车载网络技术-FlexRay

第五章高速实时总线协议HighSpeedRealtimeCommunicationProtocalFlexRay高炳钊吉林大学主要内容5.1FlexRay网络综述5.2FlexRay通信协议5.3FlexRay物理实现5.4FlexRay总线开发5.1FlexRay网络综述5.1.1FlexRay的技术背景5.1.2FlexRay技术特点5.1.3FlexRay的应用5.1.4FlexRay设备组成1999年，宝马与戴姆勒开始研究；成立时间：2000年成员类别核心成员：主要成员：目前28个普通成员：目前73个最高目标：使FlexRay成为汽车高速网络的事实标准FlexRay联盟FlexrayConsortium5.1.1FlexRay技术背景名称含义起源于“X-by-wire”技术航空：Fly-by-wire车用线控技术Steer-by-wireBrake-by-wireElectroic-Throttle5.1.1FlexRay技术背景汽车电子控制系统ElectronicControl独立控制难以满足要求集成控制成为趋势集成控制系统IntegratedControl发动机-变速器-制动制动-转向-悬架5.1.1FlexRay技术背景集成控制系统通信需求高速-高带宽Highspeed,HighBandwidth硬实时-确定性通信DeterministicCommunication安全-容错性FaultTolerance成本LowCost5.1.1FlexRay技术背景5.1.1FlexRay技术背景保守计算：500个信号4字节*8=32位100次每秒=1.6Mbps5.1.1FlexRay技术背景5.1.1FlexRay技术背景X-by-wire线控系统需要什么样的总线通信?高速-高带宽硬实时-确定性通信安全-容错性成本可接受为什么不用CAN总线?事件触发——报文不确定总线负载率——已接近极限没有带宽储备及容错设计为什么最终选择FlexRay?时间触发的总线协议:TTCAN、TTP/C、Byteflight、FlexRay特性对比，如下表结论：允许系统成本和安全性之间进行最优平衡的FlexRay是适应未来车辆系统需求的高性能总线指标TTCANByteflightTTP/CFlexRay传输速度(bps)1M,同CAN10M（光纤）25M（光纤）10M驱动机制时间+事件时间+事件时间时间+事件信道冗余无无双通道双通道容错能力低较低很高很高拓扑结构总线型星形总线,星型,混合总线,星型,混合传输介质双绞线、电缆、光纤电缆、光纤电缆、光纤等双绞线、光纤网络节点数2-20226464净荷/帧1-8字节1-12字节1-16字节1-254字节扩展性好好差好成本低中高中允许系统成本和安全性之间进行最优平衡的FlexRay是适应未来车辆系统需求的高性能总线5.1.2FlexRay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容错性物理层双通道冗余独立的总线监听者4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——双绞线或光纤5.1.3FlexRay的应用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5.1.3FlexRay的应用第一辆FlexRay量产车BMWX54.8i电子控制减震器系统：高达15个FlexRay节点，单通道，10Mbps，星型及总线拓扑结构上市时间：2007年5.1.3FlexRay的应用宝马新7系FlexRay以跨系统方式实现行驶动态管理系统与发动机管理系统的联网共有12个节点（含一个网关）通过网关，跟车上其他总线（CAN/LIN/MOST）进行通信奥迪AudiA4:7个FlexRay节点AudiA84.2FSI：30个节点5.1.3FlexRay的应用日本电动车-线控转向、线控加速/制动2006年，日本WITZ和阳光技研与瑞萨科技等公司合作，试制了采用FlexRay协议标准的电动车FlexRay节点传感器ECU-瑞萨加速、制动ECU-瑞萨转向ECU-NEC仪表ECU-富士通示波器-横河电机5.1.4FlexRay设备组成节点架构一BGHost-主机，CC-通讯控制器，BD-总线驱动器，BG-总线监控器5.1.4FlexRay设备组成节点架构2BG5.1.4FlexRay设备组成5.2FlexRay通信协议5.2.1FlexRay媒体访问机制5.2.2FlexRay数据帧结构5.2.3FlexRay编码与解码5.2.4FlexRay时钟同步5.2.5FlexRay协议状态控制5.2.6FlexRay唤醒与启动5.2.1FlexRay媒体访问机制时间等级段Segment槽Slot，承载数据帧。宏节拍Macrotick（MT）微节拍Microtick，纳秒级5.2.1FlexRay媒体访问机制媒体访问方式静态部分:时分多址（TimeDivisionMultipleAccess）动态部分:柔性时分多址（FlexibleTDMA）通信调度5.2.1FlexRay媒体访问机制5.2.1FlexRay媒体访问机制特征符窗口&网络空闲时间特征符窗口用于网络监护及总线唤醒网络空闲时间节点计算、执行时钟同步举例特征符窗时长（SW）=16MT网络空闲时间（NIT）=136MT5.2.2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）RPNSS帧标识净荷长度头部CRC周期计数数据0数据1数据nCRCCRCCRC111111171168888885字节起始段0-254字节净荷段3字节结束段5.2.2数据帧结构保留位R为将来协议预留发送节点设为0，接受节点忽视RPNSS帧标识净荷长度头部CRC周期计数数据0数据1数据nCRCCRCCRC111111171168888885字节起始段0-254字节净荷段3字节结束段5.2.2数据帧结构净荷指示位P指出在净荷段开头是否包含可选变量NMVector(静态段)，MessageID(动态段)1包含，0不包含空帧（无效帧）指示位N指示帧的净荷数据段中是否包含有用数据1无效帧，0有效RPNSS帧标识净荷长度头部CRC周期计数数据0数据1数据nCRCCRCCRC111111171168888885字节起始段0-254字节净荷段3字节结束段5.2.2数据帧结构同步帧指示位S（SyncFrameIndicator）1是，0不是启动帧指示位S（StartupFrameIndicator）只有冷启动节点允许发送启动帧启动帧一定是同步帧，但同步帧不一定是启动帧1是，0不是同步帧、启动帧必须是静态帧RPNSS帧标识净荷长度头部CRC周期计数数据0数据1数据nCRCCRCCRC111111171168888885字节起始段0-254字节净荷段3字节结束段5.2.2数据帧结构帧标识定义该帧可以在哪个时隙中发送一个通信周期中只能出现一次取值1-2047，0不是有效标识符净荷段长度单位为字，不是字节，故为净荷段字节数除2，0-127静态帧：所有静态帧的数据长度固定动态帧：不同动态帧的数据长度不固定，且同一动态帧在不同通信周期、不同信道的数据长度也不固定RPNSS帧标识净荷长度头部CRC周期计数数据0数据1数据nCRCCRCCRC111111171168888885字节起始段0-254字节净荷段3字节结束段5.2.2数据帧结构起始CRC校验计算长度：20位，校验码长度：11位帧发送节点：离线计算CC发送帧接收节点：CC在线校验帧周期计数计数范围：0-63发送节点：选择性发送，将节点周期计数写入帧周期计数接收节点：根据帧周期计数进行选择性接收64个通信周期组成一个“大”周期实现：通过设置发送节点及接收节点的帧周期计数过滤器RPNSS帧标识净荷长度头部CRC周期计数数据0数据1数据nCRCCRCCRC111111171168888885字节起始段0-254字节净荷段3字节结束段5.2.2数据帧结构净荷段-静态帧净荷长度:0-254字节，或0-127字静态帧可选变量：网络管理向量（NM）长度范围:0-12字节一个FlexRay网络内，所有节点的NM长度应相同主机：发送节点将其作为应用数据写入RPNSS帧标识净荷长度头部CRC周期计数数据0数据1数据nCRCCRCCRC111111171168888885字节起始段0-254字节净荷段3字节结束段5.2.2数据帧结构净荷段—动态帧动态帧可选变量：消息标识符（MessageID）变量长度固定：2字节主机：发送节点将其作为应用数据写入，CC不参与CC：接收节点通过MessageID过滤器识别报文RPNSS帧标识净荷长度头部CRC周期计数数据0数据1数据nCRCCRCCRC111111171168888885字节起始段0-254字节净荷段3字节结束段5.2.2数据帧结构帧CRC校验计算长度：净荷段帧发送：CC在发送前计算帧接收：CC在接收后计算并校验双信道冗余通信校验通过视为有效帧RPNSS帧标识净荷长度头部CRC周期计数数据0数据1数据nCRCCRCCRC111111171168888885字节起始段0-254字节净荷段3字节结束段5.2.3FlexRay编码与解码编码FlexRay采用NRZ(非归零)编码优缺点NRZ编码确保报文紧凑,从而相同带宽下信息量更大NRZ编码不能保证有足够的跳变沿用于同步，容易带来节点间计时器误差的累计如何解决？5.2.3FlexRay编码与解码发送接收模块组成（CC，通讯控制器）时钟模块产生采样时钟和系统时钟：1bit=8采样周期（10Mbps）=100ns.采样时钟周期=12.5ns编码模块：主机待发数据——一定格式的可在通道上发送的位流。采样判别模块：滤波去毛刺比特同步纠正与选通模块：发送端和接收端的同步解码模块：对数据的提取5.2.3FlexRay编码与解码帧编码-静态帧将数据帧分解成独立的字节传输起始序列TSS（3-15低位）帧起始序列FSS（1个高位）字节起始序列BSS（1个高位+1个低位）位同步边沿：发生在除了负载的数据段以外的下降沿（TSS的下降沿和每一个BSS的下降沿）发送数据字节帧结束序列FES（1个低位+1个高位）5.2.3FlexRay编码与解码帧编码-动态帧在FES后面附加动态尾部序列DTS确定发送节点下一个微时隙行动点的精确时间避免接收节点过早进行信道空闲检测CIDDTS是不定长度的0位，其长度是动态配置的。5.2.3FlexRay编码与解码特征符编码冲突避免特征符CAS网络启动时发送-建立通信周期前媒介访问测试特征符MTS网络正常通信时发送-每个周期的特征符窗口CAS/MTS采用完全相同的编码方式TSS：时长同数据帧cdCAS=30gdbit5.2.3FlexRay编码与解码唤醒特征符WUS(Wakeupsymbol)没有TSS15-60个低位，3倍低位的高位唤醒模式（Wakeuppattern）由多个连续的WUS组成：2-63个下图由2个WUS组成5.2.3FlexRay编码与解码帧解码静态帧&动态帧将BSS后的字节提取组合成帧和CRC校验码,根据CRC校验码判断接收是否正确。信道空闲界定符（ChannelIdleDelimiter）固定时长的连续高电平，标志数据帧的结束静