车内通信网络标准FlexRay的功能和特性分析

FlexRay标准在车内通信网络中具有较大优势和广泛的潜在应用机会。本文详细地介绍了FlexRay的数据速率、时钟同步等特性及可能的应用领域，并分析了FlexRay的访问方法、时钟同步和群组启动等功能。

图1：几种汽车通信协议的成本和速率比较。

在FlexRay协议制定5年后，该协议规范的第二版(V2.1)在2005年春季发布。由于新技术能实现经济高效的新应用，整个行业对这个标准产生了浓厚的兴趣，本文将探讨该标准潜在的应用领域，详细地介绍在FlexRay中使用的三种机制，并列举一系列实例来讨论FlexRay的几种应用。此外，本文还将讨论可行和不可行的拓扑结构，并简要论述唤醒群组(Cluster)的场景，以及讨论如何计算最优的消息帧大小。 FlexRay的特性 FlexRay提供了传统车内通信协议所不具备的大量特性，包括： a. 2�10Mbps的数据速率 FlexRay支持两个通信信道，每个信道的速度达到10Mbps。与CAN协议相比，它能将可用带宽提高10-40倍，具体大小取决于配置和对比模式的不同。 b. 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，并提供给应用。时基的精确度介于0.5μs和10μs之间(通常为1-2μs)。

图2：带静态和动态段的通信周期。 c.知道消息的到达时间 通信是在不断循环的周期中进行的，特定消息在通信周期中拥有固定位置，因此接收器已经提前知道了消息到达的时间。到达时间的临时偏差幅度会非常小，并能得到保证。 d. 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耗。 e. 灵活性 在FlexRay协议的开发过程中，关注的主要问题是灵活性。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，还支持总线或星型拓扑。FlexRay提供了大量配置参数，可以支持对系统进行调整，如通信周期的持续时间、消息长度等，以满足特定应用的需求。 应用领域 上面列出的这些特性使FlexRay适合于很多应用领域，包括： 1．替代CAN总线

图3：时钟同步机制。 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。 2．骨干网络 FlexRay具有很高的数据速率，因而非常适合于汽车骨干网络，用于连接多个独立网络。 3．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，消息周期偏差非常小，这使得FlexRay成为具有严格实时要求的分布式控制系统的首选技术。 4．面向安全的系统 FlexRay本身不能确保系统安全，但它具备大量功能，可以支持面向安全的系统(如线控系统)设计。 在车内通信方面，FlexRay提供了从事件驱动的CAN通信转换到时间驱动通信的一个转换范例。这种转换需要一定时间，因为它不仅会影响新技术的引入，还要求对涉及到的所有人员都进行重新培训。一旦这个转换步骤完成，就可以发现更多的应用领域。 功能和机制分析 1．访问方法 FlexRay的通信是在逐周期中进行的，一个通信周期始终由静态部分和网络闲置时间(NIT)组成。协议内部流程需要网络闲置时间，在这个时段内，群组的节点之间不进行任何通信(见图2)。

图4：FlexRay 群组启动。 通信周期的静态部分基于时分多址(TDMA)技术。该技术将固定时隙分配给各个节点，在这个时隙内，允许节点传输数据。所有时隙大小相同，并且是从“1”开始向上编号。将一个或一个以上的时隙固定分配给每个节点。在运行期间，该时隙的分配不能修改。 除了静态部分以外，通信周期还可以选择性地组成动态部分。一种所谓的“微时隙”法用来访问动态部分内的通信媒介。发送出去的消息永远分配给动态时隙。只要时隙分配给了节点，与大小都相同、始终用于传输的静态时隙相反，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(ID)和时隙号对应，有待发消息的节点就会进行传输。如果没有节点传输，则所有节点就会等候，等待的时间长度正是微时隙的长度，然后它们的时隙计数器也会增加。在时隙计数器增加以后，所有节点都将检查该时隙号是否与将发出的消息对应。如果两者匹配，该节点将发送消息。所有其它节点接受这条消息，并且一直等到它们完全接收了这条消息后再增加时隙读数。这一过程将会持续，直至动态部分结束。如果在一个周期中，没有或者只有少数节点发送消息，在动态部分的结尾将达到更高的时隙号。如果有大量节点进行发送，则到达的时隙号就比较低。因此，拥有较高编号的(即优先权较低)发送消息的节点可能在一个周期中传输，而不在另一个周期中传输，具体取决于在其之前在动态部分已经由多少个节点进行了消息传输。要确定消息已经传输，用户必须在静态部分发送该消息，或者必须在动态部分中对其分配较低消息编号(即优先权较高)。 2．时钟同步 如果使用基于TDMA的通信协议，则在时间域上控制对通信媒介的访问。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。最大的偏差反应了精确度的大小。

图5：双信道拓扑举例。 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。 通过相位修正和频率修正可以实现时钟同步。FlexRay使用了一种综合方法，即同时采用相位修正和频率修正。时钟同步是一个控制环路，与其它控制环路一样，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修正值。 在频率修正中，需要使用两个通信周期的测量值。这些测量值之间的差值反映每个通信周期中的时钟偏差变化，它通常用于计算双周期结束时的修正值(见上文提及的方法)。在整个后来的两个周期中，都使用该修正值。 相位修正值的计算只需一个周期的测量值，一旦接收了所有测量值，即可开始进行计算，并且它必须在开始相位修正前完成。在通信周期末尾，网络闲置时间(NIT)的一部分被保留，用于相位修正。相位修正要相隔一个周期来完成，避免影响时钟频率偏差的确定。图3概述了时钟同步的每个阶段，以及不同访问方法的分配。 3. 群组启动 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阶段之一。这是因为FlexRay中的通信基于同步时钟机制，但在启动阶段这种机制还未建立。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。 启动群组时，将会启动“coldstarter”，coldstarter总是存在于多个实例中。首先，启动传输消息的coldstarter被称为“主coldstarter”(leading coldstarter)，其它coldstarter则被称为“从coldstarter”(following coldstarter)。

图6：双信道星型拓扑。 一旦节点被唤醒并完成初始化，它就能在发出相应的主控制器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周期的传输信道，以确定其它节点是否正在传输。如果没有，该节点会开始传输，从而成为主coldstarter。主coldstarter首先会传输一个空符号，向其它节点说明目前它正在作为主coldstarter启动该群组。在传输符号(符号即特定数量的无效位)后，该节点开始启动它自己的时钟，并且开始第一个通信周期。根据预先定义的群组范围的通信机制，主coldstarter将在其分配的时隙中传输。与其它所有节点一样，它将只在一个时隙的启动阶段传输。

主coldstarter发送的消息可由从coldstarter接收。在消息ID(该号码与时隙编号相同)的帮助下，接收器能够确定发送器位于哪个时隙。传输节点的当前周期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周期中发送的第二条消息。一旦收到第二条消息，从coldstarter将开始启动它们的时钟，该时钟由周期编号和接收消息的时隙号进行初始化。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，该时间与通信周期的周期时间对应。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，频率修正机制使用该偏差值作为修正值。因此，从coldstarter不仅使用接收到的周期号和时间值(与传输的时隙对应)来启动其时钟，还会修改其时基的频率，使它尽可能地接近主coldstarter的值。 原则上，在启动时从coldstarter的时钟会与主coldstarter的时钟同步。为了避免可能的错误，从coldstarter在传输前必须等待两个周期。在这两个周期时间内，从coldstarter继续接收主coldstarter的消息和来自其它集成的从coldstarter的消息。已接收的消息的接收时间将与本地coldstarter进行比较，测量预测的和接收时间之间的偏差，修正值则按照前面介绍的时钟同步算法进行计算和应用。如果计算出的修正值没有超过特定的阈值，节点就可以从下一个周期开始传输。至此，它已经成功完成了启动过程，进入“正常运行”状态(正常的通信状态)。 在确定和验证计算出的修正值后的两个通信周期内，在主coldstarter收到来自的从coldstarter的消息后完成启动阶段。图4对主coldstarter和从coldstarter的启动阶段进行了介绍。 应用分析 1．可行的拓扑结构

图7：FlexRay不支持的拓扑举例。 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的星型连接器则用于各个信道。 与总线结构相比，星型连接器的优势在于：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。另一个重要优势是故障隔离功能。例如，如果信号传输使用的两条线路短路，总线系统在该信道中不能进行进一步的通信。如果使用星型结构，则只有到星型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。 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。 2．唤醒群组 FlexRay提供了一些通过通信信道来唤醒群组的功能，这种唤醒要与主应用共同完成。有几个可能的实现方案，我们将对其中一个方案进行详细介绍。图8显示了一个有4个节点的群组。本图中的数字表示每个模块的唤醒步骤，与其顺序编号相同： a．外部事件唤醒了主控制器1，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)。 b．主控制器1唤醒FlexRay CC，进行初始化。 c．主控制器唤醒总线驱动((BD 1A和BD 1B)。 d．主控制器通过通信信道，向CC发出唤醒群组的命令。CC进入唤醒状态，生成唤醒模式，该模式先发送到总线驱动器，总线驱动器再将它发送到总线。 e．信道A上的所有总线驱动器均采用唤醒模式。它们从睡眠模式进入正常模式，然后唤醒主控制器，主控制器2和3执行初始化程序。

图8：通过通信信道唤醒群组。 f．主控制器2和3唤醒CC，然后进行初始化，此时该流程已执行完毕。 g．检查信道B上的总线驱动器是否被同时唤醒。如果没有被唤醒，主控制器应唤醒第二个总线驱动器。 h. 所选择的主控制器验证两条信道是否都已被唤醒。如果没有，一个或多个主控制器应向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器。 i. 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，总线驱动器唤醒其主控制器。 j．在主控制器初始化后，主控器又唤醒CC。 k. 如果两个信道都已被唤醒，则可以执行启动。为了实现启动，每个主控制器应向CC发送启动命令。 唤醒操作只能由总线驱动器、CC和主控制器一起共同实现。上述任何一种器件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，还必须有应用软件的介入。 3．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，这些决定会影响到效率、稳定性、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大小，该帧的大小实质上决定着时隙的大小。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。