FlexRay 介绍
汽車(chē)上的總線技術(shù)包括：LIN、CAN、CAN FD、FlexRay、MOST及Ethernet，我們之前已經(jīng)分享了LIN，CAN、CAN FD總線。在開(kāi)始閱讀之前，如果你對(duì)已介紹的總線技術(shù)還不了解的話，可以先閱讀以下文章快速溫習(xí)一下~
說(shuō)一說(shuō)LIN總線
CAN總線基礎(chǔ)（一）
CAN總線基礎(chǔ)（下）
CAN FD 介紹
FlexRay背景
隨著汽車(chē)電子技術(shù)的不斷發(fā)展和系統(tǒng)的集成化，我們可不需要傳統(tǒng)的機(jī)械傳遞控制信號(hào)而是通過(guò)電子手段來(lái)駕駛汽車(chē)，而這一電子手段即X-By-Wire（X代表汽車(chē)中的各個(gè)系統(tǒng)，By-Wire可稱為電子線控），如線控轉(zhuǎn)向（Steering-By-Wire），線控制動(dòng)（Brake-By-Wire），線控技術(shù)主要應(yīng)用在主動(dòng)安全等關(guān)鍵系統(tǒng)中，這些場(chǎng)合都對(duì)信息的實(shí)時(shí)性和安全性有很高的要求。
另一方面隨著汽車(chē)電子電器架構(gòu)復(fù)雜度的提升尤其當(dāng)前輔助駕駛系統(tǒng)、無(wú)人駕駛技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的LIN、CAN總線已不堪重負(fù)且無(wú)法滿足未來(lái)高帶寬的要求，
上期講的CAN FD只是對(duì)傳統(tǒng)CAN總線的一種擴(kuò)展和過(guò)渡，首先其不會(huì)對(duì)原有的整車(chē)網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)大的變更，具備很好的兼容性又具有不錯(cuò)的傳輸速率（最高2Mbps），其次LIN CAN總線在汽車(chē)上已應(yīng)用了這么多年，若突然向新的總線技術(shù)遷移（如本期講的FlexRay）會(huì)帶來(lái)開(kāi)發(fā)遷移量、時(shí)間成本、硬件成本等方面的同步提升（所有節(jié)點(diǎn)必須升級(jí)為FlexRay節(jié)點(diǎn)），因此CAN FD在當(dāng)前階段是很好的過(guò)渡方案。但當(dāng)同時(shí)考慮X-By-Wire應(yīng)用場(chǎng)景和更高的帶寬要求時(shí)，CAN FD則無(wú)法滿足，而FlexRay則非常適用，但FlexRay的應(yīng)用對(duì)OEM的能力要求相比CAN會(huì)提高很多。
FlexRay聯(lián)盟
FlexRay的出現(xiàn)和發(fā)展離不開(kāi)2000年由Daimler Crysler 、 BMW 、Motorola 和Philips創(chuàng)建的FlexRay聯(lián)盟的推動(dòng)。該聯(lián)盟的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一種獨(dú)立于OEM、確定性和容錯(cuò)的FlexRay通信標(biāo)準(zhǔn)，該聯(lián)盟的每個(gè)成員都可以使用該標(biāo)準(zhǔn)而無(wú)需支付許可費(fèi)。目前FlexRay聯(lián)盟的核心成員包括：BOSCH 、BMW、Daimler AG、General Motors、Volkswagen AG、NXP Semiconductors。
FlexRay聯(lián)盟在2010年發(fā)布了3.0.1版規(guī)范，開(kāi)始推動(dòng)作為ISO標(biāo)準(zhǔn)，并在2013年發(fā)布了ISO 17458標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。
第一款采用FlexRay的量產(chǎn)車(chē)于2006年底在BMW X5中推出，應(yīng)用在電子控制減震系統(tǒng)中，2008年，全新BMW 7系全面采用了FlexRay。另外Audi、Mercedes-Benz以及領(lǐng)克等車(chē)型上也逐漸應(yīng)用。
FlexRay通訊特點(diǎn)及拓?fù)?/h2>
FlexRay是專為車(chē)內(nèi)局域網(wǎng)設(shè)計(jì)的一種具備故障容錯(cuò)的高速可確定性車(chē)載總線系統(tǒng)，采用了基于時(shí)間觸發(fā)的機(jī)制且具有高帶寬、容錯(cuò)性好等特點(diǎn)，在實(shí)時(shí)性、可靠性及靈活性方面都有很大的優(yōu)勢(shì)，非常適用于安全性要求較高的線控場(chǎng)合及帶寬要去高的場(chǎng)合。
1、高速率和容錯(cuò)性
FlexRay支持兩通道，可通過(guò)一個(gè)或兩個(gè)通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，單個(gè)通道的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)10Mbps，通過(guò)兩通道平行傳輸數(shù)據(jù)時(shí)可達(dá)20Mbps。也可通過(guò)雙通道傳輸相同的數(shù)據(jù)（真實(shí)情況大多應(yīng)用的方式），當(dāng)其中某個(gè)通道出現(xiàn)故障或信息有誤時(shí)，另一通道可繼續(xù)正常傳輸，并影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通訊，通過(guò)這種冗余備份實(shí)現(xiàn)很好的容錯(cuò)性。
2、確定性
FalexRay是一種時(shí)間觸發(fā)式的總線系統(tǒng)，符合TDMA(Time Division Multiple Access)的原則，因此在時(shí)間控制區(qū)域內(nèi)，時(shí)隙會(huì)分配給確定的消息，即會(huì)將規(guī)定好的時(shí)間段分配給特定的消息，時(shí)隙是經(jīng)固定周期重復(fù)，也就是說(shuō)信息在總線上的時(shí)間可以被預(yù)測(cè)出來(lái)，因此保證了其確定性。這就意味著控制信號(hào)是根據(jù)預(yù)定義的時(shí)間進(jìn)度傳輸?shù)?#xff0c;無(wú)論系統(tǒng)外部發(fā)生什么情況，都不會(huì)產(chǎn)生計(jì)劃外事件。在確定性算法中，始終會(huì)預(yù)先定義正確的輸出結(jié)果，這些結(jié)果是基于特定輸入的。
3、靈活性
FlexRay除了支持時(shí)間觸發(fā)式通訊外，還可通過(guò)事件觸發(fā)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，例如對(duì)于時(shí)間要求不高的信息，可配置在事件控制區(qū)域內(nèi)傳輸，可形成以時(shí)間觸發(fā)為主，兼顧事件觸發(fā)的靈活特性。
此外，FlexRay的拓?fù)涫嵌鄻拥?#xff0c;有線型、星型和混合型三大類，再結(jié)合單通道和雙通道的使用（FlexRay的兩個(gè)通道可相互獨(dú)立實(shí)現(xiàn)，所以兩個(gè)通道可采用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如一個(gè)通道為主動(dòng)星型拓?fù)?#xff0c;另一個(gè)為總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)），所以最終組合的結(jié)果可形成很多種。再例如既有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的線性結(jié)構(gòu)和多節(jié)點(diǎn)的線性結(jié)構(gòu)，還有增加冗余性的雙通道星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等等。
FlexRay數(shù)據(jù)傳輸
FlexRay規(guī)范定義了OSI參考模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，每個(gè)FlexRay節(jié)點(diǎn)通過(guò)一個(gè)FlexRay Controller和兩個(gè)FlexRay Transceivers（用于通道冗余）與總線相連，FlexRay Controller負(fù)責(zé)Flexray協(xié)議中的數(shù)據(jù)鏈路層，FlexRay Transceivers則負(fù)責(zé)總線物理信號(hào)接收發(fā)送。
FlexRay可采用屏蔽或不屏蔽的雙絞線，每個(gè)通道有兩根導(dǎo)線，即總線正（Bus-Plus，BP）和總線負(fù)（Bus-Minus，BM）組成。采用不歸零法（NRZ,Non-Return to Zero）進(jìn)行編碼。
可通過(guò)測(cè)量BP和BM之間的電壓差識(shí)別總線狀態(tài)，這樣可減少外部干擾對(duì)總線信息的影響，因這些干擾同時(shí)作用在兩根導(dǎo)線上可相互抵消。
每一通道需使用80~110歐的終端電阻。將不同的電壓加載在一個(gè)通道的兩根導(dǎo)線上，可使總線有四種狀態(tài)：Idle_Lp（Low power）、Idle、Data_0和Data_1
顯性：差分電壓不為0V（Data_0和Data_1）
隱性：差分電壓為0V（Idle_Lp、Idle）
FlexRay幀格式
FlexRay幀由起始段、有效負(fù)載段和結(jié)束段三大部分構(gòu)成。
1、起始段：由40個(gè)bits構(gòu)成（5 bytes），包括
-Status Bits-5bits
-Frame ID-11bits
-Payload Length-7 bits
-Hedaer CRC-11bits
-Cycle count -6 bits
其中5bits的Status Bits包含四類指示符：
Frame ID：數(shù)據(jù)標(biāo)志符，定義了在時(shí)間窗口（Slot）中發(fā)送的號(hào)碼，每個(gè)通道數(shù)據(jù)標(biāo)志符需唯一。
Payload Length：工作區(qū)長(zhǎng)度，指示該幀含有的有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，在每個(gè)Cycle下的靜態(tài)區(qū)中，每幀的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是相同的，在動(dòng)態(tài)區(qū)的長(zhǎng)度則是不同的。
Hedaer CRC：用于起始段冗余校驗(yàn)，檢查傳輸中的錯(cuò)誤。
Cycle count：循環(huán)計(jì)數(shù)器。
2、有效負(fù)載段
包含要傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)，有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度最大254個(gè)Bytes（0~127個(gè)Words），
3、結(jié)束段
包含24 ?Bits的檢驗(yàn)域，由起始段和有效負(fù)載段計(jì)算得出的CRC校驗(yàn)碼，計(jì)算CRC時(shí)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸順序從保留位到有效負(fù)載段的最后一位放到CRC生成器中進(jìn)行計(jì)算。
FlexRay編碼
編碼的過(guò)程實(shí)際就是對(duì)要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的打包處理，即在節(jié)點(diǎn)可傳輸帶有主計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)前需將其轉(zhuǎn)換為“比特流（Bitstream）”。
RxD為接收信號(hào)，TxD為發(fā)送信號(hào)，TxEN為通訊控制器請(qǐng)求數(shù)據(jù)，對(duì)于靜態(tài)幀和動(dòng)態(tài)幀分別按照如下方式進(jìn)行編碼。
其中TSS（傳輸啟動(dòng)序列）：用于初始化節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)通訊的對(duì)接（5~15位的低電平）；FSS（幀啟動(dòng)序列）：用于補(bǔ)償TSS后第一個(gè)字節(jié)可能出現(xiàn)的量化誤差（一位高電平）；BSS（字節(jié)啟動(dòng)序列）：給接收節(jié)點(diǎn)提供數(shù)據(jù)定時(shí)信息（一位高電平并緊隨一位低電平）；FES（幀結(jié)束序列）：用于標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)幀最后一個(gè)字節(jié)序列結(jié)束（一位低電平緊隨一位高電平）。
對(duì)于動(dòng)態(tài)區(qū)數(shù)據(jù)還額外需要DST（動(dòng)態(tài)段尾部序列）：僅用于動(dòng)態(tài)幀傳輸，用于表明動(dòng)態(tài)段中傳輸時(shí)動(dòng)作點(diǎn)的精確時(shí)間防止接收段過(guò)早檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)空閑狀態(tài)（一位長(zhǎng)度可變的低電平和高電平）。
將這些序列和有效位（MSB到LSB）組裝起來(lái)完成了編碼過(guò)程，最終構(gòu)成在網(wǎng)絡(luò)傳播的比特流。
FlexRay通訊
FlexRay總線的通訊由通訊周期（Communication Cycle）構(gòu)成，從總線啟動(dòng)到停止都在不斷重復(fù)該通訊周期。每個(gè)通訊周期具有相同的可配置時(shí)間間隔，且每個(gè)通訊周期由下面四部分構(gòu)成:
1、靜態(tài)段（Static Segment）
靜態(tài)段采用TDMA(Time Division Multiple Access)方式由固定的時(shí)隙（Slot）組成，不可更改且所有時(shí)隙大小一致。
因此每個(gè)節(jié)點(diǎn)可擁有一個(gè)或多個(gè)Slots，這樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)在每個(gè)通訊周期內(nèi)都可在其所占有的Slot內(nèi)發(fā)送，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)也可在不同的通道上共享同一Slot，單個(gè)Slot也可為空（即不被任何節(jié)點(diǎn)占用），所有的幀和Slots在靜態(tài)段都具有相同的長(zhǎng)度。單個(gè)Slot的長(zhǎng)度由總線中最長(zhǎng)的FlexRay Message決定，其包括四部分：Action Point Offset、FlexRay Frame、Channel Idle Delimiter（11個(gè)隱性位）和Channel Idle。
2、動(dòng)態(tài)段（Dynamic Segment）
動(dòng)態(tài)段采用FTDMA(Flexible Time Division Multiple Access)方式，由較小的時(shí)隙（Minislot）組成，可根據(jù)需要拓展變動(dòng)，一般用于傳輸事件控制型消息。
在動(dòng)態(tài)段每幀可能有不同的長(zhǎng)度，動(dòng)態(tài)時(shí)隙（Dynamic Slot）的長(zhǎng)度依賴于幀的長(zhǎng)度，只有空的Slot才是實(shí)際的一個(gè)Minislot的大小。
3、特征窗（Symblo Window）
用于傳輸特征符號(hào)，FlexRay的符號(hào)有三種:
4、網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間（NIT-Network Idle Time）
用于時(shí)鐘同步處理
如下是一個(gè)通訊示例：
FlexRay總結(jié)
從上面可看出，FlexRay相比傳統(tǒng)LIN、 CAN和CAN FD要更復(fù)雜一些，因此不管對(duì)OEM還是供應(yīng)商的能力要求勢(shì)必提高不少，其次從傳統(tǒng)總線技術(shù)向FlexRay遷移在成本及Effort上都要增加很多，普遍應(yīng)用仍需要時(shí)間。
參考文獻(xiàn)：
1、FlexRay?introduction（EB、Vector、BOSCH等資料）
?FlexRay 介紹 (qq.com)
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的FlexRay 介绍的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
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