下一代的車載網(wǎng)絡 - FlexRay

FlexRay車載網(wǎng)絡標準已經(jīng)成為同類產(chǎn)品的基準，將在未來很多年內(nèi)，引導整個汽車電子產(chǎn)品控制結構的發(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)。

本篇技術背景報告為我們大致介紹了FlexRay在車內(nèi)網(wǎng)絡中的應用，并描述了其網(wǎng)絡協(xié)議，包括幀格式、拓樸、總線信號和節(jié)點狀態(tài)轉移。報告中還對FlexRay和CAN進行了比較，最后還附加了有關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?；诓┦拦镜脑S可，富士通已經(jīng)推出了FlexRay初學者套件和FlexRay 控制器應用型標準產(chǎn)品（ASSP）。

表1 汽車網(wǎng)絡標準 

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)架構組織)、JasPar(日本汽車軟件平臺和架構)的正式成員。

FlexRay的優(yōu)勢

FlexRay關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，應用在車載網(wǎng)絡，F(xiàn)lexRay 的網(wǎng)絡帶寬可能是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)通過硬件完全復制網(wǎng)絡配置，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）。設計人員可以通過結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:總線驅動器 

FlexRay的應用

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)絡結合的網(wǎng)關。

圖3—帶有CAN網(wǎng)絡擴充的FlexRay線控操作

FlexRay 導線控制應用的例子包括：
 
* 線控操作轉向－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動器部件（見圖4）?？刂破鞑考ㄒ粋€主機處理器和一個通信控制器。驅動器部件通常包括總線驅動器和總線監(jiān)控器（可選擇）?？偩€驅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)轉移

FlexRay節(jié)點還有與錯誤處理相關的狀態(tài)轉移。這些轉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)測和幀轉移/接受狀態(tài)相關的錯誤，其中包括語法錯誤、內(nèi)容錯誤、總線干擾錯誤以及轉移沖突所導致的錯誤。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)器的使用取決于應用用途和系統(tǒng)設計。 

圖6- 錯誤狀態(tài)轉移

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周期有關的時槽的組成結構。

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)絡標準已經(jīng)成熟，系統(tǒng)開發(fā)商可以在新一代汽車中應用該標準。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初學者套件（SK-91F467-FLEXRAY）可確保設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應用型標準產(chǎn)品。該應用型標準產(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體業(yè)務總部，于2003年10月成立，在北京、深圳等地均設有分公司,負責統(tǒng)籌富士通在中國半導體的銷售業(yè)務。

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，并應用于廣泛領域。在技術支持方面，分布于上海、深圳、香港、新加坡的ASIC支持設計中心和分布于上海、香港的系統(tǒng)解決方案設計中心及集成電路設計中心通過與客戶、設計伙伴、研發(fā)資源及其他零部件供應商的溝通、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)設計、開發(fā)及技術支持網(wǎng)絡。欲了解更多信息，請訪問網(wǎng)站：http://cn.fujitsu.com/fmc