FlexRay 总线详细介绍

cengjili

前言

前面已经介绍了CAN、CAN FD、LIN总线，本文介绍一下Flex Ray总线。

对应的文章分别如下：

CAN总线：CAN总线详细介绍

CAN FD总线：CAN FD总线详细介绍

LIN总线：LIN总线详细介绍

常用车载总线汇总：常用车载总线CAN、CAN FD、LIN、FlexRay、Ethernet介绍

一、FlexRay简介

1.1 什么是FlexRay?

FlexRay是一种用于汽车的高速、可确定性的，具备故障容错能力的总线技术，它将事件触发和时间触发两种方式结合起来，具有高效的网络利用率和系统灵活性的特点。FlexRay能满足传统的CAN方案不能满足的汽车线控系统（X-by-Wire）的要求。


车载总线的成本和传输速率关系1.2 为什么要FlexRay？

常用的车载总线技术 CAN、 LIN 等由于缺少同步性， 确定性及容错性等并不能满足汽车行业未来的需要， 更不能满足汽车线控系统（X-by-Wire） 的要求。于是，宝马和戴姆勒克莱斯勒联合飞利浦和摩托罗拉成立了 FlexRay 联盟。该联盟致力于推广 FlexRay 通信系统在全球的采用， 使其成为高级动力总成、 底盘、 线控系统的标准协议。

其具体任务为制定 FlexRay 需求定义、 开发 FlexRay协议、 定义数据链路层、 提供支持 FlexRay 的控制器、 开发 FlexRay 物理层规范并实现基础解决方案。

主要用于线控操作，如，线控操作转向、防抱死制动系统(ABS)包括车辆稳定控制(VSC)和车辆稳定助手（VSA)等。

FlexRay联盟在2013年发布了ISO 17458标准规范。

第一款采用FlexRay的量产车于2006年在BMW X5中推出，应用在电子控制减震系统中。
1.3 FlexRay的特点

高传输速率：FlexRay的每个信道具有10Mbps带宽。它不仅可以像CAN和LIN总线这样的单信道系统运行，而且还可以作为一个双信道系统运行，因此可以达到20Mbps的最大传输速率，是当前CAN最高运行速率的20倍；

同步时基：FlexRay中使用的访问方法是基于同步时基的。该时基通过协议自动建立和同步，并提供给应用。时基的精确度介于0.5μs和10μs之间（通常为1～2μs）；

确定性：通信是在不断循环的周期中进行的，特定消息在通信周期中拥有固定位置，因此接收器已经提前知道了消息到达的时间。到达时间的临时偏差幅度会非常小，并能得到保证；

高容错性：强大的错误检测性能和容错功能是FlexRay设计时考虑的重要方面。FlexRay总线使用循环冗余校验CRC(Cyclic redundancy cheek)来检验通信中的差错。FlexRay总线通过双通道通信，能够提供冗余功能，并且使用星型拓扑可完全解决容错问题；

灵活性：在FlexRay协议的开发过程中，主要关注的是灵活性，反映在如下几个方面:

支持多种方式的网络拓扑结构；消息长度可配置：可根据实际控制应用需求，为其设定相应的数据载荷长度；使用双通道拓扑时，既可用以增加带宽，也可用于传输冗余的消息；周期内静态、动态消息传输部分的时间都可随具体应用而定。

可靠性：在汽车要求的工作环境下可靠工作，体现在下面几个方面：

满足汽车使用的温度环境要求 在不使用外部滤波器条件下 每个FlexRay产品满足汽车系统和法规要求的EMC指标。直接与线束相连的总线控制器和通信控制器的输入/输出，满足汽车上电器系统的要求

二、FlexRay协议介绍

2.1 FlexRay物理结构

FlexRay总线和CAN 一样也是两根线，可采用屏蔽或不屏蔽的双绞线，每个通道有两根导线，即总线正（Bus-Plus，BP）和总线负（Bus-Minus，BM）组成。采用不归零法（NRZ,Non-Return to Zero）进行编码。

可通过测量BP和BM之间的电压差来判断总线状态，这样可减少外部干扰对总线信息的影响，因为当干扰同时作用在两根导线上时可相互抵消。

每个通道都需使用80~110欧的终端电阻。将不同的电压加载在一个通道的两根导线上，可使总线有四种状态：Idle_Lp（Low power）、Idle、Data_0 和 Data_1



显性：差分电压不为0V（Data_0和Data_1）

隐性：差分电压为0V（Idle_Lp、Idle）
2.2 FlexRay拓扑结构

FlexRay的拓扑有3种：线型(点对点、多节点)、星型和混合型三大类。


点对点的线型结构

多节点的线型结构
星型结构的优势：

它在接收器和发送器之间提供点到点连接。该优势在高传输速率和长传输线路中尤为明显。另一个重要优势是错误分离功能。例如，如果信号传输使用的两条线路短路，总线系统在该信道不能进行进一步的通信。

使用星状结构， 则只有到连接短路的节点才会受到影响， 其它所有节点仍然可以继续与其它节点通信


星型线型结构

混合型结构2.3 帧结构

FlexRay帧由起始段、有效负载段和结束段三大部分构成。



2.3.1 起始段



起始段长 5 个字节（40 位），包括：状态位(5 位)，帧 ID(11 位)，有效载荷长度(7 位)，头部 CRC(11 位)，循环计数(6 位)。

状态位：

保留位(1 位)：为以后的扩展使用净荷指示位(1 位)：Payload Preamble Indicator 指明负载段的向量信息空帧指示位(1 位)：Null Frame Indicator-表示该帧是否为无效帧同步帧指示位(1 位)：Sync Frame Indicator-表示该帧是否为一个同步帧起始帧指示位(1 位)：Startup Frame Indicator-表示该帧是否为起始帧

帧ID：数据标志符，每个通道数据标志符需唯一。用于对事件触发帧进行优先级排序

有效载荷长度：表示一帧中能传输的有效数据长度。在每个Cycle下的静态区中，每帧的数据长度是相同的，在动态区的长度则是不同的。

头部 CRC：用于起始段冗余校验，检查传输中的错误。

周期计数：循环计数器，通信一开始， 所有节点的周期计数器增 1。
2.3.2 有效负载段


有效载荷包含帧传输的实际数据。FlexRay 有效数据帧的长度最多为 127 个字（254 字节），比 CAN 长 30 多倍
2.3.3 结束段

包含三个用于检测错误的 8 位 CRC，由起始段和有效负载段计算得出的CRC校验码，计算CRC时，根据网络传输顺序从保留位到有效负载段的最后一位放到CRC生成器中进行计算


2.4 编解码

编码的过程实际上就是对要发送的数据进行相应的“打包”处理，如加上各种校验位、 ID等。编码与解码主要发生在通讯控制器与总线驱动器之间，如下图所示：



其中 RxD 为接收信号， TxD 为发送信号， TxEN 为通讯控制器请求数据信号。信息的二进制表示采用“不归零”码。对于双通道的节点， 每个通道上的编码与解码的过程是同时完成的
2.4.1 静态帧编码


静态帧编码
TSS(传输启动序列)：用于初始化节点和网络通信的对接， 为一小段低电平。

FSS(帧启动序列)：用来补偿 TSS 后第一个字节可能出现的量化误差， 为一位的高电平

BSS(字节启动序列)：给接受节点提供数据定时信息， 由一位高电平和一位低电平组成。

FES(帧结束序列)：用来标识数据帧最后一个字节序列结束， 由一位低电平和一位高电平组成。
2.4.2 动态帧编码


动态帧编码
DST(动态段尾部序列)：仅用于动态帧传输， 用来表明动态段中传输时隙动作点的精确时间点，并防止接受段过早的检测到网络空闲状态。由一个长度可变的低电平和一位高电平组成。

将这些序列与有效位（从最大位 MSB 到最小位 LSB） 组装起来就是编码过程， 最终形成能够在网络传播的数据位流。
2.5 通讯

FlexRay总线的通讯由通讯周期（Communication Cycle）构成，从总线启动到停止都在不断重复该通讯周期。每个通讯周期具有相同的可配置时间间隔。



通讯周期由4部分构成：静态段（Static Segment)、 动态段(Dynamic Segment)、 特征窗(Symbol Window） 和 网络空闲时间(Network Idle Time）

静态段：采用时分多址方式(TDMA Time Division Multiple Access)， 由固定的时隙数组成， 不可修改， 且所有时隙的大小一致。用来传输周期性的数据信息；

动态段：采用灵活的时分多址(FTDMA  Flexible Time Division Multiple Access)， 由较小的时隙组成， 可根据需要扩展变动， 一般用于传输事件控制的消息

特征窗：用于传输特征符号。

符号有三种:

冲突避免符号：用于冷启动节点的通讯启动测试符号：用于总线的测试唤醒符号：用于唤醒过程的初始化

网络空闲时间：用于时钟同步处理
三、总结

FlexRay相对传统的LIN、CAN，还是要复杂得多，FlexRay主要用在汽车对安全性要求高的地方，这样也就要求总线处理的速度要很快


常用车载总线对比