实时传输网络FlexRay原理与范例

实时系统的目的是监视和驱动被控对象的动态过程，通常需要以“实时”方式运行，它的正确性不仅取决于任务所执行计算的逻辑结果，而且取决于这些结果的产生时刻。实时系统分为强实时系统、关键性实时系统和弱实时系统三类，其中关键性实时系统受到可靠性的制约，涉及运行安全性和容错问题，因此，尽管其他两类系统的工业网络协议已经比较成熟了，但这类系统的网络化仍处于发展过程中。关键性实时系统中的实时传输网络与汽车、飞机、航海航空、铁路交通、武器装备、核电、机器人等涉及生命和财产安全的重要领域的技术进步密切相关，然而，关于这个主题，目前可供使用的资料很少，本书能在一定程度上填补这一空白。

    实时多路传输网络是在嵌入式系统和自动控制系统高度发展的基础上形成的一个新主题，其主要目标在于探索具有速度快、实时性强、容错、操作灵活、智能分布的安全网络系统，至今仍处于发展过程中。本书以清晰、合适的方式，系统地描述了实时传输网络FlexRay的产生背景、协议、理论与技术基础，重点探讨了与FlexRay的形成及应用密切相关的全局时间同步和任务实时调度原理，并结合辅助开发工具介绍了FlexRay总线系统的开发、集成、分析和测试方法。全书共分为10章，每章配有习题。本书在编写过程中广泛吸取了实时传输网络方面的最新成果，全书内容自成体系，结构紧凑，前后呼应，具有一定的先进性、系统性和实用性。本书可作为高等院校汽车电子、自动化、测控技术、信息工程、微电子、计算机、电气工程和机电一体化等专业高年级本科生、研究生的教材，也可作为从事实时传输网络、嵌入式系统、电子控制单元、自动化仪表研究及应用的科技人员的参考书。

    张凤登：上海理工大学教授，上海市自动化学会常务理事，中国仪器仪表学会过程检测控制仪表分会常务理事，中国人工智能学会自然计算与数字智能城市专业委员会委员，中国仪器仪表学会嵌入式仪表及系统技术分会理事，中国仪器仪表学会教育工作委员会委员，《自动化仪表》期刊编委，先后主持或合作完成来自省、市、部及企事业单位的各类教学与科研项目36项，获得机械工业部科技进步三等奖2项、科技成果推广应用荣誉证书2项、发明专利3项、实用新型专利6项、软件著作权2项，发表论文121篇，出版著4部。

目 录 第1章 概述 1 1.1 实时系统中的问题 2 1.1.1 信息技术系统 2 1.1.2 实时系统及其分类 2 1.1.3 分布式实时系统的复杂性 4 1.1.4 “时间触发”和“事件触发”互动范式 5 1.1.5 数字总线系统 6 1.2 现有嵌入式系统多路传输网络的局限性 7 1.2.1 CAN的发展历程 7 1.2.2 CAN的局限性 8 1.2.3 CAN在概率特征和确定性方面的解决方案 9 1.2.4 TTCAN协议 11 1.3 线控系统的兴起 15 1.3.1 X-by-Wire 15 1.3.2 高级应用需求 16 1.3.3 高级功能需求 18 1.4 FlexRay的起源及发展历史 20 1.4.1 FlexRay联盟的成立 20 1.4.2 FlexRay的目标 22 1.4.3 FlexRay的发展历史 25 1.5 FlexRay操作梗概及特点 26 1.5.1 FlexRay协议的基本操作原理 26 1.5.2 FlexRay通信的层次和整体形式 28 1.5.3 FlexRay的主要特点 31 1.6 FlexRay的应用前景分析与展望 31 1.6.1 FlexRay与ISO 32 1.6.2 FlexRay的用途 32 1.6.3 其他行业中的FlexRay 33 习题 34 第2章 全局时间同步 35 2.1 时间与时间标准 35 2.1.1 顺序及其分类 36 2.1.2 时间标准 37 2.2 时钟 39 2.2.1 数字物理时钟 39 2.2.2 参考时钟 41 2.2.3 时钟漂移 41 2.2.4 时钟的失效模式 42 2.2.5 时钟精密度与准确度 42 2.2.6 实际应用中的时钟微节拍 43 2.3 全局时间及其测量 44 2.3.1 全局时间的概念 45 2.3.2 时间间隔测量 47 2.3.3 π/Δ-领先 47 2.3.4 时间测量的基本限制 48 2.4 密集时基与稀疏时基 49 2.4.1 密集时基 49 2.4.2 稀疏时基 50 2.4.3 时空点阵 51 2.4.4 时间的循环表示形式 51 2.5 内部时钟同步 52 2.5.1 同步条件 52 2.5.2 中央主节点同步算法 54 2.5.3 分布式容错同步算法 55 2.5.4 状态修正与速率修正 59 2.6 外部时钟同步 59 2.6.1 运行原理 59 2.6.2 时间格式 60 2.6.3 时间网关 61 习题 61 第3章 实时系统调度 63 3.1 实时调度问题 63 3.1.1 任务模型 64 3.1.2 时间约束 65 3.1.3 调度算法的分类 66 3.1.4 可调度性分析 70 3.2 最坏情况执行时间 76 3.2.1 任务的分类 77 3.2.2 任务的最坏情况执行时间 78 3.3 静态调度 82 3.3.1 时间在静态调度中的作用 83 3.3.2 搜索树在静态调度中的应用 83 3.3.3 静态调度表灵活性的增强方法 84 3.4 动态调度 86 3.4.1 独立任务的调度 86 3.4.2 非独立任务的调度 89 3.5 其他可供选择的调度策略 94 3.5.1 分布式系统的调度 94 3.5.2 反馈调度 95 习题 95 第4章 FlexRay协议 97 4.1 通道与循环 97 4.1.1 通信通道 97 4.1.2 通信循环 98 4.2 段与时隙 99 4.2.1 采用静态段和动态段的理念 100 4.2.2 时隙和微时隙 100 4.2.3 静态段与时隙 104 4.2.4 动态段与微时隙 105 4.3 通信帧 107 4.3.1 通信帧格式 108 4.3.2 在时隙和微时隙中逻辑数据帧的封装和编码 111 4.3.3 帧在静态段和动态段的传输 113 4.4 符号窗 122 4.5 网络空闲时间 123 习题 124 第5章 FlexRay协议的媒体访问控制 125 5.1 分布式系统中的通信调度 126 5.1.1 分布式系统中的任务分配问题 126 5.1.2 通信调度 126 5.1.3 时钟驱动通信法 127 5.1.4 基于固定优先级的通信法 130 5.2 FlexRay中的通信调度 131 5.2.1 优先级分配策略 132 5.2.2 调度问题的分类 133 5.2.3 调度算法 134 5.3 任务的定义 135 5.4 通信循环的执行 138 5.4.1 帧ID的含义 138 5.4.2 仲裁网格层 139 5.5 传输和媒体访问条件 141 5.5.1 静态段期间的传输和媒体访问条件 141 5.5.2 动态段期间的传输和媒体访问条件 141 5.5.3 动态段和CAN协议在媒体访问方面的相似性 145 5.5.4 关于双通道应用的补充说明 146 5.6 应用实例 147 5.6.1 宝马X5中的自适应驱动系统 148 5.6.2 FlexRay系统的参数 149 5.6.3 已实施的选择 150 5.6.4 本地参数和网络参数小结 153 习题 154 第6章 FlexRay物理层 155 6.1 FlexRay信号的创建和发送 155 6.1.1 信号的创建 156 6.1.2 线路驱动器及其发送输出电路 158 6.2 媒体与FlexRay信号传输 161 6.2.1 媒体 161 6.2.2 信号传播 162 6.2.3 与信号传播有关的影响 163 6.3 拓扑结构及其对网络性能的影响 165 6.3.1 拓扑结构的应用理念 165 6.3.2 网络拓扑结构参数 165 6.3.3 信号完整性 166 6.3.4 单通道和双通道型结构的特点 167 6.4 FlexRay的拓扑结构 169 6.4.1 点对点连接 169 6.4.2 无源线性总线连接 169 6.4.3 带支线无源线性总线连接 170 6.4.4 无源星连接 171 6.4.5 有源星连接 172 6.4.6 拓扑结构应用实例 174 6.5 FlexRay信号的接收 177 6.5.1 不对称效应 177 6.5.2 在帧发送和帧接收开始时的特殊影响 179 6.5.3 完整发送接收链的截短效应小结 180 6.6 通信控制器对收到信号的处理 182 6.6.1 二进制流的采集 183 6.6.2 干扰或噪声的抑制 183 6.6.3 二进制匹配 184 6.7 误码率 184 6.7.1 眼图 184 6.7.2 信号完整性、眼图和BER之间的关系 189 6.8 网络性能的建模与仿真 193 6.8.1 网络元素的建模 193 6.8.2 仿真 196 习题 198 第7章 FlexRay时间同步 200 7.1 全局时间概念在FlexRay中的应用 200 7.1.1 网络启动阶段 201 7.1.2 位时间 202 7.1.3 FlexRay的时间层次 203 7.1.4 全局时间与本地时间 206 7.2 FlexRay-TDMA型网络中的同步 206 7.2.1 问题的提出 206 7.2.2 网络时间同步方面的要求 208 7.3 节点间同步问题的解决方案 210 7.3.1 确保网络节点时间同步的方法 210 7.3.2 时间偏差测量 212 7.3.3 持续时间测量 214 7.3.4 “多合一”测量 215 7.3.5 偏差和速率修正值计算 216 7.4 修正值的应用和实现 219 7.4.1 偏差与偏差修正 219 7.4.2 速率与速率修正 220 7.4.3 何处、何时及如何应用修正 220 7.4.4 时间层级的补充说明 223 习题 224 第8章 网络唤醒、启动和错误管理 226 8.1 网络唤醒 226 8.1.1 节点唤醒过程 226 8.1.2 唤醒模式 227 8.2 网络启动 228 8.2.1 常规网络启动 228 8.2.2 TT-E和TT-L同步模式 232 8.3 错误管理 234 8.3.1 错误管理的理念 234 8.3.2 降级模式 234 8.3.3 协议的状态转换 235 8.3.4 通道和通信帧上的错误 236 习题 236 第9章 典型节点结构与网络电子组件 238 9.1 FlexRay节点结构 238 9.1.1 节点的主要组成部分 238 9.1.2 处理器和协议管理器的架构 240 9.2 网络的电子组件 242 9.2.1 FlexRay协议管理器 243 9.2.2 线路驱动器 246 9.2.3 有源星 251 9.3 电磁兼容性及其测量 255 9.3.1 电缆端接 256 9.3.2 端接方法比较 257 9.4 静电放电保护 258 9.4.1 测试的严酷度要求 258 9.4.2 静电放电测试设备 258 9.4.3 静电放电抗扰性测试设备的主要性能要求 259 9.4.4 测试方法 259 9.5 一致性测试 260 9.6 总线监控器 261 9.6.1 初级集中式总线监控器规范 261 9.6.2 初级节点总线监控器规范 262 习题 263 第10章 FlexRay系统的开发、集成、分析和测试 264 10.1 V模式开发流程 264 10.1.1 V模式 264 10.1.2 汽车行业V模式开发流程 265 10.1.3 车载总线系统开发流程的分级 267 10.2 FlexRay总线仿真与测试工具 268 10.2.1 网络设计工具 269 10.2.2 仿真验证工具 272 10.2.3 通信分析工具 274 10.2.4 测试与诊断工具 275 10.2.5 通信网络错误仿真工具 275 10.2.6 ECU内部参数标定和测量工具 276 10.3 CANoe的FlexRay协议特征 277 10.3.1 仿真平台的时间同步 277 10.3.2 其他语言程序的应用 279 10.3.3 CANoe中的实时 280 10.4 FlexRay通信在汽车逻辑控制器中的实现 281 10.4.1 AUTOSAR联盟 282 10.4.2 AUTOSAR系统中的功能分析、虚拟功能总线 282 10.4.3 虚拟到现实的转变 284 10.4.4 AUTOSAR的FlexRay通信栈 285 习题 287 附录A  FlexRay协议官方文件 288 附录B  FlexRay协议主要参数 290 附录C  CAN和FlexRay的差异 298 附录D  缩写语 301 参考文献 304

前 言实时系统的目的是监视和驱动被控对象的动态过程，通常需要以“实时”方式运行，它的正确性不仅取决于任务所执行计算的逻辑结果，而且取决于这些结果的产生时刻。实时系统分为强实时系统、弱实时系统和关键实时系统三类，其中关键实时系统受到可靠性的制约，涉及运行安全性和容错问题。在关键实时系统中，如果响应时间延迟所导致的结果是错误的，并且失效所产生的后果超过系统的附加值，那么系统的所有运行情况必须进行确认，研究难度较大。因此，这类系统的发展一直滞后于前两类系统。FlexRay作为汽车行业最新推出的实时传输网络系统，它既考虑了时间同步、通信调度和容错机制，又考虑了传输速度、安全性、操作灵活性、实时、分布式智能、网络拓扑等，对于关键实时系统的发展将会起到极大的推动作用。但是，FlexRay将许多概念交集在一起，深奥难懂，给人们学习和掌握这一新型网络带来很大困难。本书作者期望通过编写本书，系统、清晰、深入地介绍实时传输网络FlexRay的产生背景、理论与技术基础，反映实时传输网络的最新发展状况，并结合辅助开发工具介绍FlexRay总线系统的开发、集成、分析和测试 方法。为避免读者失去试图了解这一主题的信心，作者在组织和编写过程中认真考虑了教学和自学的需要。第1章简要介绍实时系统的一些基本概念，分析进行实时传输网络研究的目的和必要性；第2章介绍与网络媒体访问密切相关的全局时间同步原理；第3章描述实时调度原理，为探讨通信报文调度奠定基础；第4章从通信循环、段和帧的角度描述FlexRay协议；第5~8章深入探讨FlexRay协议的媒体访问控制、物理层、时间同步、网络唤醒、网络启动和错误管理等核心内容；第9~10章重点讨论节点的结构、FlexRay网络组件和AUTOSAR，并介绍FlexRay实时传输网络系统的开发、集成、分析和测试方法。全书共分10章，每章配有习题。本书的编写得到了资深学者、同事和电子工业出版社的大力支持。应启戛、吴勤勤教授为本书的组织结构和新术语的定义提出了很多宝贵建议；单冰华、魏志强、屠雨、李莎、张宇惠、车蕊、刘鲁平、邵文学、郭超、杨涛远等仔细阅读了部分或全部书稿，并提出了许多改进建议；电子工业出版社的宋梅编审在本书的体例格式和易读性方面给予作者许多帮助。在此谨向他们以及本书中引用的参考文献的作者们致以衷心的感谢。由于作者水平有限，书中错误和不足之处在所难免，敬请读者批评指正。作 者 2017年1月1日