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(duì)制造成本的嚴(yán)格控制，加上對(duì)車身質(zhì)量的控制，減少線束已經(jīng)成為一個(gè)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(shí)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(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)（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(shí)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(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)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(huì)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(guó)Ford，GM以及Chrysler公司的汽車中。現(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(guó)汽車公司所用。但目前就動(dòng)力與傳動(dòng)系統(tǒng)而言，甚至在法國(guó)也集中應(yīng)用CAN總線。③CAN是德國(guó)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(cè)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(cuò)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(dòng)機(jī)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(shí)時(shí)性要求比較高的地方。如動(dòng)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(shí)時(shí)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(shí)多址的訪問方式。②FlexRay是BMW、Daimler Chrysler、Motorola和Philips等公司制定的功能強(qiáng)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(cuò)功能及確定的通訊消息傳輸時(shí)間，同時(shí)支持事件觸發(fā)與時(shí)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(dòng)型總線，CAN無法為下一代線控系統(tǒng)提供所需的容錯(cuò)功能或帶寬，因?yàn)閄-by-wire系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和可靠性要求都很高，必須采用時(shí)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(gè)，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(gè)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(gè)版本。

F1exRay網(wǎng)絡(luò)是一種高傳輸速率（每通道10Mb/s）的時(shí)間觸發(fā)型網(wǎng)絡(luò)。采用分時(shí)多址方式對(duì)總線進(jìn)行訪問，具有確定性和容錯(cuò)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(jí)方式?？偩€型如圖1所示，單、雙通道聯(lián)級(jí)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(diǎn)（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(dòng)器（Bus Driver，簡(jiǎn)稱BD）、總線監(jiān)控邏輯（Bus Guardian，簡(jiǎn)稱BG）、固化有FlexRay通訊協(xié)議的通訊控制器（CommunicationController，簡(jiǎn)稱CC）及主機(jī)（Host）5個(gè)部分組成，如圖6所示。其中BD和BG的個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)于通道數(shù)，而BG是用于避免通道定時(shí)錯(cuò)誤的一個(gè)獨(dú)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(dú)立于其他的通訊控制器。節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)通訊過程如下。

a.發(fā)送數(shù)據(jù)主機(jī)（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(dòng)器（BD）發(fā)送到相應(yīng)的通道上。

b.接收數(shù)據(jù)在某一時(shí)刻，由總線驅(qū)動(dòng)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(jī)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(gè)核心機(jī)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(shí)鐘同步（clock synchronization）。除此之外，控制器主機(jī)接口（controller Hostinter face，簡(jiǎn)稱CHI）為實(shí)現(xiàn)這些機(jī)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(shí)際上就是對(duì)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(yàn)位、ID符等。解碼的過程就是對(duì)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(dòng)器之間的通訊，如圖7所示。

其中RxD為接收信號(hào)，TxD為發(fā)送信號(hào)，TxEN為通訊控制器請(qǐng)求數(shù)據(jù)信號(hào)。信息的二進(jìn)制表示采用“不歸零”碼。對(duì)于雙通道的節(jié)點(diǎn)，每個(gè)通道上的編碼與解碼的過程是同時(shí)完成的。編碼與解碼的過程主要由3個(gè)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(jiǎn)稱TSS），為一段時(shí)間的低電平，用于初始化傳輸節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)的對(duì)接。幀起始序列（frame start sequence，簡(jiǎn)稱FSS），為一小段時(shí)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(jiǎn)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(diǎn)提供定時(shí)信息。

幀結(jié)束序列（frame end sequence，簡(jiǎn)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(dòng)態(tài)時(shí)序部分接入網(wǎng)絡(luò)，則還要在FES后附加上DTS——?jiǎng)討B(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(shí)間為一個(gè)gdBit。圖8與圖9分別為靜態(tài)和動(dòng)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(jiǎn)稱CAS）、媒體接入測(cè)試特征符（Media access test symbol，簡(jiǎn)稱MTS）和喚醒特征符（wake up symbol，簡(jiǎn)稱WUS）。對(duì)CAS和MTS采用完全相同的方式進(jìn)行編碼，對(duì)喚醒特征符（WUS）采用另一種模式編碼。

節(jié)點(diǎn)對(duì)傳輸沖突避免特征符（CAS）和媒體接入測(cè)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(shí)間長(zhǎng)為cdCAS（為某一具體數(shù)值）的低電平，如圖10所示。

節(jié)點(diǎn)對(duì)喚醒特征符（WUS）的編碼并沒有采用輔助信號(hào)TSS，隨TxEN的邊沿觸發(fā)同步于TxD信號(hào)進(jìn)行傳輸一個(gè)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(gè)數(shù)據(jù)幀由幀頭（HeaderSegment）、有效數(shù)據(jù)（PayloadSegment）和幀尾（TrailerSegment）多個(gè)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(gè)字節(jié)（40個(gè)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(dòng)幀指示位（Start up frame indicator，1位）、ID（11位）、有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（7位）、頭部循環(huán)校驗(yàn)CRC（11位）和循環(huán)計(jì)數(shù)（6位）。

2）有效數(shù)據(jù)部分

可由0-254個(gè)字節(jié)或0-127個(gè)字組成。在圖12中分別以Data0、Data1…Data253表示。在幀的CRC校驗(yàn)中，有效數(shù)據(jù)部分的前6個(gè)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(shí)，海明距離為4個(gè)字節(jié)。

在動(dòng)態(tài)時(shí)序部分，有效數(shù)據(jù)部分的頭兩個(gè)字節(jié)通常用作消息識(shí)別域（messageIDfield）。消息識(shí)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(dòng)態(tài)時(shí)序傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀，長(zhǎng)度為16位。在傳輸節(jié)點(diǎn)中，消息ID是由主機(jī)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(shí)別。在接收節(jié)點(diǎn)中，對(duì)一個(gè)幀的存儲(chǔ)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(shí)序部分，有效數(shù)據(jù)部分的頭13個(gè)字節(jié)（DataO-Data12）通常用作網(wǎng)絡(luò)管理向量（networkmanagementvector，簡(jiǎn)稱NM）。在同一個(gè)簇內(nèi)，所有的節(jié)點(diǎn)應(yīng)具有相同長(zhǎng)度的網(wǎng)絡(luò)管理向量，僅僅用于在靜態(tài)時(shí)序傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀，長(zhǎng)度為8位，如圖14所示。

3）幀尾部分

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

3．媒體接入控制（Media Access Control）

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

在1個(gè)通訊周期內(nèi)，有4個(gè)時(shí)間等級(jí)（timing hierarchy），從最低層到最高層分別是：最小時(shí)間節(jié)拍層（microtick）、最大時(shí)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(dòng)態(tài)部分、特征窗和網(wǎng)絡(luò)閑置時(shí)間（NIT）4個(gè)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(shí)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(dòng)態(tài)部分，仲裁網(wǎng)格由若干個(gè)最小時(shí)間片（minislot）組成。

1）靜態(tài)部分

在該時(shí)間段內(nèi)由若干個(gè)靜態(tài)時(shí)間片（staticslot）組成，每個(gè)時(shí)間片的長(zhǎng)度都相等。不同的節(jié)點(diǎn)根據(jù)全局時(shí)間判斷在某一時(shí)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(shí)刻每個(gè)節(jié)點(diǎn)的每一個(gè)通道上．都含有一個(gè)時(shí)間片計(jì)數(shù)器，兩個(gè)計(jì)數(shù)器是同步計(jì)數(shù)的。例如有3個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別為node1、node2和node3。假設(shè)靜態(tài)部分開始于00:10，節(jié)點(diǎn)在時(shí)間上的順序?yàn)?-2-3，那么node1將在00:10這一時(shí)刻開始在兩個(gè)通道上傳輸flameID1；在00:20時(shí)刻node2開始在一個(gè)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(dòng)態(tài)部分

采用的是基于最小時(shí)間片的時(shí)序，由若干個(gè)最小時(shí)間片組成，最小時(shí)間片的長(zhǎng)度都相等。幀的長(zhǎng)度是可變的，而且與靜態(tài)部分相比，動(dòng)態(tài)部分的兩個(gè)時(shí)間片計(jì)數(shù)器是獨(dú)立計(jì)數(shù)的，在不傳輸數(shù)據(jù)幀時(shí)，計(jì)數(shù)器以minislot為周期進(jìn)行加1計(jì)數(shù)，在傳輸數(shù)據(jù)幀時(shí)計(jì)數(shù)器不工作。兩個(gè)通訊通道不必同步。一個(gè)動(dòng)態(tài)時(shí)間片（Dynamicslot）包含一個(gè)或多個(gè)minislot。如圖17所示。

4．時(shí)鐘同步

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

時(shí)鐘同步包含兩個(gè)主要過程：最大時(shí)鐘節(jié)拍產(chǎn)生過程（MTG）和時(shí)鐘同步過程（CPS）。如圖18所示。MTG控制時(shí)間片計(jì)數(shù)器初值，并對(duì)其進(jìn)行修正。時(shí)鐘同步過程（CPS）主要完成一個(gè)通訊周期開始的初始化，測(cè)量并存儲(chǔ)時(shí)間偏差值，計(jì)算頻率與相位的修正值。時(shí)間偏差可以分為相位（offset）和頻率（rate）偏差。相位偏差是兩個(gè)時(shí)鐘在某一特定時(shí)間的絕對(duì)差別頻率偏差是相位．偏差隨著時(shí)間推移的變化，它反映了相位偏差在特定時(shí)間的變化。FlexRay同時(shí)對(duì)頻率與相位進(jìn)行修正。節(jié)點(diǎn)計(jì)算數(shù)據(jù)幀到達(dá)的實(shí)際時(shí)刻，并與理論上的預(yù)測(cè)時(shí)刻比較，得到的值就是發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)的時(shí)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(diǎn)上的時(shí)間實(shí)現(xiàn)“同步”。

5．喚醒與啟動(dòng)（wakeup and startup）

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

只有將節(jié)點(diǎn)喚醒后，才能啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)工作。初始化一個(gè)啟動(dòng)過程稱為“冷啟動(dòng)（coldstart）”，能進(jìn)行冷啟動(dòng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目是有限的。系統(tǒng)的啟動(dòng)由兩個(gè)邏輯步驟組成：①冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)；②其他非冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過接收啟動(dòng)幀，與冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)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(qiáng)大的容錯(cuò)功能，很可能成為將來汽車上的底盤系統(tǒng)、動(dòng)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(gè)FlexRay系統(tǒng)解決方案，包括一個(gè)收發(fā)器和一個(gè)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(dòng)安全系統(tǒng)的FlexRay2.1系統(tǒng)解決方案。該解決方案包括兩個(gè)主要部分：TJA1080收發(fā)器和包含一個(gè)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(guó)寶馬汽車公司承認(rèn)它將采用FlexRay作為主動(dòng)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(shí)現(xiàn)生產(chǎn)。此外，F(xiàn)lexRay的評(píng)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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