车内通信网络标准FlexRay的功能和特性分析

2．骨干网络
FlexRay具有很高的数据速率，因而非常适合于汽车骨干网络，用于连接多个独立网络。

3．实时应用，分布式控制系统
用户可以提前知道消息到达时间，消息周期偏差非常小，这使得FlexRay成为具有严格实时要求的分布式控制系统的首选技术。

4．面向安全的系统
FlexRay本身不能确保系统安全，但它具备大量功能，可以支持面向安全的系统(如线控系统)设计。

在车内通信方面，FlexRay提供了从事件驱动的CAN通信转换到时间驱动通信的一个转换范例。这种转换需要一定时间，因为它不仅会影响新技术的引入，还要求对涉及到的所有人员都进行重新培训。一旦这个转换步骤完成，就可以发现更多的应用领域。

功能和机制分析

1．访问方法
FlexRay的通信是在逐周期中进行的，一个通信周期始终由静态部分和网络闲置时间(NIT)组成。协议内部流程需要网络闲置时间，在这个时段内，群组的节点之间不进行任何通信(见图2)。

图4：FlexRay 群组启动。

通信周期的静态部分基于时分多址(TDMA)技术。该技术将固定时隙分配给各个节点，在这个时隙内，允许节点传输数据。所有时隙大小相同，并且是从“1”开始向上编号。将一个或一个以上的时隙固定分配给每个节点。在运行期间，该时隙的分配不能修改。

除了静态部分以外，通信周期还可以选择性地组成动态部分。一种所谓的“微时隙”法用来访问动态部分内的通信媒介。发送出去的消息永远分配给动态时隙。只要时隙分配给了节点，与大小都相同、始终用于传输的静态时隙相反，动态部分就只能在需要时才进行传输。因此，动态部分的可用带宽是动态分配的。

如果消息号(ID)和时隙号对应，有待发消息的节点就会进行传输。如果没有节点传输，则所有节点就会等候，等待的时间长度正是微时隙的长度，然后它们的时隙计数器也会增加。在时隙计数器增加以后，所有节点都将检查该时隙号是否与将发出的消息对应。如果两者匹配，该节点将发送消息。所有其它节点接受这条消息，并且一直等到它们完全接收了这条消息后再增加时隙读数。这一过程将会持续，直至动态部分结束。如果在一个周期中，没有或者只有少数节点发送消息，在动态部分的结尾将达到更高的时隙号。如果有大量节点进行发送，则到达的时隙号就比较低。因此，拥有较高编号的(即优先权较低)发送消息的节点可能在一个周期中传输，而不在另一个周期中传输，具体取决于在其之前在动态部分已经由多少个节点进行了消息传输。要确定消息已经传输，用户必须在静态部分发送该消息，或者必须在动态部分中对其分配较低消息编号(即优先权较高)。

2．时钟同步
如果使用基于TDMA的通信协议，则在时间域上控制对通信媒介的访问。因此，每个节点都必须保持时间同步，这一点非常重要。所有节点的时钟必须同步，并且最大偏差必须在限定范围内，这是实现时钟同步的前提条件。最大的偏差反应了精确度的大小。

图5：双信道拓扑举例。

时钟偏差可以分为相位和频率偏差。相位偏差是两个时钟在某一特定时间的绝对差别。频率偏差是相位偏差随着时间推移的变化，它反映了相位偏差在特定时间的变化。

通过相位修正和频率修正可以实现时钟同步。FlexRay使用了一种综合方法，即同时采用相位修正和频率修正。时钟同步是一个控制环路，与其它控制环路一样，也由测量、计算和设定功能组成。

要测量每个时钟与其它时钟的偏差，所有节点都要在接收期间测量消息的到达时间。通过静态部分的定时机制，每个节点都知道消息应当何时到达。如果消息比预计时间早到或晚到，将能测量得出实际时间与预定时间之间的偏差。该偏差代表了传输和接收节点之间的时钟偏差。借助获得的测量值，可用容错平均算法计算出每个节点的修正值。

在频率修正中，需要使用两个通信周期的测量值。这些测量值之间的差值反映每个通信周期中的时钟偏差变化，它通常用于计算双周期结束时的修正值(见上文提及的方法)。在整个后来的两个周期中，都使用该修正值。

相位修正值的计算只需一个周期的测量值，一旦接收了所有测量值，即可开始进行计算，并且它必须在开始相位修正前完成。在通信周期末尾，网络闲置时间(NIT)的一部分被保留，用于相位修正。相位修正要相隔一个周期来完成，避免影响时钟频率偏差的确定。图3概述了时钟同步的每个阶段，以及不同访问方法的分配。

3. 群组启动
与许多技术流程或程序一样，FlexRay中的启动阶段同样也是最复杂的阶段之一。这是因为FlexRay中的通信基于同步时钟机制，但在启动阶段这种机制还未建立。由于具备容错功能，FlexRay中不存在主时钟，因而时基不是由主时钟定义的。

启动群组时，将会启动“coldstarter”，coldstarter总是存在于多个实例中。首先，启动传输消息的coldstarter被称为“主coldstarter”(leading coldstarter)，其它coldstarter则被称为“从coldstarter”(following coldstarter)。

图6：双信道星型拓扑。

一旦节点被唤醒并完成初始化，它就能在发出相应的主控制器命令后进入启动流程。不属于coldstarter的节点会等候，直到它们至少识别到两个相互通讯的coldstarter为止。coldstarter自己会监控两个通信周期的传输信道，以确定其它节点是否正在传输。如果没有，该节点会开始传输，从而成为主coldstarter。主coldstarter首先会传输一个空符号，向其它节点说明目前它正在作为主coldstarter启动该群组。在传输符号(符号即特定数量的无效位)后，该节点开始启动它自己的时钟，并且开始第一个通信周期。根据预先定义的群组范围的通信机制，主coldstarter将在其分配的时隙中传输。与其它所有节点一样，它将只在一个时隙的启动阶段传输。

主coldstarter发送的消息可由从coldstarter接收。在消息ID(该号码与时隙编号相同)的帮助下，接收器能够确定发送器位于哪个时隙。传输节点的当前周期编号附带在每条消息中发送。在接收第一条消息后，其它节点等待在下一个通信周期中发送的第二条消息。一旦收到第二条消息，从coldstarter将开始启动它们的时钟，该时钟由周期编号和接收消息的时隙号进行初始化。这样就可以为传输器和接收器之间的同步时间操作奠定基础。此外，接收节点会测量第一条消息和第二条消息之间的时间，该时间与通信周期的周期时间对应。测量出的时间与本地coldstarter时间进行比较。还可以通过减法确定可能偏差，频率修正机制使用该偏差值作为修正值。因此，从coldstarter不仅使用接收到的周期号和时间值(与传输的时隙对应)来启动其时钟，还会修改其时基的频率，使它尽可能地接近主coldstarter的值。