一、車載網(wǎng)絡(luò)概述

汽車電子化程度與日俱增，應(yīng)用在車上的ECU模塊數(shù)量也隨之增加，從而使線束也增加。汽車電子系統(tǒng)的成本已經(jīng)超過總成本的20%，并且還將繼續(xù)增加。由于汽車生產(chǎn)商對制造成本的嚴(yán)格控制，加上對車身質(zhì)量的控制，減少線束已經(jīng)成為一個必須要解決的問題。另一方面，以網(wǎng)絡(luò)通訊為基礎(chǔ)的線控技術(shù)（X-by-wire）將在汽車上普遍應(yīng)用。因此，車載網(wǎng)絡(luò)時代終將來臨。

車載網(wǎng)絡(luò)種類有很多種，應(yīng)用較多的有LIN，CAN、FlexRay、TIP/C、SAEJ1850、TFCAN、ASRB、MOST等。美國汽車工程師協(xié)會（SAE）根據(jù)速率將汽車網(wǎng)絡(luò)劃分為A、B、C3類。

A類總線標(biāo)準(zhǔn)包括TTP/A（Time Triggered Protocol/A）和LIN（Local Interconnect Net-work），其傳輸速率較低。①TTP/A協(xié)議最初由維也納工業(yè)大學(xué)制定，為時間觸發(fā)類型的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，主要應(yīng)用于集成了智能變換器的實時現(xiàn)場總線。②LIN是在1999年由歐洲汽車制造商Audi、BMW、DaimlerChrysler、Volvo、Volkswagen、VCT公司以及Motorola公司組成的LIN協(xié)會共同努力下推出的用于汽車分布式電控系統(tǒng)的開放式的低成本串行通訊標(biāo)準(zhǔn)，從2003年開始得到使用。

B類標(biāo)準(zhǔn)主要包括J1850、VAN，低速CAN。①1994年SAE正式將J1850作為B類網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。最早，SAEJ1850被用在美國Ford，GM以及Chrysler公司的汽車中?，F(xiàn)在，J1850協(xié)議作為診斷和數(shù)據(jù)共享被廣泛應(yīng)用在汽車產(chǎn)品中。②VAN標(biāo)準(zhǔn)是ISO1994年6月推出的，它基于ISO11519-3，主要為法國汽車公司所用。但目前就動力與傳動系統(tǒng)而言，甚至在法國也集中應(yīng)用CAN總線。③CAN是德國BOSCH公司從20世紀(jì)80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通訊協(xié)議。低速CAN具有許多容錯功能，一般用在車身電子控制中，而高速CAN則大多用在汽車底盤和發(fā)動機的電子控制中。

C類總線標(biāo)準(zhǔn)主要包括TTP/C，F(xiàn)lexRay和高速CAN（ISO11898-2）。都用于與汽車安全相關(guān)以及實時性要求比較高的地方。如動力系統(tǒng)，其傳輸速率比較高，通常在125kb/s到10Mb/s之間，必須支持實時的周期性的參數(shù)傳輸。①TTP/C協(xié)議由維也納工業(yè)大學(xué)研發(fā)，基于TDMA（Time Division Multiple Access）分時多址的訪問方式。②FlexRay是BMW、Daimler Chrysler、Motorola和Philips等公司制定的功能強大的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議?；赥DMA的確定性訪問方式，具有容錯功能及確定的通訊消息傳輸時間，同時支持事件觸發(fā)與時間觸發(fā)通訊，具備高速率通訊能力。③歐洲的汽車制造商基本上采用的都是高速CAN總線標(biāo)準(zhǔn)ISO11898?？偩€傳輸速率通常在125kb/s～1Mb/s之間。然而，作為一種事件驅(qū)動型總線，CAN無法為下一代線控系統(tǒng)提供所需的容錯功能或帶寬，因為X-by-wire系統(tǒng)實時性和可靠性要求都很高，必須采用時間觸發(fā)的通訊協(xié)議，如TTP/C或F1exRay等。

二、FlexRay協(xié)議

FlexRay是由FlexRay共同體（FlexRayConsortium）制定的協(xié)議。該共同體為一企業(yè)合作組織，成立于2000年。到2005年，F(xiàn)lexRay共同體的7個，核心成員是：BMWGROUP、BOSCH、DaimlerChrysler、GM、Motorola/Freescale、PHILIPS和VWAG。除此之外，它還有超過93個協(xié)作和發(fā)展成員。從2002年發(fā)布的V0.4.3協(xié)議規(guī)范到2005年的V2.1協(xié)議規(guī)范，共發(fā)布多達(dá)7個版本。

F1exRay網(wǎng)絡(luò)是一種高傳輸速率（每通道10Mb/s）的時間觸發(fā)型網(wǎng)絡(luò)。采用分時多址方式對總線進(jìn)行訪問，具有確定性和容錯功能。非常適合于下一代汽車線控系統(tǒng)或分布式控制系統(tǒng)的通訊要求。

（一）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（Topology）

共有3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即：總線型（Bus）、星型（Star）和混合型（Hybrid）。而每一種類型都有單通道（SingleChannel）和雙通道（DualChannel）之分。在星型結(jié)構(gòu)中，還存在聯(lián)級方式。總線型如圖1所示，單、雙通道聯(lián)級星型如圖2、圖3所示，單、雙通道混合型結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示。

（二）節(jié)點（Node）的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)

主要由電源供給系統(tǒng)（Power Supply），總線驅(qū)動器（Bus Driver，簡稱BD）、總線監(jiān)控邏輯（Bus Guardian，簡稱BG）、固化有FlexRay通訊協(xié)議的通訊控制器（CommunicationController，簡稱CC）及主機（Host）5個部分組成，如圖6所示。其中BD和BG的個數(shù)對應(yīng)于通道數(shù)，而BG是用于避免通道定時錯誤的一個獨立部分，與通訊控制器和微處理器相連。總線監(jiān)控邏輯必須獨立于其他的通訊控制器。節(jié)點的兩個通訊過程如下。

a.發(fā)送數(shù)據(jù)主機（Host）將有效的數(shù)據(jù)送給通訊控制器（CC），在通訊控制器中進(jìn)行編碼，形成數(shù)據(jù)位流（bitstream），通過總線驅(qū)動器（BD）發(fā)送到相應(yīng)的通道上。

b.接收數(shù)據(jù)在某一時刻，由總線驅(qū)動器訪問總線，將數(shù)據(jù)位流送到通訊控制器進(jìn)行解碼，將有效數(shù)據(jù)部分由通訊控制器送給主機Host。

（三）FlexRay網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議

FlexRay網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議主要體現(xiàn)在4個核心機制上：編碼與解碼（encoding and decoding）、媒體接入控制（Media Access Control）、數(shù)據(jù)幀與特征符處理（frame and symbol processing）和時鐘同步（clock synchronization）。除此之外，控制器主機接口（controller Hostinter face，簡稱CHI）為實現(xiàn)這些機制提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

1．編碼與解碼（encoding and decoding）

編碼的過程實際上就是對要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理的過程，如加上各種校驗位、ID符等。解碼的過程就是對接收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行“解包”的過程。編碼與解碼主要發(fā)生在通訊控制器與總線驅(qū)動器之間的通訊，如圖7所示。

其中RxD為接收信號，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(jìn)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。編碼與解碼的過程主要由3個過程組成：主編碼與解碼過程（CODEC）、位過濾（bitstrobing）過程和喚醒模式解碼過程（WUPDEC）。以主編碼與解碼過程（CODEC）為主要過程。

1）幀編碼

傳輸起始序列（transmission start sequence，簡稱TSS），為一段時間的低電平，用于初始化傳輸節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)的對接。幀起始序列（frame start sequence，簡稱FSS），為一小段時間的高電平，緊跟在傳輸起始序列（TSS）之后。

字節(jié)起始序列（byte start sequence，簡稱BSS），由一段高電平和一段低電平組成，位于FSS之后。給接收方節(jié)點提供定時信息。

幀結(jié)束序列（frame end sequence，簡稱FES），由一段低電平和一段高電平組成，位于有效數(shù)據(jù)位之后。如果是在動態(tài)時序部分接入網(wǎng)絡(luò)，則還要在FES后附加上DTS——動態(tài)尾部序列（Dynamic trailing sequence）。

將這些序列與有效數(shù)據(jù)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。此外，低電平的最小持續(xù)時間為一個gdBit。圖8與圖9分別為靜態(tài)和動態(tài)部分的幀編碼。

2）特征符編碼

F1exRay，協(xié)議有3種特征符：沖突避免特征符（collision avoidance symbol，簡稱CAS）、媒體接入測試特征符（Media access test symbol，簡稱MTS）和喚醒特征符（wake up symbol，簡稱WUS）。對CAS和MTS采用完全相同的方式進(jìn)行編碼，對喚醒特征符（WUS）采用另一種模式編碼。

節(jié)點對傳輸沖突避免特征符（CAS）和媒體接入測試特征符（MTS）的編碼，是跟隨在傳輸起始序列（TSS）之后的一段時間長為cdCAS（為某一具體數(shù)值）的低電平，如圖10所示。

節(jié)點對喚醒特征符（WUS）的編碼并沒有采用輔助信號TSS，隨TxEN的邊沿觸發(fā)同步于TxD信號進(jìn)行傳輸一個喚醒特征符（WUS），如圖11所示。

幀與特征符解碼的過程就是編碼的逆過程。這里不再贅述。

2．?dāng)?shù)據(jù)幀格式（FormatofFrame）

一個數(shù)據(jù)幀由幀頭（HeaderSegment）、有效數(shù)據(jù)（PayloadSegment）和幀尾（TrailerSegment）多個部分組成。FlexRay數(shù)據(jù)幀格式如圖12所示。

1）幀頭部分

共由5個字節(jié)（40個位）組成。包括保留位（Reserved bit，1位）、數(shù)據(jù)指示位（Pay load Preamble indicator，1位）、空幀指示位（Null frame indicator，1位）、同步幀指示位（Sync frame indicator，1位）、啟動幀指示位（Start up frame indicator，1位）、ID（11位）、有效數(shù)據(jù)長度（7位）、頭部循環(huán)校驗CRC（11位）和循環(huán)計數(shù)（6位）。

2）有效數(shù)據(jù)部分

可由0-254個字節(jié)或0-127個字組成。在圖12中分別以Data0、Data1…Data253表示。在幀的CRC校驗中，有效數(shù)據(jù)部分的前6個字節(jié)設(shè)為海明距離（Hamming Distance）。當(dāng)數(shù)據(jù)超過248字節(jié)時，海明距離為4個字節(jié)。

在動態(tài)時序部分，有效數(shù)據(jù)部分的頭兩個字節(jié)通常用作消息識別域（messageIDfield）。消息識別（又叫消息ID）標(biāo)明應(yīng)．用數(shù)據(jù)的物理內(nèi)容，僅僅用于在動態(tài)時序傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀，長度為16位。在傳輸節(jié)點中，消息ID是由主機將其作為應(yīng)用數(shù)據(jù)而寫入的，通訊控制器（CC）并不能夠?qū)οD進(jìn)行識別。在接收節(jié)點中，對一個幀的存儲依靠于利用消息ID而進(jìn)行過濾處理的結(jié)果，如圖13所示。

在靜態(tài)時序部分，有效數(shù)據(jù)部分的頭13個字節(jié)（DataO-Data12）通常用作網(wǎng)絡(luò)管理向量（networkmanagementvector，簡稱NM）。在同一個簇內(nèi)，所有的節(jié)點應(yīng)具有相同長度的網(wǎng)絡(luò)管理向量，僅僅用于在靜態(tài)時序傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀，長度為8位，如圖14所示。

3）幀尾部分

只含有單個的數(shù)據(jù)域，即一個24位的CRC。FlexRay的CRC計算是遵循一定的運算法則。包括幀頭CRC計算和數(shù)據(jù)幀CRC計算。

3．媒體接入控制（Media Access Control）

在媒體接入控制中，一個重要的概念就是通訊周期（communicationcycle）。在一個通訊周期內(nèi)，F(xiàn)lexRay提供兩種媒體接入時序的選擇：一種是靜態(tài)的分時多址接入時序（TDMA）；一種是動態(tài)的基于最小時間片（mini-slotting）時序。

在1個通訊周期內(nèi)，有4個時間等級（timing hierarchy），從最低層到最高層分別是：最小時間節(jié)拍層（microtick）、最大時間節(jié)拍層（macrotick）、仲裁網(wǎng)格層（arbitrationgrid）和通訊周期層。如圖15所示。

在最高層即通訊周期層，由靜態(tài)部分、動態(tài)部分、特征窗和網(wǎng)絡(luò)閑置時間（NIT）4個部分組成。在靜態(tài)部分采用的是TDMA方式；在特征窗的這段時間內(nèi)主要傳輸?shù)氖翘卣鞣?/p>

僅次于最高層就是仲裁網(wǎng)格層，仲裁網(wǎng)格層形成FlexRay的媒體接入仲裁的核心，它解決的是采用何種方式接入媒體。在動態(tài)部分，仲裁網(wǎng)格由若干個最小時間片（minislot）組成。

1）靜態(tài)部分

在該時間段內(nèi)由若干個靜態(tài)時間片（staticslot）組成，每個時間片的長度都相等。不同的節(jié)點根據(jù)全局時間判斷在某一時刻開始接收或發(fā)送某一特定的數(shù)據(jù)幀（flameID）。為了確定這一時刻每個節(jié)點的每一個通道上．都含有一個時間片計數(shù)器，兩個計數(shù)器是同步計數(shù)的。例如有3個節(jié)點，分別為node1、node2和node3。假設(shè)靜態(tài)部分開始于00:10，節(jié)點在時間上的順序為1-2-3，那么node1將在00:10這一時刻開始在兩個通道上傳輸flameID1；在00:20時刻node2開始在一個通道上傳輸flameID2；node3在00:30開始傳輸，即使沒有數(shù)據(jù)幀。如圖16所示。

2）動態(tài)部分

采用的是基于最小時間片的時序，由若干個最小時間片組成，最小時間片的長度都相等。幀的長度是可變的，而且與靜態(tài)部分相比，動態(tài)部分的兩個時間片計數(shù)器是獨立計數(shù)的，在不傳輸數(shù)據(jù)幀時，計數(shù)器以minislot為周期進(jìn)行加1計數(shù)，在傳輸數(shù)據(jù)幀時計數(shù)器不工作。兩個通訊通道不必同步。一個動態(tài)時間片（Dynamicslot）包含一個或多個minislot。如圖17所示。

4．時鐘同步

簇內(nèi)所有的節(jié)點都應(yīng)有相同的“時間觀”，就好像全國都遵守一個標(biāo)準(zhǔn)的全局時間——北京時間。但這并不意味著節(jié)點間具有完全嚴(yán)格的同步時間，只要節(jié)點間的時間差保持在允許的誤差范圍內(nèi)即可。由上述可知FlexRay的時間等級制度：若干個最小時鐘節(jié)拍構(gòu)成一個最大時鐘節(jié)拍，而若干個最大時鐘節(jié)拍又構(gòu)成通訊周期的一個單元。最小時鐘節(jié)拍是由通訊控制器（CC）的外部晶振提供，對于不同的控制器，最小時鐘節(jié)拍可能會不相同；在一個簇內(nèi)所有同步節(jié)點的最大時鐘節(jié)拍都相等。

時鐘同步包含兩個主要過程：最大時鐘節(jié)拍產(chǎn)生過程（MTG）和時鐘同步過程（CPS）。如圖18所示。MTG控制時間片計數(shù)器初值，并對其進(jìn)行修正。時鐘同步過程（CPS）主要完成一個通訊周期開始的初始化，測量并存儲時間偏差值，計算頻率與相位的修正值。時間偏差可以分為相位（offset）和頻率（rate）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．偏差隨著時間推移的變化，它反映了相位偏差在特定時間的變化。FlexRay同時對頻率與相位進(jìn)行修正。節(jié)點計算數(shù)據(jù)幀到達(dá)的實際時刻，并與理論上的預(yù)測時刻比較，得到的值就是發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點的時間偏差，并采取一定的算法進(jìn)行修正，最終使簇內(nèi)的節(jié)點上的時間實現(xiàn)“同步”。

5．喚醒與啟動（wakeup and startup）

喚醒針對的是電源管理系統(tǒng)。有些節(jié)點在不工作時處于“節(jié)電”模式（power-savingmode），當(dāng)再次投入工作時就需要“喚醒”該節(jié)點；單個節(jié)點可喚醒整個組群；主機可在通訊信道上傳輸喚醒模式（wakeup-pattern）。節(jié)點通過收發(fā)器進(jìn)行喚醒：當(dāng)節(jié)點的收發(fā)器接收到喚醒特征符（wakeup-symbol）后，對主機處理器和通訊控制器進(jìn)行上電。

只有將節(jié)點喚醒后，才能啟動節(jié)點工作。初始化一個啟動過程稱為“冷啟動（coldstart）”，能進(jìn)行冷啟動的節(jié)點數(shù)目是有限的。系統(tǒng)的啟動由兩個邏輯步驟組成：①冷啟動節(jié)點啟動；②其他非冷啟動節(jié)點通過接收啟動幀，與冷啟動節(jié)點整合到一起。

三、FlexRay展望

FlexRay以其確定的網(wǎng)絡(luò)通訊、高速的數(shù)據(jù)傳輸及強大的容錯功能，很可能成為將來汽車上的底盤系統(tǒng)、動力系統(tǒng)及線控系統(tǒng)的ECU通訊新的標(biāo)準(zhǔn)，并取代高速TTCAN網(wǎng)絡(luò)。2005年10月，Philips推出了全球第一個FlexRay系統(tǒng)解決方案，包括一個收發(fā)器和一個攜帶嵌入式FlexRay2.1版本通訊控制器且基于ARM的微控制器。2006年1月，飛利浦半導(dǎo)體公司推出了面向主動安全系統(tǒng)的FlexRay2.1系統(tǒng)解決方案。該解決方案包括兩個主要部分：TJA1080收發(fā)器和包含一個ARM9微控制器并且完整集成FlexRay2.1版本的SJA2510通訊控制器。目前德國寶馬汽車公司承認(rèn)它將采用FlexRay作為主動懸架中用于節(jié)氣閥控制的數(shù)據(jù)高速鏈路，在2006年末或2007年初基本實現(xiàn)生產(chǎn)。此外，F(xiàn)lexRay的評估套件也已經(jīng)推出。相信在不久的將來，F(xiàn)lexRay必定成為新一代車載網(wǎng)絡(luò)的“排頭兵”。

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