靜態(tài)與動態(tài)混合傳輸模式下FlexRay網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計

李欣顏， 黃 敏， 龐鳳穎

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

FlexRay網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議設(shè)計流程中，首先需要根據(jù)整個系統(tǒng)信息傳輸需求，確定FlexRay的傳輸媒介訪問控制模式以及通信周期劃分方案.某車型信息傳輸需求中既包括對時間確定性要求較強的周期性數(shù)據(jù)，又包括觸發(fā)時機不確定的高帶寬偶發(fā)性數(shù)據(jù).因此，需要設(shè)計一組FlexRay網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，支持靜態(tài)與動態(tài)混合傳輸?shù)拿浇樵L問控制模式，從而滿足上述信息傳輸需求.

1 FlexRay網(wǎng)絡(luò)參數(shù)概要

1.1 FlexRay媒介訪問控制

FlexRay網(wǎng)絡(luò)采用總線型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，總線型網(wǎng)絡(luò)拓撲的本質(zhì)為多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點復用同一個傳輸媒介.因此，需要制定相應(yīng)的傳輸媒介訪問控制機制，合理調(diào)度網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點占用傳輸媒介的時機.FlexRay規(guī)范中，媒介訪問控制基于可重復的通信周期(communication cycle)，在每一個通信周期內(nèi)，F(xiàn)lexRay 提供兩種媒介訪問控制方式.一個是基于時分多路訪問(Time Division Multiple Access TDMA)的靜態(tài)分配方式，一個是基于minislot時間槽的動態(tài)分配方式.

通信周期是FlexRay媒介訪問控制的基本單元，F(xiàn)lexRay規(guī)范將一個通信周期劃分為一系列層次化的時間片，從而實現(xiàn)上述靜態(tài)和動態(tài)兩種傳輸媒介訪問控制方式.如圖1所示，通信周期可劃分為4個時間層次.

圖1 FlexRay通信周期的時間層次

最高層即為通信周期層，其可劃分為靜態(tài)段、動態(tài)段、符號窗口段和網(wǎng)絡(luò)空閑段，共4個時段.靜態(tài)段用于實現(xiàn)基于TDMA的靜態(tài)媒介訪問控制方式；動態(tài)段用于實現(xiàn)基于minislot時間槽的動態(tài)媒介訪問控制方式.

第二層為仲裁網(wǎng)格層.仲裁網(wǎng)格層將上一層的時段劃分為若干仲裁網(wǎng)格，用于實現(xiàn)FlexRay網(wǎng)絡(luò)媒介訪問控制的仲裁機制.在靜態(tài)段，仲裁網(wǎng)格由稱作static slot的若干連續(xù)的時間片構(gòu)成；在動態(tài)段，仲裁網(wǎng)格由稱作minislot的若干連續(xù)的時間片構(gòu)成.

第三層為macrotick層.macrotick層將上一層的時間片劃分為若干macrotick(MT)，并在macro-tick內(nèi)定義發(fā)送動作執(zhí)行點(action point)，作為數(shù)據(jù)發(fā)送的起始點或結(jié)束點.在同一個FlexRay網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，所有節(jié)點的macrotick長度應(yīng)該相同.

第四層為microtick層.microtick層將上一層的macrotick劃分為若干microtick( μT ).microtick是FlexRay規(guī)范定義的時間片的最小單位，F(xiàn)lexRay上各個節(jié)點的microtick長度可以根據(jù)需要設(shè)置，不需強制保持相同.

1.2 FlexRay網(wǎng)絡(luò)參數(shù)概要

1.2.1 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的類型

如前所述，F(xiàn)lexRay基于層次化的時間片劃分，實現(xiàn)其網(wǎng)絡(luò)傳輸媒介訪問控制功能.由于各個時間片之間存在緊密的依存和制約關(guān)系，因此需要設(shè)計一組對應(yīng)的FlexRay網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，明確各層級時間片的配置方案，并滿足網(wǎng)絡(luò)上各個節(jié)點的媒介訪問和信息傳輸需求.

根據(jù)FlexRay網(wǎng)絡(luò)規(guī)范的定義，F(xiàn)lexRay網(wǎng)絡(luò)參數(shù)共分為6種類型[1]，見表1.以下將重點討論與網(wǎng)絡(luò)媒介訪問控制方案設(shè)計緊密相關(guān)的全局網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和節(jié)點網(wǎng)絡(luò)參數(shù).

表1 FlexRay規(guī)范包含的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)類型

1.2.2 全局網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

FlexRay規(guī)范要求，以小寫字母g開頭的全局網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，必須在同一網(wǎng)段內(nèi)的所有節(jié)點上設(shè)置為相同的值，表2列出了與FlexRay網(wǎng)絡(luò)傳輸媒介訪問控制相關(guān)的全局網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，并說明了各參數(shù)的單位，設(shè)置范圍和主要功能，后文將對各參數(shù)的設(shè)計過程進行說明.

表2 FlexRay全局網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

1.2.3 節(jié)點網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

以小寫字母p開頭的節(jié)點網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，可在同一網(wǎng)段內(nèi)的不同節(jié)點上設(shè)置為不同的值，表3列出了與FlexRay網(wǎng)絡(luò)傳輸媒介訪問控制相關(guān)的節(jié)點網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，并說明了各參數(shù)的單位.設(shè)置范圍和主要功能，后文將對各參數(shù)的設(shè)計過程進行說明.

表3 FlexRay節(jié)點網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

2 FlexRay網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計

2.1 FlexRay網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計應(yīng)用需求

某車型FlexRay網(wǎng)絡(luò)信息傳輸主要系統(tǒng)需求(System Requirements ，以下簡稱SR)如下：

SR1)FlexRay網(wǎng)絡(luò)包含總節(jié)點數(shù)30個.

SR2)FlexRay網(wǎng)絡(luò)應(yīng)支持周期觸發(fā)強實時信息傳輸.

SR3)周期觸發(fā)信息最小傳輸周期5 ms.

SR4)FlexRay網(wǎng)絡(luò)周期觸發(fā)信息傳輸總有效數(shù)據(jù)帶寬不小于1.6 Mbps.

SR5)FlexRay網(wǎng)絡(luò)應(yīng)支持事件觸發(fā)的偶發(fā)性高帶寬信息傳輸.

SR6)事件觸發(fā)信息最大數(shù)據(jù)包長度5 KByte，總傳輸時間小于500 ms.

SR7)FlexRay網(wǎng)絡(luò)事件觸發(fā)信息傳輸總有效數(shù)據(jù)帶寬不小于0.4 Mbps.

SR8)FlexRay單個數(shù)據(jù)幀負載數(shù)據(jù)長度不小于20 Byte.

2.2 FlexRay網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計流程

根據(jù)以上列出的某車型FlexRay網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹饕夹g(shù)需求，以及FlexRay規(guī)范規(guī)定的約束條件和計算方法，逐一確定FlexRay的各項網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，明確FlexRay的傳輸媒介訪問控制模式以及通信周期劃分方案.

2.2.1 位時間參數(shù)(gdBit)設(shè)置

gdBit參數(shù)定義了FlexRay網(wǎng)絡(luò)上一個數(shù)據(jù)位的長度，此參數(shù)與FlexRay網(wǎng)絡(luò)有效數(shù)據(jù)帶寬直接相關(guān).根據(jù)FlexRay網(wǎng)絡(luò)規(guī)范，gdBit參數(shù)單位為μs，可設(shè)置值為0.1、0.2、0.4，分別對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)波特率為10 Mbps、5 Mbps、2.5 Mbps.根據(jù)應(yīng)用需求SR4)和SR7)，系統(tǒng)總有效數(shù)據(jù)帶寬應(yīng)不小于2 Mbps.考慮系統(tǒng)升級預留，估算系統(tǒng)總有效數(shù)據(jù)帶寬約需要4 Mbps.按總線協(xié)議帶寬開銷與有效數(shù)據(jù)帶寬開銷1∶1估算，則總線實際帶寬應(yīng)大于8 MBps.因此，將參數(shù)gdBit設(shè)置為0.1 μs，對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)波特率為10 Mbps.

2.2.2 通信周期長度參數(shù)(gdCycle)設(shè)置

gdCycle參數(shù)定義了FlexRay網(wǎng)絡(luò)上一個cycle的長度，其單位為μs.根據(jù)應(yīng)用需求SR3)，周期觸發(fā)信息最小傳輸周期為5 ms.因此，將此參數(shù)設(shè)置為5 000 μs.

2.2.3 MT長度(gdMacrotick)參數(shù)設(shè)置

gdMacrotick參數(shù)定義了一個macrotick(MT)的長度.根據(jù)FlexRay規(guī)范要求，gdMacrotick參數(shù)的設(shè)置范圍為1～6 μs，為便于測量和計算，將gdMacrotick參數(shù)設(shè)置為1 μs.

2.2.4 通信周期包含MT數(shù)量(gMacroPerCycle)參數(shù)設(shè)置

gMacroPerCycle參數(shù)定義了一個cycle包含MT的數(shù)量.此參數(shù)與gdCycle、gdMacrotick兩個參數(shù)關(guān)系式如下：

gdMacrotick[μs]=gdCycle[μs]/
gMacroPerCycle.

(1)

根據(jù)式(1)，代入已設(shè)置參數(shù)gdCycle、gdMacrotick的值，可計算出gMacroPerCycle參數(shù)值應(yīng)設(shè)置為5 000.

如前所述，一個cycle可劃分為靜態(tài)段、動態(tài)段等4個時段.根據(jù)應(yīng)用需求SR4)和SR7)，周期觸發(fā)信息與事件觸發(fā)信息總有效數(shù)據(jù)帶寬之比約為4∶1，兩種類型數(shù)據(jù)信息應(yīng)分別在一個cycle內(nèi)的靜態(tài)段與動態(tài)段傳輸.因此，初步將一個cycle包含的5 000 MT劃分為靜態(tài)段4 000 MT、動態(tài)段900 MT.

2.2.5 靜態(tài)slot數(shù)量(gNumberOfStaticSlots)參數(shù)設(shè)置

如前所述，一個cycle內(nèi)的靜態(tài)段由若干static slot構(gòu)成，gNumberOfStaticSlots參數(shù)定義了構(gòu)成靜態(tài)段的static slot的數(shù)量.FlexRay規(guī)范規(guī)定，在一個cycle內(nèi)，一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可分配一個或多個static slot，用于static Frame傳輸.某一特定的static slot僅可被分配給網(wǎng)絡(luò)上的一個節(jié)點，即某一特定static slot被某一特定節(jié)點獨占.根據(jù)應(yīng)用需求SR1)，按照每個節(jié)點平均分配兩個static slot計算，共需static slot數(shù)量為60個.考慮節(jié)點數(shù)增加預留，將gNumberOfSta ticSlots 參數(shù)值設(shè)置為80.

2.2.6 靜態(tài)slot長度(gdStaticSlot)參數(shù)設(shè)置

gdStaticSlot參數(shù)定義了靜態(tài)段內(nèi)單個靜態(tài)slot的長度，其時間單位為MT.靜態(tài)段內(nèi)所有靜態(tài)slot的長度應(yīng)保持相同.根據(jù)前節(jié)計算結(jié)果，將cycle內(nèi)靜態(tài)段總長度設(shè)置為4 000 MT，靜態(tài)slot數(shù)量設(shè)置為80，因此，可計算出單個靜態(tài)slot長度gdStaticSlot參數(shù)值應(yīng)設(shè)置為50.

2.2.7 靜態(tài)slot內(nèi)發(fā)送動作執(zhí)行點(gdActionPoin tOffset)參數(shù)設(shè)置

gdActionPointOffset參數(shù)定義了靜態(tài)Slot內(nèi)數(shù)據(jù)幀發(fā)送動作執(zhí)行點相對于Slot起始點的位置，其時間單位為MT.根據(jù)FlexRay規(guī)范規(guī)定，gdAction PointOffset參數(shù)設(shè)置的約束條件如下：

gdActionPointOffset[MT]≥ceil
((gAssumedPrecision[μs]-
gdMinPropagationDelay[μs]) /

(gdMacrotick[μs/MT]×

(1-cClockDeviationMax))).

(2)

根據(jù)FlexRay規(guī)范定義，同步精度參數(shù)gAssumedPrecision受節(jié)點時鐘漂移率、最大傳輸延遲等參數(shù)影響.經(jīng)估算，取此值為4.25 μs.FlexRay規(guī)范推薦最小傳輸延時參數(shù)gdMinPropaga-tionDelay一般取值為0.前節(jié)已確定MT長度參數(shù)gdMacrotick等于1.FlexRay規(guī)范定義，節(jié)點時鐘頻率誤差最大值常數(shù)cClockDeviationMax取值為0.001 5.將以上各參數(shù)值代入式(2)，可得gdAc-tionPointOffset參數(shù)值應(yīng)設(shè)置為5.

2.2.8 靜態(tài)幀負載數(shù)據(jù)長(gPayloadLengthStatic)參數(shù)設(shè)置

gPayloadLengthStatic參數(shù)定義了在靜態(tài)slot內(nèi)發(fā)送的靜態(tài)Frame的負載數(shù)據(jù)長度，其單位為Word(2 Byte).根據(jù)應(yīng)用需求SR8)，因此將gPayloadLengthStatic參數(shù)值設(shè)置為12，則負載數(shù)據(jù)長度等于24，滿足應(yīng)用需求SR8.

2.2.9 動態(tài)段minislot數(shù)量(gNumberOfMinislots)參數(shù)設(shè)置

如前所述，一個cycle內(nèi)的動態(tài)段由若干minislot構(gòu)成，gNumberOfMinislots參數(shù)定義了構(gòu)成動態(tài)段的minislot的數(shù)量.FlexRay動態(tài)幀在動態(tài)slot內(nèi)發(fā)送，一個動態(tài)slot由若干個minislot構(gòu)成.根據(jù)應(yīng)用需求SR1)，假設(shè)每個節(jié)點分配一個動態(tài)slot，每個動態(tài)slot平均包含2個minislot，則gNumberOfMinislots參數(shù)應(yīng)大于60，考慮節(jié)點數(shù)增加預留，將gNumberOfSt-aticSlots 參數(shù)值設(shè)置為90.

2.2.10 minislot長度(gdMinislot)參數(shù)設(shè)置

gdMinislot參數(shù)定義了動態(tài)段內(nèi)單個minislot的長度，其時間單位為MT.動態(tài)段內(nèi)所有minislot的長度應(yīng)保持相同.根據(jù)前節(jié)計算結(jié)果，將cycle內(nèi)動態(tài)段總長度設(shè)置為900 MT，minislot數(shù)量設(shè)置為90，因此，可計算出單個minislot長度gdMinislot參數(shù)值應(yīng)設(shè)置為10.

2.2.11 minislot內(nèi)發(fā)送動作執(zhí)行點(gdMinislotAct-ionPointOffset)參數(shù)設(shè)置

gdMinislotActionPointOffset參數(shù)定義了minislot內(nèi)數(shù)據(jù)幀發(fā)送動作執(zhí)行點相對于minislot起始點的位置，其時間單位為MT.有別于靜態(tài)段，在動態(tài)段內(nèi)，數(shù)據(jù)幀發(fā)送應(yīng)起始于動態(tài)slot內(nèi)的首個minislot的ActionPoint，且結(jié)束于動態(tài)slot內(nèi)的最后一個minislot的ActionPoint.

gdMinislotActionPointOffset參數(shù)設(shè)置約束條件與式(2)相同，因此，此值也設(shè)置為5.

2.2.12 符號窗口段長度(gdSymbolWindow)參數(shù)設(shè)置

gdSymbolWindow參數(shù)定義了一個cycle內(nèi)符號窗口段的長度，其單位為MT.由于符號窗口功能暫不使用，故此參數(shù)設(shè)置為0.

2.2.13 網(wǎng)絡(luò)空閑段長度(gdNIT)參數(shù)設(shè)置

gdNIT參數(shù)定義了一個cycle內(nèi)網(wǎng)絡(luò)空閑段的長度，其單位為MT.每個cycle內(nèi)都包含一個網(wǎng)絡(luò)空閑段.在此段之內(nèi)，不進行任何數(shù)據(jù)發(fā)送.FlexRay網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點的同步相位校正或同步頻率校正在此時段內(nèi)完成.gdNIT參數(shù)值設(shè)置應(yīng)滿足式(3).

gdNIT= gdCycle-

gNumberOfStaticSlots×gdStaticSlot-

gNumberOfMinislots×gdMinislot.

(3)

將已確定的各參數(shù)代入式(3)，可得到gdNIT參數(shù)應(yīng)設(shè)置為100.

2.2.14 μT長度(pdMicrotick)參數(shù)設(shè)置

pdMicrotick參數(shù)定義了FlexRay節(jié)點的microtick(μT)長度，其單位為μs.FlexRay網(wǎng)絡(luò)規(guī)范規(guī)定，pdMicrotick可取值分別為0.012 5、0.025、0.05、0.1.此項參數(shù)由節(jié)點的采樣周期gdSampleClockPeriod和采樣點數(shù)量pSamplesPer-Microtick決定，其關(guān)系見式(4).

pdMicrotick=gdSampleClockPeriod×
pSamplesPerMicrotick.

(4)

采樣周期gdSampleClockPeriod設(shè)置為0.012 5 μs，采樣點數(shù)量pSamplesPerMicrotick設(shè)置為2，可計算得出采樣周期參數(shù)值為0.025.

2.2.15 通信周期包含μT數(shù)量(pMicroPerCycle)參數(shù)設(shè)置

pMicroPerCycle參數(shù)定義了一個cycle內(nèi)包含的μT數(shù)量.其取決于cycle長度gdCycle和μT長度pdMicrotick兩個參數(shù)，關(guān)系式如式(5)所示.

pMicroPerCycle=gdCycle/pdMicrotick

(5)

gdCycle參數(shù)值已設(shè)置為5 000，pdMicrotick參數(shù)值已設(shè)置為0.025，可計算得出pMicroPerCycl參數(shù)值為200 000.

2.2.16 動態(tài)幀最大負載數(shù)據(jù)長度(pPayloadLe-ngthDynMax)參數(shù)設(shè)置

pPayloadLengthDynMax參數(shù)定義了在動態(tài)段傳輸?shù)膭討B(tài)數(shù)據(jù)幀的最大負載數(shù)據(jù)長度，其單位為Word(2 Byte).有別于靜態(tài)段傳輸?shù)撵o態(tài)幀，F(xiàn)lexRay不同節(jié)點發(fā)送的動態(tài)數(shù)據(jù)幀長度可以不同，同一節(jié)點兩次發(fā)送的動態(tài)數(shù)據(jù)幀長度也可以不同.因此，需要設(shè)定節(jié)點允許發(fā)送數(shù)據(jù)幀的最大負載長度，從而保證可變長度數(shù)據(jù)幀在固定長度的動態(tài)段內(nèi)能夠發(fā)送完成.

根據(jù)應(yīng)用需求SR6)，設(shè)置動態(tài)幀最大負載長度為36 Word(72 Byte)，單個節(jié)點在一個cycle(5 ms)發(fā)送一次動態(tài)幀，則在500 ms內(nèi)共發(fā)送100幀，7.2 KByte數(shù)據(jù)，滿足應(yīng)用需求SR6).

2.2.17 允許發(fā)送動態(tài)幀的最后一個minislot(pLatestTx)參數(shù)設(shè)置

pLatestTx參數(shù)定義了動態(tài)段允許發(fā)送動態(tài)幀的最后一個minislot位置.如前所述，網(wǎng)絡(luò)動態(tài)段共包含90個minislot，且動態(tài)幀負載最大長度為72 Byte.為了保證包含最大負載的動態(tài)幀能夠在動態(tài)段發(fā)送完成，需要設(shè)定一個節(jié)點在動態(tài)段允許發(fā)送動態(tài)幀的最后位置，此位置由pLatestTx定義，其約束條件見式(6).

pLatestTx[Minislot]≤
floor(gNumberOfMinislots[Minislot]-
(((aFrameLengthDynamic[gdBit] +
vDTSLowMin) × gdBitMax〗
[μs/gdBit]) / (gdMacrotick[μs/MT]×
(1-cClockDeviationMax)×gdMinislot

[MT/Minislot]) ) -gdDynamicSlotIdlePhase

[Minislot]).

(6)

將各參數(shù)值代入式(6)，得出 pLatestTx[Minislot] ≤80.為保險起見，將此參數(shù)設(shè)置為79.即節(jié)點在一個cycle內(nèi)minislot計數(shù)達到80時，便不可再進行動態(tài)數(shù)據(jù)幀發(fā)送.

2.3 FlexRay網(wǎng)絡(luò)參數(shù)驗證

前節(jié)計算過程中，確定了與FlexRay傳輸媒介訪問控制相關(guān)的主要網(wǎng)絡(luò)參數(shù)共17個，如表4所示.

表4 FlexRay全局網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置結(jié)果

將表4中的FlexRay網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計結(jié)果輸入FlexRay網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫設(shè)計工具Vector FIBEX Explorer Pro/FlexRay(Version3.3)，利用其提供的一致性檢驗工具進行校驗，校驗結(jié)果是該組參數(shù)滿足FlexRay規(guī)范規(guī)定的所有約束條件.

Vector FIBEX Explorer Pro/FlexRay軟件可生成包含該組網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的標準接口控制文件——FIBEX(Field Bus Data Exchange Format)文件，將生成的FIBEX文件導入FlexRay網(wǎng)絡(luò)仿真測試工具Vector CANoe(Version 10.0 SP3)進行網(wǎng)絡(luò)仿真.仿真結(jié)果表明，采用該組參數(shù)的FlexRay網(wǎng)絡(luò)運行正常，能夠滿足2.1節(jié)列出的某車型對FlexRay網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)母黜棏?yīng)用需求.

3 結(jié) 論

根據(jù)FlexRay規(guī)范相關(guān)的約束條件和計算方法，設(shè)計得出的一組FlexRay網(wǎng)絡(luò)參數(shù)(如表4所示)，支持靜態(tài)和動態(tài)兩種模式混合傳輸?shù)腇lexRay網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案.該方案滿足某車型在同一網(wǎng)段上同時傳輸周期性、強實時數(shù)據(jù)與偶發(fā)性、高帶寬數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點容量可達到30個；網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬不小于2M bps；支持長數(shù)據(jù)包傳輸，長度為5 KByte的數(shù)據(jù)包總傳輸時間小于500 ms.