車載信息第三章-基于時間觸發(fā)的車載網(wǎng)絡(luò)課件

1、第三章 基于時間觸發(fā)的車載網(wǎng)絡(luò)FlexRay第一節(jié)FlexRay概述FlexRay是一個為車上應(yīng)用系統(tǒng)高層網(wǎng)絡(luò)和“線控”系統(tǒng)開發(fā)的通信標(biāo)準(zhǔn)。它最突出的特點，是在提高數(shù)據(jù)傳輸率的條件下，能夠滿足汽車安全要求的可靠性指標(biāo)。車上“線控”系統(tǒng)要求網(wǎng)絡(luò)具有傳輸速度高、可靠性好和支持分布控制的性能；FlexRay不僅僅是一個通信協(xié)議，而且包括協(xié)議控制器、發(fā)送接收驅(qū)動器、以及各種FlexRay元件的硬件和軟件接口標(biāo)準(zhǔn)。2第一節(jié)FlexRay概述FlexRay相對于傳統(tǒng)的車內(nèi)通信協(xié)議具有很多新特性。這些特性為新的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)，也是FlexRay能夠成為面向?qū)崟r控制的車載總線標(biāo)準(zhǔn)的重要原因。這些基本的特性包括

2、：高傳輸速率同步時間觸發(fā)冗余和非冗余通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活3第一節(jié)FlexRay概述FlexRay提供了兩個獨立的通信信道，每一個通信信道的速率都可以達(dá)到10Mbit/s。這兩個通道可以配置為冗余通信或非冗余通信。冗余通信就是兩個通道上傳輸一樣的數(shù)據(jù)，通過信息的冗余來提高可靠性。非冗余通信就是兩個通道上各自傳輸自己的數(shù)據(jù)，借此來達(dá)到高速率要求。4第一節(jié)FlexRay概述作為計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，按照ISO的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)OSI通信模型，F(xiàn)lexRay的分層結(jié)構(gòu)如圖3-1。5第一節(jié)FlexRay概述一、基本術(shù)語時間片（Slot）：是FlexRay對通信過程劃分的時間段，在這些時間段上控制器按一定要求或條件訪

3、問通信媒體。TDMA（Time Division Multiple Access）：分時多路復(fù)用訪問方式。FlexRay支持TDMA媒體訪問方式。通信周期（Communication Cycle）：FlexRay一個信息傳送的周期(Cycle)稱為通信周期(Communication Cycle)。一個通信周期由靜態(tài)和動態(tài)兩個部分構(gòu)成，靜態(tài)和動態(tài)的兩個部分任何一個都可以是空的。通信周期靜態(tài)部分(Static Part)：在這一部分中，信息按著固定的事先定義的TDMA方式傳送。6第一節(jié)FlexRay概述通信周期動態(tài)部分(Dynamic Part)：在這一部分，信息按最小時間片算法（Mini-sl

4、otting Algorithm）發(fā)送；按信息標(biāo)識符的優(yōu)先級確定發(fā)送的順序。電控單元（ECU）節(jié)點：連接到網(wǎng)絡(luò)上的具有一定應(yīng)用功能的節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)星節(jié)點（Active Star）：只具有網(wǎng)絡(luò)功能的通道連接節(jié)點?？偩€監(jiān)控邏輯（Bus Guardian）：用于避免通道定時錯誤的一個獨立部分，它與一個通信控制器和一個微控制器相連；總線監(jiān)控邏輯必須獨立于其它的通信控制器。7第一節(jié)FlexRay概述通道（Channel）：在FlexRay系統(tǒng)中，通道指通信控制器的物理連接。節(jié)點主機(jī)（Host）：一個節(jié)點中執(zhí)行應(yīng)用程序的微控制器。集群（clique）：一組具有一定相同系統(tǒng)屬性的通信控制器。簇（cluster）

5、：由至少一條通信通道直接連接的多個節(jié)點構(gòu)成的通信系統(tǒng)或子系統(tǒng)。通信控制器（CC，communication controller）：在一個FexRay的節(jié)點中完成通信協(xié)議功能的部件。8第一節(jié)FlexRay概述周期數(shù)（cycle number）：用于識別一個通信周期的正整數(shù)，系統(tǒng)啟動后的第一個周期的周期數(shù)設(shè)為零，以后隨著通信周期遞增，到最大數(shù)后回零，以此往復(fù)。周期時間（cycle time）：一個通信周期持續(xù)的時間，單位為宏時鐘節(jié)拍（macroticks）。幀（frame）：通信過程中交換信息的一個時間窗結(jié)構(gòu)。幀標(biāo)識符（frame identifier）：標(biāo)識一個幀的值，在通信周期的靜態(tài)段，定義

6、了這個幀的時間片位置；在動態(tài)段定義了這個幀的優(yōu)先級，數(shù)值越小優(yōu)先級越高。9第一節(jié)FlexRay概述關(guān)鍵時間片（key slot）：用于傳輸同步幀和啟動幀的時間片。宏時鐘節(jié)拍（macrotick）：由簇時鐘同步算法確定的一個時間段，用單位為微時鐘節(jié)拍的一個整數(shù)表示。時鐘同步算法會動態(tài)調(diào)節(jié)這個值。全局時鐘以宏時鐘節(jié)拍為單位。微時鐘節(jié)拍（microtick）：一個節(jié)點的通信控制器時鐘振蕩器產(chǎn)生的一個基本時間單位。微時間片（minislot）：一個通信周期的動態(tài)段中的一個時間片，用于同步傳輸部分媒體訪問優(yōu)先級仲裁?？諑╪ull frame）：沒有傳輸有效數(shù)據(jù)的幀，其數(shù)據(jù)部分都置為0。10第一節(jié)Fle

7、xRay概述時間片編號（slot number）：在一個通信周期中各個時間片的編號，用于識別時間片。啟動幀（startup frame）：幀頭含有一個標(biāo)識部分，幀中的時間信息可以在啟動過程用來初始化系統(tǒng)。同步幀（sync frame）：幀頭含有一個標(biāo)識部分，其中有幀實際到達(dá)時間和預(yù)計到達(dá)時間的偏差，其可用于時鐘同步算法。同步節(jié)點（sync node）：被配置傳輸同步幀的節(jié)點。工作點（action point）：宏時鐘節(jié)拍的邊界點，在這些點啟動或停止發(fā)送。11第一節(jié)FlexRay概述二、節(jié)點基本結(jié)構(gòu)在FlexRay網(wǎng)絡(luò)中，有節(jié)點三種基本類型：同步節(jié)點、冷啟動節(jié)點和應(yīng)用任務(wù)節(jié)點。同步節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中提

8、供時鐘同步算法的支持，實現(xiàn)同步的功能。冷啟動節(jié)點的特點是在網(wǎng)絡(luò)尚未同步之前就可以發(fā)送啟動幀，支持節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)的通信的初始化過程。冷啟動節(jié)點一定是一個同步節(jié)點。這兩種節(jié)點之外，網(wǎng)絡(luò)中還有一些完成一定應(yīng)用功能的節(jié)點，就是應(yīng)用任務(wù)節(jié)點。12第一節(jié)FlexRay概述1. 節(jié)點基本構(gòu)成及接口信息一個節(jié)點的基本構(gòu)成如圖3-2，一般由微控制器（也稱為主控制器、節(jié)點主機(jī)）、通信控制器、總線管理邏輯、總線驅(qū)動邏輯（發(fā)送/接收驅(qū)動器）和電源系統(tǒng)等5個部分組成。通信功能主要由通信控制器、總線管理及驅(qū)動邏輯、以及這些部分與主機(jī)的接口完成。節(jié)點各個部分之間的信息接口關(guān)系如圖3-3。131415第一節(jié)FlexRay概述2.

9、 節(jié)點基本功能節(jié)點中，一個通信控制器連接到1個或2個總線驅(qū)動器，即一個節(jié)點可以連接到一個或兩個總線通道上；節(jié)點可以進(jìn)入休眠態(tài)；處于休眠態(tài)的節(jié)點可以由總線事件喚醒；節(jié)點的總線活動可以由主控制器關(guān)閉；節(jié)點與電源常連接；節(jié)點的應(yīng)用功能。網(wǎng)絡(luò)星節(jié)點是一個只有網(wǎng)絡(luò)功能的節(jié)點，沒有主控制器和通信控制器，一個星節(jié)點有1個以上總線驅(qū)動器，它可以由總線喚醒和由總線關(guān)閉。16第一節(jié)FlexRay概述三、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)FlexRay網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有總線型、星型結(jié)構(gòu)，也可以由這些結(jié)構(gòu)混合構(gòu)成混合型結(jié)構(gòu)。17第一節(jié)FlexRay概述1. 總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)FlexRay網(wǎng)絡(luò)雙總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3-4，每個節(jié)點可以連到兩個總線

10、上，也可以只連接到一個總線上。18第一節(jié)FlexRay概述2. 星型結(jié)構(gòu)FlexRay網(wǎng)絡(luò)的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有多種連接方式。圖3-5是一個雙通道單星的結(jié)構(gòu)，每個通道由一個星節(jié)點連接，一個節(jié)點可以連接到一個或兩個通道上（星節(jié)點上）。19第一節(jié)FlexRay概述圖3-6是兩個單通道星型結(jié)構(gòu)級聯(lián)的結(jié)構(gòu)，每個通道由一個星節(jié)點連接，一個節(jié)點連接到一個通道上（星節(jié)點上），兩個星節(jié)點之間互聯(lián)。在這樣的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，也可以構(gòu)建冗余通道的結(jié)構(gòu)，如圖3-7所示。2021第一節(jié)FlexRay概述3. 總線與星型的混合結(jié)構(gòu)FlexRay網(wǎng)絡(luò)除了可以使用總線和星型結(jié)構(gòu)外，只要級聯(lián)的每一個子網(wǎng)不超過節(jié)點數(shù)等限制，還可以使用兩種

11、結(jié)構(gòu)混合的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖3-8是兩個混合結(jié)構(gòu)的例子。圖3-8（a）是一個星節(jié)點（2A）直接連接節(jié)點并連接到一個總線上，總線上又連接了一些其他節(jié)點；然后又與另外一個星節(jié)點（1A）相連，星節(jié)點（1A）也直接連接了一些節(jié)點，也可以再連接總線。圖3-8（b）是一個星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與總線構(gòu)成的雙通道結(jié)構(gòu)。2223第一節(jié)FlexRay概述四、FlexRay協(xié)議操作控制FlexRay網(wǎng)絡(luò)通信過程的完成，是協(xié)議規(guī)定的各個通信操作的核心機(jī)制的有序執(zhí)行。媒體訪問控制、編碼解碼、幀和符號處理以及時鐘同步構(gòu)成了FlexRay網(wǎng)絡(luò)的核心機(jī)制。如圖3-9所示2425第一節(jié)FlexRay概述通信控制器（CC，Communic

12、ation Controller）與主控制器的接口（CHI，Controller Host Interface）的作用是POC部分和主控制器之間的信息交互。包括主控制器向POC部分發(fā)送各種控制命令及回讀POC部分的各種狀態(tài)。編碼解碼（CODEC，Coding and Decoding）模塊定義的是通信控制器和總線驅(qū)動器（BD，Bus Driver）之間通過串行數(shù)據(jù)線TxD，RxD，TxEN進(jìn)行信息轉(zhuǎn)換。媒體訪問控制（MAC，Media Access Controll）完成FlexRay網(wǎng)絡(luò)的媒體訪問操作。26第一節(jié)FlexRay概述FlexRay網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議操作控制過程中，網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程如圖

13、3-10。27第二節(jié) FlexRay網(wǎng)絡(luò)中信息的基本傳輸過程FlexRay網(wǎng)絡(luò)按周期循環(huán)組織信息的傳送。在傳送信息時，一個通信周期有靜態(tài)的和動態(tài)的兩個部分。動態(tài)段和靜態(tài)段又由一些時間片構(gòu)成，每個時間片傳輸一個FlexRay幀。FlexRay幀是一個有格式的位流。28第二節(jié) FlexRay網(wǎng)絡(luò)中信息的基本傳輸過程一、FlexRay通信周期FlexRay的一個通信周期包含靜態(tài)段（Static Segment）、動態(tài)段（Dynamic Segment）、符號窗（Symbol Window）和網(wǎng)絡(luò)空閑向量（Network Idle Time）。29第二節(jié) FlexRay網(wǎng)絡(luò)中信息的基本傳輸過程圖3-1

14、1是FlexRay一個通信周的時間分層結(jié)構(gòu)。圖3-12是只包含靜態(tài)段和動態(tài)段的通信周期例。30第二節(jié) FlexRay網(wǎng)絡(luò)中信息的基本傳輸過程31第二節(jié) FlexRay網(wǎng)絡(luò)中信息的基本傳輸過程1. 通信周期的基本執(zhí)行過程除了啟動階段，F(xiàn)lexRay通信周期以一個固定的宏時鐘數(shù)周期性地循環(huán)執(zhí)行。通信周期依次從0到一個可設(shè)置的最大值依次計數(shù)?？偩€仲裁基于在靜態(tài)段和動態(tài)段的幀標(biāo)識符。幀標(biāo)識符決定了其在通信周期的哪個段和這個段的哪個時間片發(fā)送。圖3-13是一個FlexRay通信周期執(zhí)行的示意圖。32第二節(jié) FlexRay網(wǎng)絡(luò)中信息的基本傳輸過程33第二節(jié) FlexRay網(wǎng)絡(luò)中信息的基本傳輸過程2. 靜態(tài)

15、段一個FlexRay通信周期的靜態(tài)段，按照配置值設(shè)置其時間片數(shù)。所有靜態(tài)段中的時間片大小相同，由一個以宏時鐘為單位的數(shù)給出。每個時間片有一個序號，在靜態(tài)段中將固定的時間片分配給各個節(jié)點，在一個通信周期的靜態(tài)段中，每個節(jié)點在一個通道上只能在分配給它的時間片內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，而在自己的時間片之外的時間只能接收數(shù)據(jù)。在FlexRay網(wǎng)絡(luò)運行的時候，這個時間片的分配情況是不允許動態(tài)發(fā)生改變的。靜態(tài)段結(jié)構(gòu)如圖3-14，時序關(guān)系如圖3-15。34第二節(jié) FlexRay網(wǎng)絡(luò)中信息的基本傳輸過程3. 動態(tài)段可以配置一個FlexRay通信周期動態(tài)段的微時間片數(shù)量，并且從1開始依次編號。所有微時間片的大小相同，也由一

16、個以宏時鐘為單位的數(shù)給出，不用動態(tài)段的時候可以設(shè)置微時間片數(shù)為0。在一個通信周期的動態(tài)段中，節(jié)點如果要發(fā)送消息，要通過競爭獲得總線使用權(quán)。在動態(tài)段部分，是按照發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀優(yōu)先級分配帶寬，優(yōu)先級由幀的標(biāo)識ID確定。動態(tài)段結(jié)構(gòu)如圖3-16，時序關(guān)系如圖3-17。353637第二節(jié) FlexRay網(wǎng)絡(luò)中信息的基本傳輸過程4. 符號窗一個FlexRay通信周期可以有一個符號窗。符號窗通過配置設(shè)定一定數(shù)量宏時鐘的時間寬度，這個配置值為零表示不用符號窗。在符號窗內(nèi)的內(nèi)容及功能由高層協(xié)議規(guī)定，F(xiàn)lexRay節(jié)點發(fā)送一個符號表示某種自定義的特殊用途。38第二節(jié) FlexRay網(wǎng)絡(luò)中信息的基本傳輸過程5.

17、網(wǎng)絡(luò)空閑向量一個FlexRay通信周期的網(wǎng)絡(luò)空閑向量用來對FlexRay網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)整，是不可缺少的部分。一個周期除去前面幾個段使用的時間，余下的就是空閑段的長度。一個通信周期可以根據(jù)節(jié)點的實際需要，動態(tài)配置動態(tài)段和網(wǎng)絡(luò)空閑向量各部分的帶寬。在網(wǎng)絡(luò)空閑向量時間范圍內(nèi)，F(xiàn)lexRay網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點不進(jìn)行任何通信。39第二節(jié) FlexRay網(wǎng)絡(luò)中信息的基本傳輸過程二、 FlexRay幀格式在FlexRay網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點把要發(fā)送的信息打包成幀在靜態(tài)段或動態(tài)段的時間片發(fā)送，一個幀的格式如圖3-18。由幀頭段、有效數(shù)據(jù)段和幀尾構(gòu)成。每個字段又分成具有不同意義的位段。40第二節(jié) FlexRay網(wǎng)絡(luò)中信息的基本傳

18、輸過程三. 幀位流的編碼解碼一個信息幀在物理層傳輸要進(jìn)行編碼。把一幀本身要傳輸?shù)男畔⒓由衔恢脴?biāo)識以及同步等需要的信息編碼成一個二進(jìn)制位流，每一幀以一組位流在物理層由發(fā)送節(jié)點發(fā)出；接收端接收到這些位流進(jìn)行解碼，分解出一幀的信息，提供給鏈路層。41第二節(jié) FlexRay網(wǎng)絡(luò)中信息的基本傳輸過程1. 編碼插入序列編碼插入序列，是對一幀進(jìn)行編碼時加到幀中的二進(jìn)制序列。有以下幾種：傳輸起始序列幀起始序列字節(jié)起始序列幀結(jié)束序列動態(tài)段幀尾序列42第二節(jié) FlexRay網(wǎng)絡(luò)中信息的基本傳輸過程2. 幀位流的編碼傳輸一個幀的時候，節(jié)點按照一定的要求把要發(fā)送的信息和插入序列成一個位流，依次發(fā)送到物理層上。靜態(tài)段幀

19、和動態(tài)段幀的編碼圖示如圖3-19，3-20。4344第二節(jié) FlexRay網(wǎng)絡(luò)中信息的基本傳輸過程3. 幀位流解碼對于接收端，在總線空閑時監(jiān)測到總線上傳輸起始序列TSS，表示有幀將要啟動傳輸，這時啟動幀接受過程，按照同步機(jī)制定時，開始接收后續(xù)位流，并按照編碼規(guī)則進(jìn)行解碼處理。當(dāng)接收端節(jié)點檢測到錯誤的時候，終止通信位流的解碼過程，并一直等待總線回到空閑狀態(tài)。45第三節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)的同步及啟動在FlexRay的通信周期，靜態(tài)段中使用的是基于TDMA的通信協(xié)議，通信媒介的訪問是在時間域中各個節(jié)點分時進(jìn)行的。這種方式，要求每一個節(jié)點都必須保持時間上的一致，并且每一個節(jié)點的最大時間偏差在限定的范圍

20、之內(nèi)，才能真正實現(xiàn)時鐘同步，并按照這個時間安排發(fā)送順序。所有的節(jié)點在時鐘同步的前提下才能進(jìn)行正確的通信。46第三節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)的同步及啟動一、時鐘同步方式時鐘同步的主要任務(wù)是確保一個簇中所有節(jié)點之間的時間偏差在允許的范圍。在 FlexRay 協(xié)議中，每一個節(jié)點通過由同步幀傳來其它節(jié)點的定時信息，進(jìn)而可以計算出與本地時間（本節(jié)點的時間）的偏差，使用分布式時鐘同步機(jī)制，使其本地時鐘同步到所在簇的全局時鐘。47第三節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)的同步及啟動1. 時鐘同步方法一個FlexRay節(jié)點可以使用三種不同的時鐘同步方式，一個FlexRay簇的節(jié)點的同步方式影響其工作特點。1）TT-D 時鐘同步方法

21、2）TT-L時鐘同步方法3）TT-E時鐘同步方法48第三節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)的同步及啟動2. 時鐘的層次結(jié)構(gòu)1）全局時間與局部時間一個FlexRay簇范圍公共的時間稱為全局時間，F(xiàn)lexRay協(xié)議本身沒有一個絕對的全局時間，每一個節(jié)點有一個從其角度看到的全局時間。局部時間是一個節(jié)點自己的時鐘給出的時間，一個節(jié)點的局部時間是基于其認(rèn)知的全局時間的，通過時鐘同步算法盡量調(diào)節(jié)它的局部時間與全局時間一致。一個FlexRay簇的定時精度是簇內(nèi)任意兩個同步了的節(jié)點的局部時間之差。49第三節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)的同步及啟動2）時間單位層次在FlexRay簇和節(jié)點中，時間單位的層次有周期、宏時鐘節(jié)拍、微時鐘節(jié)拍

22、，其關(guān)系如圖3-21。微時鐘直接由通信控制器的振蕩器產(chǎn)生，是面向通信控制器的時間單位，也是一個節(jié)點里面最小時間單位。50第三節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)的同步及啟動3. 時鐘同步過程FlexRay的時鐘同步包含兩個主要的過程。一個是宏時鐘產(chǎn)生過程(MTG)，其控制宏時鐘計數(shù)器和周期計數(shù)器，并進(jìn)行頻率和相位偏移的校正；一個是時鐘同步過程(CSP)，其完成周期開始時的初始化、檢測并存儲偏差值、以及計算速率和偏移的校正值。這兩個過程的定時關(guān)系以及與媒體訪問的關(guān)系如圖3-22。5152第三節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)的同步及啟動FlexRay中允許的最大時鐘偏差稱為精確度。FlexRay中的時鐘偏差包括兩部分，一個是

23、相位上的偏差，一個是頻率上的偏差。其中相位上的偏差指的是在某一個時間的絕對差別。而頻率上的偏差是相位偏差隨著時間推移的變化。實現(xiàn)時鐘同步，是通過相位的更正和頻率的更正實現(xiàn)的。 FlexRay使用了一種綜合的方法，來同時實現(xiàn)相位上的校正和頻率上的校正。53第三節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)的同步及啟動圖3-23是FlexRay時鐘同步基本過程54第三節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)的同步及啟動二、FlexRay簇啟動所謂啟動就是使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點從休眠狀態(tài)進(jìn)入同步操作，并初始化同步操作或并入一個已經(jīng)在運行狀態(tài)的簇中。系統(tǒng)啟動過程包含兩個邏輯步驟，一個是冷啟動節(jié)點的啟動，一個是其他節(jié)點響應(yīng)冷啟動節(jié)點。55第三節(jié)FlexRay網(wǎng)

24、絡(luò)的同步及啟動當(dāng)使用TT-D 同步方法，每個 TT-D冷啟動節(jié)點完成其啟動并建立起與另一個冷啟動節(jié)點的穩(wěn)定通信表示啟動完成。一個TT-L冷啟動節(jié)點在六個周期后完成其啟動。一個TT-E冷啟動節(jié)點，在接收到對應(yīng)的簇中與其對偶的節(jié)點的時間同步參數(shù)之后，第一個周期開始就完成了啟動。56第三節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)的同步及啟動在FlexRay簇進(jìn)行啟動的時候，先執(zhí)行冷啟動程序（Coldstart Node）。首先主動傳輸啟動消息的節(jié)點稱為主冷啟動節(jié)點（Leading Coldstart Node），其他的冷啟動節(jié)點稱為從冷啟動節(jié)點（Following Coldstart Node）。57第三節(jié)FlexRay

25、網(wǎng)絡(luò)的同步及啟動節(jié)點完成冷啟動階段后進(jìn)入正常操作模式，進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。在確定和驗證算法計算得出的校正值之后，主冷啟動節(jié)點會收到來自兩個通信周期的從冷啟動節(jié)點的消息，進(jìn)而完成啟動階段。圖3-24是主冷啟動節(jié)點和從冷啟動節(jié)點的啟動階段的一個圖例。58第四節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計一、概述FlexRay網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計主要包括網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及各個功能節(jié)點的設(shè)計。59第四節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計節(jié)點的結(jié)構(gòu)設(shè)計構(gòu)建一個FlexRay節(jié)點，有3種結(jié)構(gòu)方式，分別是MCU+CC+BD形式、MCU+BD形式以及MCU形式。60第四節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計圖3-25是FlexRay結(jié)點基本結(jié)構(gòu)。61第四節(jié)F

26、lexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計62第四節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計二、FlexRay節(jié)點設(shè)計例本例中，MCU選用英飛凌生產(chǎn)的XC164CM，CC選用的英飛凌生產(chǎn)的SAK-CIC310，BD選用的是飛利浦的TJA1080。XC164CM為16位單片機(jī)，它通過SSC(高速同步串行接口)和CIC310的SSC口進(jìn)行連接，完成各個模塊間的數(shù)據(jù)交換。63第四節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計1.結(jié)點硬件結(jié)構(gòu)主控控制整個節(jié)點的功能及通信過程。通信控制器和總線收發(fā)器之間通過一個串口交換數(shù)據(jù)。由于主機(jī)及端口電壓是5V，通信控制器的端口電壓是3.3V，所以它們不能直接進(jìn)行相連，需要在它們之間加一個電壓轉(zhuǎn)換模塊。電壓轉(zhuǎn)換模塊

27、采用SN74ALVC164245，它的功能就是完成XC164CM和CIC310之間的電壓匹配，以及TJA1080和CIC310之間的電壓匹配。節(jié)點總體結(jié)構(gòu)如圖3-26。6465第四節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計2.結(jié)點硬件設(shè)計（1）XC164CM連接電路 微控制器XC164CM是整個節(jié)點的控制核心，它通過SSC端口和通信控制器CIC310相連，并通過這個端口向CIC310發(fā)送數(shù)據(jù)控制CIC310和讀取CIC310的狀態(tài)。XC164CM有SSC功能端口，可直接與CIC310的SSC端口進(jìn)行連接。標(biāo)準(zhǔn)的SSC端口有5條信號線：時鐘SCLK、主機(jī)發(fā)送MOSI、從機(jī)發(fā)送MISO、片選信號SLS和就緒RD

28、Y。與兩個TJA1080總線收發(fā)器通過EN，ERRN和RXEN引腳進(jìn)行相連，并通過這些引腳控制總線收發(fā)器的使能、禁止和工作模式。XC164CM的主體電路的連接如圖3-27，圖3-27中XC164CM各引腳的基本功能如表3-3。666768表3-3 XC164CM引腳功能引腳序號引腳功能1-5連接LED，給出模式選擇9-18輸入功能，可用于模數(shù)轉(zhuǎn)變21-24輸入功能，可用于模數(shù)轉(zhuǎn)變28-31對應(yīng)OCDS的接口，用于調(diào)試33復(fù)用通信控制器35-39SSC0接口，通過配置，XC164CM的SSC0可以作為SSC端口使用49-55用于連接兩個總線收發(fā)器60-64系統(tǒng)支持功能：復(fù)位、時鐘信號端第四節(jié)Fl

29、exRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計圖3-28為復(fù)位電路以調(diào)試支持接口電路。6970第四節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計圖3-28(a)為XC164CM的復(fù)位電路，以TL7705芯片為核心產(chǎn)生XC164CM的復(fù)位信號。TL7705的復(fù)位信號比常規(guī)的RC復(fù)位電路穩(wěn)定，可以使XC164CM進(jìn)行可靠的復(fù)位。圖3-28(b)為OCDS調(diào)試接口電路。使用OCDS雙列直插16針的接口，支持對XC164CM開發(fā)調(diào)試的連接。71第四節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計選用的具體芯片為XC164CM-8F20F，其最大系統(tǒng)時鐘為20MHZ。XC164CM內(nèi)部具有鎖相環(huán)電路，可以通過對相應(yīng)寄存器的設(shè)置，來對輸入晶振信號進(jìn)行倍頻、分頻。當(dāng)系

30、統(tǒng)采用8MHZ晶振，按公式3-1編程配置有關(guān)寄存器就可得到20MHZ的系統(tǒng)時鐘。式中fin代表鎖相環(huán)PLL的輸入頻率，fosc表示晶振頻率，fcpu表示系統(tǒng)時鐘頻率。PLLIDIV，PLLMUL，PLLODIV，CPSYS是XC164CM中寄存器的一些可編程位域。fin=fosc/2=8M/2=4M（通過PLLIDIV配置）fvco=fin*25=4M*25=100M(通過PLLMUL配置)fpll=fvco/5=100M/2=20M(通過PLLODIV配置)fcpu=fpll/1=20M/1=20M(通過CPSYS配置) （3-1）72第四節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計（2）CIC310I電路

31、連接CIC310的主要功能是接收來自節(jié)點主控制器XC164CM的控制命令，配置自己的工作模式。CIC310連接主控制器和總線收發(fā)器，用來發(fā)送和接受數(shù)據(jù)。73第四節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計CIC310和主機(jī)之間通過SSC口連接。其復(fù)位信號由主機(jī)提供，在主控制器啟動正常工作之后，向CIC310發(fā)送復(fù)位信號，使CIC310復(fù)位。復(fù)位之后，主控制器通過SSC口向CIC310的內(nèi)部寄存器寫控制命令，配置CIC310工作模式等信息。當(dāng)ERAY配置完畢之后，就可以開始進(jìn)行正常通信的數(shù)據(jù)收發(fā)操作，有在接收到總線來的報文時向主控制器發(fā)送中斷，通知主控制器讀取剛收到的報文；發(fā)送時，接收主控制器發(fā)來的數(shù)據(jù)并發(fā)送給

32、收發(fā)器送上物理線路上。74第四節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計CIC310和TJA1080之間通過FlexRay收發(fā)線連接。系統(tǒng)設(shè)計為雙通道，所以兩個FlexRay的端口都連到物理線路上。圖3-29為CIC310的主體電路。表3-4為CIC310引腳連接關(guān)系。7576引腳序號引腳功能1-6與總線收發(fā)器TJA1080進(jìn)行相連12-13晶振信號輸入22-23測試用LED的引腳27-28測試用LED的引腳35模式選擇，通過上拉電阻接電源，選擇SSC接口模式46模式選擇，通過上拉電阻接電源，選擇SSC接口模式36-40SSC端口，實現(xiàn)和主控制器之間的信息交互31連接上拉電阻，置“1”47連接上拉電阻，置“

33、1”48復(fù)位引腳輸入端60中斷請求信號輸出端77表3-4 CIC310引腳連接第四節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計節(jié)點中，CIC310的核供電電壓為1.5V，端口供電電壓為3.3V。主控制器XC164CM的核心供電電壓為2.5V，端口電壓為5V。如圖3-30的圖a、圖b，為了滿足不同芯片的電源需求并簡化電路，使用電壓轉(zhuǎn)化芯片AMS1117來產(chǎn)生所需的電源。系統(tǒng)輸入5V供電電源，通過AMS1117-2.5將5V電壓轉(zhuǎn)為2.5V供XC164CM使用，轉(zhuǎn)換為3.3V供CIC310端口使用。7879第四節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計產(chǎn)生CIC310的1.5V電源如圖3-30（c），LM1117-ADJ的參考

34、電壓為1.25V，輸出電壓和參考電壓的關(guān)系為：Vout=Vref*(1+R36/R35)。欲使輸出電壓Vout=1.5V，需要滿足R36/R35=1/5。在LM1117-ADJ輸入輸出端的電容必須使用鉭電容。使用普通的電解電容輸出電壓會不夠穩(wěn)定。80第四節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計（3）TJA1080連接電路TJA1080是FlexRay節(jié)點的物理層收發(fā)器，如圖3-31。TJA1080共有20個引腳。通過TRXD0和TRXD1引腳可以配置TJA1080的工作模式。工作在普通的收/發(fā)模式時TRXD0和TRXD1都必須為“0”，即必須使用下拉電阻接地。1-2引腳用作電源管理，需要配合FlexRay

35、節(jié)點中的總線監(jiān)控器（Bus Guardian）使用。5-7為TJA1080和通信控制器CIC310的接口，用來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。12-13引腳用于向主控制器芯片反饋狀態(tài)信息。15腳WAKE為喚醒引腳。BP，BM為TJA1080的差分信號線。為了減少信號線上的干擾，需要接共模電感（Common Mode Chock）。8182第四節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計（4）SN74ALVC164245電路連接為了解決主控芯片端口電壓和通信控制器端口電壓的匹配問題，使用了一片SN74ALVC164245。這個芯片專用于高速串行通信的電壓匹配。如圖3-32，1腳和24腳為DIR功能，也就是方向選擇。DIR=0傳

36、輸方向為BA，DIR=1傳輸方向為AB。A側(cè)電壓為3.3V供電，B側(cè)電壓為5V供電。25腳和48腳為OE片選信號，分別對應(yīng)組1和組2的使能。這兩個引腳同時接到主控制器芯片上，由主控制器芯片控制SN74ALVC164245的使能。8384第四節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計3.結(jié)點的軟件設(shè)計節(jié)點的軟件部分主要包括FlexRay通信驅(qū)動程序以及節(jié)點的應(yīng)用功能程序。一個FlexRay節(jié)點最基本的功能，就是能夠完成正常的FlexRay通信接口控制及數(shù)據(jù)收發(fā)操作，包括主控制器芯片正確地控制節(jié)點內(nèi)各個部分、完成FlexRay節(jié)點的啟動、正確驅(qū)動通信模塊完成數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)，應(yīng)用程序根據(jù)節(jié)點的具體應(yīng)用功能設(shè)計。軟件

37、部分依據(jù)應(yīng)用有較大的區(qū)別。本例一個節(jié)點的軟件部分主要包括：85第四節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計（1）主控制器XC164CM和CIC310之間的SSC通信程序節(jié)點中主控制器芯片XC164CM和通信控制器CIC310之間通過SSC接口連接完成信息交互。SSC接口在傳輸普通數(shù)據(jù)之前會先傳送一個控制字，具體的操作類型由控制字的最高兩位進(jìn)行選擇。正常的SSC端口都是由五根線組成的，分別是MTSR，MRST，SCLK，SLS和RDY信號。CIC310完全支持這五種信號線， 主控制器XC164CM只有MTSR，MRST，SCLK和SLS。所以，不能按照標(biāo)準(zhǔn)的SSC接口方式進(jìn)行連接，應(yīng)采用可以不使用RDY信號

38、的操作模式。86第四節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計（2）通信過程的CRC校驗程序CRC校驗功能的實現(xiàn)包括發(fā)送時產(chǎn)生校驗碼和接收時的校驗。當(dāng)使用CIC310作為 FlexRay的通信協(xié)議控制器時，由于其沒有計算能力，為了在FlexRay幀傳輸中使用校驗，需要由主控制器芯片完成對FlexRay幀加入CRC校驗碼的計算，既需要CRC校驗編程。通信控制器對主控制器芯片計算的檢驗碼進(jìn)行驗證，如果正確的話則進(jìn)行FlexRay幀的發(fā)送。FlexRay的頭校驗包含同步幀指示位、起始幀指示位、幀ID和有效載荷段長度，共20位。主控制器部分根據(jù)FlexRay規(guī)定的CRC校驗方式來對這20位數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗碼的計算

39、。FlexRay規(guī)定的CRC校驗方式和普通的CRC校驗基本一致，并規(guī)定了CRC校驗的初始值和生成多項式。這些參數(shù)已經(jīng)在通信控制器的硬件中設(shè)置好了，必須按照這樣規(guī)定的方式產(chǎn)生CRC校驗碼，被通信控制器才能產(chǎn)生正確的校驗結(jié)果，否則通信控制器會認(rèn)為產(chǎn)生的校驗碼是錯誤的，而忽略掉主控芯片發(fā)送的數(shù)據(jù)。87第四節(jié)FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計（3）CIC310的狀態(tài)轉(zhuǎn)換程序通過SSC端口驅(qū)動程序，主控制器能夠控制通信控制器后，還需要了解FlexRay通信控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，才能正確的啟動FlexRay節(jié)點和進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。FlexRay協(xié)議規(guī)定了的狀態(tài)以及各個狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換條件，應(yīng)按照CIC310工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換要求編寫控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換的程序。88第四節(jié)Fl