FlexRay -设计、功能和应用

介绍

在协议制定5年后，该协议规范（V2.1）的第二版也在2005年春季出版[1]。第一批产品已于2003年推出，另外还将在今年推出更多产品。由于新技术能实现经济高效的新应用的实施，整个行业对它产生了浓厚的兴趣。

在FlexRay|0">FlexRay功能的基础上，我们将在下文中探讨潜在的应用领域。然后，我们将更加详细地介绍在FlexRay中使用的三种机制，并列举一系列示例来讨论FlexRay的几种应用。最后，我们将讨论可行和不可行拓扑的示例，并简要论述唤醒集群的场景。在本文的最后，我们将讨论如何计算最优的消息大小。

本文的主要目的是介绍FlexRay的相关知识，帮助用户了解FlexRay及其应用的潜力。

FlexRay概况

特性

FlexRay提供了传统车内通信协议所不具备的大量特性。这些特性能为新型应用创造大量的机会。这些基本特性包括：

2 x 10 Mbit/s的数据速率
FlexRay支持两个通信信道：每个信道的速度达到10 Mbit/sec。与CAN协议相比，取决于配置和比较模式的不同，它能将可用带宽提高10-40倍。
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，以提供给应用。时基的精确度介于0.5 μs 和 10 μs之间（通常为1--2μs）。
提前知道消息的延迟时间，保证偏差幅度
通信是在周期循环中进行的。特定消息在通信循环中拥有固定位置，因此接收器已经提前知道了消息到达时间。到达时间的临时偏差幅度会非常小，并能得到保证。
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失。
灵活性
在FlexRay开发过程中，主要重点是灵活性。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，它还支持总线或星状拓扑。它提供了大量配置参数，可以支持对系统进行调整，以满足特定应用的需求，如通信循环的持续时间、消息长度等。

应用领域

2.1章节中列出的特性使它适合于大量应用领域：

CAN的替代技术
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。 骨干
FlexRay具备很高的数据速率，因而非常适合汽车骨干网络，用于连接多个独立网络。 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，消息循环偏差非常小，这就使FlexRay成为具有严格的实时要求的分布式控制系统的首选技术。 以安全为导向的系统
FlexRay本身不能确保系统安全，但它具备大量功能，可以支持以安全为导向的系统（如线控系统）的设计。

在车内通信方面，FlexRay提供了一次"典型转移"，从事件驱动通信（CAN）迁移到时间驱动通信。这种迁移需要一定时间，因为它不仅会影响新技术的推出，还要求对涉及到的所有方面都进行重新培训。一旦这个迁移步骤完成，就会发现更多应用领域。

协议分类

目前已经存在大量专门为汽车应用设计的各种协议。图1进行了简要介绍。历史最悠久、同时最广为人知的协议是CAN（大多数情况下是高速CAN：CAN-C）。该协议既部署在动力系统中，也部署在车身应用中（低速CAN最为普遍）。它能够实现的最高数据速率为1 Mbit/sec，但网络的传输速率通常低于500 kbit/sec。

虽然LIN|0">LIN协议在几年前才制定，但其应用却已十分广泛。该协议是为传输速率要求较低的经济高效的模块开发的。它还特别部署在车身应用中，如座位和后视镜调整、电动窗等。它可以达到20 kbit/sec的速率，足以满足此类应用的需求。

图1：汽车通信协议

D2B协议、MOST协议及其新版本协议是专为多媒体应用开发的，并且通常只在该领域使用。该协议不适合部署到其它领域。

在速度方面，FlexRay的速度介于CAN协议和MOST协议之间，但是由于它具有容错功能，所以更为复杂。

功能

本章节将更详细地介绍FlexRay中使用的部分机制，包括访问方法、时钟同步和集群启动等。

访问方法

使用FlexRay的通信是在周期循环中进行的。一个通信循环始终包括静态部分和网络闲置时间（NIT）。协议内部流程需要网络闲置时间，并且，在这个时段内，集群的节点之间不进行任何通信（图2）。

通信循环的静态部分基于TDMA（时分多址）技术。该技术将固定时槽分配给各个节点，在这个时槽内，允许节点传输数据。所有时槽大小相同，并且是从1开始向上编号。将1个或1个以上时槽固定分配给每个节点。在运行期间，该时槽的分配不能修改。