汽车FlexRay总线介绍(一)

FlexRay 总线的历史

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相结合，具有高效的网络利用率和系统灵活性的特点。满足传统的CAN方案不能满足汽车线控系统（X-by-Wire）的要求。

2000年，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。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。

FlexRay应用

FlexRay的特性

FlexRay提供了传统车内通信协议不具备的大量特性，包括以下六个方面：

1、高传输速率：FlexRay的每个信道具有10Mbps带宽。由于它不仅可以像CAN和LIN网络这样的单信道系统一般运行，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；

2、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）；

3、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；

4、高容错：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；

5、灵活性：在FlexRay协议的开发过程中，关注的主要问题是灵活性，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。

6、可靠性：为了在汽车环境下可靠工作，FlexRay满足以下要求：

▶汽车使用温度环境要求，目前的标准是-40～125℃，对于一些特殊的应用，如制动执行器，温度要求还要高；

▶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；

▶在正常工作和低功耗模式下，系统功耗必须优化到最小。在空闲状态，总线驱动器和通信控制器的典型工作电流为10mA；在忙状态，总线驱动器和通信控制器的典型工作电流为50mA；关电时的总线驱动器电流（Quiescent Current）（指汽车电压调节器关断后，总线驱动器监视器唤醒逻辑等消耗的电流）为10μA；

▶通信控制器供电电压适应的条件与汽车ECU（Electronic Control Unit）要求一致；

▶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。

FlexRay特点

1、 结点基本结构

在FlexRay网络中有3种基本类型的结点，即同步结点、冷启动结点和应用任务结点。同步结点在网络中提供时钟同步算法的支持，实现同步的功能。冷启动结点的特点是在网络尚未同步之前就可以发送启动帧，支持结点和网络通信的初始化过程。冷启动结点一定是一个同步结点。除这两种结点以外，网络中还有一些完成一定应用功能的结点，就是应用任务结点。

（1）结点的基本构成及接口信息

一个结点的基本结构如图所示，一般由微控制器、通信控制器、总线管理逻辑、总线驱动逻辑（发送/接收驱动器）和电源系统5个部分组成。通信功能主要由通信控制器、总线管理及驱动逻辑，以及这些部分与主机的接口组成。

FlexRay 结点的基本结构

结点各个部分之间的信息接口关系如图所示。

FlexRay 结点内各部分之间的信息接口关系

（2）结点基本功能

FlexRay网络结点具有以下基本功能：

1）结点中，一个通信控制器连接一个或两个总线驱动器，即一个结点可以连接到一个或两个总线通道上；

2）结点可以进入休眠态；

3）处于休眠态的结点可以由总线事件唤醒；

4）结点的总线活动可以由主控制器关闭；

5）结点与电源常连接；

6）结点的应用功能。

网络星结点是一个只有网络功能的结点，没有主控制器和通信控制器，一个星结点有1个以上总线驱动器，它可以由总线唤醒，由总线关闭。

2 、网络拓扑结构

（1）总线型拓扑结构

FlexRay网络双总线型拓扑结构如图所示，每个结点可以连到两个总线上，也可以只连接到一个总线上。

FlexRay网络双总线型拓扑结构

（2）星形结构

FlexRay网络的星形拓扑结构有多种连接方式。下图所示是一个双通道单星的结构，每个通道由一个星结点连接，一个结点可以连接到一个或两个通道上（星结点上）。

​FlexRay 网络星形双通道拓扑结构

下图所示是两个单通道星形结构级联的结构，每个通道由一个星结点连接，一个结点连接到一个通道上（星结点上），两个星结点之间互联。

FlexRay 网络两个单通道星形结构级联

在这样的结构基础上，也可以构建冗余通道的结构，如下图所示。

FlexRay 网络双通道星形结构级联

（3）总线型与星形的混合结构

FlexRay网络除了可以使用总线型和星形结构外，只要级联的每一个子网不超过结点数的限制，还可以使用两种结构混合的网络拓扑结构。

下图所示是一个星结点（2A）直接连接结点并连接到一个总线上，总线上又连接了一些其他结点；然后又与另外一个星结点（1A）相连，星结点（1A）也直接连接了一些结点，也可以再连接总线。

FlexRay 网络混合拓扑结构-A

下图所示是一个星形拓扑结构与总线型结构构成的双通道结构。

FlexRay 网络混合拓扑结构-B

3、冗余数据传输

在容错性系统中，即使某一总线导线断路，也必须确保数据能继续可靠传输。这一要求可以通过在第二个数据信道上进行冗余数据传输来实现。具有冗余数据传输能力的总线系统使用两个相互独立的信道。每个信道都由一组双线导线组成。一个信道失灵时，该信道应传输的信息可在另外一条没有发生故障的信道上传输。

冗余数据传输

4、 信号特性

FlexRay允许一个和两个通道的系统，不仅可以是线形也可以是星形结构。目前所有可使用的通信控制器都是双通道的。在线性总线和带无源的星形连接中，两个总线成员之间的最大距离为24m。

带无源的星形连接星点，其电气特性很差。因此只是在很短的连接和/或较低的比特率时，才有意义。在星形连接时，一般是采用有源连接。采用双向的收发器和中继器，它们在电气上是分开的。但接收到的数据信息可进一步地分配到所有的控制器中，这称为逻辑性工作方式。有源星形连接允许离星点最大24m。两个星点之间组合电路，它们之间的距离，同样最大为24m。那么两个最远的控制器之间的距离，可以达到72m。在有源星点的传输线的两个末端，规定要接上端电阻。

FlexRay允许的最大比特率，目前是10Mbit/s。但这只有在有源星点结构时才能达到。在线形结构和无源星点中，传输线长度和成员数是主要问题。FlexRay规程提及比特率2.5Mbit/s和5Mbit/s，但对于这个比特率的时间关系还不完全确定。

如果系统采用双通道，即两条并行总线，每个控制器或是接在两通道或只是接在两通道之一。但通信只能在同一条总线上的控制器中进行，即控制器接在通道A上，就不能与接在B通道上的控制器通信。第二条通道，对于安全性要求很高的数据信息来说，不仅采用冗余的方法（控制器要向两个通道发送同一个数据信息），而且可提高带宽（在两个通道上发送不同的数据信息）。

理论上双通道系统也可能是混合拓扑，即通道A是星形，而通道B是线形结构。传输线采用的是屏蔽的双绞线，并带80～110Ω的电阻。在线形总线传输线的末端以及在控制器和有源星点之间的连接末端，有必要接端电阻，这和高速CAN是一样的。在无源星形连接时，端电阻被接到彼此两个最远的设备上。和CAN不同的是，不仅0位数而且1位数要用低欧姆值的差分信号来传输（显性），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）。在静止状态，两条总线传输线为高欧姆值，约为2.5V。

FlexRay 导线BP 和BM 的信号电平

FlexRay总线信号必须在规定范围内。下图给出了总线信号的正常波形和非正常波形。无论在时间轴上还是电压轴上，总线信号都不应进入内部区域。

FlexRay总线系统是数据传输速率较高且电平变化较快的一种总线系统，对电平高低以及电压上升沿和下降沿的斜率都有严格的规定，必须达到规定数值，且信号波形不得进人所标记的区域（绿色或红色六边形）。因导线安装不正确、接触电阻等产生的电气故障可能会导致数据传输出现问题。

正常波形和异常波形

5 、确定性数据传输

CAN网络是一个事件触发式总线系统，发生一个事件时就会传输数据。多个事件汇集在一起时，可能在后续信息发送时出现延迟现象。如果无法成功准确地传输一条信息，该信息将一直发送，直至相应通信设备确认已接收到。如果CAN总线系统内出现故障，可能会导致这些事件触发的信息汇集在一起并造成总线系统过载，即各信号的传输要延迟很长时间，这样会导致各系统的控制性能变差。

FlexRay是一种时间触发式总线系统，它也可以通过事件触发方式进行部分数据传输。在时间控制区域内，时隙分配给确定的信息。一个时隙是指一个规定的时间段，该时间段对特定信息（如转速）开放。这样，在FlexRay总线系统内重要的周期性信息以固定的时间间隔传输，因此不会造成FlexRay总线过载。对时间要求不高的其他信息则在事件控制区域内传输。FlexRay总线系统内确定性数据的传输过程如图所示。

确定性数据传输用于确保时间触发区域内的每条信息都能实现实时传输，即每条信息都能在规定时间内进行传输。因此，FlexRay不会由于总线系统过载而导致重要总线信息发送延迟。如果由于暂时性总线故障（如EMC故障）导致一条信息丢失，则该信息不会再次发送，在为此规定的下一时隙内将发送当前数值。

FlexRay 总线系统确定性数据的传输过程

文章转载自公众号：智车Robot