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來源：道客巴巴 1.1 FlexRay 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， 用于實現(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(fù)雜， 嚴(yán)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(fù)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)轿唬?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(luò)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(yīng)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應(yīng)用的要求。寶馬和戴姆勒克萊斯勒很早就意識到了， 傳統(tǒng)的解決方案并不能滿足汽車行業(yè)未來的需要， 更不能滿足汽車線控系統(tǒng)（X-by-Wire） 的要求。于是在 2000 年 9 月 ， 寶馬和戴姆勒克萊斯勒聯(lián)合飛利浦和摩托羅拉成立了 FlexRay 聯(lián)盟。該聯(lián)盟致力于推廣 FlexRay 通信系統(tǒng)在全球的采用， 使其成為高級動力總成、 底盤、 線控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。其具體任務(wù)為制定 FlexRay 需求定義、 開發(fā) FlexRay協(xié)議、 定義數(shù)據(jù)鏈路層、 提供支持 FlexRay 的控制器、 開發(fā) FlexRay 物理層規(guī)范并實現(xiàn)基礎(chǔ)解決方案。FlexRay 提供了傳統(tǒng)車內(nèi)通信協(xié)議不具備的大量特性， 包括：(1)高傳輸速率：FlexRay 的每個信道具有 10Mbps 帶寬。由于它不僅可以像 CAN 和 LIN 網(wǎng)絡(luò)這樣的單信道系統(tǒng)一般運行， 而且還可以作為一個雙信道系統(tǒng)運行， 因此可以達到 20Mbps 的最大傳輸速率， 是當(dāng)前 CAN 最高運行速率的 20 倍。(2)同步時基：FlexRay 中使用的訪問方法是基于同步時基的。該時基通過協(xié)議自動建立和同步，并提供給應(yīng)用。時基的精確度介于 0.5μs 和 10μs 之間（通常為 1~2μs）。(3)確定性：通信是在不斷循環(huán)的周期中進行的， 特定消息在通信周期中擁有固定位置， 因此接收器已經(jīng)提前知道了消息到達的時間。到達時間的臨時偏差幅度會非常小， 并能得到保證。(4)高容錯:強大的錯誤檢測性能和容錯功能是 FlexRay 設(shè)計時考慮的重要方面。FlexRay 總線使用循環(huán)冗余校驗 CRC(Cyclic redundancy cheek)來檢驗通信中的差錯。FlexRay 總線通過雙通道通信，能夠提供冗余功能， 并且使用星型拓?fù)淇赏耆鉀Q容錯問題。(5)靈活性：在 FlexRay 協(xié)議的開發(fā)過程中， 關(guān)注的主要問題是靈活性， 反映在如下幾個方面：①支持多種方式的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；②消息長度可配置：可根據(jù)實際控制應(yīng)用需求， 為其設(shè)定相應(yīng)的數(shù)據(jù)載荷長度；③使用雙通道拓?fù)鋾r， 即可用以增加帶寬， 也可用于傳輸冗余的消息；④周期內(nèi)靜態(tài)、 動態(tài)消息傳輸部分的時間都可隨具體應(yīng)用而定。ECU（Electronic Control Unit）， 即節(jié)點 node， 是接入車載網(wǎng)絡(luò)中的獨立完成相應(yīng)功能的控制單元。主要由電源供給系統(tǒng)（Power Supply）、主處理器（Host）、固化 FlexRay 通信控制器（Communication Controller）、 可選的總線監(jiān)控器（Bus Guardian） 和總線驅(qū)動器（Bus Driver） 組成， 如圖所示。主處理器提供和產(chǎn)生數(shù)據(jù)， 并通過 FlexRay 通信控制器傳送出去。其中 BD 和 BG 的個數(shù)對應(yīng)于通道數(shù)，與通訊控制器和微處理器相連?？偩€監(jiān)控邏輯必須獨立于其他的通訊控制器?？偩€驅(qū)動器連接著通信控制器和總線， 或是連接總線監(jiān)控器和總線。（1）發(fā)送數(shù)據(jù):Host 將有效的數(shù)據(jù)送給 CC，在CC中進行編碼，形成數(shù)據(jù)位流，通過BD發(fā)送到相應(yīng)的通道上。（2）接受數(shù)據(jù):在某一時刻，由BD訪問棧，將數(shù)據(jù)位流送到CC進行解碼， 將數(shù)據(jù)部分由 CC傳送給 Host。FlexRay 的拓?fù)渲饕譃?3 種：總線式、 星型、 總線星型混合型。通常， FlexRay 節(jié)點可以支持兩個信道， 因而可以分為單信道和雙信道兩種系統(tǒng)。在雙信道系統(tǒng)中， 不是所有節(jié)點都必須與兩個信道連接。與總線結(jié)構(gòu)相比， 星狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于：它在接收器和發(fā)送器之間提供點到點連接。該優(yōu)勢在高傳輸速率和長傳輸線路中尤為明顯。另一個重要優(yōu)勢是錯誤分離功能。例如， 如果信號傳輸使用的兩條線路短路， 總線系統(tǒng)在該信道不能進行進一步的通信。如果使用星狀結(jié)構(gòu)， 則只有到連接短路的節(jié)點才會受到影響， 其它所有節(jié)點仍然可以繼續(xù)與其它節(jié)點通信。一個數(shù)據(jù)幀由頭段（Header Segment)、 有效負(fù)載段（Payload Segment） 和尾段（Trailer Segment）三部分組成。FlexRay 數(shù)據(jù)幀格式如圖 2.5 所示。(1)頭段共由 5 個字節(jié)（40 位） 組成， 包括以下幾位：1.保留位(1 位)：為日后的擴展做準(zhǔn)備；2.負(fù)載段前言指示(1 位)：指明負(fù)載段的向量信息；4.同步幀指示(1 位)：指明這是否為一個同步幀；6.幀 ID(11 位)：用于識別該幀和該幀在時間觸發(fā)幀中的優(yōu)先級；7.負(fù)載段長度(7 位)：標(biāo)注一幀中能傳送的字?jǐn)?shù)；8.頭部 CRC(11 位)：用于檢測傳輸中的錯誤；9.周期計數(shù)(6 位)：每一通信開始， 所有節(jié)點的周期計數(shù)器增 1。(2)負(fù)載段是用于傳送數(shù)據(jù)的部分， FlexRay 有效負(fù)載段包含 0~254 個字節(jié)數(shù)據(jù)。對于動態(tài)幀， 有效負(fù)載段的前兩個字節(jié)通常用作信息 ID， 接受節(jié)點根據(jù)接受的 ID 來判斷是否為需要的數(shù)據(jù)幀。對于靜態(tài)幀， 有效負(fù)載段的前 13 個字節(jié)為網(wǎng)絡(luò)管理向量(NM)， 用于網(wǎng)絡(luò)管理。(3)尾段只含有 24 位的校驗域， 包含了由頭段與有效負(fù)載段計算得出的 CRC 校驗碼。計算 CRC時， 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸順序?qū)谋Ａ粑坏截?fù)載段最后一位的數(shù)據(jù)放入 CRC 生成器進行計算。編碼的過程實際上就是對要發(fā)送的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理“打包”的過程， 如加上各種校驗位、 ID符等。編碼與解碼主要發(fā)生在通訊控制器與總線驅(qū)動器之間， 如圖 2.6。其中 RxD 位接受信號， TxD 為發(fā)送信號， TxEN 為通訊控制器請求數(shù)據(jù)信號。信息的二進制表示采用“不歸零”碼。對于雙通道的節(jié)點， 每個通道上的編碼與解碼的過程是同時完成的。TSS(傳輸啟動序列)：用于初始化節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)通信的對接， 為一小段低電平。FSS(幀啟動序列)：用來補償 TSS 后第一個字節(jié)可能出現(xiàn)的量化誤差， 為一位的高電平BSS(字節(jié)啟動序列)：給接受節(jié)點提供數(shù)據(jù)定時信息， 由一位高電平和一位低電平組成。FES(幀結(jié)束序列)：用來標(biāo)識數(shù)據(jù)幀最后一個字節(jié)序列結(jié)束， 由一位低電平和一位高電平組成。DST(動態(tài)段尾部序列)：僅用于動態(tài)幀傳輸， 用來表明動態(tài)段中傳輸時隙動作點的精確時間點，并防止接受段過早的檢測到網(wǎng)絡(luò)空閑狀態(tài)。由一個長度可變的低電平和一位高電平組成。將這些序列與有效位（從最大位 MSB 到最小位 LSB） 組裝起來就是編碼過程， 最終形成能夠在網(wǎng)絡(luò)傳播的數(shù)據(jù)位流。在媒體接入控制中， 一個重要的概念就是通信周期（Communication Cycle）， 如圖所示。一個通信周期由靜態(tài)段（Static Segment)、 動態(tài)段(Dynamic Segment)、 特征窗(Symbol Window） 和網(wǎng)絡(luò)空閑時間(Network Idle Time） 4 個部分組成。FlexRay 提供兩種媒體接入時序的選擇：靜態(tài)段采用時分多址方式(TDMA)， 由固定的時隙數(shù)組成， 不可修改， 且所有時隙的大小一致。用來傳輸周期性的數(shù)據(jù)信息；動態(tài)段采用靈活的時分多址(FTDMA)， 由較小的時隙組成， 可根據(jù)需要擴展變動， 一般用于傳輸事件控制的消息。符號窗用于傳輸特征符號。網(wǎng)絡(luò)空閑時間用于時鐘同步處理。仲裁層包含有仲裁網(wǎng)絡(luò)， 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(luò)由叫做靜態(tài)時槽(Static Slots)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(luò)層是建立在由宏節(jié)拍(Marcotick)組成的宏節(jié)拍層之上的。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(Action points)。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_始和結(jié)束。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(dǎo)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。如果使用基于 TDMA 的通信協(xié)議， 則通信媒介的訪問在時間域中控制。因此， 每個節(jié)點都必須保持時間同步， 這一點非常重要。所有節(jié)點的時鐘必須同步， 并且最大偏差(精度)必須在限定范圍內(nèi)，這是實現(xiàn)時鐘同步的前提條件。時鐘偏差可以分為相位和頻率偏差。相位偏差是兩個時鐘在某一特定時間的絕對差別。頻率偏差是相位偏差隨時間推移的變化， 它反映了相位偏差在特定時間的變化。FlexRay 使用一種綜合方法， 同時實施相位糾正和頻率糾正， 包含兩個主要過程：時間同步校正機制(最大時間節(jié)拍生成 MTG)和時鐘同步計算機制(時鐘同步進程 CSP)。MTG 控制時隙初值， 即周期計數(shù)器和最大時鐘節(jié)拍的計數(shù)器， 并對其進行修正。CSP 主要完成一個通信循環(huán)開始的初始化，測量并存儲偏差值， 計算相位和頻率的修正值。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(fù)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(yīng)用在奇數(shù)通信周期的末尾。在頻率糾正中， 需要使用兩個通信循環(huán)的測量值。這些測量值之間的差值反映每個通信循環(huán)中的時鐘偏差變化。它通常用于計算雙循環(huán)結(jié)束時的糾正值。在整個后來的兩個通信周期中， 都使用該糾正值。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(dāng)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(dāng)節(jié)點接收到喚醒特征符(Wakeup Symbol)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(Coldstart Node)。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。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(Leading Coldstart Node)， 其余的冷啟動節(jié)點則稱之為從冷啟動節(jié)點(Following Coldstart Node)。當(dāng)節(jié)點被喚醒并完成初始化后， 它就可以在相應(yīng)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(dāng)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(Collision Avoidance Symbol)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(rèn)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(dāng)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(zhǔn)。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)。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。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。如下圖所示， 描述了正確的啟動過程。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。3.1 FlexRay 總線在 BMW 車系中的應(yīng)用在 BMW 車系 F01 / F02 車型中， 通過 FlexRay 總線系統(tǒng)以跨系統(tǒng)方式實現(xiàn)汽車行駛動態(tài) 管理系統(tǒng)和發(fā)動機管理系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)。同時， FlexRay 是行駛動態(tài)管理系統(tǒng)的綜合性 主總線系統(tǒng) （圖3.1）， 中央網(wǎng)關(guān)模塊用于不同總線系統(tǒng)與 FlexRay 之間的連接 （圖3.2）。圖3.1 FlexRay 是行駛動態(tài)管理系統(tǒng)的綜合性主總線系統(tǒng)圖3.2 中央網(wǎng)關(guān)模塊 （ZGM） 用于不同總線系統(tǒng)與 FlexRay 之間的連接F01 / F02 車型 FlexRay 總線系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3.3所示。根據(jù)車輛配置情況， ZGM 帶有一個或兩個星形連接器， 每個星形連接器都有 4 個總線驅(qū)動器?？偩€驅(qū)動器將控制單元 數(shù)據(jù)通過通信控制器傳輸給中央網(wǎng)關(guān)模塊 （ZGM）。根據(jù) FlexRay 控制單元的終端形式， 總 線驅(qū)動器通過兩種方式與這些控制單元相連。圖3.3 F01 / F02 車型 FlexRay 總線系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) AL—主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng) BD—總線驅(qū)動器 DME—數(shù)字式發(fā)動機電子系統(tǒng) DSC—動態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng) EDCSHL—左后 電子減振器控制系統(tǒng)衛(wèi)星式控制單元 EDCSHR—右后電子減振器控制系統(tǒng)衛(wèi)星式控制單元 EDCSVL—左前電子減 振器控制系統(tǒng)衛(wèi)星式控制單元 EDCSVR—右前電子減振器控制系統(tǒng)衛(wèi)星式控制單元 HSR—后橋側(cè)偏角控制系統(tǒng) ICM—集成式底盤管理系統(tǒng) SZL—轉(zhuǎn)向柱開關(guān)中心 VDM—垂直動態(tài)管理系統(tǒng) ZGM—中央網(wǎng)關(guān)模塊 與大多數(shù)總線系統(tǒng)一樣， 為了避免在導(dǎo)線上產(chǎn)生信號反射， FlexRay 上的數(shù)據(jù)導(dǎo)線兩端 也使用了終端電阻 （作為總線終端）。這些終端電阻的阻值由數(shù)據(jù)傳輸速率和導(dǎo)線長度決 定。終端電阻位于各個控制單元內(nèi)部。 如果一個總線驅(qū)動器上僅連接一個控制單元 （例如 SZL 與總線驅(qū)動器 BDO 相連）， 則 總線驅(qū)動器和控制單元的接口各有一個終端電阻 （圖3.4）。中央網(wǎng)關(guān)模塊的這種連接方式 稱為 “終止節(jié)點終端”。圖3.4 終止節(jié)點終端內(nèi)部的終端電阻 如果控制單元上的接口不是物理終止節(jié)點 （例如總線驅(qū)動器 BD2 上的 IEC、 ICM 和 DME）， 而是形成環(huán)路， 則每個總線路徑端部的兩個組件內(nèi)部必須設(shè)置終端電阻（圖3.5）。圖3.5 形成環(huán)路的 FlexRay 終端電阻的設(shè)置
這種連接方式既用于中央網(wǎng)關(guān)模塊， 也用于一些控制單元。但是形成環(huán)路的控制單元還 使用一個 “非終止節(jié)點終端” 來獲取數(shù)據(jù)。受這種終端形式的電阻/ 電容器電路所限， 無法 通過測量技術(shù)在控制單元插頭上對其進行檢查。通過測量 （無電流） FlexRay 總線確定導(dǎo)線 或終端電阻時， 必須使用車輛電路圖。
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