FlexRay汽车总线浅析（上）

◆文/北京 景忠玉

随着汽车控制技术向智能化方向发展，智能网联汽车、无人驾驶汽车的兴起，车载控制元件不断增加。通过CAN总线、LIN总线实现联网的方式接收、发送并处理大量的数据已经难以满足要求，而传输速率更高、容错功能更强、拓扑选择更全面、同时具备事件触发和时间触发的新型数据总线——FlexRay总线应运而生。

FlexRay总线是FlexRay联盟(戴姆勒克莱斯勒等诸多加盟公司)推出的车载总线标准，由于卓越的性能，FlexRay总线已逐渐成为汽车网络系统的标杆。

FlexRay总线采用快速以太网(100Mbit/s，IEEE803.3u标准)作为编程接口，应用双芯双绞电缆线进行传输，最大数据传输速率为每通道10MBit/s，主要应用在线控转向、线控动力、线控制动系统方面，用来进行车距控制、行驶动态控制和图像处理。

FlexRay总线支持同步数据传输(时间触发通信)和异步数据传输(事件驱动通信)，既满足总线系统工作的可靠性，又具有较高的故障容错能力，是汽车安全及行驶动态管理系统控制单元的理想总线。

一、 FlexRay总线架构

1.节点(Node)

车载总线节点(Node or Nodus)是指汽车总线中能完成数据信号发送、接收及转发的电子控制单元(控制模块)，是车载网络系统中的通信端点或终端设备。总线节点的核心是ECU(Electronic Control Unit)，也就是节点在汽车联网系统中属于有源电子设备，线路连接点、配线架、插接板、线路结点不属于总线节点。

如图1所示，FlexRay总线节点由供电(Power Supply)、控制部分和驱动部分组成。控制部分包括一个主处理器Host(Microcontroller)和一个通信控制器CC(Communication Controller)。CC提供与数据电路和与Host的电气接口，将数据电路上的字符拆卸为串行比特流，或者将数据电路上的串行比特流组装为字符。

图1 FlexRay总线节点结构

驱动部分包括总线驱动器BD(Bus Driver)和总线监控器BG(Bus Guardian)，总线驱动器BD将通信控制器CC与总线(FlexRay-BUS, Ch-A, Ch-B)相连，总线监控器BG用以监视接入总线的连接。

FlexRay总线节点中的主处理器Host负责提供和产生数据，把FlexRay总线控制器分配的时间槽通知给总线监视器BG，同时激活总线驱动器BD，总线监视器则允许FlexRay总线控制器在分配的时间槽（一个或多个）内通过通信控制器CC进行数据信息的传送。FlexRay总线也有小的时间槽，如果其计数器与信息ID相一致，则节点发送信息。时间槽会按照需要的时间来扩展，节点发送信息之后，小时间槽计数器会+1。当FlexRay总线空闲时，小时间槽计数器同样也会+1。由此可见，每个节点都有机会发送数据信息，FlexRay总线系统实现了介质共享。

时间槽和节点Node信息的ID是相对应的，通过时间槽可以确定发送数据的节点。发送数据可定义为在CC中进行编码，接收数据可定义为在CC中进行解码。一旦总线监控器BG监测到时间时序存在间隔，则会断开总线通信信道的连接。

如图2所示，宝马轿车集成式底盘管理系统ECU(主节点ICM，集成式底盘管理系统控制单元)能进行动力传动系统、动态稳定控制及主动转向系统数据信号的读取和处理。ICM可以读取与之关联的所有传感器传送来的数据信号，这些信号不仅为ICM控制系统所用，同时借助车载总线被传送至其他系统并被相应节点接收使用。ICM内的中央行驶动态协调控制系统通过评估车辆并依据采集的信息对车辆行驶状态进行调整和干预，确保行车安全和行驶的稳定性。

2.帧和信号

(1)帧格式

如图3所示，FlexRay帧格式包括帧头段(Header segment)、有效载荷段(Payload segment)及帧尾段(Trailer segment)。节点在网络上传输数据时，首先传输的是帧头段，其次是有效载荷段，最后传输的是帧尾段。

帧头段（Header Segment）主要用来识别帧及该帧在时间触发中的优先级。帧头段(图4)有5个字节,一个字节为8位,共40位(bit)。其中，保留位(1位)、净荷指示位(1位)、空帧指示位(1位)、同步帧指示位(1位)、启动帧指示位(1位)、帧ID位(11)、有效数据长度(7位)、头部CRC(11位)、周期(6位)。

有效载荷段(Payload Segment)用来传送数据。有效载荷段(图5)，0-254位，包括数据、信息ID、网络管理向量3个部分。

图2 宝马轿车集成式底盘管理系统信号处理和分配

图3 FlexRay帧格式

图4 帧头段

图5 有效载荷段

帧尾段(Trailer Segment)用以检测错误。帧尾段(图3中蓝色部分)有3个字节、且只含有24位的校验域，这个域包含了由帧头段与有效载荷段计算得出的CRC校验码。计算帧CRC时，根据网络传输顺序将从保留位开始，到有效载荷段最后一个字节的最后一位结束，这些数据都放入CRC生成器中进行计算。

(2)帧编码与解码

如图6所示，FlexRay总线帧编码就像是对要发送的信息进行 “打包”，比如，加上校验码、ID符等。而帧解码就像是对接收到的信息进行“解包”。编码与解码主要发生在通讯控制器CC与总线驱动器BD之间。

图6 FlexRay帧编码与解码

在图6中，RxD为接受信号，TxD为发送信号，TxEN为通讯控制器请求数据信号。信息的二进制表示采用“不归零”码。对于双通道的节点，每个通道上的编码与解码的过程是同时完成的。编码与解码的过程主要由3个过程组成：主编码与解码过程(CODEC)、过滤(bit strobing)过程和唤醒模式解码过程(WUPDEC)。主编码与解码过程为主要过程。图7所示为信息发送过程，图8所示为信息接收过程。

图7 FlexRay总线信息发送过程

图8 FlexRay总线信息接收过程

(3)冗余信息传输

在容错性系统中，即使某一总线导线断路，也必须确保数据能继续可靠传输。这一点通过在第二个数据通道上进行冗余信息传输来实现，图9为FlexRay冗余信息传输示意图。具有冗余信息传输能力的总线系统使用两个彼此无关的通道。每个通道都由一个双绞线连接组成。一个通道失灵时，故障通道应传输的信息放到非故障通道上一起传输。(4)FlexRay总线信号特性

图9 FlexRay冗余信息传输

FlexRay 总线系统是数据传输率较高且电压电平变化较快的通信总线。图10、图11分别为FlexRay总线信号的正常波形和非正常波形(所示波形须用快速示波器显示)，FlexRay总线信号必须在规定界限内。无论在时间轴上还是在电压轴上，电气信号都不得进入内部区域内。

电压高低(电平)以及电压上升沿和下降沿斜率有严格规定，必须达到规定数值，否则，不得进入图10所标记的绿色六边形“区域”(或图11所标记的红色六边形“区域”）。

图10 FlexRay总线波形(正常)

图11 FlexRay总线波形(不正常)

从图10可以看出FlexRay总线系统的电压范围电压值(对地测量方式)：系统接通, 而FlexRay总线不通信时，FlexRay总线高、低压电压均为 2.5V；当FlexRay总线通信时，高电平电压上升0.6V，为3.1V；低电平电压下降0.6V，为1.9V。因电缆安装不正确、接触电阻等产生的电气故障可能引起数据传输率问题。

(5)实时信息传输

FlexRay总线采用时间触发与事件触发相结合的访问方式，对于时间要求高的信息，可实现实时信息传输，即在规定时间内进行数据信息的传输。FlexRay总线系统在时间控制的区域内按时隙分配信息。一个时隙是指一个规定的时间段，该时间段对某一信息(比如转速信号)开放。对于时间要求不高的信息则在事件控制的区域内传输，如图12所示FlexRay总线实时信息传输。

FlexRay 总线对于重要的周期性信息一般以固定的时间间隔传输，确定性信息传输用于确保时间控制区域内的每条信息都能实现实时传输。因此，FlexRay 总线能保证即使系统过载也不会导致重要信息发送延迟。CAN总线主要采用事件触发方式，有时会因为传送的信息过多过于集中，造成总线系统过载而导致一些信息发送迟滞，影响控制的精准性。

图12 FlexRay总线实时信息传输