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1、汽车总线应用技术,第三章 FlexRay,黄爱蓉 huang2010,本章主要内容,3.1 FlexRay发展背景 FlexRay的提出 FlexRay组织 FlexRay应用和发展 3.2 FlexRay工作原理 节点组成 节点工作原理 节点工作状态 3.3 FlexRay通信协议 组包与拆包 数据帧格式 媒体接入控制 时钟同步 唤醒与情动 3.4 FlexRay与CAN的对比分析,3.1 FlexRay的提出,FlexRay是继CAN 和LIN之后的最新研发成果，可以有效管理多重安全和舒适功能，FlexRay适用于线控操作(X-by-Wire) CAN存在的问题 CAN对于密集型、实时性要
2、求很高的应用，存在问题 不可预知的延迟（除非购买昂贵的解决方案） 位错误难以发现； 带宽限制，最大是500kbps，1Mbps可能； 基于CAN的智能传感器和执行器代价昂贵； 随着汽车体系结构越来越复杂，更多的ECU加入到汽车商，采用CAN网络会带来如下问题 设计工作负责； 额外增加的ECU，网关、连接器会导致汽车重量的增加 新兴的线控系统（ X-by-Wire )的要求 高速 确定性时间触发 容错性,Why FlexRay? CAN Latency,总线负载,消息延迟,典型的CAN网络 不可预知的延迟,总线负载,消息延迟,典型的时间触发网络 可预知的延迟,Why FlexRay? Compl
3、icated Architectures,CAN 虽然标准，但是也包含了如下的问题: CAN线路遍及整个车辆（将车头、车尾、车身等连接起来） 太多的ECU导致CAN总线系统设计实现复杂 针对于未来线控网络的应用方面，CAN没有足够的优势。,新兴网络 节点的成本,Bit rate,MOST50 (Twisted Pair),FlexRay 的特点（一）,FlexRay可以为下一代的车内控制系统提供所需的高速率速度和高可靠性 FlexRay有两个通信信道，两个信道的的数据速率最大可达到10Mbps,总数据速率可达到20Mbit/秒； FlexRay既可以像LIN和CAN一样采用单信道通信，也可采用
4、双信道通信； FlexRay的双信道通信，可以通过网络传输冗余数据，从而提高可靠性 应用在车载网络，FlexRay 的网络带宽可能是CAN的20倍之多。 FlexRay提供灵活的配置，可支持各种拓扑，如总线、星型和混合拓扑。 FlexRay可以进行同步（实时）和异步的数据传输，来满足车辆中各种系统的需求； FlexRay采用TDMA 和 mini-slotting 消息调度的确定性访问方式，具有容错功能和确定的通信消息传输时间，同时支持事件触发和时间触发。 FlexRay在每个通信周期内都提供静态和动态通信段 静态通信段可以提供有界延迟； 动态通信段则有助于满足在系统运行时间内出现的不同带宽需
5、求。,FlexRay 的组织,FlexRay由FlexRay共同体制定的协议； FlexRay联盟 2000年成立 核心成员：BMW 、Bosch、Daimler、Freescale 、GM、NXP、VW 成员: 目前93个(2009.10.12) 联盟的目标： 开发面向车内高速控制应用的高级通信技术，提高车辆安全性、可靠性和舒适性，提高可供市场所有用户使用的技术。 FlexRay协议 到目前为止， FlexRay已经发不了7个版本的协议规范； 目前的版本为2005年发表的V2.1 2007年第一辆FlexRay车（BMW X5 4.8i）量产，主要用于电子控制减震器系统 奥迪以XCP on
6、FlexRay作为下一代豪华运动车A8的标定协议。,FlexRay 的应用和发展,应用领域： 分布式控制系统 一体化控制：动力系统、底盘系统 高安全性要求的系统 X-by-Wire(线控系统） 牵引及安全控制系统 国防：地面设备 高传输速率要求的系统 车辆主干网 国防：地面设备 工业控制领域（正在讨论）,未来车网架构,FlexRay 高速主干网 X-by-Wire 安全气囊部署 LIN Sub Bus: 车门 座椅等. CAN/TTCAN Applications: 动力系统 车身系统 MOST 娱乐信息积木,时间触发网络原理,FlexRay采用时间触发通信，数据传输具有确定性。 基于时间槽(
7、slot)或时间窗口(windows)通信 特点 确定性 消息的传输时间是可知的 时间矩阵定义时间表 m 个窗口 x n 周期 消息调度技术: TDMA（时分多址接入） Mini-slotting（微时隙）,时间触发网络原理,Time Triggered Matrix for Schedule（一览表、清单）,Increasing Window or Slot Number,Increasing Cycle Number,通常情况下：消息在一个适当的确定的时槽传输,Cycle 0,Cycle 1,Slot ID m,Mini-Slotting Scheduling Technique（计划编制
8、法）,Cycle 2,m+1,m,Slot ID m+2,Communication Cycle Length,m+1,m+2,m,m+1,m+2,时隙的持续时间取决与帧传输的时间 如帧没有传输，则转到下一个时隙,时间触发网络原理,FlexRay总线网络拓扑,网络拓扑的分类 按照信道分 单信道 双信道 按照拓扑机构 总线型 星型 混合型,FlexRay总线网络拓扑,单信道总线型 IBus24m 4 nStubs 22,FlexRay总线网络拓扑,单信道无源星型 IStubN IStubM24m 3 nStubs 22 nSplice1（接头1个）,FlexRay总线网络拓扑,单信道有源星型 l
9、ActiveStarN 24m nActiveBranches2,FlexRay总线网络拓扑,单信道混合拓扑,单信道-总线,单信道-无源星型,单信道-有源源星型,FlexRay总线网络拓扑,双信道可独立选择拓扑形式,FlexRay 的工作原理,FlexRay节点组成： 控制器 主机控制器 通信控制器 驱动器 总线驱动器 总线监控器 监视接入总线的连接 通信的原理： 发送器主机将有效的数据发送给通信控制器，在通信控制器中进行编码形成位流，通过总线驱动器发送到相应的信道上。 接收数据在某一时刻，由总线驱动器访问总线，将数据位流送到通信控制器进行解码，将有效数据部分由通信控制器送给主机CPU。,Fl
10、exRay 的工作状态,FlexRay的节点有几个基本的运行状态 配置状态（默认配置/配置） -用于各种初始化设置，包括通信周期和数据速率 就绪状态 -用于进行内部的通信设置 唤醒状态 -用于唤醒没有在通信的节点。在该状态下，节点向另一节点发送唤醒信号，唤醒并激活通信控制器、总线驱动器和总线监控器。 启动状态 -用于启动时钟同步，并为通信做准备。 正常状态（主动/被动） -可以进行通信的状态 中断状态 -表明通信中断 工作状态的错误处理,FlexRay 的工作状态,FlexRay的节点有几个基本的运行状态,FlexRay 的工作状态,FlexRay也存在与错误相关的状态转移 在时钟同步和时钟校
11、正错误的错误计数器的数值基础上加以管理的。 FlexRay 网络有一个或一个以上传输同步信息的同步节点。 当个别节点的时钟与FlexRay同步节点时钟有所出入时，就会出现时钟校正错误。 在收到任意一条同步信息后，节点会将其时钟与同步节点的时钟相比较，并根据同步需要做出必要的变化。 每个节点都要进行错误计数，其中包括时钟同步中连续发生错误的次数。同时，节点还要监测和帧转移/接受状态相关的错误，其中包括语法错误、内容错误、总线干扰错误以及转移冲突所导致的错误。 一旦某节点发现该类错误，就会通知主机处理器。错误计数器的使用取决于应用用途和系统设计。,FlexRay 的工作状态,错误状态图,FlexR
12、ay 的通信协议组包和解包,FlexRay的组包和解包 组包过程就是对要发送的数据进行相应的处理过程，如叫上各种校验位、ID等。 解包对接收到的数据帧进行“分拆”的过程。 组包和解包过程在通信控制器与总线驱动器间完成。 RXD 接收信号 TXD为发送信号 TXEN为请求数据信号 信息编码：NRZ 双信道通信的每个信道上的编码是一致的。,FlexRay 的通信协议通信周期确定性,FlexRay总线采用周期通信的方式，一个通信周期Communication Cycle由四部分组成： 静态部分：用来传输总线数据，即FlexRay报文 动态部分：用来传输总线数据，即FlexRay报文 特征窗（SW，
13、Symbol Window） 用来发送唤醒特征符（WUS， Wake Up Symbol）和媒介访问检测特征符（MTS， Media Access Test Symbol） 网络空闲时间（NIT， Network Idle Time） 用来实现分布式的时钟同步和节点参数的初始化,FlexRay 的通信协议数据帧,帧结构分类 静态帧：静态部分发送的帧。 静态部分：将通信时间划分为多个等时长的静态时隙（Static Slot），不同帧ID的静态帧在相应ID的时隙内发送，实现了报文发送的确定性。 动态帧：在通信周期的动态部分发送的帧。 动态部分：将通信时间划分为多个等时长的微时隙（Mini Slot
14、），不同帧ID的动态帧在相应ID的动态时隙（Dynamic Slot）内发送 。 一个动态时隙可以占用一个或多个微时隙 ； 动态帧的发送时间并不确定，根据动态部分的负载情况可能延后发送，甚至延后到下一周期 ； 在双信道传输时，两个信道的动态帧的传输时间也可能不同。 适用于发送对实时性要求不高的事件型报文，例如诊断报文、标定报文。 空帧(NULL Frame): 数据段(Payload Segnent)不含有效数据(都为0) 启动帧(Startup Frame)： FlexRay网络启动时由启动节点发送 同步帧(Sync Frame): 由同步节点发送，用于节点之间的同步 启动帧一定是同步，而同
15、步帧不一定是启动帧,FlexRay 的通信协议数据帧,数据帧的组成 起始段(Header Segment) 净荷段(Payload Segment) 静态帧静态段(TDMA) 动态帧动态段(mini-slotting ) 结束段(Trailer Segment),FlexRay 的通信协议数据帧,数据帧的组成- 起始段(Header Segment),日后扩展用,指明负载段的向量数据，在静态帧中，指明网络管理向量（NWVector）；动态帧中，指明的是信息ID,指明负载段的数据是否为0,指明本帧是否为同步帧,指明本帧是否为启动帧,帧ID：在系统设计过程中分配到每个节点的ID(12047),周期
16、：指明在帧传输时间内传输帧的节点的周期计数,FlexRay 的通信协议数据帧,数据帧的组成 负载段(Payload Segment) 可由0254个字节组成。 信息ID-任意。该信息ID 使用负载段的前两个字节进行定义，可以在接收方作为可过滤数据使用。 网络管理向量（NWVector）任意。该向量长度必须为0至10个字节，并和所有节点相同。,FlexRay 的通信协议数据帧,数据帧的组成 负载段(Payload Segment) 可由0254个字节组成。 信息ID-任意。该信息ID 使用负载段的前两个字节进行定义，可以在接收方作为可过滤数据使用。 网络管理向量（NWVector）任意。该向量长度必须为0至12字节，并和所有节点相同。在同一个簇内，所有的节点应具有相同长度的网络管理向量，仅仅用于在静态时序传输的数据帧长度为C位,Thank You!,你只闻到我的香水，却没看到我的汗水。 你否定我的现在，我决定我的未来！ 你嘲笑
