1、摘要I摘要ABSTRACTIIABSTRACT目录III目录第一章引言 .11.1选题背景 .11.2研究目标和意义 .21.2.1 研究目标 .21.2.2 研究意义 .21.3研究思路 .3第二章 FlexRay总线技术概况 .42.1FlexRay概述 .42.2Flexray的核心特点 .42.3FlexRay拓扑结构 .52.4FlexRay节点内部逻辑结构 .72.5FlexRay帧结构 .8第三章 FlexRay总线动态段通信机理 .113.1FlexRay媒体接入控制 .113.2FlexRay通信机制简述 .123.2.1 编码和解码 .123.2.2 时钟同步 .143.2
2、.3 节点的唤醒与启动 .153.3FlexRay协议优点 .153.4FlexRay动态段通信机制 .16第四章 FlexRay动态段时间参数的优化研究 .18结束语 .24参考文献 .25致谢 .27外文资料原文 .29目录IV翻译文稿 .30第 1 章 引言1第一章引言1.1选题背景自 1886 年汽车诞生至今的一百多年里，世界汽车工业产值不断递增，作为汽车构建框架主要部分的汽车电子在社会工业产值中的份额也得到相应的提高，可以这样认为，汽车电子化的程度已成为衡量汽车水平的重要标志。汽车工业的发展带动了车载网络的快速发展。调查资料显示，目前有绝大部分的汽车创新来源于汽车网络系统的革新，而这
3、些革新不仅使得汽车的发展走向了一个更高的水平，也给人类的生活带来了极大的便利。汽车内部的电控系统越来越复杂，各控制功能单元之间相互通信的能力要求也日益增长，传统的汽车内部通信方式由于电线布置难、可靠性差以及 ECU 数量过多等弊端严重阻碍了汽车的设计和制造。随着车载网络 ECU 之间的通信变得越来越重要，现代车身系统在车载总线技术，数据共享和快速交换，可靠性等方面都有待进一步的提高与完善。未来的汽车电子网络系统将主要依赖于分布式系统控制，以光纤、同轴电缆或者双绞线这些作为汽车网络内部的主要通信介质，连接车内众多的 ECU 或者控制单元，使得它们共用一个公共的数据通道，再通过它们通用的通信协议操
4、作后便可以共享传输通道和数据。现代的汽车网络系统都是比较灵活的，通过系统软件便可以改变系统功能，系统冗余减少了，整个系统数据能够共享，系统故障的诊断能力也提高了。为了改变车内 ECU 之间的传统通信方式，提高网络通讯的宽带利用率，降低设备之间的通信成本，车载总线技术成为了汽车工业发展的焦点。时至今日，LIN、CAN 及 MOST 等已成为现代汽车网络总线的主要技术，而 FlexRay 将成为下一代汽车网络通信的前沿技术，它们根据传输带宽和价格比的要求被应用在汽车不同的领域，相互补充、相互支撑，形成了多种总线混合的汽车网络。FlexRay是专门为车载网络系统中高速率通信需求的模块开发的网络通信标
5、准，是为车载系统增加的高速协议，具备传输速率快、实时性高、可靠性强和灵活性大的特点。目前高速率、高容错的总线标准主要有 1553B、 Ethernet 和 FlexRay 等。迄今为止业界常用的车内通信网络中，LIN 总线只能用于低成本低速率的本地网络。MOST 总线虽然支持高速率传输，却是专门用于车内多媒体组件通信的网络标准，电子科技大学学士学位论文2不适合汽车底盘和线控等的应用。CAN 是基于固定优先级调度的总线，也就是低优先级的信息必定要排在高优先级的信息后面传输，难免会产生消息延迟，只能确保高优先级的信息可以在预定义传输的时间内被调度。CAN 的传输速率相对较低，即使高速 CAN 也不
6、具备容错功能，所以 CAN 总线不能作为车身控制系统的高端应用。因此，具有高吞吐量、确定性、容错性和灵活性的时间触发型 FlexRay 网络，能够满足未来先进汽车高速控制的需要，同时满足分布式控制系统的通信要求，是对 CAN、LIN 和 MOST 等主要车载网络标准的有效补充，也为车身高级电子控制系统的应用带来了新的曙光。随着信息社会的不断发展，人类生活水平的日益提高，娱乐驾驶的观念也迅速深入人心，以后汽车上集成的多媒体功能将会越来越多，那时汽车上通讯系统的通讯性能的好坏势必直接关系到人们乘坐交通工具的舒适度。由于网络的性能在很大程度上取决于网络系统所采用的协议时间参数和消息调度算法，所以合适
7、的时间参数和调度算法不仅能够提高网络通信的效率，还能够使网络资源分配的更合理，并能够有效的控制系统所产生的时间延迟。网络优化的目的之一就是选用合适的时间参数和调度算法来尽量降低网络环节对控制系统性能的影响，网络优化所要解决的关键性问题就是对网络资源进行更合理的分配，由于控制系统对稳定性有一定的要求，就必须保证系统中产生的时间延迟不能超出所要求的范围，以满足网络控制系统的性能。车载网络也是个实时网络，它也具有分布性和实时性的特点。在实时网络的安全关键系统中，由于传感器、控制器等部件的信息改变或者信息交换途径的变化都可能影响到网络的通信效率和网络性能，所以说车载网络协议参数和消息调度算法是车载网络
8、性能的关键所在。1.2研究目标和意义1.2.1研究目标在理解 FlexRay 动态段柔性时间触发机制原理及掌握对 FlexRay 动态帧的传输延迟进行分析的理论方法的基础上，建立 FlexRay 动态帧最坏响应时间的模型；以所建立的最坏时间响应模型为基础，通过分析更换时间参数，获取 FlexRay 网络中时间参数对其动态帧传输延迟的主要影响因素；并找出 FlexRay 动态段的时间参数优化的方法；最后通过实验验证改进后的 FlexRay 动态段调度算法的可行性和有效性。1.2.2研究意义由于动态段消息传输的波动性比静态段大，为了能够减少 FlexRay 消息整体第 1 章 引言3的传输延迟，通
9、过对 FlexRay 通信周期中动态段最小时间片的长度，消息帧的编码方式等等相应的时间参数进行优化，同时，还要在满足静态调度算法可实施的前提下，采用合适的动态调度算法，确定相对较好的消息调度优先性法则。经过这两个方面的研究之后，整个网络的性能达到比较理想的状态，也就是说其通信效率高、资源分配好及网络延迟低等。1.3研究思路首先在整理归纳 FlexRay 总线相关理论知识和以往研究的基础上，理解FlexRay 动态段柔性时间触发机制的原理，探讨 FlexRay 网络的性能需求，研究造成其通信延时的主要因素；其次利用 MATLAB 软件，数值模拟 FlexRay 网络的时间参数对动态段时延的影响，
10、同时还需模拟消息调度方式对 FlexRay 动态段时延的影响；最后利用 CANoe 仿真软件、Davinci Network Designer 数据库开发工具及 FlexRay 开发板搭建一个仿真平台对动态段的 WCRT 进行试验研究，确定优化后的相关时间参数和调度算法的有效性与可行性。电子科技大学学士学位论文4第二章 FlexRay总线技术概况2.1FlexRay概述随着车内 ECU 数量的增多，尤其是对速度、确定性与容错性要求比较高的线控系统(X-by-wire)的增加，传统的总线技术如 CAN 及 LIN 等由于它们是基于事件触发的，速率比较低且总线负载率已经接近极限，功能扩展、带宽储备
11、及容错设计等方面已经不能满足高速总线的要求，所以在某些地方已经无法满足车内外大量信息的交换，鉴于此种情况，新的车载网络总线应运而生。FlexRay 是继 LIN、CAN 等总线之后，由 BMW、Philips 等公司共同组成的FlexRay 共同体制定的新型通信标准。在该 FlexRay 联盟中，目前其主要成员有23 个，核心成员有 73 个，它们的最高目标是使 FlexRay 成为汽车高速网络的实际标准。从 2002 年发布的 V0.4.3 协议规范到 2005 年的 V2.1 协议规范，FlexRay 共发布多达 7 个版本。FlexRay 网络是一种高速传输速率的时间触发型网络。采用分时
12、多址方式对网络进行访问，具有确定性和容错功能，非常适合下一代汽车线控系统或分布式控制系统的通讯要求。迄今为止，FlexRay 总线技术主要应用于汽车安全系统及传动系统内，比如 2007 年上市的 BMW X54.8i 车型上的电子控制减震器系统。一旦技术发展成熟，它必将作为主干网而替代 CAN 总线，因此，其具有可观的发展前景。2.2Flexray的核心特点（1）高带宽: 其通信速率为 10 Mbit/s, 而 CAN 总线却是 1Mbit/s，由于FlexRay 具有两个传输通道，因此它是 CAN 总线带宽的 1020 倍, 基本可以满足未来控制应用的需求；（2）确定性: 如今的车内网交换信
13、息采用异步通信方式，现有的通信协议都是基于事件触发的，当总线上的数据量增加时，故障响应速度将大幅度降低，而FlexRay 则是基于时间触发的媒质访问机制, 也就是说其网络活动是在安排好的时间内发生，并且一旦确定后就不能改变，因此，其消息传输延迟是确定的, 永远不会出现信息流过载的现象，于是很好的满足了硬实时应用的需求，其中，静态段消息采用时分多址方式访问网络，动态段则通过柔性时分多址方式；（3）可靠性: 提供了两个消息传输通道, 可用于传输冗余的消息，从而大大提第 2 章 研究的理论基础5高了通信的可靠性; 此外, 它拥有独立的网络容错部件即总线监护器，该监护器可以根据需要将通讯控制器与网络断
14、开，这将进一步提高通信的故障耐受能力；（4）灵活性：灵活性是 FlexRay 协议的突出特点, 反映在如下几个方面：支持多种方式的网络拓扑结构;消息长度可配置: 可根据实际控制应用需求, 为其设定相应的数据载荷长度;使用双通道拓扑时, 既可用以增加带宽, 也可用于传输冗余的消息;周期内静态、动态消息传输部分的时间都可随具体应用而改变；同时，它支持电气和光纤的物理接口；（5）时钟同步：在 FlexRay 系统中，整个网络有一个总体时钟,而每一个控制单元又有一个局部时钟,系统通过特定的控制算法, 利用偏移修正和时间修正这两种方法使网络中每一个节点的局部时钟与总体时钟同步；（6）组态同步和异步传输：
15、通信周期是 FlexRay 中的基本通信单元,而通信单元定义的时间窗由必备的固定时间段和可选的动态时间段组成。在网络组态时,每一时间段的长度就需要加以确定。固定时间段用来安排时间同步信息,用作同步通信。在这段时间内传送的信息在通信开始时必须组态好,传输数据的最大量不能超过固定段的长度。而通信周期中的动态时间段用作事件信息通信,它可以在运行时出现,要求带宽可变。其间,器件利用优先级竞争带宽,优先级在信息帧的ID 中给出。这一部分的通信模式和 CAN 总线类似。2.3FlexRay拓扑结构FlexRay 共有 3 种网络拓扑结构，即：总线型（Bus） 、星型（Star）和混合型（Hybrid） 。而每一种类型都有单通道（SingleChannel）和双通道（DualChannel）之分。在星型结构中，还存在联级方式。总线型如图 1 所示，单、双通道联级星型如图 2、图 3 所示，单、双通道混合型结构如图 4、图 5 所示。星型网络拓扑结构中的收发器之间是点对点连接的，在长距离通信时对故障有一定的隔离作用，当某个信道中的两条线路出现故障时，如果是总线型的网络在此时则必需中断该信道的通信，但是如果是在星型结构的通信网络中，只有与星型连接器相连的节点才可能会出现故障，而其它星型节点之间的通信是仍然可以继续的。电子科技大学学士学位论文6
