（通信与信息系统专业论文）flexray总线平台构建及性能研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着现代汽车技术的发展，汽车安全性能要求越来越高，相应的电控单元 和传感器数目大量增加，尤其是汽车线控( x b y w i r e ) 系统的增加，促进了汽 车总线和网络技术的发展。传统的车载总线网络如c a n ( c o n t r o l l e ra r e a n e t w o r k ) 、l i n ( l o c a li n t e r c o n n e c t n e t w o r k ) 等由于自身的一些固有特点，在 某些应用场合已经无法满足当前汽车安全性能和内外大量信息交换的需要，因 此，新型的车载网络总线f l e x r a y 应运而生。f l e x r a y 协议由f l e x r a y 联盟开发， 起初由b w m 和d a i m l e r c h r y s l e r 共同制定以满足他们当前以及将来的产品需求。 随后就有b o s c h 、n x p 、f r e e s c a l e 、g m 、v o l k s w a g e n 等公司加入，将f l e x r a y 协议不断完善并于2 0 0 5 年发表了f l e x r a y 协议v 2 1 版本。f l e x r a y 协议基于b w m 公司b y t e f l i g h t 协议并进行了扩展，一推出便得到了众多汽车制造厂商的支持， f l e x r a yv 1 1 已成功应用于b w mx 52 0 0 6 款汽车，f l e x r a yv 2 1 版本也于2 0 0 9 年 在b w mx 6 线控驱动( d r i v e b y w i r e ) 中应用。 本文对f l e x r a y 协议进行了详细的研究，对f l e x r a y 协议的重要特性如消息 帧格式、通道唤醒与簇启动、媒介访问控制以及时间同步等进行了深入的分析 探讨，同时对f l e x r a y 总线信号特性以及编解码方式、安全性应用等内容也进行 了研究。在此基础上，本文详细列举并分析了当前支持f l e x r a y 协议的全球各大 半导体厂商提供的f l e x r a y 控制器和收发器，对各个厂家的产品特点进行了对比 分析，最终采用了性价比较高、易于采购的飞思卡尔( f r e e s c a l e ) 公司 m c 9 s 1 2 x f 5 1 2 带f l e x r a y 协议控制器的微控制器和恩智浦( n x p ) 公司的 t j a l 0 8 0f l e x r a y 收发器构建f l e x r a y 总线测试平台。在f l e x r a y 协议代码编写 配置方面本文也另辟蹊径使用了n e t w o r kd e s i g n e r ：f l e x r a y 软件对f l e x r a y 网络 进行设计，提高了使用f l e x r a y 总线设计车载通信网络的效率以及降低了代码编 写难度。 在构建的f l e x r a y 总线测试平台上，本文进一步就f l e x r a y 总线的网络组网 方式、总线带宽利用率、静态段和动态段消息的调度等方面进行了相关研究， 本文提出了一种对f l e x r a y 总线利用率最优化的估算方法并对f l e x r a y 总线静态 段和动态段的消息调度算法进行了一定的研究，给出了两种可行的消息调度算 法。最后本文在实际构建的平台上使用f r e e s c a l e 公司的f r e e m a s t e r 软件开发 武汉理工大学硕士学位论文 了针对本文构建的f l e x r a y 总线测试平台的上位机测试软件，对f l e x r a y 总线的 相关协议特性、编解码特性和通信冗余可靠性进行了实际测试验证并对结果进 行了详细分析。 关键词：线控，f l e x r a y ，网络拓扑，总线利用率，消息调度 i i 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fm o d e ma u t o m o t i v e t e c h n o l o g y , v e h i c l es a f e t y p e r f o r m a n c eh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yd e m a n d i n g a tt h es a m et i m e ，t h en u m b e ro f t h ee l e c t r o n i cc o n t r o lu n i ta n ds e n s o r sh a si n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y , i np a r t i c u l a r , t h e i n c r e a s ei na u t o m o t i v eb y - w i r es y s t e m ( t h ex - b y - w i r e ) ，w h i c ha l s op r o m o t et h e d e v e l o p m e n to ft h ec a rb u sa n dn e t w o r kt e c h n o l o g y t r a d i t i o n a lv e h i c l eb u sn e t w o r k s s u c ha sc a n ，l i ne r e ，f o rs o m eo ft h e i ro w ni n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i c s ，i ns o m e a p p l i c a t i o n s ，t h e yh a sb e e nu n a b l et om e e tt h ec u r r e n tn e e df o rt h ed a t ae x c h a n g eo f v e h i c l es a f e t yp e r f o r m a n c ea n daw e a l t ho fi n f o r m a t i o ni n s i d ea n do u t s i d eo ft h e v e h i c l e t h e r e f o r e ，t h en e w - v e h i c l en e t w o r kb u sc a l l e df l e x r a yc o m e si n t ob e i n g f l e x r a yp r o t o c o li sd e v e l o p e db yt h ef l e x r a yc o n s o r t i u m ，a n di sd e v e l o p e dj o i n t l y b yt h eb w m a n dd a i m l e r c h r y s l e ro r i g i n a l l yt om e e tt h e i rc u r r e n ta n df u t u r ed e m a n d f o rt h e i rp r o d u c t s t h e nt h e r ea r eb o s c h ，n x p , f r e e s c a l e ，g m ，v o l k s w a g e na n do t h e r c o m p a n i e st oj o i nt oi m p r o v et h ef l e x r a yp r o t o c o lc o n s t a n t l y , a n di n2 0 0 5 ，r e l e a s e d t h ev 2 1v e r s i o no ft h ef l e x r a yp r o t o c 0 1 f l e x r a yp r o t o c o li sb a s e do nb w m c o m p a n yb y t ef l i g h tp r o t o c o la n de x t e n d e d ，h a sb e e ns u p p o r t e db ym a n ya u t o m o b i l e m a n u f a c t u r e r sa tt h et i m eo fl a u n c h e d t h ef l e x r a yv 1 1h a sb e e ns u c c e s s f u l l y a p p l i e dt ot h e2 0 0 6c a l o ft h eb m wx 5 ，a n dt h ef l e x r a yv 2 1v e r s i o ni n2 0 0 9i nt h e b w mx 6d r i v e - b y w i r e t h i sp a p e rc a r r i e do u tad e t a i l e ds t u d yo ft h ef l e x r a yp r o t o c o l ，ad e t a i l e d a n a l y s i so ft h er e l e v a n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef l e x r a yp r o t o c o l ( m e s s a g ef r a m ef o r m a t , w a k e u p ，s t a r t u p ，m e d i aa c c e s sc o n t r o l ，t i m es y n c h r o n i z a t i o n ，e t c ) ，p h y s i c a ls i g n a l s ， t h en e t w o r k t o p o l o g ya n dp r o t o c o lo p e r a t i o nc o n t r o lc o n t e n t o nt h i sb a s i s ，f l e x r a y c o n t r o l l e ra n dt r a n s c e i v e rp r o d u c t sc u r r e n t l ys u p p o r tt h ef l e x r a yp r o t o c o lo ft h e m a j o rs e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r e r sa r e l i s t e da n da n a l y s i si nd e t a i l f i n a l l yt h i sp a p e r a d o p t e dt h eh i g h e rp r i c ep e r f o r m a n c er a t i o ，e a s yt op u r c h a s i n g ，a n dt h ef r e e s c a l e m c 9 s12 x f 512m c u ，w h i c hi n t e g r a t e df l e x r a yp r o t o c o lc o n t r o l l e r t h ef l e x r a y b u sd r i v e ru s e dt h en x pt j a l0 8 0 ，w h i c ha l s oam a t u r ep r o d u c ti ni n d u s t r y u s i n g t h e s ec o m p o n e n t s ，t h i sp a p e rb u i l d st h ef l e x r a yb u st e s tp l a t f o r mf o rt h er e l e v a n t p e r f o r m a n c et e s t i na s p e c t so ff l e x r a yp r o t o c o lc o d ew r i t t e n & c o n f i g u r a t i o n ，t h i s i i i 武汉理工大学硕士学位论文 p a p e ru s e san e ww a y t oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h ef l e x r a yb u sd e s i g ni n - v e h i c l e c o m m u n i c a t i o n sn e t w o r ka n dr e d u c et h ed i f f i c u l t yo fc o d i n gb yu s i n gn e t w o r k d e s i g n e r ：f l e x r a ys o f t w a r e u s i n gt h ep l a t f o r mb u i l da n dp cm o n i t o r i n gs o f t w a r ep r o g r a m m e db yf r e e s c a l e f r e e m a s t e ri n - d e p t hs t u d yo nt h en e t w o r k i n go ft h ef l e x r a yb u sn e t w o r k ，b u s b a n d w i d t hu t i l i z a t i o na n dm e s s a g es c h e d u l i n gi se x e c u t e d t h i sp a p e rp r o p o s e da e s t i m a t i o nm e t h o do ft h eu t i l i z a t i o no faf l e x r a yb u s ，a n dr e s e a r c h e dm e s s a g e s c h e d u l i n ga l g o r i t h m f o r o p t i m a lf l e x r a yb u s s t a t i cs e g m e n ta n dd y n a m i c s e g m e n t f i n a l l y , a c t u a lt e s t i sm a d eo nt h e f l e x r a yb u sp r o t o c o lf e a t u r e sa n d r e l i a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o n sr e d u n d a n c ya n dt h er e s u l t sw e r ea n a l y z e d ，i nt h ea c t u a l c o n s t r u c t i o no fp l a t f o r m k e yw o r d s ：x - b y - w i r e ，f l e x r a y , n e t w o r kt o p o l o g y , b u su t i l i z a t i o n ，m e s s a g e s c h e d u l i n g 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着现代汽车技术的发展，汽车安全性能要求越来越高，相应的电控单元 和传感器数目大量增加，尤其是汽车线控( x - b y w i r e ) 系统的增加，促进了汽 车总线和网络技术的发展l l j 。传统的车载总线网络如c a n ( c o n t r o l l e ra r e a n e t w o r k ) 、l i n ( l o c a li n t e r c o n n e c tn e t w o r k ) 等由于自身的一些特点，在某些 场合已经无法满足当前汽车安全性能和内外大量信息交换的需要【2 】，因此，新型 的车载网络总线f l e x r a y 应运而生。 f l e x r a y 协议由f l e x r a y 联盟开发，起初由b w m 和d a i m l e r c h r y s l e r 共同制 定以满足他们当前以及将来的产品需求。随后就有b o s c h 、n x p 、f r e e s c a l e 、g m 、 v o l k s w a g e n 等公司加入，将f l e x r a y 协议不断完善并于2 0 0 5 年发表了f l e x r a y 协议v 2 1 版本。f l e x r a y 协议基于b w m 公司b y t e f l i g h t 协议并进行了扩展，一 推出便得到了众多汽车制造厂商的支持。 本文详细分析了f l e x r a y 协议的相关特性( 消息帧格式、唤醒与启动、媒介 访问控制、时间同步等) 、物理信号、网络拓扑结构以及协议操作控制等内容。 在此基础上，详细列举并分析了当前支持f l e x r a y 协议的各大半导体厂商提供的 f l e x r a y 控制器和收发器，采用性价比较高、易于采购的飞思卡尔( f r e e s c a l e ) 公司m c 9 s 1 2 x f 5 1 2 带f l e x r a y 协议控制器的微控制器和恩智浦( n x p ) 公司的 t j a l 0 8 0f l e x r a y 收发器构建f l e x r a y 总线测试平台进行相关性能指标测试。 在构建的平台上，本文进一步就f l e x r a y 总线的网络组网、总线利用率、网 络时延和消息调度等方面进行了研究，并对f l e x r a y 协议的唤醒、总线利用率、 总线信号特性以及通信可靠性进行了实际测试。本文提出了一种f l e x r a y 总线利 用率的估算优化方法并对f l e x r a y 总线静态段和动态段的消息调度算法进行了 一定的研究。 1 2f l e x r a y 国内外研究现状 1 2 1f l e x r a y 协议简要介绍 f l e x r a y 协议最初由b w m 和d a i m l e r c h r y s l e r 公司基于b w m 公司的 b y t e f l i g h t 协议共同开发，后来又由f l e x r a y 联盟将其标准化，使之成为新一代 的车载网络通信协议【3 h 6 1 。f l e x r a y 的核心概念是时间触发的网络通信协议，目 武汉理工大学硕士学位论文 的是解决目前c a n 、l i n 等车载网络在总线利用、无带宽保留、网关延迟、系 统集成和可靠性所带来的高复杂度以及高成本、c a n 在高总线利用率下不确定 行为所带来的种种问题。f l e x r a y 技术的出现满足了当今汽车工业的一些核心技 术需求，拥有传统的车载网络无法比拟的优势1 7 。f l e x r a y 相比于c a n 具有更 高的带宽( 单通道最高1 0 m b p s ) 、确定的行为保证可靠通信、便于系统集成和 未来功能扩展，可以实现未来真正的无机械备份的线控驱动功能【8 】【2 9 1 。 f l e x r a y 使用t d m a ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 机制，将通信周期划 分成更小的时间段并称之为“时隙( s l o t ) ，在静态段中时隙长度是相同的。时 隙被分配给指定的通信节点，这样在每个通信周期中，只有对应时隙的节点可 以进行收发。这种定义方式保证节点在网络中有确定的行为，使f l e x r a y 协议非 常适合用于安全要求严格的汽车控制以及工业控制应用中【9 】。 f l e x r a y 协议自身的特点决定了其适合进行实时控制和保证安全的车载网 络通讯。在目前流行的各种车载网络协议中，f l e x r a y 具有出色性能优势。图 1 1 进一步就车载网络节点成本和数据通信速率两个方面，对现行各种车载网络 标准做了对比【1o 】【2 引。 2 5 m 篙1 0 m 口 籍1 m 曙 轻1 2 5 k 2 0 k 图1 1 各种车载网络节点成本和数据通信速率对比 由于f l e x r a y 在通信速率、网络拓扑和安全性方面的优势，使其在汽车电子 线控和工业自动控制领域得到了广泛应用。f l e x r a y 被设计用于服务新技术和新 兴用途，但自身的高速通信速率和组网灵活性1 6 1 也满足了当前大量的车载应用， 例如在传统的c a n 网络应用替代中，在过去以往某些应用中要求通信速率会超 2 武汉理工大学硕士学位论文 出c a n 的极限，有时采用双c a n 或多c a n 并行使用以提高通信速率f 1 5 】f 2 7 1 。 在诸如此类的应用中，f l e x r a y 是理想的替换协议。 1 、车载骨干网应用。由于拥有较高的通信速率，使得f l e x r a y 非常适合用 于构建汽车骨干网来连接多个独立的网络。 2 、实时和分布式控制系统应用。窄带宽利用率下已知和受监控的消息周期 时间使得f l e x r a y 成为有着严格实时性要求的分布式控制系统的首选。 3 、面向安全的系统应用。f l e x r a y 本身并不能使一个系统安全，但是f l e x r a y 所具有的多种特性支持设计面向安全的系统，如线控系统( x b y w i r e ) 。基于 f l e x r a y 的线控转向( s t e e r - b y w i r e ) 系统结构【4 0 】框图如图1 2 所示。 节点1 图1 2f l e x r a y 线控转向( s t e e r - b y w i r e ) 系统结构示意图 f l e x r a y 汽车线控技术以其较高的通信速率( 1 0 m b i t s s ，双通道通信是c a n 网络的2 0 倍) 、容错性和支持实时的分布式控制系统可以被广泛的应用于汽车 上任何与安全相关的操作中【1 4 1 ，例如对油门、制动装置、档位控制、离合器及 转向机构的控制中。汽车线控技术意味着没有机械和液压备份系统的安全相关 的容错系统，主要由控制系统、执行机构和通信系统组成。x - b y w i r e 中的x 主 要指转向( s t e e r ) 、制动( b r e a k ) 、换挡( s h i f t ) 、加速( a c c e l e r a t e ) 、悬挂( s u s p e n s i o n ) 、 助推( t h r u s t ) 等。b y w i r e 表示系统中所有元件的控制和通信都通过电子部件来实 现，这将大大减少系统时间延迟【1 7 】，节约成本，增强系统的反应灵敏度和安全 可靠性f 2 5 】。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2f l e x r a y 研究现状 在f l e x r a y 制定和应用方面，德国b w m 公司是该领域的开拓者和领头羊。 早在2 0 0 6 年9 月，b m w 公司首次将f l e x r a y 应用在旗下x 5 系列运动型多功能 轿车上做电子阻尼控制，用以解决高乘坐舒适性和高驾驶安全与灵活之间的冲 突，以及最大程度减小车轮负载变化和底盘车身振荡【2 4 l 。b w m 公司将该 f l e x r a y 系统命名为a d a p t i v e d r i v e 系统，该系统可以监视车辆行进速度、方向 盘转动角度、纵向和横向加速度、车身和车轮的加速度以及行驶高度的相关数 据。当驾驶员按下按钮选择“运行”或“舒适”驾驶时，a d a p t d r i v e 系统会通过 控制抗侧倾杆中的旋转发动机和减震器上的电磁阀来调整车辆的侧角和阻尼( 如 图1 3 所示) 。 图1 3b m w 公司x 5 运动型多功能轿车a d a p t d r i v e 系统示意图 继b w m 公司之后，a u d i 公司在2 0 0 8 年也将f l e x r a y 技术进行了产品化的 应用，首次将f l e x r a y 应用于旗下最新的a u d ia 8l u x u r ys a l o o n 系列车型用作 高级驾驶辅助系统，如图1 4 所示。 图l 一4a u d ia 8l u x u r ys a l o o n 高级驾驶辅助系统示意图 除了上述汽车制造厂商对f l e x r a y 应用做了有益探索之外，国际上很多知名 4 武汉理工大学硕士学位论文 的半导体厂商也对f l e x r a y 技术的推广做了产品上的支持。在f l e x r a y 控制器研 发方面半导体厂商主要有f r e e s c a l e 、f u j i t s u 、n e ce l e c t r o n i c s 、r e n e s a s 、t e x a s i n s t r u m e n t s 、x i l i n x 和i n f i n e o n 。在f l e x r a y 收发器研发方面半导体厂商主要有 n x p 、a u s t r i am i c r os y s t e m s 和e l m o s l 2 6 1 。 由于f l e x r a y 协议从正式发布到现在只有七、八年时间，其协议的制定以 及相关控制、物理层收发芯片的设计和生产基本上都是由发达国家开发的。在 汽车电子研发比较发达的国家如美国、德国、日本等都有相关的研究成果出现 【3 0 】。而中国由于没有参与f l e x r a y 协议的相关标准制定工作，目前只有少数高 校及研究院所做了一些协议及应用方面的理论研究与实验，f l e x r a y 技术在中国 的研究应用基本上还处于萌芽状态。 1 3f l e x r a y 协议操作控制 f l e x r a y 消息帧格式 一个完整的f l e x r a y 消息帧由帧头段( h e a d e rs e g m e n t ) 、载荷段( p a y l o a d s e g m e n t ) 和帧尾段( t r a i l e rs e g m e n t ) - - - 个部分组成，f l e x r a y 消息帧格式如图1 5 所示。节点在总线上发送消息帧时，帧头段先发送，紧接着是载荷段，最后是 尾段。在每段中，每位发送按照从左到右的顺序进行【l l 】。 图1 5f l e x r a y 消息帧格式 帧头部分由4 0 b i t s ( 4 0 b i t s = 5 b i t + 1 1b i t + 7b i t + 1 1b i t + 6b i t ) 组成。包括以下 部分： l 、1 位保留位( r e s e r v e db i t ) ，用于将来协议使用，在正常通信时不使用。 5 武汉理工大学硕士学位论文 2 、1 位载荷前缀指示位( p a y l o a dp r e a m b l ei n d i c a t o r ) ，用于指示发送帧的载 荷段是否包含一个可选矢量。 3 、1 位空帧指示位( n u l lf r a m ei n d i c a t o r ) ，用于指示该帧是否为空帧( 如 该帧载荷段包含无用数据) 。 4 、1 位同步帧指示位( s y n cf r a m ei n d i c a t o r ) ，用于指示该帧是否为同步帧 ( 例如该帧是用于系统广泛地通信同步) 。 5 、l 位启动帧指示位( s t a r t u pf r a m ei n d i c a t o r ) ，用于指示该帧是否为启动 帧，启动帧在f l e x r a y 启动机制中扮演特殊角色而且只有冷启动节点允许发送启 动帧。 6 、1 l 位帧i d ，帧i d 定义为帧发送所位于的时隙( s l o t ) ，在1 个通信周期 里，每个通道帧i d 使用不超过1 次。在簇中传送的每帧都有事先分配好的帧i d 。 帧i d 范围为1 - 2 0 4 7 且0 号帧i d 为无效帧i d 。 7 、7 位载荷段长度，用于指示载荷段的大小。编码到该区域的载荷段大小 是载荷段字节数除2 。在通信周期动态段，不同帧可能会有不同的载荷段长度， 此外，在一个特定的动态段帧里，载荷段长度也可能随通信周期的不同而有所 不同。 8 、1 1 位帧头c r c 校验。帧头c r c 校验计算的区域为同步帧指示位、启动 帧指示位、帧i d 和载荷段长度。f l e x r a y 通信控制器( c c ) 不直接计算发送帧 的帧头c r c 校验，而是通过配置将计算好的要发送帧的帧头c r c 校验提供给 通信控制器。但通信控制器计算接收帧的帧头c r c 校验用于检查接收是否正确。 所有通道的c r c 校验使用相同的计算方式，其生成多项式如下： x 1 1 + x 9 + x 8 + x 7 + x 2 + 1 = ( x + 1 ) ( x 5 + x 3 + 1 ) ( x 5 + x 4 + x 3 + x + 1 ) 式1 - 1 9 、6 位周期计数。周期计数用于指示在帧发送时发送节点的周期计数值。 f l e x r a y 编码与解码 f l e x r a y 总线为车内不同电子e c u 单元之间的通信提供了基于时间触发的 协议方式，协议本身应具有容忍微小错误的能力，因此f l e x r a y 通信协议的底层 必须解决一系列的问题：不同e c u 单元之间的通信，潜在的异步时钟等等。 f l e x r a y 协议被分为几个不同的部分，每一部分都具有不同的功能。决定f l e x r a y 协议功能的三大部分分别为媒介访问控制( m a c ) 、帧和符号处理( f s p ) 和编 解码( c o d e c ) 。 f l e x r a y 编码与解码主要是对通信控制器与总线驱动器之间的t x d 、r x d 和 6 武汉理工大学硕士学位论文 t x e n 接口信号进行操作，以在不同e c u 之间进行消息传递。使用不归零码 ( n r z ) 编码方式，总线b i t 状态只有“0 ”和“l 两种。为了支持节点双通道 操作，f l e x r a y 通信控制器就必须实现两组独立的编解码过程，一组针对a 通道， 另一组针对b 通道。f l e x r a y 的编解码过程包含了编码( e n c ) 、位过滤 ( b i t s t i 也) 、唤醒符解码( w u s d e c ) 、总线通道空闲检测( i d e t ) 和解码( d e c ) 等子过程，主编解码过程、位过滤过程和唤醒帧解码是三个主要过程。在发送 e c u 端，当通信将要开始时e n c 过程有效，其它处理过程在接收e c u 端完成【2 2 1 。 e n c 通过总线发送帧和符号，为了完成此功能，就必须通过一个集电极开 路的驱动器连接到总线上。当m a c 请求e n c 发送一帧消息时，e n c 放置一序 列b i t s 到总线上。每一帧消息的编码都是根据特定的机制，为了使位过滤算法正 常工作，在下一b i t 发送之前，每个b i t 连续发送八个时钟周期。 f l e x r a y 编码类型主要有两种：帧编码和符号编码。帧编码是针对f l e x r a y 帧进行编码，主要由以下四部分组成： ( 1 ) 发送起始序列( t r a n s m i s s i o ns t a r ts e q u e n c e ，t s s ) ，5 15 b i t s 低电平。 ( 2 ) 帧起始序列( f r a m es t a r ts e q u e n c e ，f s s ) ，l b i t 高电平。 ( 3 ) 字节起始序列( b y t es t a r ts e q u e n c e ，b s s ) ，l b i t 高电平+ l b i t 低电平。 ( 4 ) 帧结束序列( f r a m ee n ds e q u e n c e ，f e s ) ，l b i t 低电平+ l b i t 高电平。 在静态段成帧示意图如图1 - 6 所示。动态段与静态段类似，只不过为了进行 区分，动态段增加了动态尾部序列1 2 0 l ( d y n a m i ct r a i l i n gs e q u e n c e ，d t s ) ，动态 段成帧示意图如图1 7 所示。 m a c f s p f s p 0t 图1 6 静态段成帧示意图 7 武汉理工大学硕士学位论文 m a c f s p 翌 。 陋豳| 一陆皿好 咖卜1 一i 二雨雨刊丽哥荪一l l h 吩h _ j 争十1 9 d 8 最一奎 t 炬n i竺!翌 一 i i f w 图1 7 动态段成帧示意图 除了上述帧编码，f l e x r a y 协议还规定了符号编码，一共有三类：防碰撞符 号编码( c o l l i s i o na v o i d a n c es y m b o l ，c a s ) 、媒介访问测试符号编码( m e d i a a c c e s st e s ts y m b o l ，m t s ) 和唤醒符号( w a k e u ps y m b o l ，w u s ) 编码p6 。 f l e x r a y 媒介访问控制 在f l e x r a y 协议中，媒介访问控制主要是基于一个不断循环的通信周期【3 5 j ( c o m m u n i c a t i o nc y c l e ) ，在一个通信周期中，f l e x r a y 协议规定了两种媒介访 问机制：静态段中时分复用( t d m a ) 机制和动态段中基于最小时隙 ( m i n i s l o t t i n g ) 的机制。通信周期是f l e x r a y 媒介访问机制的基本单元，它构 成了f l e x r a y 总线上的时序层次结构【3 4 1 ，如图1 8 所示。 时问t + 通信周期层产戮黝戮字黝黝马 f 毪”i f i ：j o 磊 i 网蠡剐 静态段，动态段， 符号窗口 | 叮j 日j 栅格仲裁层黝黼一黝黼l 一 | | ，一 、 7 j静态时隙。 静态时隙最小时隙最小时隙l 宏节拍层厶一茹点7 - r t 删1 - r 妇- i 口一r z p - 一囱由量一一 舯勰紫 微节拍 图1 8f l e x r a y 总线时序层次结构 f l e x r a y 总线时序层次主要有四层，最上层为通信周期层，第二层为栅格仲 裁层，第三层为宏节拍层，最后一层为微节拍层。最上层定义了通信周期，包 含静态段、动态段、符号窗口和网络空闲时间四部分。第二层包含了仲裁栅格 8 武汉理工大学硕士学位论文 形成f l e x r a y 媒介仲裁的核心。静态段仲裁栅格由称为静态时隙的连续的时间间 隔组成，动态段则称为最小时隙，仲裁栅格层建立于宏节拍层之上。宏节拍与 宏节拍之间的边界称为触发点( a c t i o np o i n t s ) ，这些触发点都是发送应当开始( 在 静态段、动态段和符号窗口段) 或结束( 仅在动态段) 的瞬f 日q t 4 1 】【4 2 1 。 来自同步时基的角l 发 ( 周期起始事件) 来翩忽群擎 t 缀缀糍濑鞣麓瓣黼骱；2 一，j |f|f 。 网络空闲 静态段动j 辗 符号窗口网箱闲 静态段 时问 通信周期x - 1通信周期x通信周期x + l p 1 r 周期x - 1扁期x 图1 - 9 时基触发的通信周期图 在f l e x r a y 总线中，媒介访问控制单元( m a c ) 控制着编解码单元( c o d e c ) 和帧符号处理单元( f s p ) 2 1 】，图1 1 0 给出了它们三者之间的关系，箭头表示 相互之间的通信。 总线 图1 1 0m a c 、f s p 和c o d e c 三者之间的关系框图 在f l e x r a y 协议控制器做完一些必要的准备工作后，由更高层次的协议部分 发送消息，进行时钟同步。在其它f l e x r a y 接收节点中，编解码单元接收消息并 将它传递给帧符号处理单元为进一步计算使用。总起来说，f l e x r a y 中有两类通 信元素，即符号和帧。符号作为控制协议操作的手段，而帧主要用于e c u 之间 进行数据传送1 37 。 9 武汉理工大学硕士学位论文 媒介访问控制是连接控制器主机接口( c h i ) 和编解码单元( c o d e c ) 之 间的桥梁，如果主机想发送一帧消息，媒介控制单元从主机导入数据，并根据 主机提供的信息加上帧头。媒介控制单元同时也通知编解码单元什么时候发送 符号帧。媒介控制单元控制着访问总线的所有时序，严格遵守调度执行f 2 3 】f 3 8 】。 f l e x r a y 时钟同步 在一个实际应用的分布式通信系统中，每个节点都会有一个属于自己的独 立的时钟系统，但由于环境温度、供电电压等的波动以及时钟源( 例如石英晶 体振荡器) 的振荡误差，即使各节点在初始时刻进行了同步，各节点的内部时 基很短时间后彼此之间也会产生偏移。时间触发通信系统的一个基本假设就是 通信网络中的每个节点有近似相同的时间标准，并把这个公共的全局时间标准 作为节点通信的时序基准。“近似相同 意味着任意两节点之间全局时间允许有 特定的误差范围，并把其最大值称为精度。 f l e x r a y 使用分布式的时钟同步机制，每个节点使用一个容错算法通过观察 其它节点发送的同步帧单独将自己同步到簇中。时钟同步有两个时间概念，即 全局时间和局部时间，全局时间是针对f l e x r a y 簇来讲，局部时间是针对每个节 点而言。 f l e x r a y 时钟同步包含两个并行的处理过程，即宏节拍产生过程( m a c r o t i c k g e n e r a t i o np r o c e s s ，m t g ) 和时钟同步过程( c l o c ks y n c h r o n i z a t i o np r o c e s s ，c s p ) 。 m t g 控制f l e x r a y 通信周期和宏节拍计数器，并对f l e x r a y 通信速率和偏移进 行修正。c s p 主要进行f l e x r a y 通信周期初始化、时间偏差值测量并存储以及计 算f l e x r a y 通信速率和偏移的修正值【3 9 】。图1 1 l 简单描述了f l e x r a y 时间同步、 媒介访问进程和执行时间同步功能之间的时间关系。 媒介访问进程( m a c ) 蕾移謦正值计算 图1 1 1 时间同步、媒介访问进程和执行时间同步功能之间的时间关系 l o 武汉理工大学硕士学位论文 1 4f l e x r a y 唤醒与启动 唤醒描述的是f l e x r a y 簇从睡眠模式到全功能操作模式的转换过程。 f l e x r a y 簇唤醒的先决条件是所有收发节点的总线驱动器必须上电。当节点在其 特定的通道上收到了一帧唤醒符后，总线驱动器有能力唤醒节点中的其它元件。 这样一个过程实际上就是一个节点的电源管理过程。f l e x r a y 协议规定唤醒符不 能在两个通道上同时发送，这样做是为了防止在传输的同时故障节点干扰两个 通道的通信。节点唤醒启动电源后，就可以开始正常的通信工作【4 】。 基于t d m a 通信机制的通信系统需要参与通信的所有节点进行同步和对 齐。f l e x r a y 针对所有节点采用的是容错的、分布式的启动策略。在进行启动之 前所有节点必须被唤醒。初始化一个启动过程的行为称为“冷启动，能初始化 启动的节点的数目是有限的，并将它们称为“冷启动节点”。冷启动首先开始于 c a s ( c o l l i s i o na v o i d a n c es y m b 0 1 ) 符的发送，在一个f l e x r a y 簇中至少要有3 个节点，并且至少要有3 个冷启动节点。每一帧启动帧也是一帧同步帧，因此 冷启动节点也称为同步节点。 f l e x r a y 簇的启动由两个过程组成：一是冷启动节点启动，二是其它非冷启 动节点接收启动帧，与冷启动节点整合到一起。由于每个冷启动节点都可以作 为主冷启动节点启动f l e x r a y 簇，因此可能出现多个冷启动节点同时传输c a s 符并进入冷启动。为解决这一问题，在发送c a s 的前4 个通信周期内，当一个 节点完成初始化后收到一个c a s 符，它将会重新进入总线监听状态，因此总线 上只会有一个节点作为主冷启动节点来启动f l e x r a y 簇。 唤醒与启动机制 f l e x r a y 协议规定，从第4 个通信周期开始，除了主冷启动节点之外的其他 冷启动节点开始传输启动帧。主冷启动节点接收所有第4 个通信周期和第5 个 通信周期的从冷启动节点的消息并进行时钟修正，若该过程没有错误产生，且 该启动节点至少收到一帧有效的启动帧，那么该主冷启动节点完成启动过程， 进入“正常运行状态。 武汉理工大学硕士学位论文 一唤醒o c 协坟鼻f 嘲捩吝 退出拎启勐 局部唤醒件 c h s n n e la 抑制攫亢 嚣d 虱盘圃固鼍叠e 互 甄二二至匠二 司互篷耍虽虱夏 i 唤醒冷启劫节点 掉电复位 l 配置l 准备i 唤酲侦听l 唤墨发送i 准备i 冷启动侦听 c h 怕i 九b i 。、。o 、_ 、_ 。、_ 一 i 瀚h 节点i二二二二二二互歪二二二二二二压至匝。nnelbchanne