FlexRay通信协议中文版.pdf-资料库

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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１Mbit/s，每帧的数据字节数为 8 个。 LIN（Local Interconnect Network，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（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的系统（如线控系统）的设计。 1.3 FlexRay协会 FlexRay 协会旨在推展开放式高速汇流排系统标准用于汽车的分布式控制应用。自 2000 年 9 月成立以来，协会不断发展成长，成员包括汽车产业一些最大、最具影响力的公司。 FlexRay 的开发工作正在 BMW、戴姆勒克莱斯勒、Freescale 半导体、通用汽车、恩智浦半导体、博世和大众等核心合作伙伴的推动下大步前进。透过多种会员分级制度，会员企业可与 FlexRay 协会工作小组进行交流，提出想法，参加评议会，并可提前获得相关规范以及积极参与推展这一国际标准的机会。协会网站：http://www.flexray.com 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：  线控操作转向：典型的是使用电子控制单元。  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)。  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 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：  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。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。  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。  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。

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 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，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对接。帧起始序列（Frame Start Sequence 简称 FSS）为一小段时间的高电平，紧跟在 TSS 后。字节起始序列（Byte Start Sequence 简称 BSS）由一段高电平和一段低电平组成。给接受方节点提供定时信息。帧结束序列（Frame End Sequencej 简称 FES）由一段低电平和一段高电平组成，位于有效数据位之后。如果是在动态时序部分接入网络，则还要在 FES 后附加动态尾部序列（DTS）。将这些序列与有效位（从最大位 MSB 到最小位 LSB）组装起来就是编码过程，最终形成能够在网络传播的数据位流。此外，低电平的最小持续时间位一个 gdBit。图 3-2 与图 3-3 分别为静态和动态部分的编码。

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