張 利 張本宏 王躍飛 刁新超 劉征宇

合肥工業(yè)大學(xué)安全關(guān)鍵工業(yè)測控技術(shù)教育部工程研究中心，合肥，230009

0 引言

F1exRay總線是新一代汽車內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，它為車內(nèi)控制系統(tǒng)提供所需的速度和可靠性。F1exRay與CAN、LIN等已成為現(xiàn)代汽車網(wǎng)絡(luò)總線的關(guān)鍵技術(shù)，它們根據(jù)傳輸帶寬和價格比的要求被應(yīng)用在汽車不同的領(lǐng)域，相互補充、相互支撐，組合成多種總線混合的汽車網(wǎng)絡(luò)［1－2］。

FlexRay總線系統(tǒng)將事件觸發(fā)和時間觸發(fā)兩種方式相結(jié)合，具有高速可確定性和故障容錯等特點。隨著FlexRay重要性的日益顯現(xiàn)，對其研究也越來越多，然而對FlexRay網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率的研究很少。文獻(xiàn)［3］分析了通信周期中靜態(tài)部分和動態(tài)部分的時間特性，計算了消息和任務(wù)在最壞情況下的響應(yīng)時間，但沒有進(jìn)行時序性能驗證。文獻(xiàn)［4］計算了FlexRay消息幀的傳輸時間，在考慮有效FlexRay幀長度情況下，分析靜態(tài)部分的網(wǎng)絡(luò)帶寬丟失率，進(jìn)一步得到了靜態(tài)部分的網(wǎng)絡(luò)利用率計算公式，但沒有考慮FlexRay動態(tài)部分消息傳輸時間。文獻(xiàn)［5］提出一種消息的調(diào)度算法來減小總線占用率，但總線占用率計算方法中沒有考慮動態(tài)消息的總線占用率。

1 FlexRay消息傳輸方式

1.1 FlexRay消息幀格式

FlexRay消息幀［6－7］由幀頭、有效數(shù)據(jù)和幀尾三部分組成。FlexRay幀格式如圖1所示。幀頭部分共由5個字節(jié)組成（共40位），包括保留位、有效數(shù)據(jù)指示位、空幀指示位、同步幀指示位、啟動幀指示位、幀ID、有效數(shù)據(jù)長度、頭部循環(huán)校驗CRC和周期計數(shù)。有效數(shù)據(jù)部分可由0～254個字節(jié)組成。幀尾部分只含有單個的數(shù)據(jù)域，即一個24位的CRC。

1.2 FlexRay媒體訪問方式

FlexRay提供兩種媒體接入時序的選擇，一種是靜態(tài)的分時多址接入時序（TDMA），一種是動態(tài)的基于最小時間片的柔性時分多址接入時序（FTDMA）［2，6］。在一個通信周期內(nèi)，有4個時間等級，從最低層到最高層分別是最小時間節(jié)拍層、最大時間節(jié)拍層、仲裁網(wǎng)格層和通信周期層［6－7］，如圖2所示。

圖1 FlexRay幀格式

圖2 通信周期時間分層

最高層即通信周期層，由靜態(tài)段、動態(tài)段、特征窗和網(wǎng)絡(luò)閑置時間四部分組成。靜態(tài)段由若干個長度相等的靜態(tài)時間片（static slot）組成，采用的是TDMA方式；動態(tài)段由若干個長度相等的最小時間片（minislot）組成，采用的是基于最小時間片的FTDMA方式。靜態(tài)時間片和最小時間片均由若干個最大時間節(jié)拍（Macrotick，MT）組成，1個MT的時長通常被配置為1～6μs，本文用gdMacrotick表示1個MT的時長。

2 總線占用率計算方法

2.1 時間片長度

時間片長度是指消息傳輸使用的時間長度，這里用MT的數(shù)量表示。消息在傳輸過程中被分成獨立的字節(jié)進(jìn)行傳輸，為保證消息的正常傳輸，還需使用更多的空間，包括傳輸起始序列（3～15位）、幀起始序列（1位）、字節(jié)起始序列（2位）、幀結(jié)束序列（2位）、通信空閑分隔符（11位）和幀前與幀尾的觸發(fā)點偏移量。FlexRay的傳輸序列如圖3所示。

如果消息幀在動態(tài)段進(jìn)行傳輸，則還要在幀結(jié)束序列后附加動態(tài)尾部序列。動態(tài)尾部序列時間值是變化的，最小值為2gdBit（gdBit指傳輸1位所需的時間）。

圖3 FlexRay幀物理層傳輸規(guī)則

當(dāng)消息i放在靜態(tài)段傳輸時，假設(shè)其長度為k個字節(jié)，則傳輸該消息所需的靜態(tài)時間片長度Ti（單位為MT的個數(shù)）為

其中，29為15位傳輸起始序列、1位幀起始序列、11位通道空閑分隔符和2位幀結(jié)束序列的位數(shù)之和；10為字節(jié)前的2位字節(jié)起始序列與字節(jié)的位數(shù)之和；TAPO1為靜態(tài)段觸發(fā)點偏移量（gdAction－PointOffset）。由于靜態(tài)段的靜態(tài)時間片長度由最長的消息決定，因此靜態(tài)時間片長度為所有時間片長度的最大值，即

當(dāng)消息i放在動態(tài)段傳輸時，其最小時間片長度Ti為

式中，TAPO2為最小時間片觸發(fā)點偏移量；2gdBit為動態(tài)尾部序列時間。

2.2 總線占用率分析

假設(shè)系統(tǒng)中消息總數(shù)為N，其中有m條靜態(tài)消息和n條動態(tài)消息，則總線占用率U計算公式為

式中，Tc為FlexRay總線的通信周期；fi為第i個消息的傳輸頻率；Tpi為i個消息的傳輸周期。

由式（4）可知，在幀數(shù)目、幀傳輸周期、幀長度一定的情況下，F(xiàn)lexRay總線占用率由靜態(tài)時間片長度、最小時間片長度以及消息被分配到動態(tài)段還是靜態(tài)段的分配方法決定。

3 消息分配方法設(shè)計

3.1 消息分配方法分析

在圖4a中，靜態(tài)時間片長度由最長的靜態(tài)消息決定，因此，F(xiàn)lexRay總線占用率為

式中，TM2為消息M2對應(yīng)的靜態(tài)時間片長度。

由圖4a可以看出，靜態(tài)段傳輸?shù)南㈤L度是變化的，但靜態(tài)段的靜態(tài)時間片長度是相等的，由此導(dǎo)致總線占用率較大，帶寬利用率不是很高，特別是最長靜態(tài)消息和最短靜態(tài)消息長度差值很大的情況。本文提出一種消息分配規(guī)則，即將最長的靜態(tài)消息分配到動態(tài)段進(jìn)行傳輸，如圖4b所示，以降低總線占用率，提高帶寬利用率。

圖4 最長靜態(tài)消息分配到動態(tài)段

3.2 消息分配算法

本算法以獲得最小總線占用率為目標(biāo)，依據(jù)分配規(guī)則不斷重復(fù)運行分配過程以獲得最小總線占用率。令Uk為k（k＝0，1，…，N）個消息被分配到動態(tài)段的總線占用率，則最小總線占用率可表示為

其中，總線占用率Uk的計算依據(jù)式（4），計算時需要同時考慮靜態(tài)消息和動態(tài)消息的總線占用率。

該分配算法以式（4）、式（5）為基礎(chǔ)，在計算最小總線占用率Umin時，除了不考慮消息傳輸失敗及其處理的情況以外，還必須保證所有的FlexRay消息的傳輸時間都在最壞情況下的響應(yīng)時間之內(nèi)。

圖5為算法的流程圖［8-11］。FlexRay網(wǎng)絡(luò)參數(shù)值必須提前給出，參數(shù)包括系統(tǒng)配置信息，如節(jié)點參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)帶寬和消息參數(shù)等。

圖5 算法規(guī)則流程圖

獲取輸入?yún)?shù)值后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)初始化配置，該過程包括消息分配與設(shè)定及計算時序值和占用率。消息分配包括將FlexRay消息分配到節(jié)點和根據(jù)性質(zhì)不同分配到靜態(tài)段或者動態(tài)段。通常情況下，周期發(fā)送的消息分配到靜態(tài)段，隨機發(fā)生的消息分配到動態(tài)段。在運行分配規(guī)則過程中，當(dāng)消息重新分配后，需要重新計算靜態(tài)段中靜態(tài)時間片大小與數(shù)目，同時，需要依照所給出的消息優(yōu)先級次序重新設(shè)定消息傳輸次序，以保證消息傳輸?shù)膶崟r性。時序值是指消息實際傳輸時間與所規(guī)定傳輸時間的比較值。通過時序值判斷消息是否在響應(yīng)時間內(nèi)傳輸完，若所有消息在最壞情況下的響應(yīng)時間內(nèi)傳送，則時序值為1，否則為0。

在進(jìn)行消息分配時，必須保證每個消息在截止時間前傳輸完畢。當(dāng)分配方法改變時，如果U＊＜U（U和U＊分別為分配方法改變前后的總線占用率），即總線占用率降低，則該消息將被分配到動態(tài)段；否則該消息被分配到靜態(tài)段。在初始化網(wǎng)絡(luò)配置完成后，分配過程被重復(fù)執(zhí)行以得到總線占用率的最小值，該分配過程在沒有靜態(tài)消息被分配到動態(tài)段時結(jié)束。

4 實驗驗證

本文引用文獻(xiàn)［5］中所用的美國汽車工程學(xué)會（SAE）的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)（表1）對消息分配算法進(jìn)行驗證。由于不同傳輸速率下，傳輸一幀要求的時間不一樣，而在gdMacrotick值一定的情況下，所需MT數(shù)目也不同，為了表述方便，表1中將幀的長度用不同傳輸速率下所需時間片長度即MT的數(shù)目來表示。進(jìn)行驗證的FlexRay通信參數(shù)在表2中定義。

表1 FlexRay消息幀

表2 FlexRay通信參數(shù)

由表1可知，為了保證所有的消息在截止時間前傳輸完畢，F(xiàn)lexRay通信周期不能超過5ms。如果將傳輸周期為1000ms的幀放在靜態(tài)段中傳輸，則200個通信周期才能傳輸一次，這不符合FlexRay協(xié)議中通信周期計數(shù)器不能超過63的規(guī)定。因此，消息幀16、17和18首先被分配在動態(tài)段中傳輸。

由表1可看出，消息12所需的時間片最多，當(dāng)傳輸速率為5Mbit／s時，初始階段靜態(tài)時間片長度為60MT。在算法的初始階段，靜態(tài)時間片長度由最長消息12所需的MT數(shù)目決定。根據(jù)分配規(guī)則，靜態(tài)段最長的消息幀被分配到動態(tài)段傳輸。表3顯示了5Mbit／s速率下靜態(tài)段參數(shù)值的變化及總線占用率的變化。在分配算法的初始化階段，消息16、17、18被分配到動態(tài)段，其他消息被分配到靜態(tài)段。通過運行分配算法，最終8個消息被分配到動態(tài)段，此時，靜態(tài)段時間片長度為40MT，總線占用率減小到最小值4.8176%。

表3 參數(shù)變化及網(wǎng)絡(luò)利用率（傳輸速率5Mbit／s）

不同傳輸速率下，使用該消息分配算法后得到的總線占用率數(shù)據(jù)如表4所示，由表4可知，傳輸速率越低，該消息分配算法使總線占用率下降得越多，網(wǎng)絡(luò)利用率越高。

表4 網(wǎng)絡(luò)利用率前后對照表

5 結(jié)語

本文基于FlexRay幀格式和物理層傳輸規(guī)則分析FlexRay消息幀的長度，得到消息長度計算方法。通過對FlexRay消息幀在靜態(tài)段和動態(tài)段傳輸時間的分析，計算總線帶寬利用率，最終得到總線占用率的計算公式。實例驗證表明，將靜態(tài)段最長的消息幀放在動態(tài)段進(jìn)行傳輸，在不同傳輸速率下，總線占用率都得到了降低。下一步工作將對動態(tài)段消息傳輸?shù)臅r間性能和調(diào)度規(guī)則進(jìn)行研究。

［1］王躍飛，王子涵，張利，等.基于改進(jìn)調(diào)度算法的新一代汽車總線及其網(wǎng)關(guān)［J］.電子測量與儀器學(xué)報，2011，25（10）：289－295.

［2］顧嫣，張鳳登.FlexRay動態(tài)段優(yōu)化調(diào)度算法研究［J］.自動化儀表，2009，30（12）：25－29.

［3］Kang Minkoo，Park Kiejin，Kim Bongjun.Determining the Size of a Static Segment and Analyzing the Utilization of In－Vehicle FlexRay Network［C］／／Third International Conference on Convergence and Hybrid Information Technology.Daejeon，Korea，2008：50－53.

［4］Kang Minkoo，Park Kiejin，Kim Bongjun.A Static Message Scheduling Algorithm for Reducing FlexRay Network Utilization［C］／／IEEE International Symposium on Industrial Electronics.Lisbon，Portugal，2009：1287－1291.

［5］Matthias H，H?ss V，Müller－Glaser V.Physical Layer Extraction of FlexRay Configuration Parameters［C］／／IEEE International Symposium on Rapid System Prototyping.Paris，2009：173－180.

［6］羅峰，陳智琦，劉矗，等.基于FlexRay的車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開發(fā)［J］.電子測量與儀器學(xué)報，2009，23（增刊）：289－295.

［7］Schmidt K，Schmidt E G.Message Scheduling for the FlexRay Protocol：the Static Segment［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2009，58（5）2170－2179.

［8］趙歡，熊振華，丁漢.基于IEEE1394的運動控制系統(tǒng)總線協(xié)議與同步機制研究［J］.中國機械工程，2009，20（23）：2850－2855.

［9］張利，李縣軍，王躍飛.汽車CAN網(wǎng)絡(luò)時鐘同步方法研究［J］.電子測量與儀器學(xué)報，2011，25（2）：147－152.

［10］張利，王躍飛，嚴(yán)剛，等.混合動力汽車CAN網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先級的動態(tài)分配方法［J］.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2011，42（5）：22－26.

［11］李傳斌，嚴(yán)剛，劉夢陽.FlexRay－CAN網(wǎng)關(guān)中的多隊列消息處理方法［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011，34（1）：28－33.