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flexray总线协议
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flexray总线协议
篇一:
FlexRay总线调研报告
FlexRay总线调研报告
汽车电子已成为汽车行业的一个重要市场。
汽车电子行业最大的热点就是网络化[1]。
如今的汽车,已然是一个移动式的信息装置,通过车内网络系统,可以接收、发送并处理大量的数据,对某些状况做出必要的反应。
未来汽车的发展趋势必然是自动化程度越来越高,使汽车更安全、更可靠、更舒适,这意味着在车内使用更多的传感器、传动装置及电子控制单元,这也将对车载网络提出更高的要求。
针对未来汽车车载网络的发展要求,FlexRay应运而生。
FlexRay关注的是当今汽车行业的一些核心需求,包括更快的数据速率,更灵活的数据通信,更全面的拓扑选择和容错运算等。
FlexRay的出现,弥补了既有总线协议应用在汽车线控系统或者同安全相关的系统时容错性和传输速率太低的不足,并将逐步取代can总线成为新一代的汽车总线[2]。
1FlexRay总线介绍
1.1车载网络概述
现代科技推动了汽车网络技术的不断发展,早在20世纪80年代国际上众多知名汽车公司就积极致力于汽车网络技术的研究及应用,迄今为止,已有多种网络标准。
1994年,sae车辆网络委员会将汽车数据传输网划分为a、b、c等3类。
a类为面向传感器∕执行器控制的低速网络,b类为面向数据共享的中速网络,c类为面向高速、实时闭环控制的多路传输网络[3]。
另外它还保留了d类网的定义,这类网络主要是面向车内的娱乐设备的信息传输。
四种汽车网络标准总结如表1所示。
表1汽车网络标准
a类网络主要面向传感器、执行器控制,是低速网络。
在该类网络中对实时性要求不高,且不需要诊断功能,数据速率一般在1~10kbps,主要应用于电动门窗、座椅调节、灯光照明等控制。
目前a类网络协议主要有ttp/a(time-triggeredprotocol)、lin(localinterconnectnetwork)等协议。
b类网络主要面向独立模块间的数据共享,是中速网络,该类网络适用于对实时性要求不高的通信场合,数据速率一般在10~100kbps,主要应用于电子车辆信心中心、故障诊断、仪表显示、安全气囊等系统,以减少冗余的传感器和其他电子部件。
在b类网络中,具有代表性的有saej1850、Van(Vehicleareanetwork)、can(iso11595-2,不高于125kbps)等协议。
其中,can凭其优越的性能,目前已经成为被全世界接受的主流协议。
c类网络主要面向高速、实时闭环控制的多路传输网,该类网络适用于与安全性相关的实时系统,如发动机定时、燃油供给等系统,数据速率通常在125kbps~1mbps之间。
目前,c类网络中的主要协议包括高速can(iso118982)、正在发展中的ttp/c和FlexRay等协议。
其中高速can基于优先级的随机访问方式,总线传输速率通常在125kbps~1mbps之间而其它几种协议基于tdma(timedivisionmultipleaccess)或Ftdma(Flexibletimedivisionmultipleaccess)的确定性访问方式,数据传输具有确定的延迟时间,且有很高的传输速率(1~10mbps)。
d类网络主要面向汽车信息娱乐和远程信息设备,特别是汽车导航系统,需要功能强大的操作系统和连接能力。
在d类网络中,具有代表性的有most、idbc、idb1394、d2b、蓝牙等协议[4]。
1.2FlexRay的产生及发展
随着汽车中增强安全和舒适体验的功能越来越多,实现这些功能的传感器、传输装置、电子控制单元(ecu)的数量也在持续上升。
如今高端汽车有100多个ecu,如果不采用新架构,该数字可能还会增长,ecu操作和众多车用总线之间的协调配合日益复杂,严重阻碍线控技术(x-by-wire,即利用重量轻、效率高、更简单且具有容错功能的电气/电子系统取代笨重的机械/液压部分)的发展。
即使可以解决复杂性问题,传统的车用总线也缺乏线控所必需的确定性和容错功能,例如,与安全有关的信息传递要求绝对的实时,这类高优先级的信息必须在指定的时间内传输到位,如刹车,从刹车踏板踩下到刹车起作用的信息传递要求立即正确地传输不允许任何不确定因素。
同时,汽车网络中不断增加的通信总线传输数据量,要求通信总线有较高的带宽和数据传输率。
目前广泛应用的车载总线技术can,lin等由于缺少同步性,确定性及容错性等并不能满足未来汽车
应用的要求。
宝马和戴姆勒克莱斯勒很早就意识到了,传统的解决方案并不能满足汽车行业未来的需要,更不能满足汽车线控系统(x-by-wire)的要求。
于是在2000年的9月,宝马和戴姆勒克莱斯勒联合飞利浦和摩托罗拉成立了FlexRay的联盟。
由于FlexRay的优秀特性和广大的发展前景,又有很多的汽车,半导体和电子系统的生产商陆续加入了FlexRay联盟,为联盟的壮大注入更强的活力,并使FlexRay通信系统很快获得了动力。
目前,FlexRay联盟包括了汽车工业中绝大多数实力强劲而且影响力极强的角色,包括博世,通用汽车,福特等等。
FlexRay成员分为四个等级,分别是核心成员国,重要联系成员国,联系成员国和最外层的开发成员国。
其中核心成员包括宝马,戴姆勒克莱斯勒,通用汽车,大众,博世,飞思卡尔和飞利浦。
该联盟致力于推广FlexRay通信系统在全球的采用,使其成为高级动力总成、底盘、线控系统的标准协议。
其具体任务为制定FlexRay需求定义、开发FlexRay协议、定义数据链路层、提供支持FlexRay的控制器、开发FlexRay物理层规范并实现基础解决方案。
由FlexRay联盟制定的FlexRay协议标准给出了汽车工业总线更为理想的解决方案,当前,FlexRay协议已经得到业界各大汽车生产厂家以及汽车半导体公司的支持,成为下一代车用网络标准。
经过几年的测试与修改,FlexRay协议2.1版本已经发布。
1.3FlexRay的特性
在FlexRay协计设时,该联盟就规定其三大主要目标特性为:
(1)高速:
比目前其它车用主干网高出数倍;
(2)确定的传输:
以便有效的应用简化的分布式控制算法;
(3)高容错的通信:
以便实施更高安全需要的控制机制或以电控系统替代液压系。
为了能实现这些既定目标,FlexRay协议设计了一些新特性,正是这些优势技术使FlexRay成为下一代车用通信网络的首选。
FlexRay提供了传统车内通信协议不具备的大量特性[6],包括:
(1)高传输速率:
FlexRay的每个信道具有10mbps带宽。
由于它不仅可以像can和lin网络这样的单信道系统一般运行,而且还可以作为一个双信道系统运行,因此可以达到20mbps的最大传输速率,是当前can最高运行速率的20倍。
(2)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)。
(3)确定性:
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。
(4)高容错:
强大的错误检测性能和容错功能是FlexRay设计时考虑的重要方面。
FlexRay总线使用循环冗余校验cRc(cyclicredundancycheek)来检验通信中的差错。
FlexRay总线通过双通道通信,能够提供冗余功能,并且使用星型拓扑可完全解决容错问题,如果出现意外情况,星型的支路可以有选择的切断。
(5)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、消息长度等,以满足特定应用的需求。
2FlexRay总线技术原理
2.1帧格式结构
FlexRay帧格式包括帧头段(headersegment)、有效载荷段(payloadsegment)与帧尾段(trailersegment)三部分,如图1所示[8]。
节点在网络上传输帧时,首先传输的是帧头段,其次传输的是有效载荷段,最后传输的是帧尾段。
图1FlexRay帧格式
FlexRay帧头段包括5个字节的信息,包括保留位(Reservedbit)、有效载荷段前言指示位(payloadpreambleindicator)、空帧指示位(nullframeindicator)、同步帧指示位(syncframeindicator)、起始帧指示位(startupframeindicator)、帧id(Frameid)、有效载荷段长度(payloadlength)、帧头cRc(headercRc)
、周期
计数(cyclecount)。
帧id的范围从1到2047,帧0是无效的帧id。
在每个通道的一个通信周期内,帧id仅被使用一次。
一簇中每个可能被传输的帧都赋予了一个帧id。
id数字越小,则优先级越高。
有效载荷段长度用来指明有效载荷段的尺寸。
有效载荷段的尺寸被编码为有效载荷段数据字节数值的二分之一(即word的个数)。
在静态时序部分的一个通信周期内,所有发送帧的有效载荷段长度应该是稳定不变的。
在动态时序部分的一个通信周期内,不同帧的有效载荷段长度可能不同。
另外,在不同周期内特殊动态时序部分的帧有效载荷段长度可能变化。
FlexRay有效载荷段包含0~254个字节数据。
在动态时序部分,有效载荷段的前两个字节通常用作信息id域(messageidField),接收节点根据域中的内容去过滤或者引导数据。
在静态时序部分,有效载荷段的前13个字节((flexray总线协议)数据0~数据12)通常用作网络管理向量,在同一个簇内所有的节点应具有相同长度的网络管理向量。
帧头段的有效载荷前言指示位指明了有效载荷段是网络管理向量还是信息id。
FlexRay帧尾段只含有24位的校验域,这个域包含了由帧头段与有效载荷段计算得出的cRc校验码。
计算帧cRc时,根据网络传输顺序将从保留位开始,到有效载荷段最后一个字节的最后一位结束,这些数据都放入cRc生成器中进行计算。
2.2编码与解码
FlexRay总线协议独立于底层物理层,有两个不同级的二进制媒介。
这两个不同级媒介所产生的比特流叫做通信要素(communicationelement)。
节点使用“不归零”编码的方式对通信要素ce进行编解码。
编码与解码(codinganddecoding)实际讲述了通信控制器与总线驱动器之间,txd、Rxd和txen接口信号的编码与解码行为。
具体结构如图2所示。
图2通信控制器与总线驱动器间接口
图中txen是通信控制器请求数据信号,txd是发送信号,Rxd是接收信号。
当总线上有一个传输给本节点的帧时,总线驱动器先把接收到的物理电平信号转变为一个串行信号,然后发送给通信控制器。
当通信控制器有数据要发送到总线
篇二:
FlexRay总线知识
FlexRay新一代车载总线,具备高传输速率、硬实时、安全性和灵活性的特点。
采用周期通信的方式,一个通信周期可以划分为静态部分、动态部分、特征窗和网络空闲时间4个部分。
静态部分和动态部分用来传输总线数据,即FlexRay报文。
特征窗用来发送唤醒特征符和媒介访问检测特征符。
网络空闲时间用来实现分布式的时钟同步和节点参数的初始化。
(2)通信调度灵活性。
FlexRay总线在一个通信周期采用了两种接入时序:
静态部分采用时分多址(tdma)的接入时序,动态部分采用柔性时分多址(Ftdma)的接入时序。
静态部分将通信时间划分为多个等时长的静态时隙,不同帧id的静态帧在相应id的时隙内发送,实现了报文发送的确定性。
动态部分将通信时间划分为多个等时长的微时隙,不同帧id的动态帧在相应id的动态时隙内发送。
一个动态时隙可以占用一个或多个微时隙,动态帧的发送时间并不确定,根据动态部分的负载情况可能延后发送,甚至延后到下一周期。
FlexRay总线协议适用于分布式控制网络,在通信调度表的实现和时钟同步方面均采用了分布式的控制方式,即网络中不存在master或slave节点。
FlexRay协议标准中定义了同步和异步帧传输,同步传输中保证帧的延迟和抖动,异步传输中有优先次序,还有多时钟同步,错误检测与避免,编码解码,物理层的总线监控设备等。
FlexRay具有高速、可靠及安全的特点.FlexRay在物理上通过两条分开的总线通信,每一条的数据速率是10mbit/s。
FlexRay还能够提供很多网络所不具有的可靠性特点。
尤其是FlexRay具备的冗余通信能力可实现通过硬件完全复制网络配置,并进行进度监测。
FlexRay同时提供灵活的配置,可支持各种拓扑,如总线、星型和混合拓扑。
FlexRay本身不能确保系统安全,但它具备大量功能,可以支持以安全为导向的系统(如线控系统)的设计。
FlexRay导线控制应用的例子包括:
线控操作转向:
典型的是使用电子控制单元。
防抱死制动系统(abs):
包括车辆稳定控制(V)和车辆稳定助手(Vsa)。
动力系:
—代替现有的机械系统控制电子节气门。
该电子节气门和现有系统结合工作,如电脑化燃油喷射器、电脑化可变进气系统、电脑化怠速控制系统。
FlexRay节点的核心是ecu,是接入车载网络中的独立完成相应功能的控制单元。
主要由电源供给系统、主处理器、固化FlexRay通信控制器、可选的总线监控器和总线驱动器组成,主处理器提供和产生数据,并通过FlexRay通信控制器传送出去。
总线驱动器连接着通信控制器和总线,或是连接总线监控器和总线。
主处理器把FlexRay控制器分配的时间槽通知给总线监视器,然后总线监视器就允许FlexRay控制器在这些时间槽中来传输数据。
数据可以在任何时候被接收。
a.发送数据host将有效的数据送给cc,在cc中进行编码,形成数据位流(bitstream),通过bd发送到相应的通道上。
b.接受数据在某一时刻,由bd访问栈,将数据位流送到cc进行解码,将数据部分由cc传送给host。
冷启动节点启动+其他非冷启动节点通过接受启动帧与冷启动节点整合到一起。
星状结构的优势在于:
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。
2.负载段前言指示(payloadpreambleindicator,1位)。
指明帧的负载段的向量信息。
在静态帧中,该位指明的是nwVector;在动态帧中,该位指明的是信息id;信息id使用负载
段的前两个字节进行定义,可以在接收方作为可过滤数据使用;
FlexRay的通信是在周期循环中进行的。
st和dyn由时槽slot构成,通过时槽传输帧信息,时槽经固定的周期而重复。
在静态段中,采用时分多址tdma技术实现时间触发。
将多个时槽固定分配给每个节点,这些时槽内,只允许该节点传输数据。
所有时槽的大小相同,并且是从1开始向上编号,在运行期间,该时槽的分配不能修改,静态部分传送的信息在通信开始时就应该组合好。
这种访问方法,保证在静态段中传输的特定消息,在周期循环中拥有固定的位置,也就是说接收器已经提前知道了消息到达的时间,尽可能保持传输的同步与可测试。
动态段采用更灵活的时分多址技术Ftdma,使用小时槽mini-slot作为访问动态部分的通信媒介。
各个节点利用信息id(报文id)中定义好的优先级竞争带宽。
如果在小时槽中出现了总线访问,时槽就会按照需要的时间来扩展,因而总线的带宽是动态可变动。
静态段可以保证对总线的访问是确定性的。
但是通过对节点和信息分配时槽的方法来固定分配总线带宽,就导致了总线带宽利用率低,而且灵活性差,不利于以后节点的扩充。
动态段采用时间触发的方式传输事件信息,保证一些具有高优先权的数据能够在总线忙时也有机会发送信息,这样各个节点可以共享这部分带宽,而且带宽可动态分配,灵活性好。
这就在保证总线访问的确定性的同时,弥补了静态段传输的不足。
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。
时钟偏差可以分为相位和频率偏差。
时钟同步是一个控制环路,与其它的一样,它也由测量、计算和设定功能组成。
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纠正值。
相位纠正要相隔一个循环实施,避免影响时钟频率偏差的确定。
未来将通过线控系统网络将指令发送到刹车执行单元、转向步进马达单元,并通过微处理器及电子执行装置(FlexRay节点)来进行制动和转向控制。
canopen是在iso11898标准之上真正面向对象联接的网络计算平台,在canopen网络中,可以将最多128个用can-bus互联的嵌入式微处理器,看成是一个统一的计算机平台,通过对网络中的任何一个单片机中的电子表格(存储在e2pRom或Flash之中,称为canopen的对象字典)的修改和重定义,即可改变整个系统的功能配置和构造,而无需通过canopen节点的制造商,在每个节点的对象字典之中还存储全球唯一的制造商编码和相关的配置参数,我们称之为数字基因(digitaldna)。
通过标准方法可以方便的访问到汽车中各个电子设备的“数字基因图谱”用于维护和诊断。
canstress核心功能包括:
5.设定触发条件
总线失效评估6.设定干扰方式(数字、模拟)
can系统失效7.设定干扰时间、次数
can控制器的干扰设定触发方式(7种)
可编程短路和断路1.按照报文位场序列
模拟各种线长2.帧起始
canstress硬件配置过程3.错误帧
1.设备连接设置(串口、usb)4.帧结束、总线空闲
2.can接口选择(接口1、2)5.外部电平触发
3.can控制器参数设置(速率、位定时)6.软件触发(点击按钮)
4.设定触发方式(7种)7.无条件连续触发
篇三:
FlexRay知识要点
FlexRay总线知识要点
基本概念:
1、FlexRay时隙
FlexRay对通信过程划分的时间段,在这些时间段上,控制器按一定要求或条件访问通信媒体。
2、tdma时分多址
timedivisionmultipleaccess时分多址。
把时间分割成周期性的帧(Frame),每一个帧再分割成若干个时隙向基站发送信号,在满足定时和同步的条件下,基站可以分别在各时隙中接收到各终端的信号而不混扰。
同时,基站发向各终端的信号都按顺序安排在予定的时隙中传输,各终端只要在指定的时隙内接F收。
3、FlexRay的Ftdma
Ftdma是FlexRay的动态部分采用的媒介访问方式,动态部分将通信时间划分为多个等时长的微时隙,不同帧id的动态帧在相应id的动态时隙内发送。
一个动态时隙可以占用一个或多个微时隙,动态帧的发送时间并不确定,根据动态部分的负载情况可能延后发送,甚至延后到下一周期。
基于Ftdma的动态帧的使用有效地提高了总线的实际带宽,适用于发送对实时性要求不高的事件型报文,例如诊断报文、标定报文。
4、通信周期
FlexRay一个信息传送的周期称为通信周期。
一个通信周期有静态和动态两个部分构成。
5、通信周期静态部分
在这一部分中,信息按照固定的、事先定义的tdma方式传送
6、通信周期动态部分
在这一部分,信息按最小时隙算法发送,按信息标识符的优先级确定发送的顺序。
7、总线监控器bg
用于避免通道定时和同步错误的一个独立部分,它与一个通信控制器和一个微控制器相连,必须独立于其他的通信控制器。
8、相位偏差
时间偏差可以分为相位(offset)和频率(rate)偏差。
相位偏差是两个时钟在某一特定时间的绝对差别。
9、频率偏差
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。
知识点:
1、FlexRay数据帧结构
数据帧组成:
起始段(headersegment)
净荷段(payloadsegment)
静态帧
动态帧
结束段(trailersegment)
2、FlexRay技术特点
高通信速率
单通道最高10mbps
双通道非冗余可达20mbps
确定性
基于tdma媒体访问方式的时间触发通信机制。
容错性
物理层双通道冗余
独立的总线监听者
多个同步节点
基于容错算法的时钟同步机制
灵活性
以时间触发为主,兼顾“事件触发”
支持多种网络拓扑结构
物理层介质——双绞线或光线
3、FlexRay的应用领域
分布式控制系统:
以微处理器为基础的,实行集中管理、分散控制
的计算机控制系统
集成化控制:
动力系统、底盘系统
高安全性要求的系统
线控系统
abs/tcs等安全控制系统
安全气囊等
高传输速率要求的系统
车辆主干网
军工:
高速实时控制
工业控制领域
4、FlexRay的时间等级
周期cycle、段segment、时隙(槽)slot、宏节拍macrotick、微节拍microtick。
5、FlexRay媒体访问机制
FlexRay的媒质访问机制基于循环往复的通信周期或通信循环。
每个通信周期包括了静态部分、动态部分、符号窗口以及网络空闲时间等四个部分。
在周期的静态部分和动态部分内部,FlexRay提供了两种不同的媒质访问机制:
静态的时分多路访问(timedivisionmultipleaccess,tdma)机制和动态的柔性时分多路访问(Flexibletimedivisionmultipleaccess,Ft-dma)机制。
FlexRay允许用户根据实际情况对静态部分和动态部分的长度进行灵活配置。
6、FlexRay网络拓扑结构
共有3种网络拓扑结构,即:
总线型、星型和混合型。
而每一种类型都有单通道和双通道之分。
在星型结构中,又分无源星型和有源星型两种,以及联级方式。
7、静态帧编码过程
(1)将数据帧分解成独立的字节
(2)在位流开始发送传输起始序列tss(3-15低位)
(3)发送帧起始序列Fss(1个高位)
(4)发送字节起始序列bss(1个高位+1个低位)
(5)发送1个独立的数据字节
(6)重复(4)、(5)步骤,直至发送完所有的数据字节
(7)发送帧结束序列Fes(1个低位+1个高位)
8、动态帧编码过程
(1)将数据帧分解成独立的字节
(2)在位流开始发送传输起始序列tss(3-15低位)
(3)发送帧起始序列Fss(1个高位)
(4)发送字节起始序列bss(1个高位+1个低位)
(5)发送1个独立的数据字节
(6)重复(4)、(5)步骤,直至发送完所有的数据字节
(7)发送帧结束序列Fes(1个低位+1个高位)
(8)在Fes后面附加动态尾部序列dts
9、FlexRay的协议操作控制
FlexRay协议操作控制(p0c)将通信状
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