下一代的車載網(wǎng)絡(luò) - FlexRay

FlexRay車載網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為同類產(chǎn)品的基準(zhǔn)，將在未來很多年內(nèi)，引導(dǎo)整個(gè)汽車電子產(chǎn)品控制結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向。FlexRay是繼CAN 和LIN之后的最新研發(fā)成果，可以有效管理多重安全和舒適功能：譬如，F(xiàn)lexRay適用于線控操作(X-by-Wire)。

本篇技術(shù)背景報(bào)告為我們大致介紹了FlexRay在車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，并描述了其網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，包括幀格式、拓樸、總線信號(hào)和節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移。報(bào)告中還對(duì)FlexRay和CAN進(jìn)行了比較，最后還附加了有關(guān)FlexRay芯片的資料以及得益于富士通微電子美國公司的開發(fā)支持。基于博世公司的許可，富士通已經(jīng)推出了FlexRay初學(xué)者套件和FlexRay 控制器應(yīng)用型標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（ASSP）。

表1 汽車網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn) 

FlexRay是戴姆勒克萊斯勒公司的注冊商標(biāo)。FlexRay聯(lián)盟 （FlexRay Consortium）推進(jìn)了FlexRay的標(biāo)準(zhǔn)化，使之成為了新一代汽車內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議。富士通集團(tuán)是FlexRay聯(lián)盟的準(zhǔn)成員，同時(shí)還是AUTOSAR(汽車開放系統(tǒng)架構(gòu)組織)、JasPar(日本汽車軟件平臺(tái)和架構(gòu))的正式成員。

FlexRay的優(yōu)勢

FlexRay關(guān)注的是當(dāng)今汽車行業(yè)的一些核心需求，包括更快的數(shù)據(jù)速率，更靈活的數(shù)據(jù)通信，更全面的拓?fù)溥x擇和容錯(cuò)運(yùn)算。

因此，F(xiàn)lexRay可以為下一代的車內(nèi)控制系統(tǒng)提供所需的速度和可靠性。CAN網(wǎng)絡(luò)最高性能極限為1Mbps。而FlexRay兩個(gè)信道上的數(shù)據(jù)速率最大可達(dá)到10Mbps,總數(shù)據(jù)速率可達(dá)到20Mbit/秒，因此，應(yīng)用在車載網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)lexRay 的網(wǎng)絡(luò)帶寬可能是CAN的20倍之多。

圖1-FlexRay 拓?fù)?/P>

FlexRay還能夠提供很多CAN網(wǎng)絡(luò)所不具有的可靠性特點(diǎn)。尤其是FlexRay具備的冗余通信能力可實(shí)現(xiàn)通過硬件完全復(fù)制網(wǎng)絡(luò)配置，并進(jìn)行進(jìn)度監(jiān)測。FlexRay同時(shí)提供靈活的配置，可支持各種拓?fù)洌缈偩€、星型和混合拓?fù)洌ㄒ妶D1）。設(shè)計(jì)人員可以通過結(jié)合兩種或兩種以上的該類型拓?fù)鋪砼渲梅植际较到y(tǒng)。

另外，F(xiàn)lexRay可以進(jìn)行同步（實(shí)時(shí)）和異步的數(shù)據(jù)傳輸，來滿足車輛中各種系統(tǒng)的需求。譬如說，分布式控制系統(tǒng)通常要求同步數(shù)據(jù)傳輸。

為了滿足不同的通信需求，F(xiàn)lexRay在每個(gè)通信周期內(nèi)都提供靜態(tài)和動(dòng)態(tài)通信段。靜態(tài)通信段可以提供有界延遲，而動(dòng)態(tài)通信段則有助于滿足在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的不同帶寬需求。FlexRay 幀的固定長度靜態(tài)段用固定時(shí)間觸發(fā)（fixed-time-trigger）的方法來傳輸信息，而動(dòng)態(tài)段則使用靈活時(shí)間觸發(fā)的方法來傳輸信息。

FlexRay不僅可以像CAN和LIN網(wǎng)絡(luò)這樣的單信道系統(tǒng)一般運(yùn)行，而且還可以作為一個(gè)雙信道系統(tǒng)運(yùn)行。雙信道系統(tǒng)可以通過冗余網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)——這也是高可靠系統(tǒng)的一項(xiàng)重要性能。

                                                                    
如表1所示，F(xiàn)lexRay的各種特點(diǎn)均適合實(shí)時(shí)控制的功能。在表內(nèi)列出的各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中，F(xiàn)lexRay具有最為出眾的性能。圖2 進(jìn)一步就節(jié)點(diǎn)成本和數(shù)據(jù)速率兩方面，對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)做了比較。表2中，對(duì)FlexRay和CAN做了詳細(xì)比較。

圖 2-協(xié)議數(shù)據(jù)速率的比較 

表2—FlexRay和CAN的比較

注釋： 混串音：導(dǎo)致?lián)p壞的錯(cuò)誤傳輸
BG: 總線監(jiān)控器
CC:通信控制器
BD:總線驅(qū)動(dòng)器 

FlexRay的應(yīng)用

正如圖3所示，F(xiàn)lexRay 面向的是眾多的車內(nèi)線控操作(X-by-Wire)。圖中還展示了一個(gè)把FlexRay 和CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的網(wǎng)關(guān)。

圖3—帶有CAN網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)充的FlexRay線控操作

FlexRay 導(dǎo)線控制應(yīng)用的例子包括：
 
* 線控操作轉(zhuǎn)向－典型的是使用電子控制單元

*防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)-包括車輛穩(wěn)定控制(VSC)和車輛穩(wěn)定助手（VSA）

*動(dòng)力系——代替現(xiàn)有的機(jī)械系統(tǒng)控制電子節(jié)氣門。該電子節(jié)氣門和現(xiàn)有系統(tǒng)結(jié)合工作，如電腦化燃油噴射器、電腦化可變進(jìn)氣系統(tǒng)、電腦化怠速控制系統(tǒng)。

FlexRay 節(jié)點(diǎn)運(yùn)算

每個(gè)FlexRay節(jié)點(diǎn)都包括一個(gè)控制器和一個(gè)驅(qū)動(dòng)器部件（見圖4）。控制器部件包括一個(gè)主機(jī)處理器和一個(gè)通信控制器。驅(qū)動(dòng)器部件通常包括總線驅(qū)動(dòng)器和總線監(jiān)控器（可選擇）。總線驅(qū)動(dòng)器將通信控制器與總線相連接，總線監(jiān)控器監(jiān)視接入總線的連接。主機(jī)通知總線監(jiān)控器通信控制器分配了那些時(shí)槽。接下來，總線監(jiān)控器只允許通信控制器在這些時(shí)槽中傳輸數(shù)據(jù)，并激活總線驅(qū)動(dòng)器。若總線監(jiān)控器發(fā)現(xiàn)時(shí)間時(shí)序有間隔，則斷開通信信道的連接。

圖4-FlexRay 節(jié)點(diǎn)

如圖5所示，F(xiàn)lexRay的節(jié)點(diǎn)有幾個(gè)基本的運(yùn)行狀態(tài)：

*配置狀態(tài)（默認(rèn)配置/配置）-用于各種初始化設(shè)置，包括通信周期和數(shù)據(jù)速率

*就緒狀態(tài)-用于進(jìn)行內(nèi)部的通信設(shè)置

*喚醒狀態(tài)-用于喚醒沒有在通信的節(jié)點(diǎn)。在該狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)向另一節(jié)點(diǎn)發(fā)送喚醒信號(hào)，喚醒并激活通信控制器、總線驅(qū)動(dòng)器和總線監(jiān)控器。

*啟動(dòng)狀態(tài)-用于啟動(dòng)時(shí)鐘同步，并為通信做準(zhǔn)備。

*正常狀態(tài)（主動(dòng)/被動(dòng)）-可以進(jìn)行通信的狀態(tài)

*中斷狀態(tài)-表明通信中斷 

圖5- FlexRay 狀態(tài)轉(zhuǎn)移

FlexRay節(jié)點(diǎn)還有與錯(cuò)誤處理相關(guān)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移。這些轉(zhuǎn)移是在時(shí)鐘同步和時(shí)鐘校正錯(cuò)誤的錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器的數(shù)值基礎(chǔ)上加以管理的。當(dāng)個(gè)別節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘與FlexRay同步節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘有所出入時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)時(shí)鐘校正錯(cuò)誤。FlexRay 網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)或一個(gè)以上傳輸同步信息的同步節(jié)點(diǎn)。在收到任意一條同步信息后，節(jié)點(diǎn)會(huì)將其時(shí)鐘與同步節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘相比較，并根據(jù)同步需要做出必要的變化。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要進(jìn)行錯(cuò)誤計(jì)數(shù)，其中包括時(shí)鐘同步中連續(xù)發(fā)生錯(cuò)誤的次數(shù)。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)還要監(jiān)測和幀轉(zhuǎn)移/接受狀態(tài)相關(guān)的錯(cuò)誤，其中包括語法錯(cuò)誤、內(nèi)容錯(cuò)誤、總線干擾錯(cuò)誤以及轉(zhuǎn)移沖突所導(dǎo)致的錯(cuò)誤。一旦某節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)該類錯(cuò)誤，就會(huì)通知主機(jī)處理器。錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器的使用取決于應(yīng)用用途和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 

圖6- 錯(cuò)誤狀態(tài)轉(zhuǎn)移

FlexRay幀和信號(hào)

FlexRay使用的通信幀有三個(gè)幀段。（見圖7）

圖7-FlexRay通信幀

和CAN網(wǎng)絡(luò)的事件觸發(fā)協(xié)議不同的是，F(xiàn)lexRay使用時(shí)間觸發(fā)協(xié)議來轉(zhuǎn)移幀。FlexRay的時(shí)間觸發(fā)模式可以確保數(shù)據(jù)按照事先確定的時(shí)間表進(jìn)行傳輸。此外，雙冗余通信信道Ach和Bch都能傳輸數(shù)據(jù)。
頭段包括以下幾位：

*保留位-為日后的擴(kuò)展做準(zhǔn)備

*負(fù)載段前言指示-指明幀的負(fù)載段的向量信息。在靜態(tài)幀中，該位指明的是NWVector；在動(dòng)態(tài)幀中，該位指明的是信息ID

*零幀指示-指明負(fù)載段的數(shù)據(jù)幀是否為零

*同步幀指示-指明這是一個(gè)同步幀

*起始幀指示-指明發(fā)送幀的節(jié)點(diǎn)是否為啟始幀

*幀ID-指明在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中分配到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的ID(有效范圍：1至2047)

長度-說明負(fù)載段的數(shù)據(jù)長度 

* 頭部CRC- 表明同步幀指示器和起始幀指示器的CRC計(jì)算值，以及由主機(jī)計(jì)算的幀ID和幀長度

*周期-指明在幀傳輸時(shí)間內(nèi)傳輸幀的節(jié)點(diǎn)的周期計(jì)數(shù)

幀的負(fù)載段包括三個(gè)部分：

*數(shù)據(jù)-可以是0至 254字節(jié)

*信息ID-任意。 該信息ID 使用負(fù)載段的前兩個(gè)字節(jié)進(jìn)行定義，可以在接收方作為可過濾數(shù)據(jù)使用。

*網(wǎng)絡(luò)管理向量（ NWVector）——任意。該向量長度必須為0至10個(gè)字節(jié)，并和所有節(jié)點(diǎn)相同。

該幀的尾段包括硬件規(guī)定的CRC值。這些CRC值會(huì)在連接的信道上面改變種子值，以防不正確的校正。FlexRay 在時(shí)槽中傳輸幀。圖8展示了與FlexRay周期有關(guān)的時(shí)槽的組成結(jié)構(gòu)。

圖8-FlexRay時(shí)槽

在物理層，F(xiàn)lexRay根據(jù)uBP和uBM的不同電壓，使用不同的信號(hào)BP和BM進(jìn)行通信。四個(gè)信號(hào)(見圖9)代表了FlexRay總線的各種狀態(tài)：

*Idle_LP： 低功率狀態(tài)

*Idle： 無通信狀態(tài)

*Data_1： 邏輯高

*Data_1:邏輯低

注意在Data_1 和Data_0之間不允許有沖突 

圖9-FlexRay總線狀態(tài)

富士通微電子提供的FlexRay解決方案

經(jīng)過數(shù)年的改進(jìn)，F(xiàn)lexRay網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成熟，系統(tǒng)開發(fā)商可以在新一代汽車中應(yīng)用該標(biāo)準(zhǔn)。富士通已開發(fā)出了帶有FlexRay IP的開發(fā)系統(tǒng)和微控制器。圖10展示了該開發(fā)進(jìn)程的路線圖 

圖10 –FlexRay路線圖

富士通全新FlexRay初學(xué)者套件（SK-91F467-FLEXRAY）可確保設(shè)計(jì)者評(píng)估富士通獨(dú)立的FlexRay控制器（MB88121A）以及富士通的32位閃存微控制器MB91F467DA。該套件包括DECOMSYS::COMMSTACK 驅(qū)動(dòng)庫，可確保毫無困難地接入FlexRay通信控制器MB88121A。該套件包括以下幾部分：

*32位閃存微控制器MB91F467DA

*FlexRay 應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)型產(chǎn)品 MB88121A

*兩個(gè)FlexRay 信道（信道A,信道B）

*FlexRay 板上物理層RS485

*供TZM的PL模塊使用的FlexRay物理層插件(FT1080) 

*32 Mbit板上靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器

*三個(gè)高速CAN接口

*三個(gè)通用異步接收/發(fā)送裝置(UART)( (可配置RS232- 或 LIN模式 )

*供用戶使用的96針/48針連接器(DIN 41612)上的外部總線接口

*FlexRay CD上的應(yīng)用例子

*CD上的Softune Workbench開發(fā)環(huán)境

*DECOMSYS 工具鏈?zhǔn)痉禖D

圖12-最新FlexRay啟動(dòng)套件板 

富士通還提供支持FlexRay協(xié)議2.1版本(ES2)的FlexRay應(yīng)用型標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。該應(yīng)用型標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品具有以下特性：

*QFP64

*0.5腳間距/10 x 10 mm

*單電壓

*時(shí)鐘規(guī)格，4/5/8/10 MHz 晶振

*可配置的平行主機(jī)接口，可與8位、16位 、32位微控制器兼容，最大頻率為33MHz(目標(biāo))

*串行主機(jī)接口（今后的器件將予以支持）

2006年，富士通將推出兩款具有集成FlexRay的FR系列32位微控制器。圖13展示了首款該類MCU的一些特點(diǎn) 。圖14展示了第二款帶有更多板上外圍功能的

圖13-富士通第一款FlexRay MCU(規(guī)劃中)

圖14-功能加強(qiáng)的富士通FlexRay MCU（規(guī)劃中）

富士通微電子（上海）有限公司是富士通在中國的半導(dǎo)體業(yè)務(wù)總部，于2003年10月成立，在北京、深圳等地均設(shè)有分公司,負(fù)責(zé)統(tǒng)籌富士通在中國半導(dǎo)體的銷售業(yè)務(wù)。

富士通微電子（上海）有限公司的產(chǎn)品包括專用集成電路（ASIC）、單片機(jī)（MCU）、專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（ASSP）/片上系統(tǒng)（SOC）和系統(tǒng)存儲(chǔ)芯片,它們是以獨(dú)立產(chǎn)品及配套解決方案的形式提供給客戶，并應(yīng)用于廣泛領(lǐng)域。在技術(shù)支持方面，分布于上海、深圳、香港、新加坡的ASIC支持設(shè)計(jì)中心和分布于上海、香港的系統(tǒng)解決方案設(shè)計(jì)中心及集成電路設(shè)計(jì)中心通過與客戶、設(shè)計(jì)伙伴、研發(fā)資源及其他零部件供應(yīng)商的溝通、協(xié)調(diào)，共同開發(fā)完整的解決方案，從而形成一個(gè)包括中國在內(nèi)的完整的亞太地區(qū)設(shè)計(jì)、開發(fā)及技術(shù)支持網(wǎng)絡(luò)。欲了解更多信息，請(qǐng)?jiān)L問網(wǎng)站：http://cn.fujitsu.com/fmc