǎn)的啟動(dòng)、正確驅(qū)動(dòng)通信模塊完成數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)，應(yīng)用程序根據(jù)節(jié)點(diǎn)的具體應(yīng)用功能設(shè)計(jì)。軟件

37、部分依據(jù)應(yīng)用有較大的區(qū)別。本例一個(gè)節(jié)點(diǎn)的軟件部分主要包括：85第四節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)（1）主控制器XC164CM和CIC310之間的SSC通信程序節(jié)點(diǎn)中主控制器芯片XC164CM和通信控制器CIC310之間通過(guò)SSC接口連接完成信息交互。SSC接口在傳輸普通數(shù)據(jù)之前會(huì)先傳送一個(gè)控制字，具體的操作類型由控制字的最高兩位進(jìn)行選擇。正常的SSC端口都是由五根線組成的，分別是MTSR，MRST，SCLK，SLS和RDY信號(hào)。CIC310完全支持這五種信號(hào)線， 主控制器XC164CM只有MTSR，MRST，SCLK和SLS。所以，不能按照標(biāo)準(zhǔn)的SSC接口方式進(jìn)行連接，應(yīng)采用可以不使用RDY信號(hào)

38、的操作模式。86第四節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)（2）通信過(guò)程的CRC校驗(yàn)程序CRC校驗(yàn)功能的實(shí)現(xiàn)包括發(fā)送時(shí)產(chǎn)生校驗(yàn)碼和接收時(shí)的校驗(yàn)。當(dāng)使用CIC310作為 FlexRay的通信協(xié)議控制器時(shí)，由于其沒(méi)有計(jì)算能力，為了在FlexRay幀傳輸中使用校驗(yàn)，需要由主控制器芯片完成對(duì)FlexRay幀加入CRC校驗(yàn)碼的計(jì)算，既需要CRC校驗(yàn)編程。通信控制器對(duì)主控制器芯片計(jì)算的檢驗(yàn)碼進(jìn)行驗(yàn)證，如果正確的話則進(jìn)行FlexRay幀的發(fā)送。FlexRay的頭校驗(yàn)包含同步幀指示位、起始幀指示位、幀ID和有效載荷段長(zhǎng)度，共20位。主控制器部分根據(jù)FlexRay規(guī)定的CRC校驗(yàn)方式來(lái)對(duì)這20位數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)碼的計(jì)算

39、。FlexRay規(guī)定的CRC校驗(yàn)方式和普通的CRC校驗(yàn)基本一致，并規(guī)定了CRC校驗(yàn)的初始值和生成多項(xiàng)式。這些參數(shù)已經(jīng)在通信控制器的硬件中設(shè)置好了，必須按照這樣規(guī)定的方式產(chǎn)生CRC校驗(yàn)碼，被通信控制器才能產(chǎn)生正確的校驗(yàn)結(jié)果，否則通信控制器會(huì)認(rèn)為產(chǎn)生的校驗(yàn)碼是錯(cuò)誤的，而忽略掉主控芯片發(fā)送的數(shù)據(jù)。87第四節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)（3）CIC310的狀態(tài)轉(zhuǎn)換程序通過(guò)SSC端口驅(qū)動(dòng)程序，主控制器能夠控制通信控制器后，還需要了解FlexRay通信控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，才能正確的啟動(dòng)FlexRay節(jié)點(diǎn)和進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。FlexRay協(xié)議規(guī)定了的狀態(tài)以及各個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換條件，應(yīng)按照CIC310工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換要求編寫控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換的程序。88第四節(jié)Fl