车内通信网络标准FlexRay的功能和特性分析

FlexRay标准在车内通信网络中具有较大优势和广泛的潜在应用机会。本文详细地介绍了FlexRay的数据速率、时钟同步等特性及可能的应用领域，并分析了FlexRay的访问方法、时钟同步和群组启动等功能。

图1：几种汽车通信协议的成本和速率比较。

在FlexRay协议制定5年后，该协议规范的第二版(V2.1)在2005年春季发布。由于新技术能实现经济高效的新应用，整个行业对这个标准产生了浓厚的兴趣，本文将探讨该标准潜在的应用领域，详细地介绍在FlexRay中使用的三种机制，并列举一系列实例来讨论FlexRay的几种应用。此外，本文还将讨论可行和不可行的拓扑结构，并简要论述唤醒群组(Cluster)的场景，以及讨论如何计算最优的消息帧大小。

FlexRay的特性

FlexRay提供了传统车内通信协议所不具备的大量特性，包括：

a. 2×10Mbps的数据速率
FlexRay支持两个通信信道，每个信道的速度达到10Mbps。与CAN协议相比，它能将可用带宽提高10-40倍，具体大小取决于配置和对比模式的不同。

b. 同步时基
FlexRay中使用的访问方法是基于同步时基的。该时基通过协议自动建立和同步，并提供给应用。时基的精确度介于0.5μs和10μs之间(通常为1-2μs)。

图2：带静态和动态段的通信周期。

c.知道消息的到达时间
通信是在不断循环的周期中进行的，特定消息在通信周期中拥有固定位置，因此接收器已经提前知道了消息到达的时间。到达时间的临时偏差幅度会非常小，并能得到保证。

d. 冗余和非冗余通信
为了增强系统的可用性，FlexRay提供了冗余传输消息的选项。消息能够冗余传输，但并不是所有消息都必须冗余传输，否则会导致带宽的过多损耗。

e. 灵活性
在FlexRay协议的开发过程中，关注的主要问题是灵活性。不仅提供消息冗余传输或非冗余传输两种选择，系统还可以进行优化，以提高可用性(静态带宽分配)或吞吐量(动态带宽分配)。用户还可以扩展系统，而无需调整现有节点中的软件。同时，还支持总线或星型拓扑。FlexRay提供了大量配置参数，可以支持对系统进行调整，如通信周期的持续时间、消息长度等，以满足特定应用的需求。

应用领域

上面列出的这些特性使FlexRay适合于很多应用领域，包括：

1．替代CAN总线

图3：时钟同步机制。

在数据速率要求超过CAN的应用中，人们现在同时使用了两条或多条CAN总线。FlexRay是替代这种多总线解决方案的理想技术。

2．骨干网络
FlexRay具有很高的数据速率，因而非常适合于汽车骨干网络，用于连接多个独立网络。

3．实时应用，分布式控制系统
用户可以提前知道消息到达时间，消息周期偏差非常小，这使得FlexRay成为具有严格实时要求的分布式控制系统的首选技术。

4．面向安全的系统
FlexRay本身不能确保系统安全，但它具备大量功能，可以支持面向安全的系统(如线控系统)设计。

在车内通信方面，FlexRay提供了从事件驱动的CAN通信转换到时间驱动通信的一个转换范例。这种转换需要一定时间，因为它不仅会影响新技术的引入，还要求对涉及到的所有人员都进行重新培训。一旦这个转换步骤完成，就可以发现更多的应用领域。

功能和机制分析

1．访问方法
FlexRay的通信是在逐周期中进行的，一个通信周期始终由静态部分和网络闲置时间(NIT)组成。协议内部流程需要网络闲置时间，在这个时段内，群组的节点之间不进行任何通信(见图2)。

图4：FlexRay 群组启动。

通信周期的静态部分基于时分多址(TDMA)技术。该技术将固定时隙分配给各个节点，在这个时隙内，允许节点传输数据。所有时隙大小相同，并且是从"1"开始向上编号。将一个或一个以上的时隙固定分配给每个节点。在运行期间，该时隙的分配不能修改。

除了静态部分以外，通信周期还可以选择性地组成动态部分。一种所谓的"微时隙"法用来访问动态部分内的通信媒介。发送出去的消息永远分配给动态时隙。只要时隙分配给了节点，与大小都相同、始终用于传输的静态时隙相反，动态部分就只能在需要时才进行传输。因此，动态部分的可用带宽是动态分配的。

如果消息号(ID)和时隙号对应，有待发消息的节点就会进行传输。如果没有节点传输，则所有节点就会等候，等待的时间长度正是微时隙的长度，然后它们的时隙计数器也会增加。在时隙计数器增加以后，所有节点都将检查该时隙号是否与将发出的消息对应。如果两者匹配，该节点将发送消息。所有其它节点接受这条消息，并且一直等到它们完全接收了这条消息后再增加时隙读数。这一过程将会持续，直至动态部分结束。如果在一个周期中，没有或者只有少数节点发送消息，在动态部分的结尾将达到更高的时隙号。如果有大量节点进行发送，则到达的时隙号就比较低。因此，拥有较高编号的(即优先权较低)发送消息的节点可能在一个周期中传输，而不在另一个周期中传输，具体取决于在其之前在动态部分已经由多少个节点进行了消息传输。要确定消息已经传输，用户必须在静态部分发送该消息，或者必须在动态部分中对其分配较低消息编号(即优先权较高)。

2．时钟同步
如果使用基于TDMA的通信协议，则在时间域上控制对通信媒介的访问。因此，每个节点都必须保持时间同步，这一点非常重要。所有节点的时钟必须同步，并且最大偏差必须在限定范围内，这是实现时钟同步的前提条件。最大的偏差反应了精确度的大小。