FlexRay通信系統(tǒng)是一種用于汽車的高速通信網(wǎng)絡(luò)，每通道速率可達(dá)10Mb/s。

FlexRay通信采用TDMA時(shí)分多址的網(wǎng)絡(luò)訪問方式，具有容錯(cuò)功能及確定的通信消息傳輸時(shí)間，同時(shí)支持時(shí)間觸發(fā)和事件觸發(fā)通信。

FlexRay通信可用于車身、底盤、安全和ADAS應(yīng)用，它的通信特點(diǎn)也更適合下一代汽車線控系統(tǒng)或分布式控制系統(tǒng)的通訊要求，比如線控轉(zhuǎn)向和線控制動(dòng)等這些對(duì)實(shí)時(shí)性和安全性有很高要求的主動(dòng)安全系統(tǒng)。

FlexRay通信不僅僅是速度上比我們常用的CAN和LIN通信快，在通信機(jī)制上也有很大的不同。

1.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?

我們常用的CAN通信是總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌負(fù)湫问胶芎?jiǎn)單，就是各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過一對(duì)差分線直接連到CAN總線上。

CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?差分多主總線型

LIN通信也是總線型，但它是主從式結(jié)構(gòu)，所有的子節(jié)點(diǎn)都要通過主節(jié)點(diǎn)調(diào)度，而且是單線連接。

LIN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?單線主從總線型

1.1FlexRay的三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

與CAN和LIN通信相比，F(xiàn)lexRay的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚捅容^復(fù)雜了。首先，它不只1種，而是有3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：總線型（Bus）、星型（Star）和混合型（Hybrid）。

總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑cCAN通信基本一樣，也是采用差分信號(hào)傳輸，兩根線稱為BP和BM,即總線正和總線負(fù)，兩根線組成一個(gè)通道Channel。

FlexRay網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?總線型

星型拓?fù)鋾?huì)有一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，稱為星型耦合器（star coupler），星型耦合器負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)通信數(shù)據(jù)。

FlexRay網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?星型

（注：為了便于查看， 上圖及后續(xù)的FlexRay圖形都用1根總線來表示差分信號(hào)）

上圖中的星型拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)與LIN的拓?fù)溆悬c(diǎn)相似，但實(shí)際上是不同的，LIN仍然是總線型，不是星型。而且FlexRay的星型拓?fù)渲羞€可以有2個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，LIN只能有1個(gè)主節(jié)點(diǎn)。

混合型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚褪强偩€型與星型間不同的組合。

FlexRay網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?混合型

上圖中的節(jié)點(diǎn)A、B和Star組成星型拓?fù)?，?jié)點(diǎn)C、D、E和F是總線型拓?fù)洌偩€型與星型間的節(jié)點(diǎn)可以通過中心節(jié)點(diǎn)Star進(jìn)行通信。

1.2FlexRay的兩個(gè)通道

FlexRay通信除了上面的三種類型外，每一種類型還有單通道（SingleChannel）和雙通道（DualChannel）之分，雙通道分別稱為通道A和通道B。

在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，允許節(jié)點(diǎn)連接不同的通道，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以只連接1個(gè)通道，也可以同時(shí)連接兩個(gè)通道。

雙通道總線型拓?fù)?

如上圖所示，其中的A、C、E節(jié)點(diǎn)同時(shí)連接了通道A和通道B。D節(jié)點(diǎn)只連接了通道A，B節(jié)點(diǎn)只連接了通道B。

此外，在星型結(jié)構(gòu)中，還存在級(jí)聯(lián)拓?fù)浜投嘈峭負(fù)洹＜?jí)聯(lián)拓?fù)渲胁荒苡谐^2個(gè)星型耦合器。

單通道級(jí)聯(lián)星型拓?fù)?

如上圖所示，每個(gè)節(jié)點(diǎn)單獨(dú)連接到1個(gè)星型耦合器，兩個(gè)星型耦合器直接相連。

多星拓?fù)淇梢灾С秩哂嗤ㄐ磐ǖ溃總€(gè)網(wǎng)絡(luò)通道不能存在閉環(huán)，且每個(gè)通道不能有超過2個(gè)星型耦合器。

雙通道單冗余星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?

如上圖所示，每個(gè)通道只連了1個(gè)星型耦合器。通道A連接到了Star1A,通道B連接到了Star1B。

雙通道級(jí)聯(lián)星型拓?fù)?

如上圖所示，每個(gè)通道（通道A或通道B）都連接了2個(gè)星型耦合器。

混合型拓?fù)涓鶕?jù)總線型、星型和不同的通道組合，可以有很多種具體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，我們現(xiàn)列舉一個(gè)有代表性的混合型拓?fù)洹?

單通道混合拓?fù)?

如上圖所示，節(jié)點(diǎn)A、B、C、D通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式連接到星型耦合器Star1A和Star2A，節(jié)點(diǎn)E、F、G通過總線拓?fù)浠ハ噙B接，總線拓?fù)渫瑫r(shí)又連接到星型耦合器star2A,這樣E、F、G就可以通過Star2A與其他節(jié)點(diǎn)通信。

還有一種混合拓?fù)漕愋褪遣煌耐負(fù)涫褂貌煌耐ǖ馈?

雙通道混合拓?fù)?

如上圖所示，通道A作為總線拓?fù)溥B接，通道B作為星型拓?fù)溥B接。

FlexRay的這種雙通道架構(gòu)看起來有點(diǎn)冗余，但是雙通道架構(gòu)也恰好可以滿足高級(jí)安全系統(tǒng)的冗余要求。通過雙通道傳輸相同的數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)其中某個(gè)通道出現(xiàn)故障或信息有誤時(shí)，另一通道可繼續(xù)正常傳輸，通過這種冗余備份實(shí)現(xiàn)很好的安全性和容錯(cuò)性。

當(dāng)然這種結(jié)構(gòu)也有一個(gè)缺點(diǎn)，就是當(dāng)中心節(jié)點(diǎn)損壞時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)便無法工作。

2.物理接口

FlexRay的物理層接口與CAN類似，也是通過收發(fā)器連接的。不同的是，CAN總線只有一路，也就是1個(gè)通道。而FlexRay最多可以有2個(gè)通道。

每個(gè)FlexRay節(jié)點(diǎn)通過一個(gè)控制器FlexRay Controller和兩個(gè)收發(fā)器FlexRay Transceivers與總線相連，控制器負(fù)責(zé)FlexRay協(xié)議中的數(shù)據(jù)鏈路層，收發(fā)器則負(fù)責(zé)總線物理信號(hào)的接收和發(fā)送。

FlexRay的硬件結(jié)構(gòu)圖

Host主機(jī)向控制器發(fā)出控制、配置信息和有效負(fù)載數(shù)據(jù)，控制器向主機(jī)Host反饋狀態(tài)信息和通信幀上接收的有效負(fù)載數(shù)據(jù)。

FlexRay可采用屏蔽或不屏蔽的雙絞線，每個(gè)通道有兩根導(dǎo)線，即總線正BP和總線負(fù)BM組成。每一通道需使用80~110歐的終端電阻。

這里要注意的是，F(xiàn)lexRay的節(jié)點(diǎn)收發(fā)器與星型耦合器的收發(fā)器型號(hào)是不同的。

3.TDMA時(shí)分多址

FlexRay是一種時(shí)間觸發(fā)式的通信系統(tǒng)，符合TDMA(Time Division MultipleAccess)的原則。

所謂的時(shí)間觸發(fā)就是將一個(gè)周期的時(shí)間分成多個(gè)時(shí)隙slot，每個(gè)時(shí)隙都會(huì)安排給事先定義好的報(bào)文信息，這樣每個(gè)報(bào)文就一定會(huì)被發(fā)送，無論系統(tǒng)外部發(fā)生什么情況，都不會(huì)影響預(yù)定報(bào)文的發(fā)送，這就是報(bào)文發(fā)送的確定性！

FlexRay總線的通訊由通訊周期Communication Cycle構(gòu)成，從總線啟動(dòng)到停止都在不斷重復(fù)該通訊周期。每個(gè)通訊周期具有相同的可配置時(shí)間間隔，且每個(gè)通訊周期由靜態(tài)段（Static Segment）、動(dòng)態(tài)段（Dynamic Segment）、特征窗（Symblo Window）和網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間（Network Idle Time）四部分構(gòu)成。

通信周期構(gòu)成

3.1靜態(tài)段（Static Segment）

靜態(tài)段采用TDMA(Time Division Multiple Access)方式由固定的時(shí)隙（Slot）組成，不可更改且所有時(shí)隙大小一致。

靜態(tài)段示例

如上圖所示，示例中的靜態(tài)段分為4個(gè)時(shí)隙Slot，其中第1個(gè)時(shí)隙Slot1發(fā)送節(jié)點(diǎn)A的A1報(bào)文，A1報(bào)文會(huì)同時(shí)在A、B兩個(gè)通道發(fā)送，因?yàn)锳、B兩個(gè)通道是互相獨(dú)立的，可以共用第1個(gè)時(shí)隙。

第2個(gè)時(shí)隙Slot2，發(fā)送節(jié)點(diǎn)B和C的B1、C1報(bào)文，B1在A通道，C1在B通道發(fā)送。

第3個(gè)時(shí)隙Slot3與第1個(gè)時(shí)隙Slot1發(fā)送原理類似，也是1個(gè)節(jié)點(diǎn)，不同的是節(jié)點(diǎn)D的兩個(gè)通道發(fā)送的是不同的報(bào)文。

第4個(gè)時(shí)隙Slot4的發(fā)送與第2個(gè)時(shí)隙類似。

由此可知，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可擁有一個(gè)或多個(gè)時(shí)隙Slot，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在每個(gè)通訊周期內(nèi)都可在其所占有的Slot內(nèi)發(fā)送，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)也可在不同的通道上共享同一Slot，單個(gè)Slot也可為空（即不被任何節(jié)點(diǎn)占用），所有的幀和Slot在靜態(tài)段都具有相同的長(zhǎng)度。

靜態(tài)段時(shí)序示意圖

如上圖所示，其中的每個(gè)靜態(tài)段的時(shí)隙Slot1-Slot3持續(xù)的時(shí)間都是相同的，其中的Slot3并未被節(jié)點(diǎn)占用，但是依然要保留這個(gè)時(shí)隙時(shí)間。

3.2動(dòng)態(tài)段（Dynamic Segment）

動(dòng)態(tài)段采用FTDMA(Flexible Time Division Multiple Access)方式，F(xiàn)TDMA也是時(shí)間觸發(fā)的方式，只是它的時(shí)隙不是固定的，可根據(jù)需要拓展變動(dòng)，一般用于傳輸事件控制型消息。

動(dòng)態(tài)段示例

如上圖示例所示，其中Slot6和Slot8兩個(gè)時(shí)隙發(fā)生了事件型報(bào)文；其它時(shí)隙沒有發(fā)生事件型報(bào)文，所以Slot5、7和9中就沒有報(bào)文發(fā)送。其報(bào)文發(fā)送時(shí)序如下圖所示。

動(dòng)態(tài)段時(shí)序示意圖

從上圖可以看出，動(dòng)態(tài)段中的時(shí)隙Slot是由細(xì)分的Minislot組成，沒有發(fā)生事件報(bào)文時(shí)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)報(bào)文只占用1個(gè)Minislot，如節(jié)點(diǎn)A占用的Slot5,節(jié)點(diǎn)D的Slot7和節(jié)點(diǎn)E的Slot9都是只占用了1個(gè)Minislot的時(shí)間。

如果發(fā)生了事件報(bào)文，則會(huì)根據(jù)實(shí)際幀的長(zhǎng)度占用，比如報(bào)文C2占用了6個(gè)Minislot,報(bào)文B2占用了10個(gè)Minislot。所以動(dòng)態(tài)段中的時(shí)隙Slot不是固定的，是根據(jù)實(shí)際情況變化的。

FlexRay的時(shí)間觸發(fā)總線分配機(jī)制與CAN總線的CSMA/CA機(jī)制完全不同，CAN總線各節(jié)點(diǎn)會(huì)一直監(jiān)聽總線，發(fā)現(xiàn)總線空閑時(shí)便開始發(fā)送報(bào)文ID，能否發(fā)送成功要根據(jù)ID的優(yōu)先級(jí)來判定，如果節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)過低，可能會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間發(fā)不出去。所以它不是確定性的，是不可預(yù)測(cè)的。

Flexray在靜態(tài)段部分使用TDMA方法，每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)均勻分配時(shí)間片，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只有在屬于自己的時(shí)間片里面才能發(fā)送消息，即使某個(gè)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前無消息可發(fā)，該時(shí)間片依然會(huì)保留。在動(dòng)態(tài)部分使用FTDMA方法，會(huì)輪流問詢每個(gè)節(jié)點(diǎn)有沒有消息要發(fā)，有就發(fā)，沒有就跳過。

靜態(tài)部分用于發(fā)送需要經(jīng)常性發(fā)送的重要性高的數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)部分用于發(fā)送使用頻率不確定、相對(duì)不重要的數(shù)據(jù)。

與CAN總線相比，F(xiàn)lexRay的時(shí)間觸發(fā)機(jī)制更像是LIN總線的調(diào)度表機(jī)制，LIN總線中的主節(jié)點(diǎn)通過主任務(wù)控制了所有的通信時(shí)序，主任務(wù)用于決定什么時(shí)候、哪個(gè)幀將在總線上傳輸。從節(jié)點(diǎn)中的從任務(wù)用于提供每個(gè)幀中需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。發(fā)生沖突時(shí)主節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)沖突解決調(diào)度表進(jìn)行協(xié)調(diào)。

LIN總線的調(diào)度表機(jī)制

這里要注意的是，F(xiàn)lexRay通信中的事件報(bào)文處理與CAN總線的事件型發(fā)送報(bào)文類型和LIN總線中的事件觸發(fā)幀都不相同。

CAN和LIN都存在沖突的現(xiàn)象，CAN需要通過ID優(yōu)先級(jí)處理，LIN需要通過主任務(wù)跳讀處理。而FlexRay并不存在沖突，動(dòng)態(tài)段中給每個(gè)可能發(fā)生事件報(bào)文的節(jié)點(diǎn)都預(yù)留了時(shí)間段，只是時(shí)間段的長(zhǎng)度不同。

雖然FLexRay的靜態(tài)段中的時(shí)隙造成了一定的總線資源浪費(fèi)，但這也是它為什么具有確定性的原因。Flexray的靜態(tài)段就是時(shí)間觸發(fā)式，而動(dòng)態(tài)段就是事件觸發(fā)式通信，從而形成以時(shí)間觸發(fā)為主，兼顧事件觸發(fā)的靈活特性。

CAN總線通信就像是給狗狗們喂食，食物準(zhǔn)備好后，所有的狗按自身的能力（優(yōu)先級(jí)）去搶，這種喂食方式雖然效率高，但是有可能會(huì)出現(xiàn)個(gè)別的狗長(zhǎng)時(shí)間吃不到食（報(bào)文無法發(fā)送）。

CAN總線按ID優(yōu)先級(jí)搶占總線

FlexRay的方法就是每個(gè)狗先給出一個(gè)固定的基本吃飯時(shí)間，輪到某個(gè)狗的基本時(shí)間時(shí)，不管這只狗餓不餓，是不是在吃飯，其它狗都要等待，保證每只狗都有機(jī)會(huì)吃。

FlexRay按時(shí)間觸發(fā)方式先均勻分配時(shí)間

然后再每個(gè)狗詢問一遍，如果某只狗今天很餓，需要臨時(shí)加餐，再給它一個(gè)加餐時(shí)間，滿足臨時(shí)的需求。

FlexRay處理事件型報(bào)文可額外分配時(shí)間

4.幀格式

FlexRay幀由起始段（Header Segment）、有效負(fù)載段（Payload Segment）和結(jié)束段（Trailer Segment）三大部分構(gòu)成。節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送報(bào)文時(shí)，會(huì)先發(fā)送起始段，然后是有效負(fù)載段，最后是結(jié)束段。

FlexRay幀格式

4.1起始段

起始段由4個(gè)字節(jié)，共40位組成。前5位屬于狀態(tài)指示位，然后依次是幀ID、負(fù)載長(zhǎng)度、CRC和循環(huán)計(jì)數(shù)。

狀態(tài)位包括：

1位的預(yù)留位reserved bit:表示當(dāng)前未使用；

1位的靜荷指示位payload preamble indicator:表示有效負(fù)載段中是否包含可選向量。0表示負(fù)載段中沒有可選向量，1表示負(fù)載段的開始部分是網(wǎng)絡(luò)管理向量(靜態(tài)段)或者報(bào)文ID（動(dòng)態(tài)段）；

1位的空幀指示位Null frameIndicator:表示當(dāng)前幀是否為空幀，0表示負(fù)載段中沒有有效數(shù)據(jù)，即空幀，此時(shí)靜荷指示位也是0；1表示負(fù)載段中包含數(shù)據(jù)，空幀可用于時(shí)鐘同步算法;

1位的同步幀指示位Sync frame indicator:表示當(dāng)前幀是否為同步幀，為1時(shí)，所有的接收節(jié)點(diǎn)都將此幀作為同步使用，同步幀用于系統(tǒng)范圍的通信同步;

1位的啟動(dòng)幀指示位Startup frame indicator:表示當(dāng)前幀是否為啟動(dòng)幀，為1時(shí)表示啟動(dòng)幀，只有冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)coldstart nodes才能發(fā)送啟動(dòng)幀;

11位的幀ID:一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)可能被發(fā)送的幀都要定義1個(gè)幀ID，作為將在時(shí)隙Slot中被發(fā)送的幀的唯一標(biāo)識(shí)。在1個(gè)通信周期中的每個(gè)通道中，1個(gè)幀ID被使用的次數(shù)不能超過1次。幀ID的有效范圍為1-2047，0是無效的ID;

7位的負(fù)載長(zhǎng)度Payload Length:表示該幀含有的有效負(fù)載段中的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，在每個(gè)周期中的靜態(tài)段中，每幀的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是相同的，在動(dòng)態(tài)段中的長(zhǎng)度則是不同的，而且動(dòng)態(tài)區(qū)中，每個(gè)周期可以不同，每個(gè)通道也可以不同;

這里要注意的是，負(fù)載長(zhǎng)度值表示實(shí)際數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)的一半，比如當(dāng)實(shí)際數(shù)據(jù)是72個(gè)字節(jié)時(shí)，負(fù)載長(zhǎng)度參數(shù)應(yīng)設(shè)置為36?；蛘哒f負(fù)載長(zhǎng)度值表示的是2字節(jié)的字word?？傊?，實(shí)際數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)=負(fù)載長(zhǎng)度值*2;

11位的起始校驗(yàn)Header CRC：用于起始段冗余校驗(yàn)，檢查傳輸中的錯(cuò)誤;

6位的循環(huán)計(jì)數(shù)器Cycle count：發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)出的循環(huán)計(jì)數(shù)值，數(shù)值范圍是0-63。

4.2有效負(fù)載段

有效負(fù)載段payload segment包含要傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)，有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度最大254個(gè)Bytes（0~127個(gè)Words），

在動(dòng)態(tài)段中，前兩個(gè)字節(jié)0-1字節(jié)可選擇作為報(bào)文Message的ID使用，前面介紹的起始段中的靜荷指示位payload preamble indicator就是用于表示負(fù)載段中是否包含報(bào)文ID。

注意這里的16位報(bào)文ID與前面的11位幀ID不同，這里的報(bào)文ID是由應(yīng)用層使用的，是根據(jù)具體的應(yīng)用功能定義的。而幀ID是在底層通信協(xié)議中確定的。

在靜態(tài)段中，第0-12字節(jié)可以用作網(wǎng)絡(luò)管理向量，也是通過靜荷指示位payload preamble indicator表示。

這里要注意的是，由于負(fù)載長(zhǎng)度PayloadLength表示的是2字節(jié)的字word，所以有效數(shù)據(jù)必須要發(fā)送偶數(shù)個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，否則無法用負(fù)載長(zhǎng)度表示。

4.3結(jié)束段

結(jié)束段包含24Bits的檢驗(yàn)域，由起始段和有效負(fù)載段計(jì)算得出的CRC校驗(yàn)碼，計(jì)算CRC時(shí)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸順序從保留位到有效負(fù)載段的最后一位放到CRC生成器中進(jìn)行計(jì)算。

小結(jié)：

FlexRay通信的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问蕉鄻?，包括總線型、星型、混合型，每種類型還包括單通道和多通道兩種方式，相較于CAN通信的總線型架構(gòu)要復(fù)雜許多，當(dāng)然安全性也相對(duì)較高。

FlexRay和CAN或LIN總線最本質(zhì)的區(qū)別是總線分配的方式不同。CAN總線是采用CSMA/CA機(jī)制，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)ID優(yōu)先級(jí)搶占總線；LIN總線是主從節(jié)點(diǎn)的調(diào)度表方式；而Flexray用的是靈活的TDMA/FTDMA機(jī)制，每個(gè)節(jié)點(diǎn)既可以根據(jù)調(diào)度表均勻分配時(shí)間，又可以兼顧事件型報(bào)文的發(fā)送。

FlexRay的兩個(gè)通道如果平行傳輸數(shù)據(jù)（兩個(gè)通道傳輸不同的數(shù)據(jù)），速率可達(dá)20Mb/s；在安全應(yīng)用中大多采用冗余通信（兩個(gè)通道傳輸相同的數(shù)據(jù)）。

Flexray通信協(xié)議具有實(shí)時(shí)性、確定性和安全性的特點(diǎn)，其設(shè)計(jì)難度較大，對(duì)開發(fā)能力要求較高，使用成本也會(huì)高一些。