下一代的車載網(wǎng)絡(luò) - FlexRay

FlexRay車載網(wǎng)絡(luò)標準已經(jīng)成為同類產(chǎn)品的基準，將在未來很多年內(nèi)，引導(dǎo)整個汽車電子產(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、總線信號和節(jié)點狀態(tài)轉(zhuǎn)移。報告中還對FlexRay和CAN進行了比較，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)用型標準產(chǎn)品（ASSP）。

表1 汽車網(wǎng)絡(luò)標準 

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

FlexRay的優(yōu)勢

FlexRay關(guān)注的是當今汽車行業(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，更全面的拓撲選擇和容錯運算。

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兩個信道上的數(shù)據(jù)速率最大可達到10Mbps,總數(shù)據(jù)速率可達到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 拓撲

FlexRay還能夠提供很多CAN網(wǎng)絡(luò)所不具有的可靠性特點。尤其是FlexRay具備的冗余通信能力可實現(xiàn)通過硬件完全復(fù)制網(wǎng)絡(luò)配置，并進行進度監(jiān)測。FlexRay同時提供靈活的配置，可支持各種拓撲，如總線、星型和混合拓撲（見圖1）。設(shè)計人員可以通過結(jié)合兩種或兩種以上的該類型拓撲來配置分布式系統(tǒng)。

另外，F(xiàn)lexRay可以進行同步（實時）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在每個通信周期內(nèi)都提供靜態(tài)和動態(tài)通信段。靜態(tài)通信段可以提供有界延遲，而動態(tài)通信段則有助于滿足在系統(tǒng)運行時間內(nèi)出現(xiàn)的不同帶寬需求。FlexRay 幀的固定長度靜態(tài)段用固定時間觸發(fā)（fixed-time-trigger）的方法來傳輸信息，而動態(tài)段則使用靈活時間觸發(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)一般運行，而且還可以作為一個雙信道系統(tǒng)運行。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)的一項重要性能。

                                                                    
如表1所示，F(xiàn)lexRay的各種特點均適合實時控制的功能。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 進一步就節(jié)點成本和數(shù)據(jù)速率兩方面，對各種網(wǎng)絡(luò)標準做了比較。表2中，對FlexRay和CAN做了詳細比較。

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壞的錯誤傳輸
BG: 總線監(jiān)控器
CC:通信控制器
BD:總線驅(qū)動器 

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

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

*動力系——代替現(xiàn)有的機械系統(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、電腦化可變進氣系統(tǒng)、電腦化怠速控制系統(tǒng)。

FlexRay 節(jié)點運算

每個FlexRay節(jié)點都包括一個控制器和一個驅(qū)動器部件（見圖4）。控制器部件包括一個主機處理器和一個通信控制器。驅(qū)動器部件通常包括總線驅(qū)動器和總線監(jiān)控器（可選擇）。總線驅(qū)動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。主機通知總線監(jiān)控器通信控制器分配了那些時槽。接下來，總線監(jiān)控器只允許通信控制器在這些時槽中傳輸數(shù)據(jù)，并激活總線驅(qū)動器。若總線監(jiān)控器發(fā)現(xiàn)時間時序有間隔，則斷開通信信道的連接。

圖4-FlexRay 節(jié)點

如圖5所示，F(xiàn)lexRay的節(jié)點有幾個基本的運行狀態(tài)：

*配置狀態(tài)（默認配置/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。在該狀態(tài)下，節(jié)點向另一節(jié)點發(fā)送喚醒信號，喚醒并激活通信控制器、總線驅(qū)動器和總線監(jiān)控器。

*啟動狀態(tài)-用于啟動時鐘同步，并為通信做準備。

*正常狀態(tài)（主動/被動）-可以進行通信的狀態(tài)

*中斷狀態(tài)-表明通信中斷 

圖5- FlexRay 狀態(tài)轉(zhuǎn)移

FlexRay節(jié)點還有與錯誤處理相關(guān)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移。這些轉(zhuǎn)移是在時鐘同步和時鐘校正錯誤的錯誤計數(shù)器的數(shù)值基礎(chǔ)上加以管理的。當個別節(jié)點的時鐘與FlexRay同步節(jié)點時鐘有所出入時，就會出現(xiàn)時鐘校正錯誤。FlexRay 網(wǎng)絡(luò)有一個或一個以上傳輸同步信息的同步節(jié)點。在收到任意一條同步信息后，節(jié)點會將其時鐘與同步節(jié)點的時鐘相比較，并根據(jù)同步需要做出必要的變化。

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

圖6- 錯誤狀態(tài)轉(zhuǎn)移

FlexRay幀和信號

FlexRay使用的通信幀有三個幀段。（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使用時間觸發(fā)協(xié)議來轉(zhuǎn)移幀。FlexRay的時間觸發(fā)模式可以確保數(shù)據(jù)按照事先確定的時間表進行傳輸。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-為日后的擴展做準備

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

*零幀指示-指明負載段的數(shù)據(jù)幀是否為零

*同步幀指示-指明這是一個同步幀

*起始幀指示-指明發(fā)送幀的節(jié)點是否為啟始幀

*幀ID-指明在系統(tǒng)設(shè)計過程中分配到每個節(jié)點的ID(有效范圍：1至2047)

長度-說明負載段的數(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計算值，以及由主機計算的幀ID和幀長度

*周期-指明在幀傳輸時間內(nèi)傳輸幀的節(jié)點的周期計數(shù)

幀的負載段包括三個部分：

*數(shù)據(jù)-可以是0至 254字節(jié)

*信息ID-任意。 該信息ID 使用負載段的前兩個字節(jié)進行定義，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個字節(jié)，并和所有節(jié)點相同。

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

圖8-FlexRay時槽

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BP和BM進行通信。四個信號(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，F(xiàn)lexRay網(wǎng)絡(luò)標準已經(jīng)成熟，系統(tǒng)開發(fā)商可以在新一代汽車中應(yīng)用該標準。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)計者評估富士通獨立的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)用標準型產(chǎn)品 MB88121A

*兩個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)隨機存儲器

*三個高速CAN接口

*三個通用異步接收/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 工具鏈示范CD

圖12-最新FlexRay啟動套件板 

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

*QFP64

*0.5腳間距/10 x 10 mm

*單電壓

*時鐘規(guī)格，4/5/8/10 MHz 晶振

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

*串行主機接口（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 。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（MCU）、專用標準產(chǎn)品（ASSP）/片上系統(tǒng)（SOC）和系統(tǒng)存儲芯片,它們是以獨立產(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)計中心和分布于上海、香港的系統(tǒng)解決方案設(shè)計中心及集成電路設(shè)計中心通過與客戶、設(shè)計伙伴、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，從而形成一個包括中國在內(nèi)的完整的亞太地區(qū)設(shè)計、開發(fā)及技術(shù)支持網(wǎng)絡(luò)。欲了解更多信息，請訪問網(wǎng)站：http://cn.fujitsu.com/fmc