一、FlexRay简介
1.1FlexRay是什么？
1.2 FlexRay 总线的历史
2000年，宝马和戴姆勒克莱斯勒联合飞利浦和摩托罗拉成立了FlexRay联盟。该联盟致力于推广FlexRay通信系统在全球的采用，使其成为高级动力总成、底盘、线控系统的标准协议。
其具体任务为制定FlexRay需求定义、开发FlexRay协议、定义数据链路层、提供支持FlexRay的控制器、开发FlexRay物理层规范并实现基础解决方案。
主要用于线控操作，如线控操作转向、防抱死制动系统（ABS）包括车辆稳定控制（VSC）和车辆稳定助手（VSA）等。
FlexRay联盟在2013年发布了ISO 17458标准规范。
第一款采用FlexRay的量产车于2006年在BMW X5中推出，应用在电子控制减震系统中。
1.3FlexRay的特性
FlexRay提供了传统车内通信协议不具备的大量特性，包括以下六个方面：
1、高传输速率：FlexRay的每个信道具有10Mbps带宽。它不仅能像CAN和LIN网络这样的单信道系统一般运行，还能作为一个双信道系统运行，因此可以达到20Mbps的最大传输速率，是当前CAN最高运行速率的20倍；
2、同步时基：FlexRay中使用的访问方法是基于同步时基的。该时基通过协议自动建立和同步，并提供给应用。时基的精确度介于0.5μs和10μs之间（通常为1～2μs）；
3、确定性：通信是在不断循环的周期中进行的，特定消息在通信周期中拥有固定位置，因此接收器已经提前知道了消息到达的时间。到达时间的临时偏差幅度会非常小，并能得到保证；
4、高容错：强大的错误检测性能和容错功能是FlexRay设计时考虑的重要方面。FlexRay总线使用循环冗余校验CRC来检验通信中的差错。FlexRay总线通过双通道通信，能够提供冗余功能，并且使用星型拓扑可完全解决容错问题；
5、灵活性：在FlexRay协议的开发过程中，关注的主要问题是灵活性，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定。
6、可靠性：为了在汽车环境下可靠工作，FlexRay满足以下要求：
▶可满足汽车使用温度环境要求，目前的标准是-40～125℃，对于一些特殊的应用，如制动执行器，温度要求还要高；
▶在不使用外部滤波器条件下，每个FlexRay产品满足汽车系统和法规要求的EMC指标；
▶在正常工作和低功耗模式下，系统功耗必须优化到最小。
在空闲状态，总线驱动器和通信控制器的典型工作电流为10mA；
在忙状态，总线驱动器和通信控制器的典型工作电流为50mA；
关电时的总线驱动器电流（指汽车电压调节器关断后，总线驱动器监视器唤醒逻辑等消耗的电流）为10μA；
▶通信控制器供电电压适应的条件与汽车ECU（Electronic Control Unit）要求一致；
▶直接与线束相连的总线控制器和通信控制器的输入/输出，满足汽车上电器系统的要求。
二、FlexRay协议介绍
2.1结点基本结构
①同步结点在网络中提供时钟同步算法的支持，实现同步的功能。
②冷启动结点的特点是在网络尚未同步之前就可以发送启动帧，支持结点和网络通信的初始化过程。冷启动结点一定是一个同步结点。
③除这两种结点以外，网络中还有一些完成一定应用功能的结点，就是应用任务结点。
(2)结点的基本构成及接口信息
结点各个部分之间的信息接口关系如图所示。
2.2结点基本功能
（1）结点中，一个通信控制器连接一个或两个总线驱动器，即一个结点可以连接到一个或两个总线通道上；
（2）结点可以进入休眠态；
（3）处于休眠态的结点可以由总线事件唤醒；
（4）结点的总线活动可以由主控制器关闭；
（5）结点与电源常连接；
（6）结点的应用功能。
网络星结点是一个只有网络功能的结点，没有主控制器和通信控制器，一个星结点有1个以上总线驱动器，它可以由总线唤醒，由总线关闭。
2.3FlexRay物理结构
FlexRay总线和CAN 一样也是两根线，可采用屏蔽或不屏蔽的双绞线，每个通道有两根导线，即总线正(Bus-Plus，BP)和总线负(Bus-Minus,BM)组成。采用不归零法(NRZ,Non-Return to Zero)进行编码。
可通过测量BP和BM之间的电压差来判断总线状态，这样可减少外部干扰对总线信息的影响，因为当干扰同时作用在两根导线上时可相互抵消。
每个通道都需使用80~110欧的终端电阻。将不同的电压加载在一个通道的两根导线上，可使总线有四种状态:Idle_Lp(Low power)、Idle、Data_0和Data_1
显性：差分电压不为0V（Data_0和Data_1）；
隐性：差分电压为0V（Idle_Lp、Idle）。在静止状态，两条总线传输线为高欧姆值，约为2.5V。
2.4FlexRay拓扑结构
FlexRay的拓扑结构：线型(点对点、多节点）、星型和混合型三大类。
（1）总线型拓扑结构
FlexRay网络双总线型拓扑结构，每个结点可以连到两个总线上，也可以只连接到一个总线上。
（2）星型结构
FlexRay网络的星型拓扑结构有多种连接方式。
①一个双通道单星的结构，每个通道由一个星结点连接，一个结点可以连接到一个或两个通道上（星结点上）。
②两个单通道星型结构级联的结构，每个通道由一个星结点连接，一个结点连接到一个通道上（星结点上），两个星结点之间互联。
③在FlexRay 网络星形双通道拓扑结构的基础上，也可以构建冗余通道的结构。
④星型结构的优势
（3）总线型与星型的混合结构
FlexRay网络除了可以使用总线型和星形结构外，只要级联的每一个子网不超过结点数的限制，还可以使用两种结构混合的网络拓扑结构。
如上图所示，一个星结点（2A）直接连接结点并连接到一个总线上，总线上又连接了一些其他结点；然后又与另外一个星结点（1A）相连，星结点（1A）也直接连接了一些结点，也可以再连接总线。
一个星形拓扑结构与总线型结构构成的双通道结构。
2.5冗余数据传输
在容错性系统中，即使某一总线导线断路，也必须确保数据能继续可靠传输。这一要求可以通过在第二个数据信道上进行冗余数据传输来实现。具有冗余数据传输能力的总线系统使用两个相互独立的信道。每个信道都由一组双线导线组成。一个信道失灵时，该信道应传输的信息可在另外一条没有发生故障的信道上传输。
2.6FlexRay的传输过程
除了启动阶段，FlexRay通信周期以一个固定的宏时钟数周期性地循环执行。通信周期依次从0到一个可设置的最大值依次计数。总线仲裁基于在静态段和动态段的帧标识符。帧标识符决定了其在通信周期的哪个段和这个段的哪个时间片发送。
三、FlexRay帧结构
帧尾段包含3个用于检测错误的8位CRC，由起始段和有效负载段计算得出的CRC校验码，计算CRC时，根据网络传输顺序从保留位到有效数据段的最后一位放到CRC生成器中进行计算。
（1）编码插入序列
编码插入序列是对一帧进行编码时加到帧中的二进制序列，具体有以下几种：
①传输起始序列（Transmission Start Sequence，TSS）：用于初始化节点和网络通信的对接， 为一小段低电平。发送结点在开始发送时，首先输出一个连续低位序列，长度可以通过配置设置，表示一个传输开始并建立发送与接收端的路径，接收端结点检测到这个状态，就判定总线由空闲进入忙状态，一个帧的传输过程开始。
②帧起始序列（Frame Start Sequence，FSS）：在TSS之后加入的一个高位，以补偿TSS部分同步的量化误差。
③字节起始序列（Byte Start Sequence，BSS）：给接受节点提供数据定时信息， 由一位高电平和一位低电平组成。BSS包含连续的一个高位和一个低位。发送结点在一帧每一个字节信息（每8位数据）前面都加上BSS，为接收端提供时间同步信息。
④帧结束序列（Frame End Sequence，FES）：一帧所有的信息发出之后，发送结点紧接着发送的连续一个低位一个高位，表示一帧结束。
⑤动态段帧尾序列（Dynamic Trailing Sequence，DTS）：用于动态段的帧尾，指示发送端微时间片工作点的准确时间。DTS包括先低后高两部分，低的部分可变长，至少保持一个位时间，在下一个微时间片的工作点变高，高的部分固定为一个位时间。发送结点在发送动态段的帧时，紧接FES之后发送DTS。
（2）静态帧编码与动态帧编码
①把一帧的所有信息分成字节；
②在位流的最前面加入一个TSS；
③在TSS后面加入FSS；
④在帧数据的每一个字节前面插入BSS得到扩展字节；
⑤按照原来帧信息的数据顺序排列所有扩展字节；
⑥计算帧的CRC校验码，并把校验码各个字节加BSS进行字节扩展；
⑦在如上形成的位流后面加上一个FES；
⑧如果是动态段的帧，再在后面加上一个DTS。
（3）帧位流解码
来源：河南中驰电子科技有限公司
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