2007年5月，超過200位開發(fā)者在斯圖加特匯聚一堂，參加了由Vector Informatik公司主辦的FlexRay大會。會上，汽車OEM和供應(yīng)商展示了他們現(xiàn)在取得的成就、在系統(tǒng)集成方面的經(jīng)驗和針對未來的實現(xiàn)理念。

??? 很久以前CAN總線就遭遇了本身的局限性。現(xiàn)代汽車電子架構(gòu)需要不斷地擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)化。只有提供更大的傳輸容量，日益加快的控制算法付諸實施時才會產(chǎn)生效果。很多車型在開始生產(chǎn)時就已經(jīng)達(dá)到了最大的總線負(fù)載，而沒有預(yù)留任何帶寬。總線系統(tǒng)的數(shù)量加倍無論如何都不會使數(shù)據(jù)速率加倍。為系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)而增加的必要的網(wǎng)關(guān)，不僅使系統(tǒng)變得錯綜復(fù)雜，而且可能產(chǎn)生不可接受的報文傳輸延遲。更要命的是，缺乏確定性成為了安全關(guān)鍵應(yīng)用的絆腳石。

??? 在發(fā)展過程中，CAN不能滿足汽車中逐漸增長的數(shù)據(jù)傳輸要求，這導(dǎo)致了FlexRay串行總線系統(tǒng)的發(fā)展[1]。去年底，BMW展示了首個FlexRay產(chǎn)品級應(yīng)用。Vector Informatik公司在那時舉行FlexRay大會正是總結(jié)新協(xié)議應(yīng)用經(jīng)驗和挑戰(zhàn)的好時機。在BMW X5車上使用FlexRay完成減震器控制系統(tǒng)從兩方面來講都是一項“時間關(guān)鍵”工程，這讓項目參與者面臨考驗。不僅半導(dǎo)體產(chǎn)品和軟件組件需要按時生產(chǎn)出來，而且面對這樣一項艱巨的工程，其開發(fā)流程也必須要很快地適應(yīng)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)并能正確運轉(zhuǎn)。在這里需要得到供應(yīng)商的支持。“在BMW我們不能只為了FlexRay而開發(fā)一套新的流程”，BMW AG的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組帶頭人Anton Schedl博士如此表示，“因此我們有意識地決定選取了一種相對簡單的應(yīng)用，這樣可以根據(jù)已有經(jīng)驗、使用較短的協(xié)調(diào)和決策路徑迅速實現(xiàn)改造。”

????Schedl博士認(rèn)為，在合適的時間有可用的半導(dǎo)體是這項試驗性項目的最大挑戰(zhàn)。得益于OEM和半導(dǎo)體供應(yīng)商共同做出的積極承諾，這一目標(biāo)有可能會按期完成。

萬事開頭難

????盡管啟動每個新系統(tǒng)必然會很困難，但是不同的部件還是比較快地集成到了一起。“時間觸發(fā)通信是將不同供應(yīng)商的部件和軟件代碼集成起來的理想平臺”，在Robert Bosch公司汽車網(wǎng)絡(luò)部門工作的Florian Hartwich說。他還協(xié)助FlexRay協(xié)會制定協(xié)議，之前參與了CAN和TTCAN的開發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化工作。因為每個應(yīng)用系統(tǒng)都在預(yù)先規(guī)定的時刻發(fā)送報文并且知道該在何時接收何報文，所以在之后可以更為容易地將部件加入到分布式系統(tǒng)中。

????最重要的工作需要在FlexRay系統(tǒng)開發(fā)一啟動時就進(jìn)行。所有的系統(tǒng)描述參數(shù)——比如波特率、循環(huán)時間、時隙數(shù)目、時隙長度以及靜態(tài)段和動態(tài)段的報文分配——都在開始時定義。因為確定的時隙是分配給發(fā)送任務(wù)的，所以在工程定義過程中就必須明確如何組織報文的時隙分配、哪些應(yīng)用系統(tǒng)可能最適合提到動態(tài)事件驅(qū)動段以及應(yīng)該為后續(xù)車型系列的應(yīng)用系統(tǒng)預(yù)留多少時隙等，參考圖1。

圖1 時隙確定地分配給單個部件（A，B，C）簡化了系統(tǒng)集成時的合并工作

????在分布式系統(tǒng)中保持整體觀特別重要。在一開始，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計者往往不知道真實應(yīng)用軟件隨后是如何進(jìn)行實際通信的，也不清楚它們的執(zhí)行時間。另一方面，ECU開發(fā)者習(xí)慣于只關(guān)注開發(fā)應(yīng)用程序，而不怎么關(guān)心整個FlexRay通信過程的時間狀況。但是，一個循環(huán)內(nèi)的FlexRay數(shù)據(jù)必須保持一致，并且時間觸發(fā)型總線的應(yīng)用程序也必須保證一直同步。

??? 因此，Hartwich留意了那些可能引起數(shù)據(jù)不一致的問題。比如，必須避免在發(fā)送過程中更新發(fā)送數(shù)據(jù)，這會導(dǎo)致在同一幀中同時包含新舊數(shù)據(jù)。BMW使用所謂的“信號窗口”解決了這一問題，它保證任務(wù)僅在該專用窗口中發(fā)送報文。這種方法的另一個好處是應(yīng)用程序與通信分離：如果通信調(diào)度發(fā)生了改變，那么不會影響應(yīng)用程序。

??? 在實時系統(tǒng)中，任務(wù)同步是一項必須引起特別關(guān)注的關(guān)鍵特性。“調(diào)度表的正確同步問題至關(guān)重要”，Winfried Janz解釋道，他是Vector公司OSEK實時操作系統(tǒng)開發(fā)項目的帶頭人兼產(chǎn)品經(jīng)理。在關(guān)于OSEKtime和AUTOSAR操作系統(tǒng)的演講中，他論述了如何按照規(guī)范使調(diào)度表與全局時間同步（參考圖2）。選擇硬同步（調(diào)度表跳轉(zhuǎn)到一個預(yù)定義的執(zhí)行點或者暫時停止了）還是軟同步（在每個到期時刻進(jìn)行時間調(diào)整，但是這些時刻的分配是無規(guī)律的，會導(dǎo)致一些無規(guī)律的時間調(diào)整行為）取決于應(yīng)用程序是否容忍跳轉(zhuǎn)和暫停。

??? 圖2：調(diào)度表狀態(tài)圖顯示了同步是如何實現(xiàn)的。調(diào)度被啟動，但不必立即完全同步（RUNNING）。為實現(xiàn)同步運行（AND SYNCHRONOUS），可以進(jìn)入等待狀態(tài)（SHEDULETABLE_WAITING）或者進(jìn)行軟同步。

??? 在開發(fā)階段，監(jiān)視同步和數(shù)據(jù)一致性由軟件工具來完成。“我們必須做到同步地處理模型，否則就會丟失數(shù)據(jù)”，當(dāng)Carsten B?ke博士解釋Vector的工具CANoe時他這樣說道。B?ke演示了CANoe提供的確保同步和檢測不一致數(shù)據(jù)的機制。CANoe運行模型的主要體系結(jié)構(gòu)基于一種使用所謂“通知句柄”的通知概念。它包括了接收到消息時的模型激活、定時器到期時的處理和錯誤狀態(tài)的檢測。尤其是，這種概念針對FlexRay作了擴(kuò)展，包含了在FlexRay循環(huán)的特定時刻進(jìn)行的同步通知，如圖3所示。另外，B?ke演示了一種運行CANoe RT、具有特定硬件支持的優(yōu)化平臺，該平臺是為了滿足FlexRay系統(tǒng)嚴(yán)格的時間要求而定制的，比較適合中小尺寸的硬件在回路仿真。

????? 圖3：在CANoe中，可以參照循環(huán)開始或特定時隙的結(jié)束有規(guī)律地執(zhí)行動作。當(dāng)然，通知也可以發(fā)生在總線上接收到幀或丟幀的時候。

FlexRay與AUTOSAR

????“為將來做準(zhǔn)備，必須按照AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計新的軟件概念”，負(fù)責(zé)FlexRay基礎(chǔ)軟件開發(fā)的Dirk Gro?mann說。因為Vector Informatik公司是AUTOSAR協(xié)會的成員，所以該協(xié)會的成果和結(jié)論很快就在Vector的FlexRay開發(fā)中得到了實踐，如圖4所示。Vector的FlexRay接口和FlexRay driver已經(jīng)符合AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)了，因而可以在今天不用依賴于以后特定的應(yīng)用程序而開發(fā)這些組件，而且這些組件可以靈活地適合不同的車型和平臺。FlexRay driver對通信控制器進(jìn)行了抽象，而FlexRay接口提供了針對和FlexRay調(diào)度表無關(guān)的單個PDU（協(xié)議數(shù)據(jù)單元）的訪問入口。 此外，Vector提供符合AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)管理和傳輸協(xié)議實現(xiàn)。作為對AUTOSAR的補充，可以將XCP協(xié)議集成到FlexRay棧中。Gro?mann還談到通過FlexRay進(jìn)行flash編程的可能性：“一種方案是完全交換協(xié)議并且使用單獨的調(diào)度表進(jìn)行flash編程。”

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???? 圖4：符合AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)的FlexRay軟件方案可靈活地適應(yīng)不同的需求。該圖展示了一種帶有driver（相對于AUTOSAR進(jìn)行了擴(kuò)展并增加了XCP傳輸層和協(xié)議模塊）的FlexRay棧。

??? Oliver Kitt在其演講中更為深入地論述了使用XCP（由ASAM標(biāo)準(zhǔn)化的一種標(biāo)定協(xié)議）標(biāo)定ECU的話題。在Vector公司，他負(fù)責(zé)測量、標(biāo)定和診斷工具CANape的硬件接口集成工作。XCP中的“X”表示不同的傳輸層，比如它可以表示XCP-on-CAN、XCP-on-Ethernet以及2006年2月發(fā)布的XCP-on-FlexRay等。這是一種單主/多從概念，可以非常高效地與ECU通信并且使用可變帶寬進(jìn)行測量和標(biāo)定。可以將slave集成到FlexRay棧中，而由工具來提供對協(xié)議master功能的支持。在運行時刻根據(jù)需要為單個節(jié)點重新分配帶寬。有必要使用一種增強版FlexRay driver來實現(xiàn)XCP-on-FlexRay的buffer重配置。這也展示出組件的靈活操作。

??? FlexRay協(xié)議規(guī)范的編輯，在Freescale公司負(fù)責(zé)FlexRay相關(guān)工作的Mathias Rausch博士（工程學(xué)），闡述了buffer結(jié)構(gòu)是如何影響整個系統(tǒng)的。Rausch詳細(xì)描述了配置不同的靜態(tài)或動態(tài)段時優(yōu)化buffer存放的方法。另外，F(xiàn)reescale利用了FlexRay協(xié)議中沒有詳細(xì)規(guī)定控制器主機接口（CHI）、僅規(guī)定最低需求作為約束條件的實際情況。這給了半導(dǎo)體廠商提供特殊功能的自由。CHI的優(yōu)化設(shè)計使隨后的軟件更容易構(gòu)造。Rausch建議使用工具，因為“配置多達(dá)128個消息buffer時需要考慮很多參數(shù)”。

??? 在Schedl博士的請求下，NXP半導(dǎo)體公司汽車商務(wù)領(lǐng)域創(chuàng)新和發(fā)展管理主管Patrick Heuts先生挑選出了更為經(jīng)濟(jì)的FlexRay組件。“除了收發(fā)器，我們也提供FlexRay控制器，它是完全集成在MCU中的，是一種單片機方案。相比較那種通常作為外圍設(shè)備嵌入到MCU中的FlexRay控制器，這種完全集成的方案具有明顯的優(yōu)勢。比如，消息buffer的數(shù)量和類型可以靈活配置。事實上，完全集成的FlexRay控制器工作起來更像一種具有一個或兩個通道的DMA工具。NXP半導(dǎo)體公司的下一步計劃是研究在片上集成收發(fā)器是否可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)的成本”。參考圖5。

????? 圖5：NXP半導(dǎo)體公司提供了“MCU中心”解決方案，其優(yōu)點是在MCU中完全集成了FlexRay控制器。

??? 盡管宣稱的目標(biāo)之一是“降低成本”，F(xiàn)lexRay系統(tǒng)已經(jīng)不再比相似的CAN架構(gòu)貴多少了。因為需要增加必要的硅片，F(xiàn)lexRay的芯片成本要高于CAN。但是，BMW的內(nèi)部研究表明，整個系統(tǒng)的成本是非常接近的，而且還獲得了更高的性能和可擴(kuò)充性以及更低的復(fù)雜度。

結(jié)論

??? FlexRay有很多潛力。BMW的試驗性項目還僅僅是開始，它證明了FlexRay系統(tǒng)“一旦正確建立”就可以穩(wěn)定地運行。強烈建議在不同的開發(fā)階段選擇通用工具，以便保持對眾多不同需求的清晰的整體觀。具有擴(kuò)展檢查系統(tǒng)的工具簡化了開發(fā)者的工作并且從一開始就能幫助預(yù)防錯誤。由于FlexRay，很快就會出現(xiàn)大量的計算機通信應(yīng)用軟件。

參考文獻(xiàn)：

[1] Mayer, E.: Data communication in the automobile. Part 4: FlexRay for data exchange in safety-critical applications. Elektronik Automotive, 2007, Issue 2, pp. 42ff.