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1、FlexRay车载通信协议一、FlexRay介绍21.1汽车网络通信协议综述21.2 FlexRay特点21.3 FlexRay协会31.4 FlexRay应用3二、FlexRay架构42.1 FlexRay节点42.2 FlexRay状态52.3 FlexRay网络6三、 FlexRay协议83.1 FlexRay帧格式83.1.1帧头部分83.1.2有效数据部分93.1.3帧尾部分93.2 FlexRay帧编码93.2.1帧编码93.2.2特征符编码103.3 FlexRay通信模式113.4 FlexRay时钟同步123.5 FlexRay总线信号13四、FlexRay产品开发144.1
2、 FlexRay开发进程144.2 FlexRay产品（以富士通为例）144.2.1 Flexray套件144.2.2 FlexRay产品特性15五、历史与展望165.1 汽车技术与汽车产业165.2 关于汽车计算平台的思考与机会17一、FlexRay介绍 FlexRay通讯协议运用于可靠的车内网络中，是一种具备故障容错的高速汽车总线系统。它已经成为同类产品的基准，将在未来很多年内，引导汽车电子产品控制结构的发展方向。FlexRay协议标准中定义了同步和异步帧传输，同步传输中保证帧的延迟和抖动，异步传输中有优先次序，还有多时钟同步，错误检测与避免，编码解码，物理层的总线监控设备等。1.1汽车网
3、络通信协议综述汽车网络通信协议在保证整个系统正常运行方面起着非常重要的作用。它可以帮助解决系统很多问题，如数据共享、可扩展性、诊断接口等。目前，应用于汽车领域的网络标准除了FlexRay还有很多，如CAN、LIN、J1850及MOST等。 CAN总线全称为“控制器局域网总线（Controller Area Network）”，是德国博世公司从80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议。它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。CAN通信速率可达Mbit/s，每帧的数据字节数为8个。 LIN（Local Interconnect N
4、etwork，控制器局域网）总线是由LIN 协会发布的一种新型低成本串行通信总线，也称为经济型CAN网络。LIN的目标是为现有汽车网络（例如CAN总线）提供辅助功能，因此LIN总线是一种辅助的总线网络，在不需要CAN 总线的带宽和多功能的场合比如智能传感器和制动装置之间的通信使用LIN总线可大大节省成本。 J1850总线是1994年由汽车工程师协会颁布的标准，之后普及运用于美国车厂的汽车中。不过，虽然美国各厂多采用J1850标准，但是各厂的实际做法又不相同，因此相对其他标准来说比较混乱。由于J1850总线通信速率低，只适合用于车身控制系统及诊断系统，目前在美国逐步被CAN 所取代。 MOST（
5、Media Oriented System Transport，面向媒体的系统传输）总线是采用光纤并用于智能交通及多媒体的网络协议，能够支持24.8Mbps的数据速率，与以前的铜缆相比具有减轻重量和减小电磁干扰的优势。 1.2 FlexRay特点作为一种灵活的车载网络系统，FlexRay具有高速、可靠及安全的特点，它不仅能简化车载通信系统的架构，而且还有助于汽车电子单元获得更高的稳定性和可靠性。在宝马新款SUV “X5”的电子控制减震器系统中，首次采用了控制系列车内LAN接口规格FlexRay，此次实际应用预示着FlexRay在高速车载通信网络中的大规模应用已经指日可待。图1-各个协议数据速率
6、的比较FlexRay在物理上通过两条分开的总线通信，每一条的数据速率是10MBit/s。CAN网络最高性能极限为1Mbps，而FlexRay总数据速率可达到20Mbit/秒。因此，应用在车载网络，FlexRay 的网络带宽可能是CAN的20倍之多。FlexRay还能够提供很多网络所不具有的可靠性特点。尤其是FlexRay具备的冗余通信能力可实现通过硬件完全复制网络配置，并进行进度监测。FlexRay同时提供灵活的配置，可支持各种拓扑，如总线、星型和混合拓扑。设计人员可以通过结合两种或两种以上的该类型拓扑来配置分布式系统。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
7、的系统（如线控系统）的设计。1.3 FlexRay协会FlexRay协会1.4 FlexRay应用正如图2所示，FlexRay面向的是众多的车内线控操作(X-by-Wire)。图中还展示了一个把FlexRay和CAN网络结合的网关。图2-带有CAN网络扩充的FlexRay线控操作FlexRay导线控制应用的例子包括：l 线控操作转向：典型的是使用电子控制单元。l 防抱死制动系统(ABS)：包括车辆稳定控制(V)和车辆稳定助手(VSA)。l 动力系：代替现有的机械系统控制电子节气门。该电子节气门和现有系统结合工作，如电脑化燃油喷射器、电脑化可变进气系统、电脑化怠速控制系统。二、FlexRay架构
8、2.1 FlexRay节点FlexRay节点的核心是ECU（Electronic Control Unit），是接入车载网络中的独立完成相应功能的控制单元。主要由电源供给系统（Power Supply）、主处理器（Host）、固化FlexRay 通信控制器（Communication Controller）、可选的总线监控器（Bus Guardian）和总线驱动器（Bus Driver）组成，如图XX。主处理器提供和产生数据，并通过FlexRay 通信控制器传送出去。其中BD和BG的个数对应于通道数，与通讯控制器和微处理器相连。总线监控逻辑必须独立于其他的通讯控制器。总线驱动器连接着通信控制器
9、和总线，或是连接总线监控器和总线。主处理器把FlexRay控制器分配的时间槽通知给总线监视器，然后总线监视器就允许FlexRay 控制器在这些时间槽中来传输数据。数据可以在任何时候被接收。节点的两个通讯过程如下。a. 发送数据 Host将有效的数据送给CC，在CC中进行编码，形成数据位流(bit stream)，通过BD发送到相应的通道上。b. 接受数据 在某一时刻，由BD访问栈，将数据位流送到CC进行解码，将数据部分由CC传送给Host。图3 FlexRay节点（ECU）2.2 FlexRay状态如图2-3所示，FlexRay的节点有几个基本的运行状态：l 配置状态(默认配置/配置)：用于各
10、种初始化设置，包括通信周期和数据速率。l 就绪状态：用于进行内部的通信设置。l 唤醒状态：用于唤醒没有在通信的节点。唤醒针对的是电源管理系统。有些节点在不工作时处于“省电”模式（power-saving mode），党再次投入工作时就需要“唤醒该节点”；单个节点可唤醒整个组群；主机可在通讯信道上传输唤醒模式。节点通过收发器进行唤醒；当节点的收发器接受到唤醒特征符后，对主机处理器和通讯控制器进行上电，唤醒并激活通信控制器、总线驱动器和总线监控器。l 启动状态：用于启动时钟同步，并为通信做准备。只有将节点唤醒后，才能启动节点工作。初始化一个启动过程称为“cold-start”，能进行冷启动的节点数
11、目是有限的。系统的启动由两个逻辑步骤组成：冷启动节点启动+其他非冷启动节点通过接受启动帧与冷启动节点整合到一起。l 正常状态(主动/被动)：可以进行通信的状态。l 中断状态：表明通信中断。2.3 FlexRay网络FlexRay的网络拓扑结构主要分为3种：总线式、星形、总线星形混合型。在星型结构中，还存在联级方式。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。与总线结构相比，星状结构的优势在于：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
12、信号传输使用的两条线路短路，总线系统在该信道不能进行进一步的通信。如果是星状结构，则只有到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。双通道总线结构如1-1，双通道备用星型结构如1-2，单双通道级联如1-3和1-4，单双通道混合型结构如图1-5，1-6。 三、 FlexRay协议FlexRay 联盟目前只规定了数据链路层和物理层的协议。3.1 FlexRay帧格式一个数据帧由帧头（Header Segment）、有效数据段（Payload Segment）和帧尾（Trailer Segment）三部分组成。FlexRay数据帧格式如图4-1所示。3.1.1帧头部分共由5
13、个字节（40bit）组成。包括以下几位：1.保留位(Reserved bit,1位)。为日后的扩展做准备；2.负载段前言指示（Payload Preamble indicator，1位）。指明帧的负载段的向量信息。在静态帧中，该位指明的是NWVector；在动态帧中，该位指明的是信息ID；3.空帧指示（Null frame indicator，1位）。指明负载段的数据帧是否为零；4.同步帧指示（sync frame indicator，1位）。指明这是一个同步帧；5.起始帧指示（startup frame indicator，1位）。指明发送帧的节点是否为启始帧；6.帧ID（11位）。指明在系
14、统设计过程中分配到每个节点的ID(有效范围：1至2047)；长度-说明负载段的数据长度；7. 有效数据长度（7位）。指示有效数据的的长度，以字为单位。8.头部CRC（11位）。表明同步帧指示器和起始帧指示器的CRC计算值，以及由主机计算的帧ID和帧长度；9.周期（6位）。指明在帧传输时间内传输帧的节点的周期计数。3.1.2有效数据部分有效数据由三个部分组成：1.数据。可以是0-254字节或者说0-127个字，在图中分别以data0、data1表示；2.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；3.网络管理向量(NWVector)。该向量长度必须为0至10个字节，
15、并和所有节点相同。该帧的尾段包括硬件规定的CRC值。这些CRC值会在连接的信道上面改变种子值，以防不正确的校正。一般将有效数据部分的前6个字节设为海明距离（Hamming Distance）。3.1.3帧尾部分只含有单个的数据域，即CRC部分，包括帧头CRC和数据帧的CRC。3.2 FlexRay帧编码编码的过程实际上就是对要发送的数据进行相应的处理“打包”的过程，如加上各种校验位、ID符等。解码的过程就是对收到的数据帧进行“解包”的过程。编码与解码主要发生在通讯控制器与总线驱动器之间，如图5。图5 编码与解码其中RxD位接受信号，TxD为发送信号，TxEN为通讯控制器请求数据信号。信息的二进制表示采用“不归零”码。对于双通道的节点，每个通道上的编码与解码的过程是同时完成的。编码与解码的过程主要由3各过程组成：主编码与解码过程（CODEC）、位过滤（bit strobing）过程和唤醒模式解码过程（WUPDEC）。以主编吗与解码过程为主要过程。3.2.1帧编码传输起始序列（Transmission Start Sequence简称TSS），为一段时间的低电平，用于初始化传输节点与网络的
