车载网络技术-FlexRay课件.ppt

1、第五章 主要内容5.1 FlexRay网络综述网络综述 5.2 FlexRay通信协议通信协议5.3 FlexRay物理实现物理实现5.4 FlexRay总线开发总线开发 5.1 FlexRay网络综述网络综述5.1.1 FlexRay的技术背景的技术背景5.1.2 FlexRay技术特点技术特点5.1.3 FlexRay的应用的应用5.1.4 FlexRay设备组成设备组成u1999年，宝马与戴姆勒开始研究；年，宝马与戴姆勒开始研究；u成立时间：成立时间：2000年年u成员类别成员类别p核心成员：核心成员：p主要成员：目前主要成员：目前28个个p普通成员：目前普通成员：目前73个个u最高目标

2、：使最高目标：使FlexRay成为汽车高速网络的成为汽车高速网络的事实标准事实标准FlexRayFlexRay联盟联盟 Flexray Consortium5.1.1FlexRay技术背景技术背景u名称含义名称含义 起源于起源于“X-by-wire”技术技术 航空：航空：Fly-by-wirep车用线控技术车用线控技术Steer-by-wireBrake-by-wireElectroic-Throttle5.1.1FlexRay技术背景技术背景u汽车电子控制系统汽车电子控制系统 Electronic Control p独立控制难以满足要求独立控制难以满足要求p集成控制成为趋势集成控制成为趋势u

3、 集成控制系统集成控制系统 Integrated Controlp发动机发动机-变速器变速器-制动制动 p制动制动-转向转向-悬架悬架5.1.1FlexRay技术背景技术背景u 集成控制系统通信需求集成控制系统通信需求p高速高速-高带宽高带宽 High speed,High Bandwidth p硬实时硬实时-确定性通信确定性通信 Deterministic Communicationp安全安全-容错性容错性 Fault Tolerancep成本成本 Low Cost5.1.1FlexRay技术背景技术背景5.1.1FlexRay技术背景技术背景保守计算：保守计算：500500个信号个信号4

4、4字节字节*8=328=32位位100100次每秒次每秒=1.6Mbps=1.6Mbps5.1.1FlexRay技术背景技术背景5.1.1FlexRay技术背景技术背景uX-by-wireX-by-wire线控系统需要什么样的总线通信线控系统需要什么样的总线通信?p高速高速-高带宽高带宽 p硬实时硬实时-确定性通信确定性通信p安全安全-容错性容错性p成本可接受成本可接受u为什么不用为什么不用CANCAN总线总线?p事件触发事件触发报文不确定报文不确定p总线负载率总线负载率已接近极限已接近极限p没有带宽储备及容错设计没有带宽储备及容错设计u为什么最终选择为什么最终选择FlexRay?FlexRa

5、y?p时间触发的总线协议时间触发的总线协议:TTCANTTCAN、TTP/CTTP/C、ByteflightByteflight、FlexRayFlexRayp特性对比，如下表特性对比，如下表p结论：结论：允许系统成本和安全性之间进行最优平衡的允许系统成本和安全性之间进行最优平衡的FlexRayFlexRay是适应未来车辆系统需求的高性能总线是适应未来车辆系统需求的高性能总线指标指标TTCANTTCANByteflighByteflight tTTP/CTTP/CFlexRayFlexRay传输速度传输速度(bps)(bps)1M,1M,同同CANCAN10M10M（光纤）（光纤）25M25M

6、（光纤）（光纤）10M10M驱动机制驱动机制时间时间+事件事件时间时间+事件事件时间时间时间时间+事件事件信道冗余信道冗余无无无无双通道双通道双通道双通道容错能力容错能力低低较低较低很高很高很高很高拓扑结构拓扑结构总线型总线型星形星形总线总线,星型星型,混混合合总线总线,星型星型,混合混合传输介质传输介质双绞线、电缆、双绞线、电缆、光纤光纤电缆、光纤电缆、光纤电缆、光纤等电缆、光纤等双绞线、光纤双绞线、光纤网络节点数网络节点数2-202-20222264646464净荷净荷/帧帧1-81-8字节字节1-121-12字节字节1-161-16字节字节1-2541-254字节字节扩展性扩展性好好好好

7、差差好好成本成本低低中中高高中中允许系统成本和安全性允许系统成本和安全性之间进行最优平衡的之间进行最优平衡的FlexRay是适应未来车是适应未来车辆系统需求的高性能总辆系统需求的高性能总线线5.1.2FlexRay技术特点技术特点u高通信速率高通信速率p单通道最高单通道最高10Mbps10Mbpsp双通道非冗余可达双通道非冗余可达20Mbps20Mbpsu确定性确定性u容错性容错性p物理层双通道冗余物理层双通道冗余p独立的总线监听者独立的总线监听者p4 4个同步节点个同步节点p基于容错算法的时钟同步机制基于容错算法的时钟同步机制u灵活性灵活性p以时间触发为主，兼顾以时间触发为主，兼顾“事件触发

8、事件触发”p支持多种网络拓扑结构支持多种网络拓扑结构p物理层介质物理层介质双绞线或光纤双绞线或光纤5.1.3FlexRay的应用的应用u应用领域应用领域p分布式控制系统：以微处理器为基础的，实行集中管分布式控制系统：以微处理器为基础的，实行集中管理、分散控制的计算机控制系统理、分散控制的计算机控制系统集成化控制集成化控制:动力系统、底盘系统动力系统、底盘系统p高安全性要求的系统高安全性要求的系统线控系统线控系统ABS/TCSABS/TCS等安全控制系统等安全控制系统安全气囊等安全气囊等p高传输速率要求的系统高传输速率要求的系统车辆主干网车辆主干网军工：高速实时控制军工：高速实时控制工业控制领域

9、工业控制领域5.1.3FlexRay的应用的应用u第一辆第一辆FlexRayFlexRay量产车量产车pBMW X5 4.8iBMW X5 4.8i电子控制减震器系统：高达电子控制减震器系统：高达1515个个FlexRayFlexRay节点，单通节点，单通道，道，10Mbps10Mbps，星型及总线拓扑结构，星型及总线拓扑结构上市时间：上市时间：20072007年年5.1.3FlexRay的应用的应用u宝马新宝马新7 7系系pFlexRayFlexRay以跨系统方式实现行驶动态管理系统与发动以跨系统方式实现行驶动态管理系统与发动机管理系统的联网机管理系统的联网p共有共有1212个节点（含一个网

10、关）个节点（含一个网关）p通过网关，跟车上其他总线（通过网关，跟车上其他总线（CAN/LIN/MOSTCAN/LIN/MOST）进行）进行通信通信u奥迪奥迪pAudi A4:7Audi A4:7个个FlexRayFlexRay节点节点pAudi A8 4.2 FSIAudi A8 4.2 FSI：3030个个节点节点5.1.3FlexRay的应用的应用u日本电动车日本电动车-线控转向、线控加速线控转向、线控加速/制动制动p20062006年，日本年，日本WITZWITZ和阳光技研与瑞萨科技等公司和阳光技研与瑞萨科技等公司合作，试制了采用合作，试制了采用FlexRayFlexRay协议标准的电动

11、车协议标准的电动车 pFlexRayFlexRay节点节点传感器传感器ECU-ECU-瑞萨瑞萨加速、制动加速、制动ECU-ECU-瑞萨瑞萨转向转向ECU-NECECU-NEC仪表仪表ECU-ECU-富士通富士通示波器示波器-横河电机横河电机5.1.4FlexRay设备组成设备组成u节点架构一节点架构一Host-主机，主机，CC-通讯控制器，通讯控制器，BD-总线驱动器，总线驱动器，BG-总线监控器总线监控器5.1.4FlexRay设备组成设备组成u节点架构节点架构2 25.1.4FlexRay设备组成设备组成5.2FlexRay通信协议通信协议5.2.1FlexRay媒体访问机制媒体访问机制5

12、.2.2FlexRay数据帧结构数据帧结构5.2.3FlexRay编码与解码编码与解码5.2.4FlexRay时钟同步时钟同步5.2.5FlexRay协议状态控制协议状态控制5.2.6FlexRay唤醒与启动唤醒与启动5.2.1FlexRay媒体访问机制媒体访问机制u时间等级时间等级 段段 Segment 槽槽 Slot，承载数据帧。，承载数据帧。宏节拍宏节拍 Macrotick（MT）微节拍微节拍 Microtick，纳秒级，纳秒级 5.2.1FlexRay媒体访问机制媒体访问机制u媒体访问方式媒体访问方式p静态部分静态部分:时分时分多址多址（Time Time Division Divis

13、ion Multiple Multiple AccessAccess）p动态部分动态部分:柔性柔性时分多址时分多址（Flexible Flexible TDMATDMA）u通信调度通信调度5.2.1FlexRay媒体访问机制媒体访问机制5.2.1FlexRay媒体访问机制媒体访问机制u特征符窗口&网络空闲时间p特征符窗口用于网络监护及总线唤醒p网络空闲时间节点计算、执行时钟同步p举例特征符窗时长（SW）=16MT网络空闲时间（NIT）=136MT5.2.2数据帧结构数据帧结构u数据帧组成数据帧组成p起始段起始段（Header segment）p净荷段净荷段(Payload segment)静态

14、帧静态帧动态帧动态帧p结束段结束段（Trailer Segment）5.2.2数据帧结构数据帧结构u保留位Rp为将来协议预留p发送节点设为0，接受节点忽视5.2.2数据帧结构数据帧结构u净荷指示位Pp指出在净荷段开头是否包含可选变量可选变量pNM Vector(静态段)，Message ID(动态段)p1包含，0不包含u空帧（无效帧）指示位Np指示帧的净荷数据段中是否包含有用数据p1无效帧，0有效5.2.2数据帧结构数据帧结构u同步帧指示位S（Sync Frame Indicator）p1是，0不是u启动帧指示位S（Startup Frame Indicator）p只有冷启动节点允许发送启动帧

15、p启动帧一定是同步帧，但同步帧不一定是启动帧p1是，0不是u同步帧、启动帧必须是静态帧5.2.2数据帧结构数据帧结构u帧标识p定义该帧可以在哪个时隙中发送 一个通信周期中只能出现一次 取值1-2047，0不是有效标识符u净荷段长度p单位为字，不是字节，故为净荷段字节数除2，0-127 静态帧：所有静态帧的数据长度固定 动态帧：不同动态帧的数据长度不固定，且同一动态帧在不同通信周期、不同信道的数据长度也不固定5.2.2数据帧结构数据帧结构u起始CRC校验p计算长度计算长度：20位，校验码长度：11位 帧发送节点：离线计算CC发送 帧接收节点：CC在线校验u帧周期计数p计数范围：0-63 发送节点

16、：选择性发送，将节点周期计数写入帧周期计数 接收节点：根据帧周期计数进行选择性接收 64个通信周期组成一个“大”周期 实现：通过设置发送节点及接收节点的帧周期计数过滤器5.2.2数据帧结构数据帧结构u净荷段-静态帧p净荷长度:0-254字节，或0-127字u静态帧可选变量：网络管理向量网络管理向量（NM）p长度范围:0-12字节p一个FlexRay网络内，所有节点的NM长度应相同p主机：发送节点将其作为应用数据写入5.2.2数据帧结构数据帧结构u净荷段动态帧u动态帧可选变量：消息标识符（Message ID）p变量长度固定：2字节p主机：发送节点将其作为应用数据写入，CC不参与pCC：接收节点

17、通过Message ID过滤器识别报文5.2.2数据帧结构数据帧结构u帧CRC校验p计算长度：净荷段帧发送：CC在发送前计算帧接收：CC在接收后计算并校验p双信道冗余冗余通信校验通过视为有效帧5.2.3FlexRay编码编码与解码与解码u编码pFlexRay采用NRZ(非归零)编码p优缺点优缺点NRZ编码确保报文紧凑编码确保报文紧凑,从而相同带宽下信息量更大从而相同带宽下信息量更大NRZ编码不能保证有足够的跳变沿用于同步，容易带来编码不能保证有足够的跳变沿用于同步，容易带来节点间计时器误差的累计节点间计时器误差的累计如何解决？如何解决？5.2.3FlexRay编码与解码编码与解码u发送接收模块

18、组成（CC，通讯控制器）p时钟模块产生采样时钟和系统时钟：1bit=8采样周期（10Mbps）=100ns.采样时钟周期=12.5nsp编码模块：主机待发数据一定格式的可在通道上发送的位流。p采样判别模块：滤波去毛刺p比特同步纠正与选通模块：发送端和接收端的同步p解码模块：对数据的提取5.2.3FlexRay编码与解码编码与解码u帧编码-静态帧p将数据帧分解成独立的字节将数据帧分解成独立的字节p传输起始序列传输起始序列TSS（3-15低位）低位）p帧起始序列帧起始序列FSS（1个高位）个高位）p字节起始序列字节起始序列BSS（1个高位个高位+1个低位）个低位）p位同步边沿：发生在除了负载的数据

19、段以外的下位同步边沿：发生在除了负载的数据段以外的下降沿（降沿（TSS的下降沿和每一个的下降沿和每一个BSS的下降沿）的下降沿）p发送数据字节发送数据字节p帧结束序列帧结束序列FES（1个低位个低位+1个高位）个高位）5.2.3FlexRay编码与解码编码与解码u帧编码-动态帧p在在FES后面附加后面附加动态尾部序列动态尾部序列DTS确定发送节点下一个微时隙行动点的精确时间确定发送节点下一个微时隙行动点的精确时间避免接收节点过早进行信道空闲检测避免接收节点过早进行信道空闲检测CIDDTS是不定长度的是不定长度的0位，其长度是动态配置的。位，其长度是动态配置的。5.2.3FlexRay编码与解码

20、编码与解码u特征符编码p冲突避免特征符冲突避免特征符CAS网络启动时发送网络启动时发送-建立通信周期前建立通信周期前p媒介访问测试特征符媒介访问测试特征符MTS网络正常通信时发送网络正常通信时发送-每个周期的特征符窗口每个周期的特征符窗口pCAS/MTS采用完全相同的编码方式采用完全相同的编码方式TSS：时长同数据帧：时长同数据帧cdCAS=30gdbit5.2.3FlexRay编码与解码编码与解码p唤醒特征符WUS(Wake up symbol)没有TSS15-60个低位，3倍低位的高位p唤醒模式（Wake up pattern）由多个连续的WUS组成：2-63个下图由2个WUS组成5.2.

21、3FlexRay编码与解码编码与解码u帧解码p静态帧&动态帧将BSS 后的字节提取组合成帧和 CRC 校验码,根据 CRC 校验码判断接收是否正确。p信道空闲界定符（Channel Idle Delimiter）固定时长的连续高电平，标志数据帧的结束静态帧与动态帧一致时长：11位5.2.3FlexRay编码与解码编码与解码u特征符解码p两者解码形式相同两者解码形式相同接收节点将接收到的接收节点将接收到的29（7399）位连续的低电平）位连续的低电平解码为解码为CAS或或MTS信道空闲界定符信道空闲界定符CID5.2.3FlexRay编码与解码编码与解码p唤醒特征符解码只要满足以下条件即解码为只

22、要满足以下条件即解码为WUP(1)接收到至少接收到至少1560位的低电平信号位的低电平信号(2)紧接至少紧接至少3倍的高电平信号倍的高电平信号(3)再紧接至少再紧接至少1560位的低电平信号位的低电平信号(4)上述重复次数至少上述重复次数至少263次次5.2.4FlexRay时钟同步时钟同步n时钟同步时钟同步u同步&偏差p全局时间VS本地时间p同步概念可接受误差p时间偏差相位（Offset）偏差频率（Rate）偏差5.2.4FlexRay时钟同步时钟同步u时钟同步测量过程p每个通信周期计算：相位偏差p每两个通信周期计算：频率偏差5.2.4FlexRay时钟同步时钟同步u时钟同步修正过程p修正法

23、则FTM(Fault Tolerant Midpoint)法则p相位偏差修正周期需要增加或减少的微节拍个数（单次）奇数周期的NIT内修正，必须在下一周期开始前完成p频率偏差修正周期需要增加或减少的微节拍数量（长期）5.2.4FlexRay时钟同步时钟同步u时钟同步流程5.2.5FlexRay协议状态控制协议状态控制u默认配置u配置p应用程序配置CC寄存器p只能由命令进入u就绪p节点可唤醒或启动u唤醒p接收或发送唤醒信号u启动p开始启动过程5.2.5FlexRay协议状态控制协议状态控制u正常主动p正常收发报文u正常被动p只接收不发送p若干个个无效通信周期后转至正常被动p若干个有效通信周期后转至

24、正常主动u暂停p不允许收发报文p因时钟同步错误进入此状态5.2.6FlexRay唤醒与启动唤醒与启动n唤醒节点唤醒节点u本地唤醒&总线唤醒pBD驱动电源管理系统5.2.6FlexRay唤醒与启动唤醒与启动n集群唤醒集群唤醒u本地唤醒 集群唤醒p唤醒特征符一个节点只能唤醒一条总线多个节点可以同时唤醒同一总线5.2.6FlexRay唤醒与启动唤醒与启动u冷启动-ColdStartp 冲突避免特征符（冲突避免特征符（CAS）p冷启动节点（冷启动节点（ColdStart Node）主冷启动节点、从冷启动节点主冷启动节点、从冷启动节点非冷启动节点非冷启动节点nFlexRay has the unique

25、 ability to sync up nodes on a network without an external synchronization clock signal.To do so,it uses 2 special types of frames:Startup Frames and Sync Frames.To start a FlexRay cluster,at least 2 different nodes are required to send startup frames.The action of starting up the FlexRay bus is kno

26、wn as a cold-start and the nodes sending the startup frames are usually known as cold-start nodes.The startup frames are analogous to a start trigger,which tells all the nodes on the network to start.nOnce the network is started,all nodes must synchronize their internal oscillators to the networks m

27、acrotick.This can be done using two more more synchronization nodes.These can be any two separate nodes on the network that pre-designated to broadcast special sync frames when they are first turned on.Other nodes on the network wait for the sync frames to be broadcast,and measure the time between s

28、uccessive broadcasts in order to calibrate their internal clocks to the FlexRay time.nOnce the network is synchronized and on-line,the network idle time is measured and used to adjust the clocks from cycle-to-cycle to maintain tight synchronization.5.2.6FlexRay唤醒与启动唤醒与启动5.3FlexRay物理节点实现物理节点实现5.3.1Fl

29、exRay总线网络拓扑总线网络拓扑5.3.2FlexRay总线器件总线器件5.3.3FlexRay电信号电信号5.3.4FlexRay节点组成节点组成5.3.1FlexRay总线网络拓扑总线网络拓扑n网络拓扑网络拓扑-单通道单通道u点对点u总线型5.3.1FlexRay总线网络拓扑总线网络拓扑u无源星型u有源星型p有源星型连接器连接器可避免一个节点发生错误而使得整个通道无法正常通信5.3.1FlexRay总线网络拓扑总线网络拓扑u双有源星型u混合拓扑5.3.1FlexRay总线网络拓扑总线网络拓扑n网络拓扑网络拓扑-双通道双通道u总线型u有源星型5.3.1FlexRay总线网络拓扑总线网络拓扑

30、u双星型5.3.1FlexRay总线网络拓扑总线网络拓扑u混合型5.3.2FlexRay总线器件总线器件n线缆线缆u电缆&光纤p屏蔽或非屏蔽双绞线n接插件接插件u2:BMu7:BPu1、3、6、8：总线屏蔽5.3.2FlexRay总线器件总线器件n终端电阻终端电阻u电缆的末尾均是终端u终端点对点：终端电阻=电缆阻抗5.3.2FlexRay总线器件总线器件u终端有源星型p均视为点对点p终端电阻=电缆阻抗5.3.2FlexRay总线器件总线器件u终端无源星型/总线型p距离最远的两节点为终端p终端电阻等于或略高于电缆阻抗5.3.3FlexRay电信号电信号n差分信号差分信号uBusuuBus=uBP

31、-uBMp正线BP(Bus Plus)p负线BM(Bus Minus)u电平信号：1.9V,2.5V,3.1V信号特性信号特性 FlexRay总线信总线信号必须在规定范围内。号必须在规定范围内。无论在时间轴上还是无论在时间轴上还是电压轴上，总线信号电压轴上，总线信号都不应进入内部区域。都不应进入内部区域。FlexRay总线系统的电压范围如下：总线系统的电压范围如下：（1）系统接通。系统接通时，如无通信，则其电压为）系统接通。系统接通时，如无通信，则其电压为2.5 V。（2）高电平信号。高电平信号的电压为）高电平信号。高电平信号的电压为3.1 V。（3）低电平信号。低电平信号的电压为）低电平信号

32、。低电平信号的电压为1.9 V。图图5-7 FlexRay总线系统的正常波形总线系统的正常波形 5.3.3FlexRay电信号电信号5.3.4FlexRay节点组成节点组成u硬件实现方式p单片机MCU+独立通信控制器CC+总线驱动器BDu独立FlexRay通信控制器列表5.3.4FlexRay节点组成节点组成u集成FlexRay功能的MCU+总线驱动器BD5.3.4FlexRay节点组成节点组成u总线监控器BGpBG功能BD使能监控调度表时序监控时钟同步pBG分类本地节点总线监控器 Node-Local BG星型中心总线监控器Central BG5.4FlexRay总线开发总线开发5.4.1开

33、发流程开发流程5.4.2开发工具介绍开发工具介绍5.4.1FlexRay开发流程图开发流程图目的：目的：1、掌握协议规范、掌握协议规范2、确定功能需求、确定功能需求3、使用工具设计、使用工具设计优化网络参数优化网络参数4、建立网络仿真、建立网络仿真平台并仿真平台并仿真第一阶段第一阶段网络设计和仿真网络设计和仿真第二阶段第二阶段节点实现节点实现第三阶段第三阶段网络集成网络集成目的：目的：1、完成、完成ECU的硬件的硬件及软件设计及软件设计2、建立网络半仿真、建立网络半仿真平台平台3、确定、确定ECU测试标测试标准并测试准并测试ECU功能功能目的：目的：1、实现、实现FlexRay网络网络2、搭建

34、、搭建FlexRay网络网络台架台架3、确定、确定FlexRay网络网络测试标准，提供测试测试标准，提供测试报告报告4、实现自动测试功能、实现自动测试功能5.4.1FlexRay开发流程开发流程u网络设计和仿真p网络设计定义网络定义节点定义报文定义信号报文和信号关系报文收发关系定义调度表p网络仿真调试网络模型优化网络参数5.4.1FlexRay开发流程开发流程u节点开发、实现5.4.1FlexRay开发流程开发流程u网络集成5.4.1FlexRay开发流程开发流程u开发工具pCANoe.FlexRay5.4.1FlexRay开发流程开发流程第六章第六章 车载全网络应用实例车载全网络应用实例PT

35、-CAN网关网关ZGMFlexRayK-CANLINMOSTInternetD-Busn宝马新宝马新7系车载网络系统系车载网络系统uFlexRay网络系统第六章第六章 车载全网络应用实例车载全网络应用实例uPT-CAN网络系统第六章第六章 车载全网络应用实例车载全网络应用实例uMOST网络系统第六章第六章 车载全网络应用实例车载全网络应用实例车辆信车辆信息计算息计算机机组合仪组合仪表表视频模视频模块块卫星调卫星调谐器谐器DVD远程通远程通信系统信系统高级接高级接口盒口盒高保真高保真音响音响后座区后座区娱乐系娱乐系统统专业的专业的后座区后座区娱乐系娱乐系统统InternetPT-CAN中央中央网关网关uK-CAN网络系统第六章第六章 车载全网络应用实例车载全网络应用实例u工作原理举例：雨刮器第六章第六章 车载全网络应用实例车载全网络应用实例