汽车总线之----FlexRay总线

Introduction

随着汽车智能化发展，车辆开发的ECU数量不断增加，人们对汽车系统的各个性能方面提出了更高的需求，比如更多的数据交互，更高的传输带宽等。现如今人们广泛接受电子功能来提高驾驶安全性，像ABS防抱死系统，ASR驱动防滑系统，ESP电子稳定系统，但这类辅助驾驶功能涉及汽车主动被动安全领域，对汽车通信系统的可靠性，安全性和实时性提出了非常严格的需求，比如动力总成和底盘系统对数据传输的要求要达到2M/S，而当时传统的CAN总线已满足不了这些需求，而这些需求主要体现在以下四个方面，分别是通信速率(Transmission rate)，可扩展性(Extendability)，物理层(Physical Layer)及传输可靠性(Transmission reliability)，才能适用于汽车主动被动安全功能领域。可扩展性呢体现在车上，增加减少节点时，不影响整车的效果，另外通信的物理连接保持简便并具备鲁棒性，同时通信系统需具备其容错性确定性，通过冗余备份等技术减少或避免出错，基于这些新的需求，因此需要一种具有可组合性的通信系统，其核心属性就是保证具有确定性和容错性的数据通信，不受总线负载的影响。

我们先看一下通信传输的方式，通信传输可以先结合实际生活的例子来理解，我们可以把每个人理解成是一条报文，报文发送到目标地址，相当于人们到达目的地，那人们出行可以有哪几种选择方式呢，主要像有打车，高铁飞机等，其中我们可以根据控制方式的不同分为两大类，第一类事件触发，比如我想去一个地方，通过打车软件打车，打车行为呢相当于触发事件，优点在于时间自由按需触发，缺点是每个人的打车时间是随机的，可能造成部分时段向早晚高峰时期路况拥堵，人们就无法及时到达目的地址，或想半夜时段或郊区地段，司机不能及时响应，其所花费的时间是不可预测的，第二类时间触发，根据时间表来执行，像飞机的航班表，高铁的时刻表，到点起飞或行驶，优点在于所花费的时间是可预测的，不会因交通拥堵而造成延迟的情况，缺点是不合理的，交通资源分配，像交通工具的早晚班机或特殊时期，比如目前的疫情期间，严格的人员流动限制，从而造成交通资源的浪费，

了解了两种通信传输的类型之后，包括CSMA和TDMA访问方式，其中CSMA全称载波监听多路访问方式，基于事件触发，事件出发后，节点尝试往总线上发送报文，比如传统汽车总线CAN就是此类访问方式。TDMA 时分多路访问方式，相当于发送节点的时间都是确定好的，按照时间片为单位划分并周期性发送，比如图中通信时间轴上以时间片段t cycle为单位，逐期发送，一个t cycle可分为四块，每个时间片段里指定一条报文发送，可以理解成高铁的一节车厢，车厢内的座位都是确定好的，每位上车乘客对应自己的座位并前往目的地，FlexRay总线就是基于时间触发的TDMA访问方式。

在传统CAN总线基础上，为满足更高的需求，因此有宝马，戴姆勒等oem和博士，恩智浦等供应商共同成立了FlexRay联盟，该联盟已在开发出具有确定性和容错性的FlexRay通信标准，于2005年推出FlexRay 2.1版本，随后2009年推出FlexRay为3.0版本，并提交为iso标准，iso 17458，该协议描述了FlexRay及其物理层和相应的一致性测试。

FlexRay和CAN一样均参考了iso模型，并定义了物理层和数据链路层规范，其中FlexRay的协议规范定义数据链路层，电气物理层规范定义物理层，另外FlexRay不同层对应的物理器件分别为数据链路层对应通信控制器，简称CC，CC主要任务包括组织总线访问错误检测，对收发报文的解码编码操作和同步总线，物理层对应总线驱动器简称BD， BD主要进行信号转换，包括模数数模转换，目前FlexRay规范仅涵盖iso模型的前两层及物理层和数据链路层，高层协议则由oto萨联盟和assum组织制定。

FlexRay物理层

首先介绍下拓扑结构，FlexRay总线支持多种不同类型的拓扑结构，即不限于任何特定的物理拓扑，先从最简单的拓扑说起，及点对点方式(peer-to-peer)，其中FlexRay跟CAN一样，节点1通过两根信号线Bus Plus(BP)和Bus Minus(BM)与节点2连接，两个节点终端分别接了终端电阻，阻值范围是80~110欧姆，其作用过滤高频信号的干扰，另外任意两个节点之间的线长不得超过24米，其目的是为了保持信号完整性，因为随信号长度增加，会导致信号衰减，失真等信号质量变差的情况，从而影响节点通信，当FlexRay网络中存在四个或以上节点时，拓扑结构可选择被动星型和总线型两种拓扑结构中，均在两个相距最远的节点添加终端电阻，并限制节点间的线长不得超过24米。

为避免或减少影响通信情况的出现，FlexRay节点可通过采用主动星型耦合器互联的主动星型拓扑结构，其被动星型节点替换为主动星型节点，该节点与其他ECU节点连接处均添加终端电阻，通过主动星型拓扑结构可提高信号质量以及补偿信号失真，但同时成本价格也会较贵。

而在实际项目中，FlexRay的拓扑结构不会单独仅应用总线型，被动星型，主动星型的某一种，而是通过以组合的形式使用，即混合拓扑结构应用

FlexRay的数据转换，其物理信号基于差分信号传输，前面也提到FlexRay节点是通过BP BM进行数据通信，电气物理层规范定义了四种总线电平，分别为总线空闲电平，总线空闲低功耗电平，Data_1和Data_0电平，其中总线空闲和空闲低功耗的差分电平为零，即隐性电平，两者区别在于空闲低功耗的bp bm电平值均为零，Data_0和Data_1总线电平为显性电平，当节点发送数据至总线上时，Data_0转化为物理电平值，bp 1.5v，bm 3.5v，Data_1转换为物理电平值，bp 3.5v，bm 1.5v，当节点采集总线上数据时，同样也是通过bp bm采集总线物理电平，并求取bp减bm的差分电压值，当差分电压值范围大于600毫伏时，转化为Data_1，当差分电压值范围小于负的600毫伏时，转化为Data_0。

介绍下FlexRay节点的网络组件，包括μC主机，CC通信控制器以及BD总线驱动，其中CC服务mc间数据通信包括组织总线访问和收发报文，BD主要任务是进行信号转换及物理电平和逻辑信号间转换，此外BD除了作为CC接口外，还有一个mc主机接口，该接口主要跟io控制信号有关，除了基本结构外，FlexRay还存在扩展结构，即在CC和BD间添加了总线监控器，简称bg，其作用是为了防止故障节点在未分配给他们的实习内，出现未经授权的传输，简单的说就是防止故障节点在错误时间访问总线。

FlexRay 通信周期

FlexRay以通信周期为一个循环发送指定的数据，其中一个通讯周期中又划分为64cycle，cycle从零开始计数至63，每个cycle中可包含以下四个时间段，静态段，动态段，符号窗口及网络空闲时段。静态段用于确定性的传输报文，动态段用于传输事件驱动的报文，符号窗口传输特殊符号，网络空闲时段，即NIT段期间不会进行数据通信，需要注意的是，在一个周期中，仅静态段和NIT段是必须的，而动态段符号窗口是可选的。因此通讯周期的组合形式一共有四种，分别为静态段加网络空闲段，静态段加动态段加网络空弦段，静态段加符号窗口加网络空闲段，以及四个时段均包含，

首先静态段，静态段基于我们前面提到的TDMA 时分多路访问方式，通信提供确定性的数据传输，发送节点被指定分配到特定的静态slot中，发送静态帧在静态段中可划分为若干个等长的静态slot，可平均划分为2~1023个，静态slot的个数长度，分别由全局变量及number of static slots和gd static slot定义，另外静态段中的静态sd从一开始计数sd范围为2~1023之间，一条静态帧分为三部分，帧头有效负载帧位在静态段中，每条静态报文的长度均是固定等长的静态帧，尾部是CID通信空闲界定符，用于表示静态帧的结束，通俗的理解就是，静态段可以想象成一节火车车厢划分为若干个静态slot，静态slot相当于车厢的座位，座位大小都是相同的，并没有区别对待，每个座位分配给不同的乘客，静态报文可以理解成乘客静态段，发送静态报文则为乘客乘坐火车的过程。

接着动态段，动态段位于静态段之后，用于传输事件驱动报文及动态帧，动态段可分为若干个动态slot，由于动态段基于事件触发，主要用于刷写诊断功能，故长度不一，所以用于存放动态段的动态slot也均不相同，其中每个动态slot最小单位为一个动态mini slot，动态slot可由一到多个mini组成，在动态段中最多可包含2047个动态slot，且最多可划分为7986个mini slot，另外动态mini slot的个数和长度分别由全局变量，the number of mini slot和gd mini slot决定，通俗的理解就是动态段可以想象成火车的货物车厢用于运输货物，但货物的大小不一，动态真相当于货物，动态帧长度越长，所占用的车厢空间就越长，即动态slot越长，要确保放下最大的货物，即动态帧，所以要事先规定好车厢的大小，也就是动态段的长度。

然后FlexRay帧的符号窗口段和网络空闲段，FlexRay符号窗口的长度是固定的，用于传输符号，而非传输报文，数据符号包括三种类型，分别为冲突避免符号，用于表示第一个通讯周期的开始介质，测试符号用于测试总线监控器，唤醒符号用于唤醒FlexRay，网络通信中期的末尾部分是网络空闲段，简称NIT段，用于同步本地时钟，另外NIT段期间不进行数据通信。

FlexRay 帧结构

FlexRay帧的组成部分，分为帧头，有效负载及帧尾，其中帧头存放FlexRay帧的特定属性信息，一共40位，帧尾存放CRC校验求得的校验结果，有效负载Payload最多可支持254个字节的数据内容。首先我们看一下帧头部分，帧头的首位是保留位，默认发送零，第二到第五位是指示位，目的是更加精确的指示报文，根据动态静态报文类型的不同，其含义也随之变化，然后第三位空针指示位用于指示披露的部分是正常的还是无效的，第四位及第五位分别是同步帧指十位和启动针指十位，用于判断该针是否为同步帧。

启动针标示位后面是Frame ID，即表示报文id一共11位。Payload Length为七位，用于表示有效负载的大小，其范围大小是0~127，简单的通过payload length表示报文长度是不可取的，所以FlexRay规定用word为单位表示有效负载的大小，word为单位，1word等于2Byte，127word等于254Byte。Byte后面紧跟着是11位的Header CRC，即帧头CRC序列，只对帧头的同步帧指示位，启动针指示位，Frame ID， Payload length进行CRC校验，帧头的末尾是Cycle Count即周期计数器，由六个位构成，表示报文发送的周期数，范围大小为0~63。

一条FlexRay报文Payload的部分最多传输254个数据字节，数据字节命名从Data_0开始，最大数据字节为Data_253，通过设置帧头的有效负载指示位，在静态动态报文中所表现的作用也是不一样的，在静态报文中，通过设置有效负载指示位，可以将披露的部分前12个字节作为传输网络管理向量，the network management vector，网络管理向量可用于在FlexRay 网络中实现网络管理，而动态报文中设置有效负载指示位，表示payload的部分，前两个字节为报文标识符，即message id，其作用是为了更加精确的指示，有效负载可在接收过滤器中用于实现更精细的区分依据。

最后FlexRay中尾部分是CRC段，一共24位，使用CRC循环冗余校验保护有效负载，校验范围是FlexRay帧头加有效负载区域，CC 即 FlexRay 通信控制器，会根据帧头，有效负载以及FlexRay规定生成的多项式，来计算CRC序列，求得checksum，并在FlexRay报文发送前与接收后将其作为帧尾追加到帧头和有效负载之后。

FlexRay 总线访问

FlexRay总线访问，包括总线访问机制介绍，来自通信调度表，图示为一个FlexRay总线拓扑结构，FlexRay可支持单双通道，即Channel a和Channel b，其中节点K节点L均连接两路通道，节点M节点N节点连接Channel a单通道，节点O连接Channel b单通道，我们以该拓扑结构为例，介绍FlexRay在不同数据时段，即静态段，动态段的总线访问机制，

首先介绍FlexRay ，图示将静态段分为三个静态slot，静态slot id为1，2，3，每个静态slot分配给特定的节点。其中 slot1 分配给节点K，slot2分配给节点M，slot3分配给节点L，节点K同时连接Channel a和Channel b，并在静态 slot1 中分配静态帧b，节点M仅连接单通道Channel a，并在静态slot 2中分配静态帧c，节点L同时连接Channel a和Channel b，分别在两路通道分配静态帧a和d。如果想提高FlexRay的容错性，可以让发送节点在同一静态slot内的两路通道发送两条相同的静态帧，如节点K如果想提高FlexRay的传输带宽，可以让发送节点在同静态slot中发送两条不同的静态帧，如节电l通信速率可实现从10M/S增至20M/S以上，为静态段的总线访问方式。

动态段总线访问方式，其特点是发送节点给予事件驱动发送动态帧，且动态针长度不一。从图示了解到，动态段报文通信较静态段更加灵活，根据事件触发，尝试在总线上发送动态帧，Channel a和Channel b通道相互独立，所以在不同通道的相同slot内可对应不同的发送节点发送动态帧，比如动态slot4 中Channel a节点L发送动态帧n，而Channel b上节点O发送动态帧m。另外存在事件驱动后不能发送动态帧的情况，比如动态帧p，即节点M尝试在动态slot7发送报文，但明显动态段剩余的部分不够容纳该动态帧的长度，所以这条报文不能在该周期内发送，这里就涉及到最迟发送时间的概念。什么是最迟发送时间，它是针对每个发送节点，用于在动态slot内是否允许发送节点发送报文，如果发送节点因事件触发，尝试在动态段发送动态帧时，则需考虑该节点的最迟发送时间，仅当此时动态minislot的id小于或等于支持最迟发送时间点，才允许拥有传输权限。比如说节点M设定它最迟可以在minislot 8 的位置发送，若他尝试在minislot 9的位置发送时，则无法成功，只能等待下一个cycle发送。

根据上述FlexRay总线访问的特点，一个cycle内通过调度表的形式通信，依据调度表的内容分为静态段，动态段不同的slotslot分配给指定的发送节点，发送节点发送报文帧，严格按照调度表发送数据，但实际情况中，为了更加有效地利用带宽，FlexRay可能在不同的cycle中通过复核调度表发送报文，通过这种复合调度表的方式，将更加有效地利用FlexRay带宽，增加了数据吞吐量，并允许每个时间段传输更多的信号值。例如图示，静态段的静态slot 2分配给发送节点M该节点在Channel a通道中，根据复合调度表在不同的cycle中发送不同的静态帧。另外复合调度表对静态段和动态段的影响作用也是不一样的。

静态段内，每个cycle的相同slot中可发送同一节点的不同静态帧，如图所示，Channel a中静态段slot2分配给发送节点M发送静态帧，第n至n+2的三个cycle中，分别发送静态帧c，静态帧x，和静态帧y。

而动态段可实现的复合调度表会有所不同，动态段总线访问方式会更加灵活，每个cycle的相同slot中可分配给不同节点来发送不同的动态帧，动态帧的长度也可以不一样，如图所示，动态slot 7在第n至n+2的三个cycle中分配给发送节点L，发送节点M，以动态帧u，动态帧t，以及动态帧p的顺序发送。