FlexRay汽车通信总线介绍及测试环境(原创博文)

FlexRay汽车通信总线介绍及测试环境

综述

FlexRay通信总线是由多个汽车制造商和领先的供应商共同开发的确定性、容错和高速总线系统。FlexRay满足了线控应用（即线控驱动、线控转向、线控制动等）的容错性和时间确定性的性能要求，本文介绍FlexRay的基础知识。

为了使汽车继续提高安全性、提升性能、减少环境影响并增强舒适性，必须提高汽车电子控制单元（ECU）之间传送数据的速度、数量和可靠性。先进的控制和安全系统(结合了多个传感器、执行器和电子控制单元)开始要求同步功能和传输性能超过现有标准的控制器局域网（CAN）所能提供的性能。随着带宽需求的增长和各种先进功能的实现，汽车工程师急需下一代嵌入式网络。经过OEM厂商、工具供应商和最终用户的多年合作，FlexRay标准已经成为车载通信总线，以应对下一代车辆中的这些新的挑战。

FlexRay还能够提供很多CAN网络不具有的可靠性特点，尤其是FlexRay 具备的冗余通信能力可实现通过硬件完全复制网络配置，双通道冗余进行数据通信。FlexRay同时提供灵活的配置，可支持各种拓扑，如总线、星型和混合拓扑。设计人员可以通过结合两种或两种以上的该类型拓扑来配置分布式系统。

了解FlexRay的工作原理对工程师在车辆设计和生产过程的各个方面都至关重要。本文将解释FlexRay的核心概念。

FlexRay基础

FlexRay的许多方面旨在降低成本，同时在恶劣的环境中提供最佳性能。FlexRay使用非屏蔽双绞线电缆将节点连接在一起，FlexRay总线可以由一对或两对电缆组成的单通道和双通道组成。每对线缆上的差分信号减少了外部噪声对网络的影响，而无需昂贵的屏蔽层。大多数FlexRay节点通常还具有可用于收发器和微处理器的电源线和地线。

双通道配置可提高容错能力或增加带宽。大多数第一代FlexRay网络仅利用一个信道来降低布线成本，但是随着应用程序对复杂性和安全性要求的提高，未来的网络将同时使用这两个信道。

FlexRay总线要求信号线两边端接电阻，仅多分支总线上的末端节点需要端接，端接太多或太少都会破坏FlexRay网络。尽管特定的网络实现有所不同，但典型的FlexRay网络的电缆阻抗在80到110欧姆之间，并且端节点端接以匹配该阻抗。将FlexRay节点连接到测试装置时，终端电阻是造成网络通讯失败的最常见原因之一。基于PC的现代FlexRay接口可能包含板上端接电阻器，以简化布线。

FlexRay拓扑和布局

FlexRay，CAN和LIN与更传统的网络（如以太网）的区别之一是其拓扑结构或网络布局。FlexRay支持简单的多点无源连接以及更复杂的有源星形连接。根据车辆的布局和FlexRay的使用水平，选择正确的拓扑有助于设计人员针对给定的设计优化成本、性能和可靠性。

总线型网络

FlexRay通常用于简单的多点总线拓扑结构中，该拓扑结构具有将多个ECU连接在一起的单根网络电缆。这是CAN和LIN使用的相同拓扑，并且是OEM熟悉的拓扑，使其成为第一代FlexRay车辆中流行的拓扑。每个ECU可以“分支”到离总线核心“主干”很小的距离。网络的末端安装了终端电阻，可消除信号反射问题。由于FlexRay在高频率下运行，与CAN的1 Mbit相比，

高达10 Mbit / s，因此FlexRay设计人员要非常小心地正确端接和布置网络，以避免信号完整性问题。多点总线形式也非常适合通常具有相似布局类型的车辆线束，从而简化了安装并减少了整车的布线。

星型网络

FlexRay标准还支持星型网络的配置，该配置由连接到中央活动节点的各个链接组成。该节点在功能上类似于PC以太网中的集线器。主动星型配置使得可以在更长的距离上运行FlexRay网络，或者以某种方式分割网络，从而在部分网络出现故障时使其更加可靠。如果星型分支之一被切断或短路，则另一分支将继续起作用。由于长距离的导线往往会传导更多的环境噪声，例如大型电动机的电磁辐射，因此使用多条分支可减少一段电缆的裸线数量，并有助于提高抗噪能力。

混合型网络

可以将总线拓扑和星形拓扑组合在一起以形成混合拓扑。未来的FlexRay 网络将可能由混合网络组成，以利用总线拓扑的易用性和成本优势，同时在车辆需要的地方应用星型网络的性能和可靠性。

FlexRay协议

FlexRay协议是一种独特的时间触发协议，它提供两种方式处理数据，一种是可确定性的时间范围（低至微秒）内到达的确定性数据，还有可处理多种帧的类似CAN的动态事件驱动数据。FlexRay通过预设的通信周期实现了核心静态帧和动态帧的这种混合，该通信周期为静态和动态数据提供了预定义的空间。网络设计者根据网络需求配置总线周期分配。CAN总线仅需要知道正确的波特率即可进行通信，但FlexRay网络上的节点必须知道如何配置网络的所有部分才能进行通信。

与任何多点总线一样，一次只有一个节点可以将数据写入总线。如果要同时写入两个节点，则会导致总线争用，并且数据会损坏。有多种用于防止总线

争用的方案，例如，CAN使用了一种仲裁方案，如果节点看到在总线上发送的具有更高优先级的消息，则它们将让位于其他节点。尽管这种技术灵活且易于扩展，但它不允许很高的数据速率，并且不能保证及时提供数据。FlexRay使用时分多址或TDMA方案管理多个节点。每个FlexRay节点都同步到相同的时钟，并且每个节点都等待其轮流写入总线。因为时序在TDMA方案中是一致的，所以FlexRay能够保证确定性或数据传递到网络上节点的一致性。这为依赖节点之间最新数据的系统提供了许多优势。

嵌入式网络与基于PC的网络的不同之处在于，它们具有封闭的配置，并且一旦在生产产品中组装后就不会更改。这消除了在运行时自动发现和配置设备的其他机制的需要，就像PC在加入新的有线或无线网络时所做的一样。通过提前设计网络配置，网络设计师可以节省大量成本并提高网络可靠性。

为了使FlexRay等TDMA网络正常工作，必须正确配置所有节点。FlexRay标准适用于许多不同类型的网络，并允许网络设计人员在网络更新速度、确定性、数据量和动态数据量以及其他参数之间进行权衡。每个FlexRay 网络都可能不同，因此必须在每个节点都使用正确的网络参数进行编程之后才能参与总线。

为了促进维护节点之间的网络配置，FlexRay委员会标准化了一种在工程过程中用于存储和传输这些参数的格式。现场总线交换格式或FIBEX文件是ASAM定义的标准，允许网络设计人员、原型设计人员、验证人员和测试人员轻松共享网络参数并快速配置ECU、测试工具、硬件在环仿真系统和以便于轻松访问总线。

通讯周期

FlexRay通信周期是FlexRay总线内介质访问的基本要素。设计网络时，周期的持续时间是固定的，但通常为1-5毫秒左右。通讯周期内划分为四个主要部分：