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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CCCC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 1.5vbm 3.5vData_1转换为物理电平值bp 3.5vbm 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64cyclecycle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2Byte127word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123每个静态slot分配给特定的节点。其中 slot1 分配给节点Kslot2分配给节点Mslot3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n2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n2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。