其它总线技术及应用

1、5-2 其它总线技术及应用其它总线技术及应用l总线及协议共分为两种基本类型：事件触发方式和时间触发方式。基于事件触发方式的协议主要包括由德国 Bosch 公司制定的CAN（Controller Area Network）总线及其协议。l随着整车的安全性能要求越来越高，以时间触发方式为核心，提出了新的总线及协议，其中具有代表性的三种总线及协议分别为：Time-Triggered CAN(TTCAN)、TTP 和 FlexRay。一、总线两种触发方式概述一、总线两种触发方式概述l事件触发网络中所有活动都是由事件的发生所引起的，但是事件的产生是随机的、偶发的，何时会有一个事件触发是不可预知的，这就很

2、可能导致网络中的事件之间发生冲突l缺点：（1）由于该协议机制本身缺乏决定机制、同步和容错等特征，网络中的事件间的冲突会导致整个网络的实时性降低，因此，事件触发机制并不适用于对安全要求非常苛刻的硬实时系统。l（2）在最差条件下存在着传输不可预知、容错能力差、 低优先级消息容易被阻塞、总线负荷不平均等不足。尤 其是当系统进发消息较多， 即在小时间间隔中出现较多的连续消息时， 某些低优先级的消息会由于高优先级消息长时间占用总线而被阻塞， 使得整个系统性能遭到破坏。1、事件触发的特点、事件触发的特点事件触发方式的优点：事件触发方式的优点：l它有额外开销小和实现简单。l采用固定优先级调度算法：标识符ID

3、值的大小确定节点的优先级。例如，CAN总线ID的值为0，其优先级最高。ID值越大，其优先级越低。2、时间触发方式的特点、时间触发方式的特点l基于时间触发方式的协议是基于时间触发结构而产生的。所有节点根据时间同步化，每一个在网络上的活动都打上了时间标记。系统中的任务根据工作之前制定的时间表分配好了相应的总线时间，因此，在采用时间触发方式通讯的总线网络中，节点都按照事前制定的静态调度时间表（又称为矩阵周期）完成任务，节点总按照相同的顺序传送消息。l静态调度表被下载到各节点的控制器中，通信系统的分支系统只需知道何时传送一条消息以及何时在总线上的一条消息对自己是有用的。时间触发结构的主要优点之一是组合

4、能力，这使得将一个新的部分整合到系统中时能够减少对新的部分的测试，这是设计对安全性要求苛刻的系统时的关键因素。1、TTCAN的提出：的提出：基于事件触发的CAN总线系统采用媒体访问控制的仲裁机制，该机制能够保证具有高优先级的消息首先访问总线，即使其他节点所发送的消息试图访问媒体，也不会对先前的消息产生破坏。2、存在的问题：、存在的问题：较低优先级的消息对媒体的访问存在延迟；最高优先级别的消息对媒体的访问也会存在延迟；节点信息的发送时间不确定。3、目的：、目的：为了避免延迟存在；确保消息以确定性的通信模式在总线上传输；有效的利用CAN总线的物理带宽 TTCAN是CAN总线标准的扩展，是建立在标准

5、CAN上的高层协议TTCAN-Time Triggered communication二、二、TTCANTTCAN总线总线lCANCAN采用的采用的非破坏性总线仲裁技术非破坏性总线仲裁技术，本质上属，本质上属于以事件触发的通信方式于以事件触发的通信方式其通信具有某种程度的非确定性，无法从根本上保证数其通信具有某种程度的非确定性，无法从根本上保证数据的实时传输据的实时传输l基于基于CANCAN的的时间触发时间触发的通信协议，保证网络调的通信协议，保证网络调度具有确定性、实时性度具有确定性、实时性l为满足汽车控制网络数据通信的实时性要求而为满足汽车控制网络数据通信的实时性要求而开发了如开发了如TT

6、-CANTT-CAN、FTT-CANFTT-CAN等等能及时传送控制网络的各种数据能及时传送控制网络的各种数据TT-CAN（ Time Triggered communication on CAN）l基于时分多路访问( TDMA) ，将消息的传输分配在特定的时间窗口内完成。l网络中各个节点达到一定精度的时钟同步，这就要求每个节点均有一个各自的本地时钟（local time），时间主节点发送特定 ID 的参考消息实现各节点的时钟同步，即以系统的全局时钟统一校时。l实现各节点的时钟同步，即网络各节点每收到一次参考消息，各节点本地时钟被同步一次；在时钟同步的基础上，各节点按照系统同步时间通讯表（以下

7、简称系统矩阵）的调度安排，在规定的时间窗内完成相应的任务，从而实现周期性地传输消息。4、TTCAN 消息的类型消息的类型l在 TTCAN 网络中，从消息的实时性要求来分，总线上所传输的消息分为两种类型：周期型消息和非周期型消息。l周期型消息是指具有固定的发送周期，对实时性的要求较高，对系统而言比较重要的消息；周期型消息采用时间触发的方式进行发送，并且在规定的时间段内只允许发送一条该消息，不与总线上的其他消息因为争夺总线的使用权而发生冲突。l非周期型消息指的是对实时性要求不高，没有规定发送周期的消息；与 CAN 总线的仲裁机制相同，TTCAN 网络中的非周期型消息在规定的时间段内需要与其它的非周

8、期型消息互相竞争，争夺总线的使用权。5、TTCAN的说明：的说明：p TTCAN是建立在基本CAN协议上的一个高层协议，对网络上的所有CAN节点进行通信时序同步，并提供以及各全局系统时间；p 当所有的节点同步后，任何消息只能在一个特定的时间段内发送，不需要与其他消息竞争，延迟时间可预知。p TTCAN是CAN总线标准的扩展；p TTCAN的数据链路层和物理层完全与现有的CAN控制器兼容，可使用相同的总线和总线收发器，最高速率可达到1Mbps；6、TTCAN向下兼容向下兼容CAN情况情况:p现有的CAN控制器可以接收TTCAN的网络的所有消息；pTTCAN控制器也可以在现有的CAN网络中运行；p

9、TTCAN控制器可以被认为是现有CAN控制器的帧同步实体的增强版；pTTCAN的节点经过配置后可以像现有的CAN节点一样运行；p现有的CAN节点在TTCAN网络中以只听方式接收信息；p但在TTCAN网络中，CAN节点是不能发送数据的，这样会扰乱通信的时序。7、TTCAN的缺点和问题的缺点和问题l1） TTCAN与CAN是不兼容的TTCAN要求独占窗，因此它不能和CAN混合使用在一个系统中。带CAN通信口的ECU不受TTCAN的约束，可在任意时刻发送，就有可能在总线空闲时争得发送权，使TTCAN的调度发送完全失效。汽车厂在采用TTCAN时必须将所有要用到的ECU都改为用TTCAN的方式，这就要重

10、新认证和验证所有的ECU，涉及大的工作量和投资。如果用网关将CAN的ECU过渡到TTCAN网，其成本的增加更大，只具有实验意义。除非，系统中CAN节点始终不发送数据，只接收数据。此时，两者可以同时存在一个系统中7、TTCAN的缺点和问题的缺点和问题l2）由预留Error Frame帧引起的开销大TTCAN没有禁止Error Frame，由于错误可能出现在任何时间，就可能发生在帧的最后处，每一个Slot都要预留Error Frame的时间，否则它会阻碍下一个Slot内消息的发送，这是很大的开销，使TTCAN远达不到设想的100%的总线利用率。假定最小的数据帧为1B数据，长为65位，而Error

11、Frame为20位，那么这项开销达到23.5%。7、TTCAN的缺点和问题的缺点和问题l3) Slot（时隙）用途不同造成时间利用率由于TTCAN规定调度好的Cycle中的Slot划分是一样的，但可能的用途不同。不同的Cycle同一Slot里可能安排了长短不一的消息，此时对短帧来说，留下的时间就浪费了。l4) 事件消息被阻塞的延迟可能性增大在TTCAN中，由于调度结果造成几个连续的Slot都是独占窗，此时事件消息要等待的时间很长，必须有特别的设计加以处理。l5)网络内的时间同步要求较高用软件来实现时就得留出时间以容许主从节点间的同步误差，这就又减少了带宽。7、TTCAN的缺点和问题的缺点和问题

12、l6) 丢帧处理两难TTCAN在传送出错的情况下，不对本帧进行自动重发。在应用上要有所考虑。或者用比实际需要更多的发送，丢掉就算了的策略，这也会浪费带宽；或者由应用层在仲裁窗组织重发，但这相当复杂。如用冗余的第2条总线，意味着成本的加倍。l7) 仲裁窗的要求较难实现在仲裁窗判断事件消息能否发完，然后控制事件消息的发送是不容易实现的。用软件来实时处理来不及，又没有现成的硬件。lFlexRay是继CAN 和LIN之后的最新研发成果，可以有效管理多重安全和舒适功能，FlexRay适用于线控操作(X-by-Wire)lCAN存在的问题：CAN对于密集型、实时性要求很高的应用，存在问题l不可预知的延迟（

13、除非购买昂贵的解决方案）l位错误难以发现；l带宽限制，最大是500kbps，1Mbps可能；l基于CAN的智能传感器和执行器代价昂贵；l随着汽车体系结构越来越复杂，更多的ECU加入到汽车商，采用CAN网络会额外增加的ECU，网关、连接器会导致汽车重量的增加l新兴的线控系统（ X-by-Wire )的要求：高速、确定性时间触发、容错性三、三、FlexRayFlexRay总线总线1、FlexRay的提出的提出Why FlexRay? CAN Latency总线负载总线负载消息延迟消息延迟典型的CAN网络 不可预知的延迟总线负载总线负载消息延迟消息延迟典型的时间触发网络 可预知的延迟Why Flex

14、Ray? Complicated ArchitectureslCAN 虽然标准，但是也包含了如下的问题:lCAN线路遍及整个车辆（将车头、车尾、车身等连接起来）l太多的ECU导致CAN总线系统设计实现复杂l针对于未来线控网络的应用方面，CAN没有足够的优势。新兴网络 节点的成本TTP/CMOST25(Optical)?FlexRay?II成本成本0.52.55.020K1M10MCAN?/?TTCANLIN25MFlexRay?2.1Safe-by-Wire400MIDB-1394(Firewire)?Bit?rateMOST50(Twisted?Pair)?lFlexRay可以为下一代的车内

15、控制系统提供所需的高速率速度和高可靠性FlexRay有两个通信信道，两个信道的的数据速率最大可达到10Mbps,总数据速率可达到20Mbit/秒； FlexRay既可以像LIN和CAN一样采用单信道通信，也可采用双信道通信； FlexRay的双信道通信，可以通过网络传输冗余数据，从而提高可靠性应用在车载网络，FlexRay 的网络带宽可能是CAN的20倍之多。2、FlexRay的特点的特点lFlexRay提供灵活的配置，可支持各种拓扑，如总线、星型和混合拓扑。lFlexRay可以进行同步（实时）和异步的数据传输，来满足车辆中各种系统的需求；lFlexRay采用TDMA 和 mini-slott

16、ing 消息调度的确定性访问方式，具有容错功能和确定的通信消息传输时间，同时支持事件触发和时间触发。lFlexRay在每个通信周期内都提供静态和动态通信段静态通信段可以提供有界延迟；动态通信段则有助于满足在系统运行时间内出现的不同带宽需求。2、FlexRay的特点的特点lFlexRay联盟2000年成立核心成员：BMW 、Bosch、Daimler、Freescale 、GM、NXP、VW成员: 目前93个(2009.10.12)联盟的目标：开发面向车内高速控制应用的高级通信技术，提高车辆安全性、可靠性和舒适性，提高可供市场所有用户使用的技术。lFlexRay协议到目前为止， FlexRay已

17、经发不了7个版本的协议规范；目前的版本为2005年发表的V2.12007年第一辆FlexRay车（BMW X5 4.8i）量产，主要用于电子控制减震器系统奥迪以XCP on FlexRay作为下一代豪华运动车A8的标定协议。3、FlexRay的组织的组织l应用领域：分布式控制系统l一体化控制：动力系统、底盘系统高安全性要求的系统lX-by-Wire(线控系统）l牵引及安全控制系统l国防：地面设备高传输速率要求的系统l车辆主干网l国防：地面设备l工业控制领域（正在讨论）4、FlexRay的应用和发展的应用和发展未来车网架构 高速主干网高速主干网 X-by-Wire 安全气囊部署安全气囊部署 车门

18、车门 座椅等座椅等.Applications: 动力系统动力系统车身系统车身系统 娱乐信息积木娱乐信息积木lFlexRay采用时间触发通信，数据传输具有确定性。基于时间槽(slot)或时间窗口(windows)通信特点l确定性消息的传输时间是可知的l时间矩阵定义时间表m 个窗口 x n 周期消息调度技术:lTDMA（时分多址接入）lMini-slotting（微时隙）5、FlexRay的时间触发网络原理的时间触发网络原理lTime Triggered Matrix for Schedule（一览表、清单）Free WindowFree WindowFree WindowMessage2Mess

19、age1Free WindowFree WindowMessage4Message3Message1Free WindowFree WindowFree WindowMessage2Message1Free WindowFree WindowFree WindowMessage3Message1Message6Message5Message4Message2Message1Increasing Window or Slot NumberIncreasing Cycle Number通常情况下：消息在一个适当的确定的时槽传输5、FlexRay的时间触发网络原理的时间触发网络原理Cycle 0Cy

20、cle 1Slot ID mMini-Slotting Scheduling Technique（计划编制法）Cycle 2m+1mSlot ID m+2Communication Cycle Lengthm+1m+2mm+1m+2时隙的持续时间取决与帧传输的时间如帧没有传输，则转到下一个时隙5、FlexRay的时间触发网络原理的时间触发网络原理l网络拓扑的分类按照信道分l单信道l双信道按照拓扑机构l总线型l 星型l混合型6、FlexRay总线网络拓扑总线网络拓扑l单信道单信道总线型总线型 IBus24m 4 nStubs 226、FlexRay总线网络拓扑总线网络拓扑单信道无源星型单信道无源

21、星型lIStubN IStubM24ml3 nStubs 22lnSplice1（接头1个）6、FlexRay总线网络拓扑总线网络拓扑单信道有源星型单信道有源星型llActiveStarN 24mlnActiveBranches26、FlexRay总线网络拓扑总线网络拓扑单信道混合拓扑单信道混合拓扑单信道-总线单信道-无源星型单信道-有源源星型6、FlexRay总线网络拓扑总线网络拓扑双信道可独立选择拓扑形式双信道可独立选择拓扑形式6、FlexRay总线网络拓扑总线网络拓扑lFlexRay节点组成：控制器l主机控制器l通信控制器驱动器l总线驱动器l总线监控器 监视接入总线的连接n通信的原理：l

22、发送器主机将有效的数据发送给通信控制器，在通信控制器中进行编码形成位流，通过总线驱动器发送到相应的信道上。l接收数据在某一时刻，由总线驱动器访问总线，将数据位流送到通信控制器进行解码，将有效数据部分由通信控制器送给主机CPU。7、FlexRay的工作原理的工作原理lFlexRay的节点有几个基本的运行状态配置状态（默认配置/配置）l-用于各种初始化设置，包括通信周期和数据速率就绪状态-用于进行内部的通信设置唤醒状态l-用于唤醒没有在通信的节点。在该状态下，节点向另一节点发送唤醒信号，唤醒并激活通信控制器、总线驱动器和总线监控器。启动状态-用于启动时钟同步，并为通信做准备。正常状态（主动/被动）

23、-可以进行通信的状态中断状态-表明通信中断工作状态的错误处理8、FlexRay的工作状态的工作状态默认默认配置配置配置配置就绪就绪中断中断唤醒唤醒启动启动主动主动正常正常被动被动正常正常8、FlexRay的工作状态的工作状态lFlexRay也存在与错误相关的状态转移在时钟同步和时钟校正错误的错误计数器的数值基础上加以管理的。FlexRay 网络有一个或一个以上传输同步信息的同步节点。当个别节点的时钟与FlexRay同步节点时钟有所出入时，就会出现时钟校正错误。在收到任意一条同步信息后，节点会将其时钟与同步节点的时钟相比较，并根据同步需要做出必要的变化。每个节点都要进行错误计数，其中包括时钟同步

24、中连续发生错误的次数。同时，节点还要监测和帧转移/接受状态相关的错误，其中包括语法错误、内容错误、总线干扰错误以及转移冲突所导致的错误。l一旦某节点发现该类错误，就会通知主机处理器。错误计数器的使用取决于应用用途和系统设计。8、FlexRay的工作状态的工作状态l错误状态图8、FlexRay的工作状态的工作状态（1）byteflight的功能与发展byteflight 系统是由 BMW 与 Motorola、Elmos、Infineon 合作开发的，主要用于传输时间上要求特别紧迫的安全气囊系统数据。 byteflight系统的数据传输速率为10Mbit/s，可以满足对数据传输的实时性要求非常高

25、的汽车安全气囊系统的要求，且可在强电磁干扰条件下可靠地传输数据。 byteflight在ISIS（智能安全集成系统）和 ASE （高级安全电子设备）中使用。这两个安全系统负责控制安全气囊、安全带拉紧装置和断开安全蓄电池接线柱。四、四、byteflightbyteflight总线总线1、byteflight简介简介（2）byteflight总线的拓扑结构 BMW车辆使用byteflight将用于控制安全气囊系统、乘员保护系统和安全蓄电池接线柱的控制单元联网。 数据传输介质是塑料光导纤维，光导纤维通过光波脉冲传输数据。因此，更不易于受到外部干扰。数据传输速率为10 Mbit/s。传输介质为一根光导

26、纤维，且可朝两个方向双向传输数据。控制单元以时间和事件触发方式进行通信。既能以同步方式传输数据，也能以异步方式传输数据。图图 byteflight系统采用星形拓扑结构系统采用星形拓扑结构（1）byteflight的数据结构 同CAN总线一样，数据也通过数据电码传输，除数据字节的数量外数据电码结构完全相同。byteflight 可传输最长为12个字节的数据。图图 byteflight数据电码的结构数据电码的结构1起始顺序；2起始位；3停止位；ID标识符（决定电码的优先级和数据内容）；LEN长度（包括数据字节的数量）；D0数据字节0（起始数据字节）；D11数据字节11（最大的结束数据字节）；CRC

27、H高位循环冗余码校验；CRCL低位循环冗余码校验2、byteflight系统的数据传输系统的数据传输 byteflight数据电码分为优先级较高的电码和优先级较低的电码两类。数据优先级通过标识符进行识别。标识符允许范围位于1至255之间，其中1表示最高优先级。优先级较高的信息是碰撞传感器发来的数据，而优先级较低的信息一般是系统状态信息和系统故障诊断信息。 图 电码优先级1标识符（决定电码优先级）；2报警同步脉冲（报警状态下的同步脉冲）；3低优先级信息（优先级较低的电码）；4正常同步脉冲（正常状态下的同步脉冲）；5高优先级信息（优先级较高的电码）；t_cyc循环时间（一个同步脉冲的循环时间）（2

28、）卫星式控制单元 卫星式控制单元与主控制单元之间的电码始终以起始顺序为开始，接下来是一个标识符。数据电码的优先级通过该标识符确定。系统不断查询所有碰撞传感器信息并将数据分配给byteflight系统所有控制单元。 图 各个卫星式控制单 元与SIM之间的数据流 14安装于车内不同位置的卫星式控 制单元；5SIM（安全和信息模块） 主控制单元（SIM）再将卫星式控制单元提供的数据电码向系统内的所有卫星式控制单元发布，其过程如图3-54所示。卫星式控制单元视碰撞的剧烈程度决定由其控制的气囊是否触发以及触发强度。13安装于车内不同位置的卫星式控制单元；4控制侧向安全气帘的卫星式控制单元；5SIM（安全

29、和信息模块）图 主控制单元发送至卫星式控制单元的数据电码 如图所示，控制侧向安全气帘的卫星式控制单元已经发出触发安全气帘的指令，且该安全气帘已经触发（即引爆器引爆，安全气帘彭开）。（3）总线访问程序 byteflight系统根据规定的时间间隔分配来控制总线访问情况。执行这个控制程序时，只能在规定时间内发送特定信息，该信息通过其标识符进行识别。 （4）发送和接收模块 发送和接收模块能够将电信号转变为光信号并通过光导纤维传输。每个卫星式控制单元都有一个电子光学发送和接收模块（SE）。 这些SE模块分别通过光导纤维连接在SIM内的智能型星形连接器上。SIM内也有用于与各个卫星式控制单元交换数据的发送

30、和接收模块SE。图 星形连接器与卫星式控制 单元通过SE进行数据交换（5）byteflight 主控单元 byteflight主控单元执行两个任务，一是产生同步脉冲（Sync Pulse），二是使卫星式控制单元进入报警模式。（6）同步脉冲 SIM内的byteflight总线主控单元以250 s为时间间隔发送同步脉冲。报警模式通过同步脉冲宽度发送。处于报警状态时，一个同步脉冲的持续时间约为2 s 。同步脉冲时间通常约为3 s。图 byteflight总线上的信息循环A报警同步脉冲；B正常同步脉冲；C同步脉冲；D电码；Z1循环1；Z2循环2；Z3循环3；Z4循环4 总线主控单元必须根据所有碰撞传感器发送的信息决定是否将卫星式控制单元设为报警模式。由主控单元设置报警模式后，安全系统的所有引爆电路都将设为准备触发状态。 需要触发一个引爆输出级时，必须始终将两个独立的信号传输到byteflight总线上。图 使左前侧安全气帘引爆电路触发的信号流程 1-报警模式脉冲；2-高压侧开关；3-引爆电容器；4-左前侧安全气帘引爆器；5-低压侧开关；6-微处理器；7-用于控制左前侧安全气帘的卫星式控制单元（1）宝马BMW高级安全电子系统的特点 高级安全电子系统ASE具有以下优点：快速获取并传输数据（传输速率为10Mbit/s）； 准确识别碰撞；安全气囊控制系统