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f l e x r a y 的时间测量和时钟同步方法研究 摘要 随着汽车电子技术的迅猛发展，f l e x r a y 作为新一代汽车网络，越来越广 泛的应用于现代汽车控制系统。其高速、可靠以及实时的特点，极大地满足了 现代汽车的需求，比如在汽车悬架，a b s 等系统的应用。论文以优化时间测量 步骤以及提高时钟同步精度为目的，对f l e x r a y 总线协议中时间测量方法和时 间同步过程进行了深入的研究与分析，该研究对f l e x r a y 技术有着理论价值与 实践意义。 首先对f l e x r a y 协议时间测量过程进行研究，针对由于解码修正量和延时 补偿量而带来的误差问题，引出基于分析模式的时间测量方法。通过其与 f l e x r a y 协议时间测量方法进行比较，得出该方法并没有从根本上解决问题。 针对上述出现的问题，本文结合i e e e1 5 8 8 协议时钟同步算法对原协议时间测量方 法进行了改进，改进后的方法仪需要测量次要时间参考点，并通过简单的运算即可获 得时钟偏差值。 然后对f l e x r a y 协议时钟同步算法进行研究。通过对容错中值算法的分析， 得出该算法存在e 的传输延时，导致时钟同步漂移。本文在改进后的时间测量方法 的基础上，提出了一种f l e x r a y 的单节点容错算法。该算法不需要任何额外设备，仪 需要一个同步节点即可完成同步，并且优化了时钟同步精度。 最后，在c a n o e 软件平台下，利用d a v i n c in e t w o r kd e s i g n e r 软件并结合 f l e x r a y 真实节点，搭建了f l e x r a y 仿真系统。并在仿真系统上对此方法进行验证， 结果表明该方法具有可行性。 关键词：f l e x r a y ；时间测量；时钟同步；同步精度；容错中值算法；时间偏差 t h e；s e a r c ho ft i m el s u r e m e n ta n dc l o c k , ，,hronizaticer e s e a r c i lo lt l m em e a s u r e m e n ta nc l o cs y n c h r o n i z a t i o nk m e t h o d sb a s e do nf l e x r a y a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m o t i v ee l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , f l e x r a yw h i c hi sa n e wg e n e r a t i o no fa u t o m o t i v en e t w o r ki sm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e di nm o d e m a u t o m o t i v ec o n t r o ls y s t e m h i g h s p e e d ，r e l i a b l ea n dr e a l t i m ef e a t u r e sc a ns a t i s f yt h e s t r o n gd e m a n do ft h em o d e mv e h i c l e ，s u c ha sa u t o m o t i v es u s p e n s i o n ，a b sa n ds oo n t h i s p a p e ri s a i m e da te n h a n c i n gt i m em e a s u r e m e n tp r o c e d u r ea n dt h ep r e c i s i o no fc l o c k s y n c h r o n i z a t i o n ，a n dr e s e a r c h st h em e t h o do f t i m em e a s u r e m e n ta n dc l o c ks y n c h r o n i z a t i o n p r o c e s si nf l e x r a yn e t w o r k s i th a sa c t u a lv a l u ea n ds i g n i f i c a n c ef o rt h ew i d e s p r e a du s e o ft h ef l e x r a yb u s f i r s t ，t os o l v et h ep r o b l e mt h a tt h ed e c o d i n gc o r r e c t i o na n dd e l a yc o m p e n s a t i o nl e a dt o ， t h i sp a p e ra n a l y z e sf l e x r a yt i m em e a s u r e m e n tp r o c e s s ，a n dl e a d so u tam e t h o do ft i m e m e a s u r e m e n tb a s e do na n a l y t i cm o d e l c o m p a r e dw i t ht h em e t h o do ft i m em e a s u r e m e n to n f l e x r a yp r o t o c o l ，t h em e t h o do f t i m em e a s u r e m e n tb a s e do na n a l y t i cm o d e ld o e sn o ts o l v e t h ep r o b l e m t os o l v et h i sp r o b l e m ，i ti m p r o v e st h em e t h o do ft i m em e a s u r e m e n ti n f l e x r a yp r o t o c o lc o m b i n e dw i t ht h ec l o c ks y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mi n i e e e15 8 8 p r o t o c 0 1 a n dt h e n ，t h i s p a p e rr e s e a r c h e s t h ec l o c ks y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mo nf l e x r a y p r o t o c 0 1 a f t e ra n a l y z i n gt h ef a u l t - t o l e r a n tm i d p o i n t ( f t m ) a l g o r i t h m ，t h e r ei s at r a n s m i s s i o n d e l a yw h i c hc a i ll e a dt ot h ec l o c ks y n c h r o n i z a t i o nd r i f t i no r d e rt os o l v et h ed e f e c to f f a u l t t o l e r a n tm i d p o i n ti nf l e x r a yp r o t o c o l ，t h es i n g l e n o d ef a u l t - t o l e r a n ts y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h mo ff l e x r a yb a s e do nt h ei m p r o v e dt i m em e a s u r e m e n ti sp r o p o s e d i tc a n a c h i e v ec l o c ks y n c h r o n i z a t i o nw i t ho n l yo n es y n c h r o n i z a t i o nn o d ea n do p t i m i z et h e p r e c i s i o no fc l o c ks y n c h r o n i z a t i o n f i n a l l ye s t a b l i s ht h es i m u l a t i n gs y s t e mc o m b i n i n gt h ef l e x r a yr e a ln o d e st ot e s t i f yt h e s l o t sd i s t r i b u t i n gm e t h o d so nt h ec a n o e p l a t f o r m t h r o u g ht h et e s t ，t h er e s u l t sp r o v e dt h a t t h em e t h o disf e a s i b l e k e yw o r d ：f l e x r a y ；t i m em e a s u r e m e n t ；c l o c ks y n c h r o n i z a t i o n ；t h ep r e c i s i o no fs y n c h r o n i z a t i o n ； f a u l t t o l e r a n tm i d p o i n t ；t i m eo f f s e t 致谢 光阴荏苒，繁忙而充实的研究牛学习即将结束。经过近两年的资料收集整 理、撰写和修改，硕士毕业论文即将得以定稿；回首论文撰写过程中相关文献 的收集、相关数据的整理和分析、相关结构和路线的调整、修改直至完成，我 得到了众多人的帮助和支持，现向你们表达我最真挚的感激和谢意。 首先我要深深感谢我的导师张利教授和王跃飞副教授。近三年的研究牛学 习牛活中，两位导师严谨的治学态度、忘我的工作精神以及渊博的知识令我折 服。在张老师和王老师悉心的指导之下，我的学习和科研能力都得到了很大的 提高，更重要的是为人处事等各方面的能力都上了一个台阶，这就使我受用一 牛。在今后的学习牛活中，我一定加倍努力，以报答导师们对我的厚爱。 感谢分布式控制研究所团队，三年来团队给予我很多的关心和帮助，也给 了我很多学习研究的机会。团队的老师们给予我悉心的指导，特别是汽车电子 项目组的张本宏副教授。他在我课题研究上的帮助和指导，多次为我指点迷津， 提出不少宝贵的意见，没有他无私的帮助，我是无法顺利完成论文工作的。 感谢我的同学，挚友王涛，朱雅俊，赵爱国，刘啸然，杨建伟，谷建伟， 欧诗鑫等等。我们一起度过了人牛中及其重要的阶段，正是彼此的互勉互励使 我们拥有一个良好温暖的生活环境和积极向上的学习氛围；感谢你们在生活上 的帮助和在学习上的指导。 在硕士生活即将结束之际，我还要向我的父母、及各位亲人好友表达我最 深情的谢意。感谢你们对我的养育之恩，感谢你们这么多年对我无私的关爱和 大力的支持，感谢你们对我的谆谆教导和无尽的关心。另外还要感谢我的女朋 友徐慧，在我最困难的时候，她一直陪伴我左右。 最后，向所有关心过我，帮助过我的亲人、老师、朋友、同学们致以万分 的感谢和深深的祝福。 作者：季霆 2 0 1 2 年4 月 插图清单 图1 一l 多总线混合汽车网络系统1 图2 1 总线型网络拓扑结构8 图2 2 单通道联级星型网络拓扑结构一8 图2 3 双通道单星型网络拓扑结构8 图2 4 双通道联级星型网络拓扑结构一8 图2 5 单通道混合型网络拓扑结构9 图2 6 双通道混合型网络拓扑结构9 图2 7 通讯控制器与总线驱动器问的接口9 图2 8 静态部分帧编码1 0 图2 9 动态部分帧编码1 0 图2 10f l e x r a y 帧格式1 1 图2 1 1 消息i d 1 2 图2 12 网络管理向量1 2 图2 13 通信周期时序层次1 3 图2 14 静态段结构一1 4 图2 15 动态段结构1 4 图2 16 时问层次15 图2 17 时钟同步过程1 6 图3 1t s s 截断和传输延时2 0 图3 2 发送和接收节点的时间相位差2 1 图3 3 速率校正2 3 图3 4 速率校正和相位校正一2 4 图3 5p t p 时钟同步模型2 6 图3 6i e e e15 8 8 同步时序图2 7 图3 7 时间偏差的通信过程2 8 图4 1 容错中值算法流程图一3 1 图4 2 同步算法流程3 6 图4 3 时钟同步算法时序图一3 7 图4 4c a n o e 仿真系统一3 8 图5 一lc a n o e 界面一4 0 图5 2p a n e ld e s i g n e r 面板4 1 图5 3 用户界面4 2 图5 4f l e x r a y 数据库流程图4 3 图5 5 硬件系统连接图4 5 v i 图5 6f l e x r a y 网络设计4 8 图5 7 配置文件导入c a n o e 4 8 图5 8 通信正常运行时t r a c e 窗口4 9 图5 9 同步节点失效时t r a c e 窗口一4 9 图5 10 波特率2 5 m 同步精度比较曲线5 0 图5 11 波特率5 m 同步精度比较曲线5 0 v i i 表格清单 表l l 同步方法比较结果4 表2 - 1 外部时钟校正状态1 8 表3 1 数据组储存表2 2 表4 1 容错中值算法功能列表3 0 表4 2 分布式时钟同步的配置规则3 4 表4 3 同步节点优先级表3 4 表4 4 消息分配表3 8 表5 1 时钟同步数据库结构设计4 4 表5 2 系统参数配置4 6 表5 3 单点容错算法消息需求表4 6 表5 4f l e x r a y 原协议同步算法消息需求表4 7 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 随着我国国民经济持续快速的发展，人们对汽车的需求日益增大，这种需 求从单一的量的要求转换为对质的要求。为了满足人们对汽车安全性、可靠性、 舒适性的要求，各大汽车厂商都把目光投向了汽车电子领域，希望能在日趋激 烈的竞争中取得先机。汽车电子化程度是衡量汽车先进水平的标志，同时也决 定着车型的更新换代，目前几乎汽车的绝大部分性能改进都依赖于汽车的电子 电控部分，同时增加汽车电子的使用量也是赢得市场的一个丰要手段 1 3 1 。 在汽车中，车用网络控制系统需要对包括发动机电子控制、变速器电子控 制、防抱死制动系统以及雨刮器、安全气囊装置、车窗、门锁、座椅以及后视 镜等电子元器件进行控制。如此众多的电子元器件，如果采用传统的线束来连 接，不仪会导致车内布线复杂，使汽车的重量增加，成本上升，而且使汽车的 设计、牛产、装配以及维修更加网难。为了满足现代社会对汽车的要求，需要 使用能够实现多路传输的总线传输。 f l e x j t a y 骨干网 图1 1 多总线混合汽车网络系统 随着总线技术在汽车电子上的广泛使用，根据总线的传输带宽和价格比的 要求被应用在汽车不同的领域。目前有很多可供汽车厂商选择的总线协议，但 是运用比较广泛的总线有l i n 、c a n 、f l e x r a y 、m o s t 等，它们相互补充组合 成多种总线混合的汽车网络 4 - 6 ，图l 一1 即为汽车的混合网络系统示意图。l i n 由于低成本低速率的特点，只能用于一种辅助的总线网络，这样可以有效的降 低成本。c a n 总线是应用最广泛的现场总线，但是c a n 的传输速率相对较低， 即使高速c a n 也满足不了高速率的传输，所以c a n 总线不适合作为车身控制系 统的高端应用。m o s t 总线虽然支持高速传输，却是专门用于多媒体组件通信 1 的网络标准，不适合汽车底盘和线控的应用。f l e x r a y 总线这是在这种情况下孕 育而牛的，并已经逐渐作为新一代汽车内部网络的丰t 网络【7 l 。 f l e x r a y 总线与其他的车用总线相比较，具有明显的优势。首先，f l e x r a y 总线高达2x10 m b p s 的带宽，是目前c a n 总线标准速率的2 0 倍，极大的满足了 现在汽车的要求；其次，f | e x r a y 两条独立通信信道的设计，增大了网络的故障 容错性，提高了网络的安全可靠性；第三，f l e x r a y 将事件触发和时间触发两种 方式相结合，使网络具有高效的网络利用率和系统灵活性特点【引。 汽车电子对于安全性和可靠性的要求，使得汽车网络系统需要一个精确的 时钟基准来保证通信正常运行。为了保证网络中各节点时钟之间的频率和相位 基本相等并保持稳定( 控制在预先确定的容差范围内) ，必须对网络进行同步。 本课题通过对f l e x r a y 协议时钟同步测量和时钟同步算法的研究，结合i e e e 15 8 8 协议时钟同步测量方法对协议时钟同步测量方法进行了改进，并在改进的 时钟同步测量方法的基础上，提出了一种f l e x r a y 的单节点容错算法。仪需一 个同步节点，且无需额外设备即可完成时钟同步。该研究内容对提高f l e x r a y 时钟同步精度和容错能力具有积极的理论意义和实用价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1f l e x r a y 的研究现状 f l e x r a y 总线是为了提高车辆安全性、可靠性和舒适性这个目标而建立起 来的，由戴姆勒克莱斯勒公司根据其成功经验首先提出 9 1 。2 0 0 0 年，戴姆勒克 莱斯勒公司联合宝马、飞利浦和摩托罗拉等公司一同成立了f l e x r a y 协会，并 在2 0 0 5 年发布了v 2 1 规范标准。2 0 0 9 年，对v 2 1 规范标准进行了完善，发 布了v 3 0 版规范，但是现在公众无法见到v 3 0 规范，据介绍关键部分并无大 的变化【j 。 2 0 0 6 年，宝马公司首先将f l e x r a y 运用在其产品上，各大电子器件牛产厂 商也开始批量牛产f l e x r a y 控制器，以满足市场需求。随着现在对f l e x r a y 技 术的投入逐年的增加，f l e x r a y 技术也日趋成熟。为了实现f l e x r a y 大规模的 应用，目前针对f l e x r a y 的研究丰要有以下几个方面： 1 ) f l e x r a y 时钟同步的研究 时钟同步作为f l e x r a y 协议中的一个重要部分，也是国内外研究的丰要方 向。本文将对这部分内容做详细研究，并在1 3 2 中着重介绍这方面的国内外 现状，在这里就不重复介绍了。 2 ) f l e x r a y 实时性调度方面的研究 实时性作为网络传输条件的重要判定指标，一直是网络协议研究的重点。 f l e x r a y 实时性的研究丰要从f l e x r a y 的媒体访问控制入手，针对静态段和动 态段分配方法在实际应用中的不足，提出各种调度算法，以保证消息的可靠性 和实时性- l5 1 。 文献 11 分析了f l e x r a y 动态段的各项配置参数，并对关键参数的各项性 能指标进行了灵敏度分析，并且发现协议中规定的参数p l a t e s t t x 对f l e x r a y 动态段消息调度有着至关重要的作用。文献f 1 2 研究在f l e x r a y 动态段中的以 最坏响应时间为上边界的帧传输的时序问题，然后提出了一种算法重新分配帧 标识符( 优先级) ，优化设计目标，并给出具体的计算过程。 3 ) 其他关于f l e x r a y 的研究 f l e x r a y 网关技术、总线应用技术等方面的研究也是f l e x r a y 总线研究的 热点 1 6 - 2 1 。文献 1 6 】首先阐述了工业现场总线技术的需求，然后针对这种需求 对f l e x r a y 总线特性进行了研究，并对两者进行了比较。以f l e x r a y 总线在煤 矿开采领域的具体实例，说明了f l e x r a y 总线在工业自动化领域的优势。文献 17 19 中提出了f l e x r a y c a n 的网关设计方法，详细讨论了系统设计、硬件 设计以及不同的消息帧相互编码和解码的问题，实现消息在两种不同协议下的 相互转换。 由于f l e x r a y 控制器的生产成本比较高，在我国目前仍处于理论研究阶段， 还没有成功运用于实际的经验，离国外发达国家的水平仍然较大。但是f l e x r a y 的大规模使用是汽车网络的必然趋势，所以对f l e x r a y 的理论研究一直是国内 外的研究热点。 1 2 2 时钟同步研究现状 为了保证汽车电子的安全可靠，网络中需要一个精确的时钟基准。因此， 需要进行时钟同步来保证网络叶i 各节点时钟之问的频率和相位基本相等并保持 稳定( 控制在预先确定的容差范围内) 。 时钟同步按照网络中各节点是否需要完全一致，可分为逻辑时钟同步与绝 对物理时钟同步两种：逻辑时钟同步并不要求系统具有一个完全准确的时钟源， 只要系统中所有任务的执行顺序保持一致即可：而绝对物理时钟同步恰恰与其 相反，它要求系统必须具有一个可以作为参考时钟的标准时钟源，系统时钟同 步过程时，网络中各节点通过标准时钟源提供的时间进行时钟同步。 从时钟同步的实现机制来看，可以将时钟同步分为硬件时钟同步，软件时 钟同步和混合时钟同步：( 1 ) 硬件时钟同步，顾名思义就是利用一定的硬件设 施对计算机的硬件时钟进行操作，从而达到局部时钟之间的同步；( 2 ) 软件时 钟同步，与硬件时钟同步相对应，就是利用时钟同步算法进行的节点局部时钟 之间的同步；( 3 ) 混合时钟同步，由于硬件时钟同步和软件时钟同步都有各自 显著的优点和缺点，那么将它们各自的优点结合在一起，就形成了混合时钟同 步【2 2 2 引。对于三种同步方法比较如表l 一1 所示。 表1 1同步方法比较结果 同步方法成本灵活性同步精度 需要g p s 接收机或需要专有硬件，操同步精度可以达到 硬件时钟同步u t c 接收机等专用硬作不灵活1 0 9 秒到1 0 。6 秒 f ， ：，成本高 主要通过时钟同步算不需要专t ；| 同步硬同步精度一般为 软件时钟同步 法来实现网络之间的件，操作灵活 1 0 。6 秒到1 0 。3 秒 时钟同步，成本低 成本介j ：硬件与软件结合了硬件时钟同一般要比硬件时钟 混合时钟同步时钟同步之间，可以步与软件时钟同步同步低，但却比软 接受的优点件时钟同步高 另外，如果按照系统中是否存在一个或一个以e 的标准时钟源可以划分为： 外部时钟同步和内部时钟同步。外部时钟同步，有一个或一个以上的标准时钟 源存在于系统中，它可以通过硬件时钟基准或软件时钟基准获得系统所需要的 标准时间；内部时钟同步，系统中不存在统一的时钟源时，各节点为了达到时 钟同步的目的，需要网络中各节点之问相互交换信息来完成系统时钟同步【2 3 1 。 目前，国内外众多学者和研究机构对时钟同步方面进行了深入研究，研究 丰要集中在c a n 总线时钟同步方面。m a c i id ，f o n t a n e l l id ，p e t r id 在 文献 2 4 中提出了基于主从配置的c a n 总线时钟同步算法，该算法的最大 优点在于可以节省带宽资源，同步周期中时钟主节点只要发送一条同步消息即 可保证网络中所有节点的同步。j e n g h o n gc h e n ，l i n d s e yw c 在文献 2 5 中 提出了一种基于丰从配置的c a n 总线时钟同步算法，该算法可以看作是一种 非容错型的“后期协商”时钟同步算法。文献 2 6 2 7 在其基础上做出改进， 提出了容错型的“后期协商”时钟同步算法。文献 2 8 针对“后期协商”算 法出现的问题，提出了一种基于c a n 总线的“前期协商”算法。 随着f l e x r a y 总线在汽车中的逐步使用，对于f l e x r a y 总线时钟同步的研 究也变得越来越重要。由于f l e x r a y 协议与c a n 、l i n 等网络相比较有着完全 不同的特点，因此为了提高f l e x r a y 总线的同步精度，国内外学者对此进行了 广泛的研究2 9 。3 7 】。 清华大学的李佳、田光宁等在文献 2 9 中依据f l e x r a y 的通信原理，得 到了计算基于时分多址( t d m a ) 的静态段消息延时时间和基于柔性时分多址 ( f t d m a ) 的动态段消息的延迟时间的数学期望和均方差的公式，并使用 c a n o e f l e x r a y 对燃料电池城市客车通信进行了仿真，得到了各个消息的延迟 时问。结果表明f l e x r a y 网络静态段消息可以准确地按照预先设计的时刻发送， 动态段消息的延时则较大，但它的数学期望和均方差只与通信周期有关。 4 吉林大学的陈涛、秦贵和在文献 3 0 的基础上描述f l e x r a y 网络的基本 特点及f l e x r a y 网络时钟同步算法的具体过程，介绍f l e x r a y 网络的容错中 间点算法，提出时钟同步算法的数学模型，并对数学模型进行分析。从理论上 说明f l e x r a y 时钟同步算法具有较强的容错性和适用性。 j i nh ok i m 在文献 31 中提出了一种分布式时钟同步算法，将i e e el5 8 8 中的同步算法与f l e x r a y 协议中的同步算法相结合。该算法可以同步一个以上 的时钟源，当n u m b e ro fs y n c 等于1 时兼容i e e e15 8 8 ； 当 n u m b e ro fs y n c 大于1 使用多时钟源和f t m 算法，町以最大限度地减少网 络中故障节点的影响。 我国在汽车电子方面的研究起步较晚，对于f l e x r a y 时钟同步的研究相较 于发达国际仍然有很大的差距。在国内，f l e x r a y 时钟同步方面的研究任然处 于高校研究阶段，很少能够形成装备产品，并大规模应用于市场。所以对于 f l e x r a y 时钟同步方面的研究具有重要的价值。 1 3 课题来源及论文内容 1 3 1 课题来源 国家电子信息产业发展基金“具有远程监控功能的汽车智能多节点网络系 统”( 工信部财函【2 0 11 1 5 0 6 号) ；安徽省自然科学基金“基于时间隔离的汽车实 时网络防危调度研究”( 1 2 0 8 0 8 5 q f l1 8 ) 。 1 3 2 研究内容及章节安排 本课题对f l e x r a y 总线协议中的时钟同步测量方法以及时钟同步方法进行 研究，结合现有的方法对f l e x r a y 时钟同步测量方法进行改进，并在其基础上 提出一种f l e x r a y 的单节点容错时钟同步算法。利用c a n o e f l e x r a y 、d a v i n c i n e t w o r kd e s i g n e r 软件和f l e x r a y 节点搭建仿真验证系统平台，并对该时钟同 步过程进行评估。 课题的主要内容： 第一章绪论。介绍了本课题研究的背景以及国内外的研究现状，在汽车 网络应用的背景下引出对f l e x r a y 总线时钟同步研究的必要性。 第二章f l e x r a y 协议研究。分析了f l e x r a y 通信层协议规范，介绍了 f l e x r a y 协议的总体规范，f l e x r a y 网络结构，编码和解码过程，帧格式以及媒 体访问控制机制，并重点介绍了f l e x r a y 协议时钟同步机制及过程。 第三章f l e x r a y 时间测量研究。本章对f l e x r a y 协议中时间测量及储存过 程进行介绍，并对一种基于分析模式的同步时间测量方法进行分析。针对 f l e x r a y 协议中同步测量以及基于分析模式的同步测量出现的问题，结合i e e e 15 8 8 时钟同步算法提出一种新的同步测量方法。该方法不仪减少了测量步骤和 计算量，还消除解码修正量和延时补偿量所造成的误差。 第四章f l e x r a y 时钟同步算法研究。本章对f l e x r a y 协议中所用容错中值算 法进行分析，针对容错中值算法出现的同步漂移问题，提出了一种单节点容错 算法。该算法运用第三章所提同步测量方法，仪需要一个同步节点且不需要额 外的设备即可完成时钟同步。并以一个简单的实例对单节点容错算法进行仿真 说明。 第五章仿真验证。介绍了c a n o e 软件和d a v i n c in e t w o r kd e s i g n e r 软件，并 利用c a n o e f l e x r a y 、d a v i n c in e t w o r kd e s i g n e rf l e x r a y 以及f l e x r a y 真实节点 搭建仿真实验平台。在该仿真系统中对本文所提时间测量以及时钟同步算法进 行验证。实验结果表明上述方法的可行性。 第六章总结与展望。对全文所做工作进行总结，对文中所含创新点进行 分析与评估，针对文中尚未完善的地方提出下一步工作方向与目标。 6 第二章f l e x r a y 协议研究 2 1f l e x r a y 基本概念 f l e x r a y 总线良好的性能尤其是高速、精确和容错的特点，能够满足未来 先进汽车高速控制应用的需要。但是f l e x r a y 控制器的价格一般比较高昂，这 也导致了它的运用范围：高通信带宽和决定性容错数据传输能力的底盘控制、 车身和动力总成等。但是f l e x r a y 总线作为下一代汽车丰干网络，支持分布式 控制系统，可以与c a n 、l i n 以及m o s t 等总线组成混合型网络，用来满足未 来汽车的需求。 f l e x r a y 与其他车内通信协议相比较，除具有一般协议功能之外，还提供 了其特有的核心技术功能8 】 3 8 - 3 9 ： 1 ) 2 x 1 0 m b p s 的数据速率 f l e x r a y 可支持双信道通信，每信道高达1 0 m b p s 的速率，完全可以满足汽 车网络高速通信对带宽的要求。f l e x r a y 与c a n 网络最高1m b p s 的速率相比， 可用带宽提高了l0 - 4 0 倍。 2 ) 同步时基 f l e x r a y 总线是通过访问同步时基的方法进行时钟同步的。通信集群中有 一个精度介于0 5 u s 1 0 u s 之间时间同步基准，该同步时基在通信过程中自动 建立并且能够保持系统时钟的一致性。网络的同步信息通过静态同步帧周期的 在静态段中传输的。f l e x r a y 通过其独特的时钟同步方式完成节点之间的同步。 3 ) 消息传输的确定性 f l e x r a y 协议是基于时问触发和事件触发的媒体访问控制机制，所有消息 都是基于时分多址( t d m a ) 或者柔性时分多址( f t d m a ) 形式发送的。所有 的节点消息都是在一个不断循环的通信周期中传输，每个周期长度相等。特定 的消息在整个通信集群( c l u s t e r ) 中有特定的位置，每个消息接收器在接收前 已经知道将要接收到的消息到达的时间。f l e x r a y 传输的确定性保证消息到达 时间的准确性，并使得消息的延时和抖动性达到最小。 4 ) 冗余和非冗余通信 f l e x r a y 的冗余设置增强了系统的可用性。但是为了避免网络带宽的过度 损耗，并不是所有的消息都必须冗余传输的，即冗余和非冗余通信是可选的。 5 ) 灵活性 灵活性是f l e x r a y 协议开发过程中需要关注的性能，其主要表现为：( 1 ) 冗余和非冗余通信是可选的：( 2 ) 可以通过优化，提高静态带宽分配可用性和 动态带宽分配吞吐量；( 3 ) 支持多样的总线拓扑形式，不仪支持总线型拓扑结 构还支持星型以及混合型结构，而每一种类型都有单通道和双通道之分，在星 型结构中还存在联级方式。总线型如图2 1 所示，单、双通道联级星型如图2 2 、 图2 - 3 、图2 4 所示，单、双通道混合型结构如图2 - 5 、图2 - 6 所示 4 ，8 1 。 图2 1 总线型网络拓扑结构 谴道a 通tb 图2 2 单通道联级星型网络拓扑结构 图2 3 舣通道单星型网络拓扑结构 图2 4 双通道联级星型网络拓扑结构 8 图2 5 单通道混合型网络拓扑结构 图2 6 双通道混合型网络拓扑结构 2 2 编解码 为了支持双通道，f l e x r a y d o 每个节点必须实现两套独立的编码和解码过 程，一个用于通道a 一个则用于通道b ，a 、b 通道的编码解码过程同时完成。 如图2 7 所示，描述了在通信控制器和总线之间的编码解码过程【4 0 j ：t x d 为发送 信号，总线驱动器对其进行编码后发送；r x d 为接收信号，总线驱动器对其进 行“解包”，为编码的逆过程；t x e n 为通讯控制器请求数据信号。 c o 帅u n i c 埘o nb u sd r i v e r c o n t r o l l e r r x d 一 丁x d t x e k 图2 7 通讯控制器与总线驱动器间的接口 解码和编码包含三个过程：解码和编码过程( c o d e c ) ，位过滤过程 ( b i t s t r b ) 和唤醒模式解码过程( w u p d e c ) ，其中解码和编码过程为丰要 过程。 9 1 ) 帧编码 传输起始序列t s s ( t r a n s m i s s i o ns t a r ts e q u e n c e ) ：用于初始化传输节点与 网络的对接，由一段时间的连续低电平组成。 帧起始序列f s s ( f r a m es t a r ts e q u e n c e ) ：紧接在t s s 后，用来弥补第一个 字节开始可能出现的量化误差。f s s 由一段时长为1g d b i t 的高电平构成。 位起始序列b s s ( b y t es t a r ts e q u e n c e ) ：用于给接收设备提供比特流的时 序信息。b s s 由一段时长为1g d b i t 的高电平和1g d b i t 的低电平构成。 帧结束序列f e s ( f l a m ee n ds e q u e n c e ) ：用来标记帧的最后一个字节序列 的结束。f e s 由一段时长为l g d b i t 的低电平和1g d b i t 的高电平构成，位于有效 数据位之后。对于在静态段传输的帧，f e s 的第二位就是传输比特流的最后一 位。 动态尾部序列d t s ( d y n a m i ct r a i l i n gs e q u e n c e ) ：对于在动态段传输的帧， 在f e s 之后还要加上d t s ，用于指示发送端最小时间节拍触发点( m i n i s l o ta c t i o n p o i n t ) 得确切时间和防止接收端提前进行通道空闲检查。d t s 的长度在2g d b i t ( 1 9 d b i t 的低电平和1g d b i t 的高电平) 到g d m i n i s l o t + 2g d b i t ( 当d t s 在最小 时间节拍触发点之前少于1g d b i t 的时间内开始) 范围之间。 图2 - 8 与图2 - 9 分别为静态和动态部分的帧编码。 m a c f s pf s p f m a c f s p ： 图2 8 静态部分帧编码 m a cm a cf s p fi f 罴 。 趾豳- 陆皿好 卜 嚣一| = 丽丽画丽一h 面丽蠢一 i | 哪一，j ，鲫一k t x e n ! !竺l l o w 2 ) 特征符编码 图2 9 动态部分帧编码 f l e x r a y 通信协议定义了三个符号代表两个不同的符号位模式： 模式1 ：冲突避免特征符( c o l l i s i o na v o i d a n c es y m b o l ，简称c a s ) 和媒体 接入测试特征符( m e d i aa c c e s st e s ts y m b o l ，简称m t s ) ，这两种采用完全相同 的方式进行编码： 模式2 ：唤醒特征符( w a k eu ps y m b o l ，简称w u s ) ，采用与模式l 所不 同的编码模式。 2 3 帧格式 一个f l e x r a y 帧由三部分组成：帧头部分，有效数据部分和帧尾部分， f l e x r a y 帧格式如图2 1 0 所示。 周期 1 1 帧r o 鼗 头部c r c敷据0数据1数据2 数据nc r cc r cc r c 计敷 刽摧割捌捌1 l 位f 7 位、 1 l 位。6 位。一 0 2 5 4 字节 、。 2 4 位 、 i 二二二二二、 7 、7 17 17 帧头部分有效数据部分帧尾部分 。f l e x l a y 帧；+ ( 0 2 5 4 ) + 3 字节、 图2 一1 0f l e x r a y 帧格式 1 ) 帧头部分 f l e x r a y 的帧头有5 个字节( 4 0 位) 组成。其中包括保留位( 1 位) 、有效 数据指示位( 1 位) 、空帧指示位( 1 位) 、同步帧指示位( 1 位) 、有效帧指示 位( 1 位) 、帧i d ( 11 位) 、数据长度( 7 位) 、头部c r c 校验( 11 位) 、周期 计数( 6 位) 。 2 ) 有效数据部分 有效数据部分可由0 2 5 4 个字节或0 1 2 7 个字组成，在图2 1 0 中分别以数 据0 、数据1 数据2 5 3 表示。当帧头部分中的空帧指示为设为0 时，有效数据 部分就不包含有效数据，所有的数据位被设为0 。当帧头部分中的数据指示设 为1 时，如果帧在静态段被传输，数据指示位用来指示有效数据部分存在网络 管理向量；如果帧在动态段传输，数据指示位用来指示有效数据部分存在消息 i d 。当数据指示位设置为0 时，帧的有效数据部分既不包含网络管理向量也不 包含消息i d 。 在动态时序部分，有效数据部分的头两个字节通常用作消息识别域( 消息 i d ) 。在传输节点中，消息l d 是由丰机将其作为应用数据而写入的，通讯控 制器并不能够对消息i d 进行识别。在接收节点中，对一个帧的存储依靠于利 掣惜靼基督掣惜霉警鞲窿犁惦霉警昝 牮幅颦辍藏鼹忙罩矗鹾 用消息i d 而进行过滤处理的结果，如图2 11 所示。 消息i d 数据2 数据n 数据0数据l 1 6 位 0 2 5 4 字节 图2 11 消息i d 在静态时序部分，有效数据部分的头1 3 个字节( 数据0 数据1 2 ) 通常用 作网络管理向量( n e t w o r km a n a g e m e n tv e c t o r ，简称n m ) 。在同一个簇内，所 有的节点应具有相同长度的网络管理向量，如图2 12 所示。 图2 1 2 网络管理向量 3 ) 帧尾部分 f l e x r a y 的帧尾部分为一个2 4 位的帧c r c ，包括帧头部分的c r c 计算和 帧有效数据部分的c r c 计算。c r c 在两个通道内使用同样的多项式进行计算， 多项式为： x