FlexRay通信协议详解

FlexRay通信协议详解

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/weixin_42438100/article/details/142876118

FlexRay是一种高速汽车网络通信协议，主要用于满足汽车主动安全系统和驾驶辅助功能对高带宽、高可靠性的通信需求。本文将详细介绍FlexRay的通信原理、物理层特性、通信周期结构以及总线访问机制。

1. 起因

随着汽车技术的发展，传统的CAN总线通信方式已无法满足新兴驾驶辅助功能的需求。例如，ABS防抱死系统、ASR驱动防滑系统、ESP电子稳定系统等涉及汽车主动和被动领域的高要求辅助功能，需要更多的交互节点、更高的传输带宽（动力系统传输波特率需要达到2Mbit/s以上），以及对汽车通信系统的可靠性、安全性、实时性提出更高的要求。

FlexRay协议因此应运而生，它需要满足以下要求：

1. 通信速率：达到10Mbit/s
2. 可扩展性：增删节点不影响通信效果
3. 物理层：保持简便连接
4. 传输可靠性：更高的通信容错性和确认性

2. 通信传输方式

FlexRay采用时分多址（Time division multiple access，缩写：TDMA）方式。每个通信周期被划分为多个时间片（tcycle），每个时间片又可分为4个时间片段，每个片段指定一条报文。这种机制确保了发送节点的时间是确定的，以时间片为单位周期性发送数据。

3. 物理层

3.1. 拓扑结构

3.1.1 点对点结构

• 两个ECU侧均接80~110Ω终端电阻，用于过滤高频信号。
• 为保证信号完整性，两个节点之间的连线长度不超过24m，信号线越长，信号衰减、失真越严重。

3.1.2 被动星型和被动总线型结构

适用于大于四个节点的场景，均在离节点最远的两个ECU出增加终端电阻。

3.1.3 主动星型结构

在被动星型结构上增加主动星型耦合器，每个ECU节点和耦合器上都增加终端电阻，用于补偿信号失真，但成本也会增加。

3.1.4 实际应用

实际应用中，通常采用混合拓扑结构，不会单独使用其中一种拓扑结构。

3.2. 物理信号

FlexRay定义了四种物理信号电平：

• 总线空闲电平（Idle_LP）
• 总线空闲低功耗电平（Idle，隐形电平）
• Data_1（显性电平）
• Data_0（显性电平）

注意：Data_1、Data_0的BP和BM电平不一样，前者差值大于600mv，后者差值小于-600mv。

3.3. 网络组件

• uc：主机，包括ECU应用软件
• CC：通信控制器，用于组帧、总线访问、收发报文
• BD：总线驱动（收发器），用于物理电平和逻辑信号转换、IO控制
• BG：除上述结构外，还可能存在拓展结构，CC与BD之间添加总线监控器，为了防止故障节点在未分配给他们的时隙内出现未经授权的传输（防止故障节点在错误时间访问总线）

4. 通信周期

FlexRay以通信周期为一个循环，一个通信周期中划分64个Cycles，每个Cycles又划分为静态、动态、符号窗口、网络空闲段。

4.1 静态段

基于TDMA方式传输，提供确定性的数据传输，发送节点的报文指定到slot中。整个静态段可划分为2~1023个等长的静态slots，slots个数和长度由参数gNumberOfStaticSlots和gdStaticSlots决定，注意此处的slot序号从1开始计数。

静态段中，每个报文均是等长的，由帧头、负载、校验段（Trailer）、帧尾组成，静态帧尾CID（通信空闲鉴定符）用于表示静态帧结束。

4.2 动态帧

用于传输事件驱动的报文，可分为若干动态Slots（Slots大小可变）。动态Slots最小单位为gdMiniSlot，一个动态Slots可由多个gdMiniSlot组成，总Slots由gNumberOfMiniSlots配置。最多划分2047个动态Slots，7986个gdMiniSlot。

4.3 符号窗口和网络空闲段

符号窗口长度固定，用于传输符号，符号分为三种类型。网络空闲段（NIT），用于同步本地时钟，不进行数据通信。

5. 帧结构

5.1 Header

• 前5Bit
• 1：保留位，默认发送0
• 2：有效负载指示位，根据静态、动态报文类型的不同
• 3：空帧指示位，用于指示Payload部分是正常还是无效；
• 4-5：分别为同步帧指示位,启动帧指示位,用于判断该帧为同步帧或者启动帧;
• Frame ID：报文ID
• Payload Length：用于表示有效负载的大小，范围大小是0-127，单位为半字（2Byte），故有效数据范围为0~254Byte
• Header CRC：帧头CRC序列，只对同步帧指示位、启动帧指示位、FrameID、 Payload Length进行CRC校验
• Cycle Count：周期计数，表示报文发送的周期数，范围大小为0-63;

5.2 Payload

Data ID有效范围为0~253，两个Data组成一个word的数据。静态段中，设置Header中的“有效负载指示位”可以将前12Bytes作为传输网络管理向量，可在FlexRay网络中，实现网络管理。在动态段中，设置Header中的“有效负载指示位”可以将前2Bytes作为Message ID，用于更加精确的区分负载，用于过滤器的筛选。高位在前低位在后进行数据传输。

5.3 Trailer

帧尾为24bit的CRC校验位，校验范围为Header和Payload段。

6. 总线访问

实际应用中，FlexRay共有两条总线，可以同时传输两帧相同的报文，保证传输的可靠性，也可以传输两帧不同的报文，提高通信带宽（10Mbit/s -> 20Mbit/s）。当然一个节点也可只接其中一条总线进行传输，例如图中的节点M/N/O。

6.1 静态段访问

将slot1/2/3分别分配给节点K/M/L，节点K传输相同报文b，提高传输的容错性、可靠性，节点L传输不同的报文a和d，提高总线带宽。

6.2 动态段访问

CHA和CHB相互独立，不同的总线可以发送不同节点的动态帧。存在不能发送动态帧情况，例如此处节点M的frame p超过了动态段的有效范围，在该周期内不能发送，等待下一个周期后进行发送。最迟发送时间：例如此处Node M Frame p报文为最迟在Minislot8的位置发送，超过此MiniSlot后则在当前周期内不能发送。

6.3 调度表

类似Lin调度表，FlexRay具体传输报文也是以调度表来传输数据，如下图左侧表格。为了更好的利用FlexRay的带宽，增加数据吞吐量，引入了复合调度表概念，在不同的通信周期内可以使用不同的调度表来传输报文，例如节点M的总线A，在不同的调度表中分别传输报文c/x/y/x，见下图右侧表格。

此处需要注意复合调度中静态段和动态段发送要求不一致：

• 在静态段中，复合的位置，只能发送想同节点的不同报文，例如此处节点M的c/x/y报文。
• 在动态段中，没有周期中想同的slot中可以分配给不同的节点的不同帧，例如此处的slot7，分别分频给L节点的Frame u，M节点的Frame t，M节点的Fram p。