FlexRay--设计、功能和应用 - 文章

FlexRay--设计、功能和应用

作者：飞思卡尔半导体 Mathias Rausch博士

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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FlexRay的相关知识，帮助用户了解FlexRay及其应用的潜力。

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 μs 和 10 μs之间（通常为1--2μs）。

提前知道消息的延迟时间，保证偏差幅度

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系统（如线控系统）的设计。

在车内通信方面，FlexRay提供了一次"典型转移"，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500 kbit/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

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。

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。

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。

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）。

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。

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，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]。

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。在通信循环末尾，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]。

图3：时钟同步机制

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"coldstarter"程序，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"引导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。此外，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。

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。

图4：FlexRay 集群启动

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。

图5：双信道拓扑举例

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，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[4].所示。

图6：双信道星状拓扑

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CRC，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，也没有为这种拓扑设计时钟同步。

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。本图中的数字号码表示唤醒每个模块的步骤，并且与顺序编号相同。

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。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。下面将举例演示用户拥有哪些配置选项。

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。此外，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列）与消息数量（第3列）相乘，就可以得出一个循环中的总的净数据量（第4列）。

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（TSS）添加到每条消息上，它们需要TSS来激活发送器和接收器。在传输消息后，节点需要一定时间来识别通信媒介是否有活动。这段时间被称为"闲置识别时间"，在配置中必须考虑这个时间。第6列显示了需要的带宽，考虑到了开始顺序和闲置时间。

集群中的时钟总是会显示一些偏差，这些偏差的最大值称为准确度。两条消息之间的时间距离必须大于这个精确度，以避免来自不同节点的消息重叠。由于系统的确切精确度无法确认，都是通过估计得出的，因而要为这个精确度增加一个安全余量。例如在本例中（10 Mbit/s的位速率），时钟偏差的整个安全余量为4 μs，所有消息都增加了安全余量，相当于每条消息都额外增加了40位。最右列显示的是需要的带宽（单位：字节）。

在比较净数据（第4列）时，解决方案2是最佳方案，但在考虑其它因素时，解决方案4则更胜一筹。它是所选示例4的最佳方案。在选择帧大小时，不仅要考虑最后得到的带宽，还要考虑其它诸多因素：良好的可用性、解决方案的简易扩展、良好的调试功能和错误检测选择（特别是测试车辆）。这些功能更难用数字表示。所有这些因素的重要性都一样，因此不能忽略。

总结和展望

在本文中，作者根据FlexRay的最重要特性，重点介绍了预期的应用领域。鉴于各种机制的数量庞大，我们只重点介绍了两种核心机制。随后，本文又讨论了集群启动，不仅说明了机制如何互操作，还对协议的复杂性进行了介绍。

通过通信信道来唤醒集群和选择最佳帧大小的拓扑配置，应当是用户特别感兴趣的部分。我们在示例中对不同选择方案进行了讨论。

FlexRay是许多公司正在评估的一种通信协议。第一批产品已向用户推出，更多产品将在今年继续推出。各种工具可以帮助用户设计并配置基于FlexRay的通信系统。要成为CAN这样的标准技术，FlexRay还需要几年时间。但是，现在实现该目标的第一步已经实现，今后必定会取得更多进展。

文献资料：
[1] FlexRay Communications System - Protocol Specification, Version 2.1, FlexRay Consortium, Apr. 2005.
[2] J. L. Welch, N. A. Lynch: A New Fault-Tolerant Algorithm for Clock Synchronization. Information and Computation, Volume 77, No. 1, pg. 1-36, Apr. 1988.
[3] M. Rausch: Optimierte Mechanismen und Algorithmen in FlexRay. Elektronik Automotive, pg. 36-40, Dec. 2002.
[4] FlexRay Communications System - Electrical Physical Layer Specification, Version 2.1, FlexRay Consortium, Apr. 2005.

作者简介：
Mathias Rausch 博士, 飞思卡尔半导体公司高级系统工程师
M. Rausch博士从事技术控制论和控制理论的研究，并在1996年获得离散事件系统博士学位。在美国宾西法尼亚州匹兹堡Carnegie Mellon大学从事访问研究后，他于1998年加盟摩托罗拉/飞思卡尔，并在汽车电子不同领域工作。自2000年以来，他开始致力于推动FlexRay协议的发展。2004年，他成为该协议技术规范的编辑，主要负责该协议技术规范的制定和修改。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (3/2/2006)


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