第7章-FlexRay总线-冒航教学课件.ppt

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1、第第7章章-FlexRay总线总线-冒航冒航信息与控制工程研究所 冒航冒航第第7章章 FlexRay总线总线1.37.1 FlexRay的起源及主要特征 实际上，当时已经出现了多种可（或可能）用于汽车环境的网络，如CAN、TTCAN、TTP/C和Byteflight。为此，部分工业企业专门成立了一个技术团体，针对这些网络进行详尽分析。研究结果清楚地表明，它们之中不存这样一种网络。不仅如此，该技术团体还在研究过程中定义了一种新网络，也就是本章所讲的FlexRay。1.FlexRay联盟成立 汽车制造商：宝马汽车公司（BMW）、戴姆勒-克莱斯勒公司（Daimler Chrysler）、通用汽车公司

2、（General Motors）和大众汽车公司（Volkswagen）；设备制造商：罗伯特博世有限公司（Robert Bosch）；芯片制造商：摩托罗拉公司（Motorola）（后来成为飞思卡尔公司）和飞利浦公司（Philips）（后来成为NXP半导体公司）。2.FlexRay的发展历程 2002年4月，FlexRay联盟在德国慕尼黑（Munich）召开的一个公开会议上正式推出FlexRay总线。2004年6月30日，FlexRay联盟的网站上公布了三个参考文件，分别为：2.0版协议、物理层和初级总线监控器。2004年9月在德国伯布林跟（Bblingen）进行了第一次“FlexRay产品”展示

3、。随后，FlexRay联盟又先后发布了FlexRay 2.1版、2.1A版、2.1B版和FlexRay 3.0版。最后这个版本是2010推出的，又称为“2010年版”。7.1.1 FlexRay的形成与发展的形成与发展 4 7.1.2 FlexRay总线的体系结构总线的体系结构7.1 FlexRay的起源及主要特征表表7-1 7-1 FlexRay的发展历程的发展历程表表7 7-2 2 FlexRay规范包规范包编号规范NWIP 17458-1FlexRay communications system Part 1:General information and use case defini

4、tion N 3065（FlexRay通信系统第1部分：通用信息和用例的定义N3065）NWIP 17458-2FlexRay communications system Part 2:Data link layer specification（FlexRay通信系统第2部分：数据链路层规范）NWIP 17458-3FlexRay communications system Part 3:Data link layer conformance test specification（FlexRay通信系统第3部分：数据链路层一致性测试规范）NWIP 17458-4FlexRay communic

5、ations system Part 4:Electrical physical layer specification（FlexRay通信系统第4部分：电气物理层规范）NWIP 17458-5FlexRay communications system Part 5:Electrical physical layer conformance test specification（FlexRay通信系统第5部分：电气物理层一致性测试规范）7.1.3 FlexRay的主要特点及用途的主要特点及用途 通信带宽。FlexRay带宽不受协议机制的限制，可在单个通道上支持2.5、5和10Mbit/s的通信

6、。当采用双通道冗余系统时，最高可达210Mbit/s，远高于CAN总线。时间确定性。FlexRay总线采用建立在循环和通信周期基础上的时分多路数据传输方式，周期性数据在通信周期中拥有固定的位置，确保了报文到达的时效性。57.1 FlexRay的起源及主要特征 分布式时钟同步。FlexRay使用基于同步时基的访问方法。同步时基是通过协议自动建立的，精度可达1s。容错数据传输。FlexRay通过专用的确定性故障容错协议支持多个级别的容错，其中包括通过单通道或双通道模式，提供传输所需的冗余和可扩展的系统容错机制，确保数据传输的可靠性。灵活性。FlexRay支持总线型、星型、级联星型和混合型等多种拓扑

7、结构，支持时间触发和事件触发通信方式，支持报文的冗余和非冗余传输方式，且提供大量配置参数供用户灵活进行系统调整、扩展。67.2 通信循环运用FlexRay协议进行的通信是通过“通信循环”组织起来的，“通信循环”是周期性的，且持续时间相等。原则上，循环的持续时间是恒定的，并与“全局时间”相联系。77.2 通信循环在图7-2中，FlexRay协议的通信循环采用“2n+x”进行编号，刻意采用这种编号方式的原因在于，在FlexRay操作中需要考虑循环的奇偶性。FlexRay通信循环的一般结构如图7-3所示，它由4个不同的“段”组成，这些段以固定的时间间隔循环重复。(1)静态段（ST）：专门针对确定性实

8、时应用，具有已知和确定的带宽。(2)动态段（DYN）：可选项，专门针对事件触发应用，服从概率管理，具有可变带宽。(3)符号窗（SW）：可选项，用于发送专用通信符号，专门针对采用了总线监控器（BG）的应用(4)网络空闲时间（NIT）：循环结束段。在这时间阶段，网络处于空闲模式，因此称为“网络空闲时间”。上述各段中，动态段、符号窗是可选项，通过选择不同的段，通信循环可以有不同的构成模式，这使得FlexRay具有十分广阔的应用领域。此外，静态段和动态段之间的边界位置完全由用户决定，因此用户能够使FlexRay网络系统最大程度地发挥作用。FlexRay的解决方式是，把静态段细分成若干个时隙，把动态段细

9、分成若干个微时隙，如图7-4所示。通常情况下，时隙的长度大于或等于微时隙。87.2 通信循环7.2.1 7.2.1 静态段与时隙静态段与时隙使用静态段的目的是确保高性能确定性通信。在这个段中，不仅要精确定义所承载报文的语义（含义），而且要正确处理系统采集数据与控制输出数据之间的先后关系。静态段尤其适合于功能分布式和安全关键型应用。静态段的细分规则如下：(1)所有时隙具有相同的持续时间。(2)各个通信循环包含的时隙数量相等。(3)每个时隙的编号（ID）是唯一的。(4)在采用双通道通信时，两个通道上的时隙格式（持续时间和编号等）相同。(5)时隙的起始时刻和持续时间由网络的全局时间来定义。(6)每个

10、时隙只允许一个节点有输出，但同一静态段可把几个时隙分配给同一节点。(7)时隙标识符（ID）与输出节点的发送（Tx）操作相联系。(8)同步过程至少需要使用静态段的两个时隙。97.2 通信循环7.2.2 7.2.2 动态段与微时隙动态段与微时隙 在使用动态段的情况下，系统设计者要以离线方式预先把动态段细分成持续时间相同的“微时隙”，每个微时隙具有精确的开始和结束时刻，如图7-4所示。在动态段内，微时隙单独编号，并且其编号还与所在循环有关。微时隙的分配是由系统设计者离线定义的。微时隙的时间位置代表节点可以根据应用的需要启动通信元件的“可能时刻”（受制于第7.4节介绍的某些条件）。当微时隙在一个自发的

11、发送事件之后被使用时，它会改变其名称，从“微时隙”变成“动态时隙（Dynamic Slot）”，如图7-5所示。107.2 通信循环7.2.3 7.2.3 符号窗符号窗通信循环中的符号窗是一个可选项，它是专为包含媒体访问测试符号（Media access Test Symbol，MTS）而设置的。MTS用来验证本地总线监控器是否正常工作，这是一个长度为30位的低电平（cdCAS=30bits）。在符号窗内，仅允许发送一个MTS，紧随MTS之后是一个通道空闲定界符（Channel Idle Delimiter，CID），CID是一个由11个二进制位（全部为“1”）组成的字段，这里被作为符号窗结束

12、标志，如图7-6所示。对于有多个发送方使用符号窗的情形，FlexRay协议没有提供仲裁机制。如果有这种仲裁需求，那么必须通过更高层的协议来解决。117.2 通信循环7.2.4 7.2.4 网络空闲时间网络空闲时间一个通信循环包括若干个宏节拍，其中一部分被分配给静态段、动态段和符号窗，另一部分则用于构成网络空闲时间。每个FlexRay通信循环都要使用NIT这个特殊字段作为结束。在NIT期间，若用示波器观察网络，则在它之上什么都没有发生，线路上也不存在流量，网络处于空闲（等待）模式。然而，这只是表面现象，事实上在此期间存在大量与时间同步相关的操作。NIT段的持续时间（gdNIT）不得超过767个宏

13、节拍。NIT开始后，所有网络节点会利用这段时间来做网络全局时间同步方面的计算（偏差和速率计算，详见第7.5节），或执行特定的、与通信循环相关的任务。如图7-8所示，所有节点利用NIT的末尾部分来实施它们的本地时间偏差修正，偏差修正的起点用循环开始后的宏节拍数量（gdOffsetCorrectionStart）表示。由于这些偏差修正会影响节点簇中的所有参与者，因此NIT的持续时间是一个与簇密切相关的量。127.3 FlexRay通信帧如图7-9所示，FlexRay通信帧分为静态通信帧（简称静态帧）和动态通信帧（简称动态帧），前者在静态时隙中传输，占用静态段的时隙，后者在动态时隙中传输，占用动态段

14、的微时隙。两种通信帧之间极其相似，不同之处很少。7.3.1 7.3.1 通信帧格式通信帧格式FlexRay通信帧主要由帧头、有效负载（数据）和帧尾（帧结束）三部分组成，如图7-10所示。值得注意的是，图中仅给出了与逻辑数据相对应的位，而不是那些在媒体上实际传送的位。帧头长度为5个字节，有效负载长度为0254个字节，帧尾长度为3个字节，通信帧的总长度为三者之和，共计5+(0254)+3=8262个字节，也就是说，通信帧共包括642096个具有逻辑意义的位。137.3 FlexRay通信帧1.帧头帧头包括：前导指示符，5位；帧ID，11位；有效负载场长度，7位；帧头CRC，11位；循环计数值，6位

15、。帧头各部分的总长度为40位，按5个字节进行传输。前导指示符前导指示符是由帧的前5个二进制位形成的，按出现顺序依次为保留位、负载场前导指示位、空帧指示位、同步帧指示位和启动帧指示位。保留位：用于将来的协议扩展。发送节点将该位设为逻辑0，接收节点忽略该位。负载场前导指示位：表明帧中有效负载的内容。1表示有效负载为特殊内容；0表示有效负载为一般内容。通信循环的静态段和动态段都可以输出帧，但该位在这两种情况下的含义不同：在静态段发送的帧（静态帧），1表示负载场开始部分包含网络管理向量（012个字节），0表示负载场不包含该向量；在动态段发送的帧（动态帧），1表示负载场开始部分包含辅助性报文ID（2个字

16、节），0表示负载场不包含该ID。空帧指示位：表明帧是否为空帧。1表示不是空帧；0表示空帧。空帧意味着负载场中的所有数据均为0，即无有效数据。对于网络来说，节点输出一个空帧，意味着节点没有需要报告的内容。同步帧指示位：表明帧是否为同步帧，即帧是否用于系统的通信同步（注：同步帧仅在静态段发送）。1表示同步帧，0表示正常帧。如果该位为1，且帧同时符合其它规定，那么接收节点将使用该帧进行时钟同步；如果该位为0，那么接收节点不将该帧用于时钟同步及相关处理。启动帧指示位：表明帧是否为启动帧。1表示启动帧；0表示正常帧。启动帧在启动机制中有特殊作用，只有冷启动节点允许发送启动帧。冷启动节点的同步帧必须是启动

17、帧，也就是说，当一个帧的启动帧指示位被设置为1时，其同步帧指示位也应设置为1。由于冷启动节点只能将同步帧设置为启动帧，因此每个冷启动节点在各通道的每一个通信循环里只能发送一个启动帧。147.3 FlexRay通信帧 帧ID帧ID用于定义帧的发送时隙，编码长度为11位，数值范围为12047。若帧ID的值为0，表示该帧为无效帧。在各个通道的每个通信循环内，一个帧ID的使用次数不能超过一次。稍后将会看到，帧ID不仅用于定义静态段所传送帧的时隙位置，也用于定义动态段所传送帧的时隙位置。此外，在同一个通信通道上，不允许两个通信控制器发送帧ID相同的帧。有效负载长度有效负载长度用来表示有效负载（数据）的长

18、度，数值范围为0127，单位为字（2个字节），即有效负载长度的值等于有效负载的字节数除以2。例如，若有效负载的字节数为72，则有效负载长度的值为36。在静态段中，所有帧的有效负载长度都是固定且相同的，用全局参数gPayloadLengthStatic表示。在动态段中，不同帧的有效负载长度可以各不相同，同一个帧在不同循环中的有效负载长度也可以不一样。帧头CRC帧头CRC是位于通信帧头部的循环冗余校验码，用于保护由前导指示符的第4位与第5位、帧ID和有效负载长度构成的位组。接收节点收到的来自发送节点的帧ID必须与当前时隙编号一致，帧头CRC使得接收节点能够及时进行一致性验证，避免对无用的数据展开处

19、理。帧头CRC是由发送方通过在线计算得到的，接收方当然要以同样的方式进行验证。帧头CRC的生成多项式如下：（7-1）循环计数值在传输过程中，循环计数值用于表示帧的发送节点在发送帧时的循环计数器值，其编码长度为6位，数值范围063，即存在64个可能的值。发送帧的通信控制器自动完成循环计数器的数值递增，在一个通信循环中被发送的所有帧，循环计数值必须相同。由于它的编码长度只有6位，因此不能无限递增，需要周期性的重复。157.3 FlexRay通信帧2.有效负载有效负载是专门用于传输有用数据的场，可包括0127个字，即0254个字节。在有效负载中，第一个字节用“data 0（数据0）”表示，随后的各个

20、字节依次用“data 1（数据1）”、“data 2（数据2）”等表示。有效负载的总字节数是偶数，完全可能大于实际应用的字节数。静态帧有效负载场的前面12个字节，即数据0数据11，可用作网络管理向量NM0NM11。网络管理向量的长度（用gNetworkManagementVectorLength表示）是可配置的，范围为012个字节，配置完成之后，不允许再做改变，剩余字节用于发送其它数据，如图7-11所示。对于网络管理向量，FlexRay的具体规定如下：(1)在同一个簇内，所有节点所配置的网络管理向量长度必须一致，如都为4个字节。(2)网络管理向量仅用于静态帧。(3)发送节点的主机将网络管理向量

21、作为应用数据写入通信控制器。由帧头中的“负载场前导指示位”表明有效负载场是否包含网络管理向量。167.3 FlexRay通信帧3.帧尾CRC逻辑数据帧的结尾是一个3字节CRC，其目的是为了保护整个被传送的帧。帧尾CRC的计算涉及整个帧头场和有效负载场，即从帧头场保留位开始，至负载场最后一位结束。这个CRC也是由发送方通信控制器在线计算的，理所当然，接收它的通信控制器要以同样的方式进行验证。帧尾CRC的生成多项式如下：（7-2）7.3.2 7.3.2 通信帧在时隙和微时隙中的封装通信帧在时隙和微时隙中的封装在物理层，FlexRay协议采用NRZ编码，位的物理表示方法（电或光）见第7.6节。帧的逻

22、辑内容由帧头、有效负载和帧尾三个场构成，FlexRay将每个场细分为字节，通过在每个字节上增加一个起始位（“0”，以START表示）和一个停止位（“1”，以STOP表示），把它封装成长度为10位的NRZ8N1型字节。图7-13给出了帧头的前16位以字节为单位重新包装后的结果，其它各位依此类推。177.3 FlexRay通信帧1.BSS在逻辑字节被传输之前，都要经过精心扩展。很显然，一个加上了起始位和停止位的8位字节之后是下一个字节的起始位，即两个连续字节之间的边界为“1-0”，既独特又易于辨别。2.FSS为了指明帧的起点，FlexRay在每个帧的第一个字节所对应的BSS之前又增加了一个信号，该

23、信号称为“帧起始序列（FSS）”。原则上，FSS由长度为一个位时间的高电平（“1”）组成，其上升沿表示帧发送开始了。3.TSS无论静态帧还是动态帧，在发出帧开始信号之前，首先发送一个“传输起始序列（TSS）”，如图7-13所示。TSS是长度由全局参数gdTSSTransmitter指定的连续低电平序列。网络设计者可以根据网络的用途和拓扑结构等调节TSS的长度，一般为315位。4.AP动作点（Action Point，AP）是在时隙（或微时隙）正式开始，并经过一段“通道空闲”时间之后的一个精确时刻，在这个时刻，节点按照其本地时间基准执行特定的动作，如图7-14所示。从图中可以看出，AP是发送器有

24、效启动帧传输的时刻。一般情况下，动作点是由设计人员预先定义的。187.3 FlexRay通信帧5.FES前面已经介绍了通信帧从开头到CRC的封装结构，现在是封闭通信帧的时候了。为此，在每个通信帧的CRC之后又增加了一个帧结束序列（Frame End Sequence，FES）。FES用于标识通信帧最后一个字节序列的结束，它由一个位时间（gdBit）的低电平紧跟一个位时间的高电平组成（二进制位01）。6.CID为了填补电气帧结束与时隙结束之间的时间，封装结构用一个由11个二进制位（全部为“1”）组成的字段作为结束，这个字段称为“通道空闲定界符（Channel Idle Delimiter，CID

25、）”，其目的是为了在时隙中发出帧传输结束信号，并将传输媒体释放到空闲状态。7.DTS动态帧是在动态段的微时隙中发送的，一旦在某个微时隙启动发送，从这个微时隙起的数个微时隙结合在一起形成了所谓的动态时隙。显然，动态时隙是与微时隙成比例的。197.3 FlexRay通信帧7.3.3 7.3.3 静态帧的最大二进制位数静态帧的最大二进制位数静态帧在网络中传输的二进制位包括：(1)具有逻辑意义的位数：5+(0254)+38=642096(bits)；(2)添加的电气位：TSS：15 bits（最大），每帧一个；FSS：1 bit，每帧一个；BSS：2 bits，每个字节之前一个，共计5+(0254)+

26、32=16524(bits)；FES：2 bits，每帧一个；CID：11 bits，每帧一个。若取最大波特率为10Mbit/s，则每个二进制位占用的时间为0.1s。此时最大帧对应的持续时间约为270s（26380.110-3=0.2638ms）。在最好的情况下，FlexRay在静态时隙中的数据传输效率可达DTEbest=最大有用位数/最大总位数=2096/2638 0.7945（7-3）式中，DTEbest表示最大数据传输效率，其值约为80%。然而，在CAN总线中，最好情况下的数据传输效率只有大约50%，主要因为每个帧传输的数据非常少（最大8个字节）。此外，FlexRay规范指出，每个循环的

27、最大时间长度为16ms，在使用静态段的情况下可以传输大约60个最长的帧。207.4 FlexRay协议的媒体访问控制7.4.1 7.4.1 通信循环的实施通信循环的实施在静态段和动态段内，帧的传输仲裁基于节点的帧ID分配和时隙的计数机制。对于每个通道上节点簇，节点的帧ID分配就是时隙分配，这种分配是唯一的、确定的。时隙的计数机制由已编号的传输时隙提供。实际上，对网络进行访问要经过两级筛选，第一级是帧ID，第二级是“仲裁网格”。1.帧ID的含义帧ID定义了帧的传输时隙。在每个通道的一个通信循环中，帧ID仅可使用一次。在节点簇内，每个被传输的帧都配置了一个帧ID。2.仲裁网格在定义循环时，Flex

28、Ray协议使用了时间分层的方法，每个循环分为四个时间层次，依次为通信循环层、仲裁网格层、宏节拍层和微节拍层，通信循环层是最高层，其中包含四个时间段：静态段、动态段、符号窗和网络空闲时间。217.4 FlexRay协议的媒体访问控制7.4.2 7.4.2 媒体访问方法媒体访问方法FlexRay通信循环采用了两种媒体访问方法：时分多路访问（TDMA）。用于静态段；柔性时分多路访问（FTDMA）。用于动态段。7.4.3 7.4.3 媒体访问条件媒体访问条件报文可在循环的静态段和动态段传输，但两种情况下的媒体访问条件存在差异。1.静态段期间的媒体访问条件在静态段期间传输的报文为静态报文，静态报文的传输

29、基于一个离线生成的表格，该表格除了定义时隙编号外，还定义了另外两个参数：报文的频率（Frequency）和偏移量（Offset）。这两个参数使得明确定义报文被传输的精确时刻成为可能。例如，报文的频率为5、偏移量为2，表示该报文在“每5个通信循环中的第2个循环”被发送。2.动态段期间的媒体访问条件动态段的报文传输是以微时隙机制为基础的，这个段比较适合于事件触发型报文的通信。这种通信中，报文来源于节点的缓冲器，每当缓冲器被更新时发送报文。网络设计者应把各个帧ID（与节点、动态时隙和通道相联系）分配给将在动态段传送的报文。7.4.4 7.4.4 关于双通道应用的补充说明关于双通道应用的补充说明Fle

30、xRay应用可以使用两个通信通道，下面将进一步讨论在这种情况下的媒体访问控制。在采用两个通信通道时，在静态段，通道A和B的时隙计数器是同步递增的。然而，在动态段，它们依照动态仲裁机制独立自主地递增。尽管两个通道的仲裁网格是严格一致的，且使用共同的仲裁网格计时方法，但在动态段中以微时隙为单位计时，通道A和B上的媒体访问和通信不必同时发生 227.5 FlexRay时间同步7.5.1 FlexRay7.5.1 FlexRay的计时层次的计时层次FlexRay采用了全局时间这个概念，它将时间分成三个抽象层：微节拍层、宏节拍层和通信循环层。1.微节拍层微节拍的粒度（T）是节点的本地时钟粒度，取自通信控

31、制器的时钟信号。一个节点的T是该节点特有的，并不属于整个网络。在簇范围内，FlexRay实现宏节拍同步，而不是微节拍同步。如果簇内的所有节点是时钟同步的，那么它们的宏节拍长度是相同的，但各个节点的宏节拍所包含的微节拍数量可能不同。2.宏节拍层宏节拍代表网络的最小全局时间单位（最小时间粒度）。一个宏节拍包含整数个微节拍，宏节拍的粒度与特定的网络参与者（簇范围）有关。3.通信循环层通信循环是由整数个宏节拍组成的，相关规定如下：连续通信循环的编号为2n+x（见下文）；在同一簇中，所有节点的通信循环拥有相同数量的宏节拍；在任何给定的时间点上，所有的节点必须具有相同的循环编号，需要同时对编号进行管理，即

32、使簇处在尚未完全同步时的循环边界上，循环编号的差异也不能超过1，且持续时间不超过簇的精密度；在任何情况下，每个通信循环的宏节拍数量相等，都为整数k（k是网络常数）；每个FlexRay循环的持续时间为kMT。237.5 FlexRay时间同步7.5.2 7.5.2 网络时间同步方面的要求网络时间同步方面的要求FlexRay网络对时间同步的要求如下：支持网络可伸缩性（Scalability）和拓扑结构可变性（Variabilty）。在采用单通道模式时，通信通道上可以存在多个相互独立的节点簇，各个簇之间能够彼此连接。在采用双通信通道模式时，通信通道A、B上的各个簇之间存在某种具体关系；拥有一个非常精

33、确的全局时钟。要求尽量使位时间等于或接近理想值。在位速率为10Mbit/s情况下，位时间的理想值为100ns；相位和位速率所带来的最大总误差不超过1s。在位速率为10Mbit/s情况下，1s相当于10个二进制位对应的时间；高效利用系统的带宽；合理安排“容错”，让可接受的不对称故障多达两个；拥有强大的内在鲁棒性，以便能在没有同步设备协助的情况下维持几个通信循环；能够容忍常用石英振荡器的漂移。借助于同步过程，可让一个簇中的每个节点彼此保持同步。同步过程能够根据同一簇中各个节点的本地时钟，定义或获得一个共同的基准时间，即全局时间。这样做的最终目的是为了获得用于簇的全局时钟、共同循环启动时间和共同循环

34、持续时间。上述目标的实现需要分成几个阶段进行，主要工作是控制“宏节拍”和“微节拍”，确切地说，是控制它们之间的比值。节点根据这些参数，可以计算网络所重视的时间 247.5 FlexRay时间同步7.5.3 7.5.3 时间同步问题的解决方案时间同步问题的解决方案1.确定同步序列的参与者创建全局时间的第一步是定义参与时钟同步序列的各个节点。让节点进入同步序列的因素很多，如系统设计师的要求、节点执行的任务或特定的条件等。2.时间偏差测量当所有节点采用的传输速率相同时，如何让每个节点在正确的时刻启动帧传输就成为一个重要问题。原则上，本地节点通过测量帧传输的实际开始时刻，并将这些时刻与它所期望的开始时

35、刻相比较，可以直接得到自身的相对偏差。3.持续时间测量为了实现速率修正，FlexRay引入了持续时间测量，主要工作是测量同一个帧标识符从一个循环到另一个循环的重复期。这项测量并不困难，因为通信循环及其结构是重复性的，节点利用自己的时钟就能测量具有相同含义的事件的重复期。例如，从一个循环到另一个循环，同一静态帧的开始时间之间的时间长度。在考虑一对通信循环中发生的情况时，FlexRay将编号为偶数的循环作为循环对的参考（起始）循环。4.“多合一”测量静态时隙就包括在静态段内，上述相位（偏差）测量和持续时间（速率）测量都在静态段进行，两种类型的测量可在单次传递中实施。在一个通信循环对中，节点通过测量

36、同一个帧的连续两个（如第一、第二个循环的静态时隙1中的同步帧d）起始点之间的时间差，可以估算发送节点的通信循环持续时间。257.5 FlexRay时间同步5.偏差和速率修正值计算在FlexRay网络上，借助于上述测量，每个通信控制器能够拥有时间差方面的全部信息。这些信息以表格形式存放在中间结果暂存器中，所用的表格有两个，分别为时间偏差表和速率偏差表。这些表格是进行偏差（相位）和位速率修正值计算的基础。6.修正值的应用有了施加到“偏差”和“速率”的修正值之后，接下来就要考虑这些修正值的应用问题。为方便读者理解FlexRay所采用的修正值应用方法，下面将首先介绍与之密切相关的循环时间构建问题。循环

37、时间的构建循环时间由网络时间派生而来，而网络时间由本地节点进行计算。这种计算要把下述两个事实考虑在内：第一，节点的本地时间是物理上存在的，不是抽象的；第二，在任何情况下，循环持续时间所包含的MT数量为网络常数 偏差修正偏差修正的目的是为了减小相同频率的振荡器之间可能出现的相位误差。至此，本节尚未讲述如何成功地保持所有节点的位速率相同，为了清楚地说明问题，先假设所有节点以相同的位速率运行。何处应用偏差修正。与相位相关的参数存储在微处理器的寄存器中，这些参数的调整只可在下一个循环来临之前的NIT期间进行。在NIT期间可以计算偏差修正值、将修正值应用于微处理器参数等。何时应用偏差修正。每个循环中都可

38、以实施偏差测量，但那些与循环持续时间测量相关的偏差测量，只能在成对的循环上进行。由此导致的结论是：要使位速率和相位具有很好的一致性，只有在速率和偏差修正值同时可用时，才能在通信循环中插入微处理器参数的修改值。这样做的结果是，这些修正原则上会在下一个通信循环对中起作用，而不是从一个循环到另一个循环。如何应用偏差修正。FlexRay协议采用“偶/奇”循环进行工作，偏差修正只能在奇数循环的NIT期间启动、执行和起作用。267.5 FlexRay时间同步 速率修正为使网络参与者的位速率保持一致，FlexRay采用的方法是让每个参与者的循环时间长度保持相等。要想做到这一点，与上述相位修正略有不同，节点是

39、用速率偏差修正信息来校正循环时间长度。速率修正能够消除运行时间所导致的变化，而偏差修正只影响测量结果。何处应用速率修正。与位速率相关的参数也存储在微处理器的寄存器中，可以在NIT期间计算速率修正值、将修正值应用于微处理器的参数等。何时应用速率修正。在一个循环对中获得的、与位速率相关的微处理器参数，只能插入下一个通信循环对，即在下一个通信循环对中起作用。如何应用速率修正。位速率修正是通过调整（延长或缩短）节点本地的通信循环时间来实现的。由于每个循环所包含的MT数量始终恒定不变，节点要想修改其本地通信循环时间值，只有改变形成通信循环的MT的持续时间，即改变MT的指定T数量。图7-38描述了进行速率

40、修正的时刻，这一时刻出现在偶/奇循环对的末端。图中也显示了下一个偶/奇循环对期间执行的修正动作等。277.6 FlexRay物理层FlexRay物理层的显著特点在于，它的节点必须能够同时支持两个完全独立的物理通道（通道A和B）。使用双通道的目的有两个：第一，在网络正常运行期间使通信速度更快；第二，在某个传输通道发生故障时提供数据传输冗余，增强系统的容错能力。物理层性能与位速率、媒体访问原理、分布式智能理念和冗余等因素密切相关。在FlexRay中，传输速率为10Mbit/s，媒体访问基于TDMA原理，分布式智能建立在时间同步基础上，冗余用于满足运行中的高级别安全性需要。7.6.1 FlexRay

41、7.6.1 FlexRay信号的创建信号的创建FlexRay物理层传输媒体所携带的信号是符合二进制逻辑的电气信号，从理论上讲，这类信号有三个特征：编码、位速率和物理表示。1.位编码位编码描述了逻辑位“1”和“0”的理论表示方法，FlexRay所采用位编码为NRZ码，这意味着，在每个位时间内物理信号的值不会发生改变。在通信帧编码部分已经指出，二进制位序列是以“NRZ8N1”型字节为单位进行组织的，也就是说，每8个NRZ编码位被安排在一个“起始（START）”位和一个“终止（STOP）”位之间，使得长度变为10个二进制位。2.位速率FlexRay的位速率标称值是10Mbit/s，每位的持续时间只有

42、100ns，极其微小的延迟时间、信号传播时间和网络拓扑时间都会对位的传输质量和完整性造成很大的影响。从在理论上讲，一个持续时间为100ns且长度较大的交替逻辑二进制位序列“1-0-1-0-1-0-”，在理论上相当于一个占空比为50/50、速度为5Mbit/s的方波信号，且该信号是严格对称的。然而，现实情况却略有不同，CC集成电路的晶体管可能造成占空比存在几纳秒的轻微不对称。FlexRay规范指出，这种不对称不能超过信号持续时间的2%，即2ns。287.6 FlexRay物理层3.位的物理表示一旦位编码方式确定后，接下来就要定义位编码的物理表示。信号必须由线路驱动器施加到通信线路上，让我们首先讨

43、论线路驱动器在理论上要产生的物理结果。原则上，位的物理表示形式多种多样。现有的FlexRay物理层规范只针对差分对型有线媒体给出了位的物理表示形式。以“差分方式”传输的FlexRay电信号如图7-40所示。7.6.2 FlexRay7.6.2 FlexRay信号的传输信号的传输1.媒体从理论上讲，FlexRay规范像CAN一样，能够使用各种媒体，如双绞线、同轴电缆及光缆、空气、海水、外层空间等。2.FlexRay的拓扑结构单通道应用不仅有助于减少电缆等方面的费用，而且由于不存在空间上相邻的第二个通道，避免了电耦合现象（串扰）的产生。双通道应用适合于无冗余系统和冗余系统。对于无冗余系统，各个通道

44、可以连接网络上的部分或全部节点，通过在节点之间传输无冗余信息来明显提高网络的总位速率；对于冗余系统，同一信息可在两个通道上各传输一次，具有严格意义上的冗余性，也就是说，当一个通道发生故障时，另一个通道仍能支持信息的传输。297.6 FlexRay物理层7.6.3 FlexRay7.6.3 FlexRay信号的接收信号的接收信号的接收由节点的接收部分（简称“Rx”）负责。通常情况下，当信号被接收时，其上升和下降沿相对位置与被发送的原始信号并不完全一致。这里将简单介绍产生这种现象的主要原因，然后详细描述信号接收部分的内部结构和性能。1.不对称效应为了判定是否存在一个有效的二进制位，信号接收部分通常

45、采用具有触发阈值和较低滞后作用（Hysteresis）的检测元件。然而，用这种方式检测代表二进制位的电信号容易在前沿和后沿会出现不同的延迟，形成“不对称传播延迟”失真，从而导致收到信号的占空比与发送信号不一致，如图7-45所示。在网络信号传播中，我们把这种现象称为不对称效应。不对称效应可能使信号传输的最终结果变得不可靠。307.6 FlexRay物理层2.截短效应对于按照FlexRay协议运行的网络，当节点在时隙中启动发送时，要使其总线发送部分（启动接收时为接收部分）投入运行，这个过程需要占用一定的时间，可能抵消或截短第一个通信信号边沿的部分或全部时间，但对随后而来的所有其它边沿没有任何影响。

46、另外，当网络使用了有源星型设备时，该设备确定信号的传递方向同样需要占用一些时间，这个时间就是所谓的复出时间（Return Time）。复出时间一方面增加了传播路径的“无形距离”，另一方面可能截短信号。3.接收信号处理如图7-47所示，当节点接收信号时，来自线路驱动器Rx部分的位和帧由通信控制器（CC）实现解码、确认和解释。另外，CC还必须完成多项其它工作，如清理传入信号中的各种干扰，使信号重同步等。这里将重点介绍图中所示前两个主要处理阶段：采集和位匹配。317.6 FlexRay物理层 二进制位流的采集。CC采集来自线路驱动器Rx部分的位流，并进行封装和重新格式化。CC在本地“采样时钟”的上升

47、沿进行采样，每位取8个样本，注意，此时噪声（虚假信号）也以同样的方式被采集了。获取的样本首先被记录下来，然后传送到一个称为“表决窗口”的缓存器。为了抑制二进制位期间的噪声，FlexRay规范要求CC采用支持多数逻辑的加权表决技术，即所谓的“RxD表决”。为了满足这一要求，采样后（见图7-48），CC须做如下处理：位匹配。为使本地位时钟适用数据流（上述表决值），需要进行位匹配处理。只有这样才能确定用于逻辑处理的正式位值（位选通）。为了使接收方节点与发送方节点同步，要把表决值数据流的下降沿作为参考点，将采样计数器复位并初始化为2，而不是0。这样做能够让节点以本地采样时钟的粒度，使本地的内部位定时与

48、传入的数据流同步。从此刻起，位被认为是选通的，并且采用了协议帧所携带逻辑数据的正式值：Data_0（低位）或Data_1（高位）。数据流（Data_0、Data_1）此时是同步的，可以进行后续处理，其中包括验证帧和其它被传送符号的格式定时、语法、语义。接下来，CC可以借助于CPU主处理器，对收到帧的二进制内容进行解码，以便管理其应用。327.7 网络唤醒、启动和错误管理7.7.1 7.7.1 网络唤醒网络唤醒为了节省能源，FlexRay网络节点可被置于睡眠模式，在睡眠模式下，除了驱动器一直与电压源相连接外，其它元件的供电电源都被切断，当某个外部事件发生时，驱动器能够唤醒或激活处于这种模式的节点

49、。节点的唤醒阶段同时涉及两个方面的操作：从“断电”状态进入“上电”状态；进入“就绪”状态。1.节点唤醒过程节点的唤醒过程包括两种不同类型的唤醒，并且它们是连续发生的：本地唤醒。节点的唤醒是通过单独的唤醒输入来实现的，只能唤醒被施加了输入信号的节点，这类唤醒称为本地唤醒。节点被唤醒后，在需要时能够唤醒簇中其余节点。全局唤醒。负责唤醒簇的节点被唤醒后，它会在线路上发送“唤醒模式”信号，经由总线唤醒簇中其余节点，这就是所谓的“全局唤醒”。显然，唤醒过程要求簇中至少有一个节点有外部唤醒源。为了产生全局唤醒，在这个节点发送“唤醒模式”信号之前，簇中其它节点的线路驱动器已经上电，这些驱动器能够唤醒各自所属

50、节点的其余组件。2.唤醒模式唤醒模式也称为唤醒帧，专门用于网络的全局唤醒。图7-49描述了唤醒模式的构成，一个唤醒模式通常包括263个“唤醒符号（WakeUp Symbol，WUS）”，而每个WUS是由数量可配置的低电平（Data_0）位和空闲（Idle）位组成的。337.7 网络唤醒、启动和错误管理7.7.2 7.7.2 网络启动网络启动在唤醒阶段之后，节点之间还没有相互同步，而且通信循环的顺序表尚未到位。然而，对于采用TDMA媒体访问机制的FlexRay来说，簇中的节点严格同步是必要条件。为了形成适合所有节点的公共顺序，需要通过启动过程实现初始化和同步，以及建立全局时钟。在网络启动阶段，所