車載以太網(wǎng)-FlexRay的通信冗余設(shè)計(jì)

1. ?? ?FlexRay是什么？

那么到底什么是FlexRay？往簡(jiǎn)單了說(shuō)，就是CAN總線加LIN總線混合起來(lái)排個(gè)課程表、提個(gè)速再加個(gè)冗余。像LIN一樣基于TDMA，提高了協(xié)議的復(fù)雜度，擁有靜態(tài)部分和動(dòng)態(tài)部分。動(dòng)態(tài)部分類似于CAN總線，是基于事件和優(yōu)先級(jí)發(fā)送。這樣隨著協(xié)議的復(fù)雜化，通過(guò)靈活的配置，可以設(shè)計(jì)出更安全可靠，而且實(shí)時(shí)性好的車載通信系統(tǒng)，以滿足新的技術(shù)要求。

功能強(qiáng)大了，配置也更靈活了，但成本也上去了。不光是硬件成本，配置FlexRay相比它的兄弟姐妹總線，要復(fù)雜的多，這就需要更多人力和時(shí)間。一個(gè)技術(shù)，它的成本門檻高了，就會(huì)阻礙這個(gè)技術(shù)的大規(guī)模輸出、推廣，沒(méi)有得到大規(guī)模的應(yīng)用，相對(duì)的芯片成本就難以進(jìn)一步下降，有點(diǎn)馬太效應(yīng)的味道，這也是上圖預(yù)測(cè)FlexRay走不出2020年代的原因之一。但是是否呼聲漸起的以太網(wǎng)10BaseT1s真的能取代這些傳統(tǒng)的車載總線。

2.? ? ?FlexRay如何實(shí)現(xiàn)功能

FlexRay擁有雙通道通信的冗余設(shè)計(jì)。每個(gè)通道帶寬10Mbps，可以靈活的設(shè)置為同一時(shí)間點(diǎn)兩通道互為備份冗余；也可以選擇雙通道發(fā)送不同的信息達(dá)到20Mbps的帶寬。這樣FlexRay契合了安全和時(shí)間緊要的更高階的應(yīng)用場(chǎng)景，在動(dòng)力總成和車身控制也可以應(yīng)用。在這些場(chǎng)景中CAN總線和LIN總線都不能勝任。關(guān)于FlexRay的總線規(guī)模和節(jié)點(diǎn)容量，看到有說(shuō)24米有說(shuō)22米的，沒(méi)必要細(xì)摳，一般達(dá)不到這個(gè)長(zhǎng)度。

靜態(tài)和動(dòng)態(tài)部分可以繼續(xù)切分才會(huì)得到更小的時(shí)間蛋糕slot，里面就是FlexRay的數(shù)據(jù)幀了。FlexRay由5Bytes的幀頭，0到254Bytes的Payload和3Bytes的尾部組成。

靜態(tài)數(shù)據(jù)塊被分成一系列的Slots分發(fā)給不同的節(jié)點(diǎn)，同一節(jié)點(diǎn)可以被分配多個(gè)Slots。但是同一個(gè)Slot只能被分配給一個(gè)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)時(shí)間軸上相應(yīng)的時(shí)刻到達(dá)，如果節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備好了相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀，則發(fā)送數(shù)據(jù)幀，如果沒(méi)有則發(fā)送空幀，或者重復(fù)。靜態(tài)部分是固定分配的，就像白天上課的課程表，這就保證了被分配到時(shí)間資源的節(jié)點(diǎn)總能有機(jī)會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)。而Dynamic部分則是動(dòng)態(tài)的，有點(diǎn)像晚自習(xí)，而且是課時(shí)不固定的晚自習(xí)，學(xué)生可以半自由地搭配。

動(dòng)態(tài)部分就是FlexRay中前面提到的Event Triggered部分。動(dòng)態(tài)部分通常是用來(lái)傳輸診斷信息。每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)配置的Frame ID發(fā)送信息。動(dòng)態(tài)部分發(fā)送機(jī)制挺有意思，是基于一個(gè)Minislots的概念，當(dāng)沒(méi)有信息發(fā)送的時(shí)候，各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)著時(shí)間塊Minislots累加自己的index。待發(fā)信息ID與slot一一對(duì)應(yīng)，如果匹配的話，對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)就有權(quán)發(fā)送信息。有信息發(fā)送時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)的index凍結(jié)，發(fā)送完畢后，大家共同繼續(xù)累加index。通過(guò)這種方式避免了沖突，但是動(dòng)態(tài)部分的時(shí)間長(zhǎng)度有限，所以如果排在前面的信息比較多，后面的信息可能就分不到發(fā)送時(shí)間的slot，就只能放棄發(fā)送。這點(diǎn)有點(diǎn)像CAN總線，但是機(jī)制又不完全一樣，CAN總線是比較ID大小定優(yōu)先級(jí)，F(xiàn)lexRay的動(dòng)態(tài)部分是先給ID小的信息發(fā)送機(jī)會(huì)，按順序發(fā)。EB的《FlexRay：A first glance》里有一段很好的演示動(dòng)畫，可以去看看。FlexRay的兩個(gè)通道的Minislot是對(duì)齊的，而在信息發(fā)送時(shí)，是相互獨(dú)立，互不干擾而不對(duì)齊的。超過(guò)了最后的機(jī)會(huì)時(shí)間點(diǎn)latest dynamic transmission start之后，就不再允許任何節(jié)點(diǎn)發(fā)送新的幀了。

編輯：黃飛

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