FlexRay總線調(diào)研報告汽車電子已成為汽車行業(yè)的一個重要市場。汽車電子行業(yè)最大的熱點就是網(wǎng)絡化REF_Ref324943084\r\h[1]。如今的汽車，已然是一個移動式的信息裝置，通過車內(nèi)網(wǎng)絡系統(tǒng)，可以接收、發(fā)送并處理大量的數(shù)據(jù)，對某些狀況做出必要的反應。未來汽車的發(fā)展趨勢必然是自動化程度越來越高，使汽車更安全、更可靠、更舒適，這意味著在車內(nèi)使用更多的傳感器、傳動裝置及電子控制單元，這也將對車載網(wǎng)絡提出更高的要求。針對未來汽車車載網(wǎng)絡的發(fā)展要求，F(xiàn)lexRay應運而生。FlexRay關(guān)注的是當今汽車行業(yè)的一些核心需求，包括更快的數(shù)據(jù)速率，更靈活的數(shù)據(jù)通信，更全面的拓撲選擇和容錯運算等。FlexRay的出現(xiàn)，彌補了既有總線協(xié)議應用在汽車線控系統(tǒng)或者同安全相關(guān)的系統(tǒng)時容錯性和傳輸速率太低的不足，并將逐步取代CAN總線成為新一代的汽車總線REF_Ref324943106\r\h[2]。FlexRay總線介紹車載網(wǎng)絡概述現(xiàn)代科技推動了汽車網(wǎng)絡技術(shù)的不斷發(fā)展，早在20世紀80年代國際上眾多知名汽車公司就積極致力于汽車網(wǎng)絡技術(shù)的研究及應用，迄今為止，已有多種網(wǎng)絡標準。1994年，SAE車輛網(wǎng)絡委員會將汽車數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)劃分為A、B、C等3類。A類為面向傳感器∕執(zhí)行器控制的低速網(wǎng)絡，B類為面向數(shù)據(jù)共享的中速網(wǎng)絡，C類為面向高速、實時閉環(huán)控制的多路傳輸網(wǎng)絡REF_Ref324947518\r\h[3]。另外它還保留了D類網(wǎng)的定義，這類網(wǎng)絡主要是面向車內(nèi)的娛樂設備的信息傳輸。四種汽車網(wǎng)絡標準總結(jié)如REF_Ref324966505\h表1所示。表SEQ表\*ARABIC1汽車網(wǎng)絡標準A類網(wǎng)絡主要面向傳感器、執(zhí)行器控制，是低速網(wǎng)絡。在該類網(wǎng)絡中對實時性要求不高，且不需要診斷功能，數(shù)據(jù)速率一般在1~10Kbps，主要應用于電動門窗、座椅調(diào)節(jié)、燈光照明等控制。目前A類網(wǎng)絡協(xié)議主要有TTP/A(Time-TriggeredProtocol)、LIN(LocalInterconnectNetwork)等協(xié)議。B類網(wǎng)絡主要面向獨立模塊間的數(shù)據(jù)共享，是中速網(wǎng)絡，該類網(wǎng)絡適用于對實時性要求不高的通信場合，數(shù)據(jù)速率一般在10~100Kbps，主要應用于電子車輛信心中心、故障診斷、儀表顯示、安全氣囊等系統(tǒng)，以減少冗余的傳感器和其他電子部件。在B類網(wǎng)絡中，具有代表性的有SAEJ1850、VAN(VehicleAreaNetwork)、CAN（ISO11595-2，不高于125Kbps）等協(xié)議。其中，CAN憑其優(yōu)越的性能，目前已經(jīng)成為被全世界接受的主流協(xié)議。C類網(wǎng)絡主要面向高速、實時閉環(huán)控制的多路傳輸網(wǎng)，該類網(wǎng)絡適用于與安全性相關(guān)的實時系統(tǒng)，如發(fā)動機定時、燃油供給等系統(tǒng)，數(shù)據(jù)速率通常在125kbps～1Mbps之間。目前，C類網(wǎng)絡中的主要協(xié)議包括高速CAN(ISO118982)、正在發(fā)展中的TTP/C和FlexRay等協(xié)議。其中高速CAN基于優(yōu)先級的隨機訪問方式，總線傳輸速率通常在125kbps~1Mbps之間而其它幾種協(xié)議基于TDMA(TimeDivisionMultipleAccess)或FTDMA(FlexibleTimeDivisionMultipleAccess)的確定性訪問方式，數(shù)據(jù)傳輸具有確定的延遲時間，且有很高的傳輸速率(1~10Mbps)。D類網(wǎng)絡主要面向汽車信息娛樂和遠程信息設備，特別是汽車導航系統(tǒng)，需要功能強大的操作系統(tǒng)和連接能力。在D類網(wǎng)絡中，具有代表性的有MOST、IDBC、IDB1394、D2B、藍牙等協(xié)議REF_Ref324948423\r\h[4]。FlexRay的產(chǎn)生及發(fā)展隨著汽車中增強安全和舒適體驗的功能越來越多，實現(xiàn)這些功能的傳感器、傳輸裝置、電子控制單元(ECU)的數(shù)量也在持續(xù)上升。如今高端汽車有100多個ECU，如果不采用新架構(gòu)，該數(shù)字可能還會增長，ECU操作和眾多車用總線之間的協(xié)調(diào)配合日益復雜，嚴重阻礙線控技術(shù)（X-by-wire，即利用重量輕、效率高、更簡單且具有容錯功能的電氣/電子系統(tǒng)取代笨重的機械/液壓部分）的發(fā)展。即使可以解決復雜性問題，傳統(tǒng)的車用總線也缺乏線控所必需的確定性和容錯功能，例如，與安全有關(guān)的信息傳遞要求絕對的實時，這類高優(yōu)先級的信息必須在指定的時間內(nèi)傳輸?shù)轿?，如剎車，從剎車踏板踩下到剎車起作用的信息傳遞要求立即正確地傳輸不允許任何不確定因素。同時，汽車網(wǎng)絡中不斷增加的通信總線傳輸數(shù)據(jù)量，要求通信總線有較高的帶寬和數(shù)據(jù)傳輸率。目前廣泛應用的車載總線技術(shù)CAN，LIN等由于缺少同步性，確定性及容錯性等并不能滿足未來汽車計數(shù)(cyclecount)。幀ID的范圍從1到2047，幀0是無效的幀ID。在每個通道的一個通信周期內(nèi)，幀ID僅被使用一次。一簇中每個可能被傳輸?shù)膸假x予了一個幀ID。ID數(shù)字越小，則優(yōu)先級越高。有效載荷段長度用來指明有效載荷段的尺寸。有效載荷段的尺寸被編碼為有效載荷段數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)值的二分之一（即word的個數(shù)）。在靜態(tài)時序部分的一個通信周期內(nèi)，所有發(fā)送幀的有效載荷段長度應該是穩(wěn)定不變的。在動態(tài)時序部分的一個通信周期內(nèi)，不同幀的有效載荷段長度可能不同。另外，在不同周期內(nèi)特殊動態(tài)時序部分的幀有效載荷段長度可能變化。FlexRay有效載荷段包含0~254個字節(jié)數(shù)據(jù)。在動態(tài)時序部分，有效載荷段的前兩個字節(jié)通常用作信息ID域(MessageIDField)，接收節(jié)點根據(jù)域中的內(nèi)容去過濾或者引導數(shù)據(jù)。在靜態(tài)時序部分，有效載荷段的前13個字節(jié)（數(shù)據(jù)0~數(shù)據(jù)12）通常用作網(wǎng)絡管理向量，在同一個簇內(nèi)所有的節(jié)點應具有相同長度的網(wǎng)絡管理向量。幀頭段的有效載荷前言指示位指明了有效載荷段是網(wǎng)絡管理向量還是信息ID。FlexRay幀尾段只含有24位的校驗域，這個域包含了由幀頭段與有效載荷段計算得出的CRC校驗碼。計算幀CRC時，根據(jù)網(wǎng)絡傳輸順序?qū)谋Ａ粑婚_始，到有效載荷段最后一個字節(jié)的最后一位結(jié)束，這些數(shù)據(jù)都放入CRC生成器中進行計算。編碼與解碼FlexRay總線協(xié)議獨立于底層物理層，有兩個不同級的二進制媒介。這兩個不同級媒介所產(chǎn)生的比特流叫做通信要素(CommunicationElement)。節(jié)點使用“不歸零”編碼的方式對通信要素CE進行編解碼。編碼與解碼(CodingandDecoding)實際講述了通信控制器與總線驅(qū)動器之間，TxD、RXD和TxEN接口信號的編碼與解碼行為。具體結(jié)構(gòu)如REF_Ref325208567\h圖2所示。圖SEQ圖\*ARABIC2通信控制器與總線驅(qū)動器間接口圖中TxEN是通信控制器請求數(shù)據(jù)信號，TxD是發(fā)送信號，RxD是接收信號。當總線上有一個傳輸給本節(jié)點的幀時，總線驅(qū)動器先把接收到的物理電平信號轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€串行信號，然后發(fā)送給通信控制器。當通信控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送到總線時，過程剛好相反。編碼與解碼主要包括3個過程：編碼與解碼過程、位過濾過程(Bitstrobing)與喚醒模式解碼過程(WakeuppatternDecoding)。這些過程主要涉及到以下三項技術(shù)：位時鐘對齊(BitClockAlignment)、采樣與多數(shù)表決(SamPlingandMajorityVoting)與通道空閑檢測(ChannelIdleDetection)。位時鐘對齊位時鐘對齊機制是用來同步本地位時鐘的。位同步邊緣(BitSynchronizationEdge)是用來對接收器的位時間進行重新對齊的。除了在對幀頭段、幀數(shù)據(jù)載荷段或幀尾段的字節(jié)進行位解碼時檢測到一個高位的情況外，節(jié)點在每次檢測到一個高位時，可以使能位同步沿檢測。當檢測到一個位同步時沿時，位時鐘對齊不會增加采樣計數(shù)器的值，而是為了下次采樣將其設置為2。節(jié)點只能在從高到低的轉(zhuǎn)變時，執(zhí)行位同步。不管位同步在何時執(zhí)行，位時鐘對齊機制應使進一步的位同步失效，直到上面所說的再次被使能。比特流解碼過程在任何兩個連續(xù)的位檢測點之間至多執(zhí)行一次的位同步。采樣與多數(shù)表決節(jié)點在RxD輸入處執(zhí)行采樣，對于每個通道的采樣時鐘周期，節(jié)點應采樣并存儲RxD輸入處的電平。節(jié)點在采樣的RxD信號處執(zhí)行多數(shù)表決操作，它的目的是過濾RxD信號。多數(shù)表決機制實際上是一個用于阻止RxD輸入信號故障的過濾器。信號故障被定義為一個事件，它可以改變當前物理層條件。解碼器可以連續(xù)的對最后一個存儲的采樣值進行估值，還可以計算高位采樣的數(shù)量。如果采樣的位大多數(shù)是高位，那么決策單元輸出信號就是高位，否則就是低位。REF_Ref325210080\h圖3描述了一個采樣和多數(shù)表決的例子。圖SEQ圖\*ARABIC3采樣與多數(shù)表決通道采樣時鐘的上升沿能夠引起對RxD比特流當前值的采樣動作，并將其保存在表決窗口內(nèi)。表決窗口內(nèi)的采樣位的多數(shù)能決定輸出情況，輸出位的高低隨多數(shù)的改變而改變。單個只會影響一個或者兩個通道采樣時鐘周期的故障就會被阻止。在采樣和表決結(jié)果的計算之間是有一定延遲的。這個延遲并沒在圖中顯示。任何一個投票或者采樣的延遲在時鐘同步上的作用必須在內(nèi)部進行補償。在沒有故障錯誤的情況下，輸出值有一個與采樣的RxD信號值相關(guān)的固定采樣時鐘周期的延遲。通道空閑檢測節(jié)點使用一個通道空閑檢測機制來標識當前通信要素的結(jié)束。不管何時只要在一個通道中連續(xù)檢測到n個高位，無論該通道當前是否空閑，通道都將進行通道空閑檢測。但是，當檢測到節(jié)點在編碼一個通信要素時，通道空閑檢測是不會執(zhí)行的。編碼和解碼機制是相互排斥的，通道空閑檢測是一個解碼機制的邏輯組件。媒體訪問控制在FlexRay協(xié)議中，媒介訪問控制是以一個循環(huán)進行的通信周期為基礎的。在一個通信周期中，F(xiàn)lexRay提供了兩種訪問的方式，分別為靜態(tài)的基于時分多址(TimeDivisionMultipleAccess)的訪問方式和動態(tài)的基于微型時槽(Minislots)的訪問方式。通信周期是FlexRay進行媒介訪問的基本單位。它是通過時間等級層次來定義的，具體的時間等級層次由REF_Ref325377402\h圖4中所描述的4個時間層次組成。圖中的通信周期層，定義了通信周期(Cycle)。它包含靜態(tài)段(StaticSegment)、動態(tài)段(DynamicSegment)、符號窗(SymbolWindow)及總線空閑時間(NetworkIdleTime)。在靜態(tài)段中，靜態(tài)的時分多址方式用來仲裁靜態(tài)段傳輸?shù)膬?yōu)先級。在動態(tài)段中，動態(tài)的基于微型時槽方式用來仲裁動態(tài)段傳輸?shù)膬?yōu)先級。符號窗是一段通信時間段，在這段時間內(nèi)可以傳輸一個符號。總線空閑時間是一段總線通信空閑時間，一個通信周期在此后結(jié)束。圖SEQ圖\*ARABIC4通信周期的時間層次仲裁層包含有仲裁網(wǎng)絡，它構(gòu)成了FlexRay媒介仲裁的主干部分。在靜態(tài)段中，仲裁網(wǎng)絡由叫做靜態(tài)時槽(StaticSlots)的連續(xù)時間間隔組成，在動態(tài)段中，由稱為微型時槽(Minislots)的連續(xù)時間間隔組成。仲裁網(wǎng)絡層是建立在由宏節(jié)拍(Marcotick)組成的宏節(jié)拍層之上的。宏節(jié)拍在簇寬度的基準內(nèi)是同步的。遍及所有簇中的同步節(jié)點，宏節(jié)拍的時間是完全相同的。每個本地宏節(jié)拍的時間都是一個整數(shù)倍的微節(jié)拍的時間。已分配的宏節(jié)拍邊緣叫做行動點(Actionpoints)。行動點是一些特定的時刻，在這些時刻上，將會發(fā)生傳輸?shù)拈_始（在動態(tài)段，靜態(tài)段和符號窗）和結(jié)束（只發(fā)生在動態(tài)段）。微節(jié)拍層是由微節(jié)拍組成的。微節(jié)拍是由通信控制器外部振蕩器時鐘刻度，選擇性地使用分頻器導出的時間單元。微節(jié)拍是控制器中的特殊單元，它在不同的控制器中可能有不同的時間。節(jié)點內(nèi)部的本地時間間隔尺寸就是微節(jié)拍。除了在啟動期間，系統(tǒng)將周期性的執(zhí)行一個通信周期，一個周期是由數(shù)量不變的宏節(jié)拍組成的。一個通信周期總是包含有一個靜態(tài)段與一個總線空閑時間，而動態(tài)段與符號窗則可能包含，也可能不包含。靜態(tài)段和動態(tài)段中的仲裁是基于分配給每個通道的節(jié)點簇中節(jié)點的獨特幀標識符及能計算出傳輸時槽的數(shù)目的計數(shù)方法進行的。幀標識符能夠決定該幀由哪個段中的傳輸時槽在什么時候開始發(fā)送。時鐘同步在分布式通信系統(tǒng)中，每個節(jié)點都擁有自己的時鐘。由于溫度、電壓以及時鐘源的產(chǎn)品誤差(如晶振)的影響，即使所有節(jié)點的內(nèi)部時鐘基準最初是同步的，在經(jīng)過一段時間后，不同節(jié)點的內(nèi)部時間基準仍會產(chǎn)生差異。時間觸發(fā)系統(tǒng)的基礎假設是簇中的每個節(jié)點有幾近相同的時間，這個共同的全局時間作為每個節(jié)點通信定時的基礎。“幾近相同”意味著任意兩個節(jié)點全局時間的差異在一個指定的容許范圍內(nèi)。FlexRay協(xié)議使用分布式時鐘同步機制，機制中每個節(jié)點觀測從其他節(jié)點發(fā)送來的時間同步幀，根據(jù)這個時間同步幀每個節(jié)點各自地同步于整個簇。時鐘同步包含兩個主要的并發(fā)過程:宏節(jié)拍產(chǎn)生過程與時鐘同步過程。宏節(jié)拍產(chǎn)生過程MTG(MacrotickGenerationProcess)應用相位與速率修正值，控制周期與宏節(jié)拍計數(shù)器。時鐘同步過程CSP(ClocksynchronizationProcess)實現(xiàn)了周期起始的初始化、偏差值的測量與存儲、相位(Offset)與速率(Rate)修正值的計算三個過程。REF_Ref325398691\h圖5表明了這兩種過程與媒體訪問時間表之間的時間關(guān)系。圖SEQ圖\*ARABIC5MTG、CSP與MAC的時間關(guān)系表時鐘同步功能的主要任務是確保將簇中不同節(jié)點間的時鐘偏差抑制在一個精度內(nèi)節(jié)點間兩種不同的時間偏差可以區(qū)別為相位偏差和頻率偏差。同步不同節(jié)點本地時間基準，可以對相位偏差及速率偏差進行修正。FlexRay使用了兩種方法的結(jié)合，相位修正與速率修正在所有節(jié)點中使用的處理方法相同。相位修正僅在奇數(shù)通信周期的NIT段執(zhí)行，在下一個通信周期起始前結(jié)束。相位改變量指明了添加到NIT相位修正段的微節(jié)拍數(shù)目，它的值由時鐘同步算法決定，并有可能為負數(shù)。相位改變量的計算發(fā)生在每個周期內(nèi)，但修正僅應用在奇數(shù)通信周期的末尾。相位改變量的計算是基于單個通信周期內(nèi)測量到的值。這個計算不會在NIT之前開始，只要計算的反應被延遲到NIT，執(zhí)行就能在動態(tài)段或符號窗啟動這個參數(shù)的計算，計算必須在相位修正開始前完成。速率修正應在整個周期內(nèi)被執(zhí)行。速率改變量為一個整數(shù)倍的微節(jié)拍。在一個通信周期內(nèi)，它被添加到已設置的微節(jié)拍中，其值可能為負數(shù)。速率改變量的值由時鐘同步算法決定，并且每雙周期僅計算一次。速率改變量的計算發(fā)生在靜態(tài)段的奇數(shù)周期內(nèi)，它是基于奇偶雙周期內(nèi)測量到的值。這個計算不會在NIT之前開始，只要計算的反應被延遲到NIT，執(zhí)行就能在動態(tài)段或符號窗啟動這個參數(shù)的計算，計算必須在下一個偶數(shù)周期開始前完成。喚醒與啟動為了節(jié)省資源，部分節(jié)點處于不工作狀態(tài)時，進入“節(jié)電模式”。當這些節(jié)點需要再次工作時，就需要“喚醒”它們。主機可以在通信信道上傳輸喚醒模式，當節(jié)點接收到喚醒特征符(WakeupSymbol)后，主機處理器和通信控制器才進行上電。在通信啟動執(zhí)行之前，整個簇需要被喚醒。啟動節(jié)點工作時，需要在所有通道上同步執(zhí)行。初始一個啟動過程的行為被稱為冷啟動(Coldstart)，能啟動一個起始幀的節(jié)點是有限的，它們稱作冷啟動節(jié)點(ColdstartNode)。在至少由三個節(jié)點組成的簇中，至少要有三個節(jié)點被配置為冷啟動節(jié)點。組成簇的節(jié)點少于三個時，每個節(jié)點都應配置為冷啟動節(jié)點。每個起始幀同樣應為同步幀，因此每個冷啟動節(jié)點同樣應為同步節(jié)點。冷啟動節(jié)點中，主動啟動簇中消息的節(jié)點稱之為主冷啟動節(jié)點(LeadingColdstartNode)，其余的冷啟動節(jié)點則稱之為從冷啟動節(jié)點(FollowingColdstartNode)。當節(jié)點被喚醒并完成初始化后，它就可以在相應的主機控制命令發(fā)出之后進入啟動程序。在非冷啟動節(jié)點接收并識別至少兩個相互通信的冷啟動節(jié)點前，非冷啟動節(jié)點一直等待。同時，冷啟動節(jié)點監(jiān)控兩個通信通道，確定是否有其他的節(jié)點正在進行傳輸。當檢測到通信信道沒有進行傳輸時，該節(jié)點就成為主冷啟動節(jié)點。冷啟動嘗試以沖突避免操作符(CollisionAvoidanceSymbol)開始，只有傳輸CAS的冷啟動節(jié)點能在最開始的四個周期傳輸幀。主冷啟動節(jié)點先在兩個通道上發(fā)送無格式的符號(一定數(shù)量的無效位)，然后啟動集群。在無格式符號發(fā)送完畢后，主冷啟動節(jié)點啟動該節(jié)點的時鐘，進入第一個通信周期。從冷啟動節(jié)點可以接收主冷啟動節(jié)點發(fā)送的消息，在識別消息后，從冷啟動節(jié)點便可確認主冷啟動節(jié)點發(fā)送的消息的時槽位置。然后等待下一個通信周期，當接收到第二個消息后，從冷啟動節(jié)點便開始啟動它們的時鐘。根據(jù)兩條消息的時間間隔，測量與計算頻率修正值，盡可能地使從啟動節(jié)點接近主冷啟動節(jié)點的時間基準。為減少錯誤的出現(xiàn)，冷啟動節(jié)點在傳輸前需等待兩個通信周期。在這期間，其余的冷啟動節(jié)點可繼續(xù)接收從主冷啟動節(jié)點及已完成集群冷啟動節(jié)點的消息。從第五個周期開始，其余的冷啟動節(jié)點開始傳輸起始幀。主冷啟動節(jié)點接收第五與第六個周期內(nèi)其余冷啟動節(jié)點的所有消息，并同時進行時鐘修正。在這個過程中沒有故障發(fā)生，且冷啟動節(jié)點至少收到一個有效的起始幀報文對，主冷啟動節(jié)點則完成啟動階段，開始進入正常運行狀態(tài)。若從冷啟動節(jié)點在前四個周期計算得出的修正值沒有超過閉值，則從第五個周期開始傳輸幀。在第五個周期到第七個周期內(nèi)，若時鐘修正沒有問題，則從節(jié)點完成啟動過程，開始進入正常運行狀態(tài)。從冷啟動節(jié)點進入正常運行狀態(tài)，比主冷啟動節(jié)點晚一個周期。非冷啟動節(jié)點首先監(jiān)聽通信信道，并接收信道上傳輸?shù)男畔?。若接收到信道上傳輸?shù)男畔?，便開始嘗試融入到啟動節(jié)點。非冷啟動節(jié)點通過接收一對啟動幀來修正它的進度及時鐘。在接下來的兩個周期內(nèi)，非冷啟動節(jié)點要確定至少兩個發(fā)送啟動幀的冷啟動節(jié)點，并符合它們的進度。若無法滿足條件，非冷啟動節(jié)點將退出啟動程序。非冷啟動節(jié)點接收到至少兩個啟動節(jié)點連續(xù)的兩組雙周期啟動幀后，開始進入正常運行狀態(tài)。非冷啟動節(jié)點進入正常工作狀態(tài)，比主冷啟動節(jié)點晚兩個周期。REF_Ref325399314\h圖6描述了啟動的過程。其中，A是主冷啟動節(jié)點，B是從冷啟動節(jié)點，C是非冷啟動節(jié)點。圖SEQ圖\*ARABIC6FlexRay啟動過程FlexRay的解決方案FlexRay硬件實現(xiàn)方式如REF_Ref324966626\h圖7所示，每個FlexRay節(jié)點都包括控制器部分和驅(qū)動器部分。控制器部分包括一個微控制單元MCU(MicroControlUnit)和一個通信控制器CC(CommunicationController)。驅(qū)動器部分通常包括總線驅(qū)動器BD(BusDriver)和總線監(jiān)控器BG(BusGuardian)，其中總線監(jiān)控器為可選擇組件。主控芯片MCU主要負責計算、信息的處理和發(fā)送，通信控制器CC負責FlexRay相關(guān)協(xié)議的實現(xiàn)，總線驅(qū)動器BD負責FlexRay物理層的實現(xiàn)?？偩€驅(qū)動器將通信控制器與總線相連接，總線監(jiān)控器監(jiān)視接入總線的連接。主機通知總線監(jiān)控器通信控制器分配了哪些時槽。接下來，總線監(jiān)控器只允許通信控制器在這些時槽中傳輸數(shù)據(jù)，并激活總線驅(qū)動器。若總線監(jiān)控器發(fā)現(xiàn)時間時序有間隔，則斷開通信信道的連接。圖SEQ圖\*ARABIC7FlexRay節(jié)點架構(gòu)基于FlexRay節(jié)點架構(gòu)，其硬件實現(xiàn)方式主要有2種：(1)MCU+CC+BD如REF_Ref324967481\h圖8所示，該方式下每一個模塊相對獨立，其優(yōu)點是實現(xiàn)比較方便，能夠選擇的芯片的種類相當?shù)亩?，但缺點是集成度比較低。主控芯片MCU可以任意選擇，只要其與通信控制器CC的傳輸速率滿足FlexRay的要求即可。通信控制器主要有飛思卡爾(Freescales)的MFR4100、MFR4200和MFR43xx系列，英飛凌(Infineon)的CIC310，以及富士通的MB88121A等。總線驅(qū)動器BD中應用最為廣泛的為恩智浦(NXP)的TJA1080，而奧地利微電子的AS8221應用較少。圖SEQ圖\*ARABIC8FlexRay的硬件實現(xiàn)方式1(2)MCU+BD如REF_Ref324967590\h圖9所示，主控芯片集成了FlexRay通信控制器，整個節(jié)點的集成度得到了提高。目前市面上這種形式的芯片也有了一定數(shù)量，但是價格比MCU+CC+BD的形式偏高。主要有飛思卡爾的MC9S12XF、MPC55xx等系列控制器，恩智浦的SJA2510，富士通的MB91F465XA，德州儀器公司(TI)的TMS570等。圖SEQ圖\*ARABIC9FlexRay的硬件實現(xiàn)方式2除了上述兩種硬件實現(xiàn)方式外，理論上還有一種集成度最高的形式，即把主控MCU、通信控制器CC和收發(fā)器BD都集成到一個芯片當中。這是未來FlexRay的發(fā)展趨勢，但是要實現(xiàn)這樣高集成度的目標，還有很多困難。這是因為，F(xiàn)lexRay協(xié)會規(guī)定，為了盡可能的提高系統(tǒng)的安全性，應該將控制器和收發(fā)器分開，第二個原因就是半導體工藝面臨一些難題。相關(guān)硬件介紹FlexRay總線驅(qū)動器(1)恩智浦的TJA10803TJA1080控制器是恩智浦公司出品的一款針對FlexRay的具有高速時間觸發(fā)通訊系統(tǒng)的收發(fā)芯片，也是全球第一款符合FlexRay協(xié)議2.1規(guī)定的FlexRay收發(fā)器。3TJA1080本身可作為節(jié)點收發(fā)器或有源星型收發(fā)器，并且具有卓越的ESD保護和功耗管理性能。其溫度范圍-40℃~125℃，具有高達10Mbit/s數(shù)據(jù)傳輸速度。TJA1080內(nèi)置自動電壓管理系統(tǒng)，支持2.5V、3.0V、3.3V和5V的微處理器，并能自動適配接口標準。TJA1080擁有優(yōu)秀的電磁兼容性（EMC），內(nèi)置電壓和溫度檢測，具有總線錯誤檢測和一個安全超時保護。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如REF_Ref325105061\h圖10所示。因其優(yōu)良的性能，TJA1080得到了廣泛的應用。圖SEQ圖\*ARABIC10TJA1080內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖(2)奧地利微電子的AS8221AS8221是奧地利微電子公司推出的FlexRay標準收發(fā)器，其能提供全部功能，以使其整合到永久性電池電壓供電的電子控制單元中。微芯片僅靠汽車電池（12V或24V）供電，但它可通過網(wǎng)絡實現(xiàn)喚醒功能，進而能夠控制本地電源電壓。AS8221適合車載應用，工作溫度為-40℃~125℃，支持2.5V、3.0V、3.3V和5V的微處理器，并能自動適配接口標準。此外，AS8221還具有溫度保護以及總線短路保護功能。具體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如REF_Ref325116850\h圖11所示。由于其推出時間稍晚于CIC310，所以應用相對較少。圖SEQ圖\*ARABIC11AS8221內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖FlexRay通信控制器(1)飛思卡爾的MFR4x00系列MFR4x00系列包括MFR4200，MFR4300，MFR4310，三者分別是基于FlexRay協(xié)議v1.1、v2.1和v2.1a版本。MFR4200控制器是業(yè)界第一款面向汽車的FlexRay設備，主要面向汽車應用的底盤控制、車身電子和動力傳輸應用。MFR4200的傳輸速率最高可達10Mbps，環(huán)境溫度-40℃~125℃，內(nèi)部40MHz石英振蕩器，I/O口工作電平最大值5.5V，提供兩個硬件可選的主機接口：HCS12接口用于直接連接飛思卡爾半導體的HCS12系列微控制器；異步存儲器接口(AMI)用來異步連接微控制器。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如REF_Ref325099652\h圖12所示。該系列芯片應用相對較多，并且有開發(fā)板出售。圖SEQ圖\*ARABIC12FMR4300內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖(2)英飛凌的CIC310英飛凌現(xiàn)有的FlexRay解決方案的核心是FlexRay通信控制器CIC310，其為基于博世E-RAY核的專用于FlexRay的通信控制器。CIC310的環(huán)境溫度-40℃~125℃，核心供電是1.5V，端口電壓是3.3V，具有3種接口方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚砥?，分別為SSC(SynchronousSerialChannel，串行接口)方式、XMU(De-multiplexer8/16bitParallelInterface，非復用的8/16位并行接口)方式和MLI方式。其中SSC為一般的串口連接方式，具有連接簡單和連接線少的特點，但數(shù)據(jù)傳輸速率較低；XMU接口為并口連接方式，數(shù)據(jù)傳輸速度比串口方式快很多，但連接線較多；MLI接口為專用接口方式，一般可以和專用車載控制器連接。CIC310的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如REF_Ref325102294\h圖13所示。圖SEQ圖\*ARABIC13CIC310的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖CIC310由于采用了基于英飛凌微型鏈路接口(MLI)和標準串口與并口的可升級、快速接口理念，可與目前市場上絕大多數(shù)的汽車微控器或微處理器架構(gòu)結(jié)合使用。另外，如需快速實現(xiàn)FlexRay的應用，經(jīng)過AUTOSARValidator項目驗證、符合AUTOSAR要求的CIC-310驅(qū)動軟件已經(jīng)可以向客戶提供。將飛思卡爾的MFR4310和英飛凌的CIC310兩種芯片的主要參數(shù)進行總結(jié)對比，可得REF_Ref325450167\h表2。表SEQ表\*ARABIC2MFR4310與CIC310參數(shù)對比飛思卡爾MFR4310英飛凌CIC310支持FlexRay協(xié)議版本v2.1av2.1工作溫度-40℃~125℃-40℃~125℃I/O口工作電平3.3V（最大5.5V）3.3V核心供電2.5V（可由內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器得到）1.5V數(shù)據(jù)傳輸速率每通道支持2.5、5、8和10Mb/s的數(shù)據(jù)速率每通道最大10Mb/s的數(shù)據(jù)速率接口方式異步存儲器接口(AMI)和

專用HCS12接口串行接口SSC、并行接口XMU和專用MLI接口可配置的消息緩沖區(qū)128個128個存儲RAM8Kbytes8.25Kbytes引腳數(shù)6464集成FlexRay通信控制器的主控芯片(1)飛思卡爾的MC9S12XF和MPC56xx系列飛思卡爾的S12和S12X產(chǎn)品實現(xiàn)了可擴展性，支持硬件和軟件的重復使用，提供一系列汽車電子平臺之間的兼容性。S12MCU系列是汽車市場中應用最廣泛的16位架構(gòu)?；赟12的設備的年發(fā)貨量現(xiàn)已超過1億?？蓴U展的S12系列可為開發(fā)人員提供廣泛的選擇，其片上閃存容量可從32KB擴展到1MB，并能平穩(wěn)移植到更高性能的S12X設備。MC9S12XF擁有50MHzS12X內(nèi)核，基于高效的16位CISC架構(gòu)；集成的單/雙通道FlexRayv2.1，每通道支持2.5、5、8和10Mb/s的數(shù)據(jù)速率；FlexRay時鐘，采用頻率從4MHz到40MHz不等的水晶振蕩器，使用PLL（鎖相環(huán)）實現(xiàn)成本和EMC的優(yōu)化；512KB、384KB、256KB和128KB的汽車質(zhì)量閃存選擇；2KB和4KB的EEPROM；16KB、24KB和32KB的RAM；16通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)可配置8/10/12位分辨率；集成了電機控制模塊，使用6通道脈沖寬度調(diào)制器(PWM)，具有故障保護和電流感應輸入。MPC56xx系列則是32位處理器，最高頻率可達64MHz，集成了支持FlexRay協(xié)議v2.1版本的FlexRay模塊。其具有內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器，只需單一電平的輸入電源。(2)恩智浦的SJA2510SJA2510是32位ARM9微控制器，最高頻率可達80MHz，具有32個模擬輸入和24個16位脈寬調(diào)制(PWM)輸出，六個CAN控制器，八個LIN主控制器和多種高級電源模式。SJA2510內(nèi)含一個嵌入式并完全整合的FlexRay控制器，是第一個成功采用FlexRayv2.1標準的整合設備。SJA2510嵌入式控制器具有可變動式緩沖存儲器容量，可依實際需求提供設計彈性和易失存儲器配置。這種彈性使裝置上所有內(nèi)存都可被應用，大幅提升產(chǎn)品的成本/性能比。(3)德州儀器公司(TI)的TMS570系列TMS570是基于兩個相同的新一代ARM?R4CortexTM內(nèi)核之上的對稱型雙核MCU。每個Cortex-R4內(nèi)核的性能均可達到300MIPS，而且TMS570還集成了2MB的片上閃存、FlexRayTM網(wǎng)絡、BIST、CAN及多種外設，此外還有TI高端定時器協(xié)處理器與兩個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。TMS570FMCU是業(yè)界首款基于雙內(nèi)核Cortex-R4F處理器的浮點MCU，使車載系統(tǒng)設計人員可根據(jù)性能要求執(zhí)行單雙高精度浮點數(shù)學算法，加速的乘法、除法以及平方根等功能。該產(chǎn)品所面向的應用包括底盤控制、制動、電子車輛穩(wěn)定與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以及高級駕駛輔助等，可充分滿足開發(fā)過程中不同大小的存儲器容量與性能差異的要求。FlexRay通信系統(tǒng)的軟件流程FlexRay通信是實現(xiàn)FlexRay數(shù)據(jù)采集和標定數(shù)據(jù)發(fā)送，因此主要包括FlexRay數(shù)據(jù)接收和FlexRay數(shù)據(jù)發(fā)送兩部分。由于FlexRay總線對于總線上數(shù)據(jù)收發(fā)的實時性要求嚴格，因此在程序設計時采用中斷的方式來執(zhí)行FlexRay總線的數(shù)據(jù)通信。FlexRay數(shù)據(jù)接收中斷處理程序，讀取FlexRay中斷中接收到的數(shù)據(jù)，并按照固定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存入單片機的緩存中，實現(xiàn)FlexRay總線數(shù)據(jù)采集；FlexRay數(shù)據(jù)發(fā)送中斷處理程序，將數(shù)據(jù)按照特定的時槽發(fā)送到FlexRay總線上，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。FlexRay初始化流程由于FlexRay通信主要基于時間觸發(fā)的周期性通信循環(huán)，時間同步是FlexRay網(wǎng)絡的通信基礎；FlexRay網(wǎng)絡將啟動節(jié)點的時鐘作為參考，通過啟動，建立整個網(wǎng)絡的同步時間，且在通信的過程中，其它節(jié)點不斷地以此為基準進行自我校正。FlexRay的初始化，主要是實現(xiàn)FlexRay網(wǎng)絡通信之間的的喚醒、啟動、時間同步，是現(xiàn)實FlexRay網(wǎng)絡正常通信的基礎，F(xiàn)lexRay網(wǎng)絡的具體啟動配置流程圖如REF_Ref325640750\h圖14所示。圖SEQ圖\*ARABIC14FlexRay初始化流程FlexRay通信發(fā)送流程當FlexRay網(wǎng)絡正常啟動后，才可以進行FlexRay數(shù)據(jù)通信。FlexRay總線通信主要是基于時間觸發(fā)，在靜態(tài)段中，它是基于TDMA技術(shù)的時間觸發(fā)，是通過事先安排好的時刻表贏得總線。FlexRay消息發(fā)送的中斷產(chǎn)生過程：TDMA時分表中的每個時槽都會對應一個中斷，且這些中斷按時分表在時間軸上分布開來，只有在其對應的時槽時刻，才會由FlexRay模塊自動置位中斷，且每個時槽的發(fā)送中斷產(chǎn)生與標志置位都是在該時槽數(shù)據(jù)發(fā)送完畢之后，由FlexRay模塊自動產(chǎn)生相應的置位與中斷；當進入FlexRay對應時槽的中斷服務程序后，調(diào)用發(fā)送函數(shù)，鎖定發(fā)送時槽對應的發(fā)送緩存，對發(fā)送緩存賦值并置位發(fā)送，最后解鎖發(fā)送緩存，等待下一個周期該時槽的發(fā)送刻到來發(fā)送。具體的FlexRay總線數(shù)據(jù)發(fā)送中斷流程如REF_Ref325641458\h圖15所示。圖SEQ圖\*ARABIC15FlexRay數(shù)據(jù)發(fā)送過程FlexRay通信接收流程FlexRay數(shù)據(jù)接收也是采用中斷方式，F(xiàn)lexRay協(xié)議控制器采用“提前搜索算法”來保證數(shù)據(jù)準時接收。在FlexRay中，每一個接收時槽的接收中斷產(chǎn)生都是在時槽接收數(shù)據(jù)完畢并確認有效后，由FlexRay模塊自動產(chǎn)生相應的接收中斷。當進入FlexRay對應時槽中斷服務程序后，程序調(diào)用接收函數(shù)，鎖定接收時槽對應的接收緩存，確認為數(shù)據(jù)幀后，讀取接收緩存中的數(shù)據(jù)與幀長度，最后解鎖接收緩存，等待下一個周期該時槽的接收時刻到來。具體的FlexRay總線數(shù)據(jù)接收中斷流程如REF_Ref325641803\h圖16所示。圖SEQ圖\*ARABIC16FlexRay數(shù)據(jù)接收過程FlexRay的應用FlexRay的應用領(lǐng)域FlexRay擁有的高傳輸速率、容錯性好以及可靈活應用等特點使其適用于較多應用領(lǐng)域：(1)替代CAN總線在數(shù)據(jù)速率要求超過CAN的應用中，人們現(xiàn)在同時使用了兩條或多條CAN總線，而數(shù)據(jù)傳輸速率高于CAN的10~20倍的FlexRay則可以輕松應用于這些場合。(2)骨干網(wǎng)絡FlexRay的拓撲結(jié)構(gòu)非常靈活，包括單/多通道總線結(jié)構(gòu)，單/多通道星形結(jié)構(gòu)以及多種不同總線、星形混合結(jié)構(gòu)等，網(wǎng)絡可與現(xiàn)有其它各種總線（如LIN，CAN等）系統(tǒng)兼容，故具有成為聯(lián)系大量元件器主干網(wǎng)的先天優(yōu)勢。同時，其靈活的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，也可使設計者針對不同的應用背景選擇不同的可靠等級以控制成本。(3)實時應用，分布式控制系統(tǒng)FlexRay的訪問方法基于同步時基，該時基通過協(xié)議自動建立和同步。因此用戶可提前知道消息到達時間，消息周期偏差非常小，這使得FlexRay成為具有嚴格實時要求的分布式控制系統(tǒng)的首選技術(shù)。(4)面向安全的系統(tǒng)FlexRay使用循環(huán)冗余校驗CRC來檢驗通信中的差錯，還可以通過雙通道通信提供冗余功能，并且使用星型拓撲可完全解決容錯問題，如果出現(xiàn)意外情況，星型的支路可以有選擇的切斷。因此，F(xiàn)lexRay的高容錯性和可靠性可以支持面向安全的系統(tǒng)設計，如線控系統(tǒng)。FlexRay的車用前景目前FlexRay最主要的應用領(lǐng)域即是汽車，業(yè)界正致力于在汽車設計中轉(zhuǎn)向全電子系統(tǒng)，它將通過創(chuàng)新的智能駕駛輔助系統(tǒng)為司機和乘員提供更高的安全性以及更舒適的車內(nèi)環(huán)境。而這種智能系統(tǒng)必然需要大量的采樣、通信以及協(xié)調(diào)控制，對車載網(wǎng)絡提出了較高的要求，這也應該是FlexRay聯(lián)盟研發(fā)FlexRay的動力所在。FlexRay的重要目標應用之一是線控操作（如線控轉(zhuǎn)向、線控制動等），即利用容錯的電氣/電子系統(tǒng)取代機械/液壓部分。汽車線控系統(tǒng)網(wǎng)絡實際上就是一種特殊的局域網(wǎng)。這種系統(tǒng)是從飛機控制系統(tǒng)引申而來的，飛機控制系統(tǒng)中提到的Fly-by-Wire是一種電線代替機械的控制系統(tǒng)，它將飛機駕駛員的操縱控制和操作命令轉(zhuǎn)換成電信號，利用機載計算機控制飛機的飛行。這種控制方式引入到汽車駕駛上，就稱為Drive-by-Wire(電控駕駛)，引入到制動上就產(chǎn)生了Brake-by-Wire（電控剎車），引入到轉(zhuǎn)向控制上就有Steering-by-Wire（電控轉(zhuǎn)向），因此統(tǒng)稱為X-by-Wire。這些創(chuàng)新功能的基礎是一種能夠滿足嚴格容錯要求的寬帶總線結(jié)構(gòu)，而FlexRay的高傳輸速率和良好的容錯性使其具有該方面的應用潛力。盡管研發(fā)FlexRay最早的設想是實現(xiàn)汽車中的線控操作，然而其它發(fā)展趨勢也在推動FlexRay技術(shù)的發(fā)展和應用。除了線控操作以外，F(xiàn)lexRay在汽車動力總成和安全電子系統(tǒng)方面也有很大的應用空間，這些應用都需要高速數(shù)據(jù)傳輸，如作為中央電子骨干總線連接車內(nèi)各種總線網(wǎng)絡，而且便于在車內(nèi)引入新的電子控制系統(tǒng)。在安全系統(tǒng)采用時間觸發(fā)技術(shù)，就能在既定的時間內(nèi)處理信號，提高實時性。采用FlexRay技術(shù)可實現(xiàn)汽車的微控制，例如對懸掛系統(tǒng)的控制，即使車輛轉(zhuǎn)彎角度已經(jīng)達到極限，其數(shù)據(jù)通信也不會發(fā)生延遲現(xiàn)象；動力系統(tǒng)代替現(xiàn)有的機械系統(tǒng)控制電子節(jié)氣門，該電子節(jié)氣門和現(xiàn)有系統(tǒng)結(jié)合工作，如電腦化燃油噴射器、電腦化可變進氣系統(tǒng)、電腦化怠速控制系統(tǒng)等REF_Ref324945414\r\h[14]。在企業(yè)方面，首個投入生產(chǎn)的FlexRay應用是BMW公司X5運動型多功能轎車(SAV)上名為AdaptiveDrive的系統(tǒng)。AdaptiveDrive基于飛思卡爾半導體的32位FlexRay微控制器，它可以監(jiān)視有關(guān)車輛速度、方向盤轉(zhuǎn)度、縱向和橫向加速度、車身和輪子加速度和行駛高度的數(shù)據(jù)。當駕駛員按下按鈕選擇“運行”或“舒適”駕駛時，AdaptiveDrive會通過控制抗側(cè)傾桿中的旋轉(zhuǎn)發(fā)動機和減震器上的電磁閥來相應調(diào)整車