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隨著(zhù)車(chē)內網(wǎng)絡(luò )的復雜化對速度，尤其是對故障容錯與實(shí)時(shí)性的需求不斷增加，FlexRay總線(xiàn)的高速度、確定性、容錯性等特點(diǎn)引起廣大學(xué)者和廠(chǎng)商的關(guān)注。 FlexRay支持分布式控制系統，具有全面協(xié)同工作的能力，其信息傳輸的確定性離不開(kāi)其內部的時(shí)鐘同步機制的支持。時(shí)鐘同步機制可根據該節點(diǎn)啟動(dòng)的不同工作階段，定義成不同的工作狀態(tài)，如初始化、等待接收同步幀等�？紤]到傳統的FSM方法建立模型存在代碼難以復用、維護困難等問(wèn)題，本文基于量子框架的角度，采用有限狀態(tài)機的方法對FlexRay時(shí)鐘同步機制進(jìn)行研究。 1 量子框架 量子框架是基于事件驅動(dòng)并發(fā)狀態(tài)機的一種應用框架，適用于嵌入式的可重用的基礎結構，它為外圍的應用系統提供了硬件框架。量子框架在應用系統中的地位如圖 1所示。 
量子框架理論將應用系統按照功能模塊分解成相互獨立的活動(dòng)對象，它們之間通過(guò)量子框架提供的軟總線(xiàn)和可識別的事件實(shí)例來(lái)實(shí)現彼此間的通信，活動(dòng)對象彼此間沒(méi)有任何的通信。事件隊列是為活動(dòng)對象提供的一個(gè)外部通信接口，能夠使活動(dòng)對象接收事件實(shí)例；還提供了保護內部狀態(tài)圖的緩沖空間，以防止事件的生產(chǎn)爆發(fā)帶來(lái)的破壞，保證了活動(dòng)對象在運行過(guò)程中的完整性。 2 FlexRay時(shí)鐘同步機制 2．1 FlexRay內部結構 FlexRay按照其功能可以分成3個(gè)層次：通信接口及控制層、內部時(shí)鐘控制層和外部接口控制層，如圖2所示。
通信接口及控制層主要包括控制主機接口(CHI)和協(xié)議運行控制器(POC)。CHI主要負責內核和主機通信接口，POC是內核的控制單元。 內部時(shí)鐘控制層包括時(shí)鐘同步啟動(dòng)模塊(CSS)、時(shí)鐘同步處理模塊(CSP)和時(shí)鐘發(fā)生器(MTG)。系統中各個(gè)節點(diǎn)的時(shí)鐘同步就是主要依靠這個(gè)層來(lái)實(shí)現的。 外部接口控制層包括多路訪(fǎng)問(wèn)控制模塊(MAC)、數據幀與符號處理模塊(FSP)和編碼解碼處理模塊(CO—DEC)三個(gè)部分，可實(shí)現對接收發(fā)送數據信息的處理和對總線(xiàn)讀／寫(xiě)操作的編碼解碼功能。 2．2 時(shí)鐘周期結構 每一個(gè)通信周期內包括最小時(shí)間節拍層 (Microtick)、最大時(shí)間節拍層(Macrotick)、仲裁網(wǎng)格層(Arbitration—grid)和通信周期層4個(gè)時(shí)間等級。每個(gè)通信周期分成4個(gè)部分：靜態(tài)段、動(dòng)態(tài)段、符號窗口和空閑網(wǎng)絡(luò )段。在靜態(tài)段中，基于時(shí)分復用(TDMA)技術(shù)將固定時(shí)槽分配給與各個(gè)節點(diǎn)匹配的ID，并允許節點(diǎn)傳輸數據。時(shí)槽大小相同，并且是從1開(kāi)始向上編號。將一個(gè)或一個(gè)以上的時(shí)槽固定分配給每個(gè)節點(diǎn)。在運行期間，該時(shí)槽的分配不能修改，如圖3所示。
2．3 內部時(shí)鐘同步機制 節點(diǎn)的時(shí)鐘同步功能主要是由內部時(shí)鐘控制層實(shí)現的。其內部的MTG模塊控制周期計數器和最大時(shí)鐘節拍的計數器，并對其進(jìn)行修正；CSP模塊主要完成一個(gè)通信周期開(kāi)始的初始化，測量并存儲時(shí)間偏差值，計算頻率與相位的修正值；CSS模塊負責在集群?jiǎn)?dòng)，或者在作為冷啟動(dòng)節點(diǎn)時(shí)發(fā)出時(shí)鐘啟動(dòng)信號。 當節點(diǎn)被喚醒并完成初始化后，就能在發(fā)出相應的主機命令后進(jìn)入啟動(dòng)流程。節點(diǎn)開(kāi)始監控總線(xiàn)，如果沒(méi)有其他節點(diǎn)在發(fā)送數據，則自身發(fā)送數據，從而成為啟動(dòng)集群的主冷啟動(dòng)節點(diǎn)。在傳輸符號通知其他節點(diǎn)后，啟動(dòng)自身時(shí)鐘，開(kāi)始第一個(gè)通信循環(huán)，并根據預定義機制，主啟動(dòng)節點(diǎn)將在其分配的時(shí)槽中傳輸。與其他所有節點(diǎn)一樣，它將只在一個(gè)時(shí)槽的啟動(dòng)階段傳輸。 當節點(diǎn)在接收到消息識別碼(ID)和時(shí)槽編號相同時(shí)， 節點(diǎn)接收屬于自己的第1條消息。當接收到第2條消息時(shí)，后續的冷啟動(dòng)節點(diǎn)啟動(dòng)自身時(shí)鐘，并通過(guò)當前獲得通信循環(huán)周期號和消息的時(shí)槽編號進(jìn)行初始化。兩條消息的時(shí)間差理論上應該與主冷啟動(dòng)的通信周期相對應，接收節點(diǎn)要比較它們的可能的偏差，并通過(guò)糾正機制計算出修正值，從而通過(guò)修改內部時(shí)鐘發(fā)生器的時(shí)基頻率，使其盡可能地與主冷啟動(dòng)周期值相對應。 FlexRay內部的時(shí)鐘同步機制同時(shí)采用頻率修正與相位修正兩種方法對時(shí)鐘進(jìn)行修正。 2．3．1 頻率修正 在CSP模塊中，頻率偏差的測量在每個(gè)通信周期的靜態(tài)段中進(jìn)行，通過(guò)內部算法在奇數周期的靜態(tài)段之后計算偏差修正值。如圖4所示，偏差的結果在 Cycle(2n+1)中計算得到，在Cycle(2n+2)和Cycle(2n+3)兩個(gè)周期內MTG模塊利用此偏差值進(jìn)行頻率修正，而在 Cycle(2n+3)中得到的新的偏差值在接下來(lái)的2個(gè)周期中得到應用。
2．3．2 相位修正 在CSP模塊中，相位修正值的計算是在每個(gè)通信周期中都進(jìn)行采集(靜態(tài)段)和計算(在開(kāi)始進(jìn)行相位修正之前完成)的；應用于MTG模塊的奇數周期內的NIT段，從 gOffsetCorrectionStart時(shí)刻開(kāi)始到下一個(gè)周期開(kāi)始之前，完成相位的修正過(guò)程。 值得注意的是，MTG模塊每個(gè)周期都要進(jìn)行頻率修正。為了保證兩種修正方式的正確性，頻率偏差值的更新周期和相位修正周期是分開(kāi)的。圖4中，在 Cycle(2n+1)周期中MTG同時(shí)進(jìn)行頻率和相位的修正，但沒(méi)有進(jìn)行頻率修正值的更新；而在Cycle(2n+2)周期，接收到CSP模塊發(fā)送的新頻率偏差值vRateCorrection，更新頻率偏差值，進(jìn)行頻率修正，但沒(méi)有進(jìn)行相位修正。也就是說(shuō)，在沒(méi)有更新頻率偏差值的周期內，兩種修正同時(shí)進(jìn)行；在頻率更新的周期內，不進(jìn)行相位修正。另外，每個(gè)奇數周期內，CSP在靜態(tài)段之后進(jìn)行相位和頻率修正值的計算。理論上這兩個(gè)計算過(guò)程沒(méi)有時(shí)間上的先后，只要確保相位修正值在應用前(gOffsetCorrectionStart)得到，而頻率偏差值在下一個(gè)周期到來(lái)之前得到。 3 基于量子框架的行為建模 3．1 有限狀態(tài)機的設計 有限狀態(tài)機是對描述對象的抽象描述，它把對象模型分解成一些能夠進(jìn)行讀／寫(xiě)操作或者等待外部事件的狀態(tài)，并且能夠由外部事件引起對象狀態(tài)的轉換，即在當前狀態(tài)下，由外部事件的發(fā)生并在滿(mǎn)足某些條件的情況下，進(jìn)入第2個(gè)狀態(tài)。 3．2 對象分析 根據節點(diǎn)配置的不同功能，FlexRay內部的各個(gè)模塊表現為不同的狀態(tài)變化。在一個(gè)系統的眾多節點(diǎn)中，包括數量有限的冷啟動(dòng)節點(diǎn)(cold start node)和普通節點(diǎn)。冷啟動(dòng)的節點(diǎn)分成2種：一種是啟動(dòng)整個(gè)集群的主冷啟動(dòng)節點(diǎn)(1eading cold start node)；另一種是根據其他冷啟動(dòng)節點(diǎn)的參數來(lái)完成啟動(dòng)的從冷啟動(dòng)節點(diǎn)(following coldstart node)。這里只討論節點(diǎn)作為從冷啟動(dòng)節點(diǎn)的情況。 3．3 活動(dòng)對象建模 如上所述，每個(gè)活動(dòng)對象都是作為一個(gè)相對獨立的任務(wù)來(lái)處理的。量子框架起到了軟件總線(xiàn)的作用，系統的功能擴展、分解、集成比較容易，可以方便地進(jìn)行升級、裁剪。將FlexRay系統按功能模塊分解成3個(gè)活動(dòng)對象，如圖5所示。
3．3．1 通信接口及控制活動(dòng)對象 這個(gè)活動(dòng)對象包括CHI和POC兩個(gè)模塊。CHI是主機和FlexRay內核通信接口。在實(shí)現時(shí)鐘同步過(guò)程中，該模塊主要是接收MTG的內部時(shí)鐘和CSP 發(fā)送的當前接收同步幀的溢出信號，以及向CSP發(fā)送外部頻率／相位修正值。POC是FlexRay內核非常重要的控制模塊，負責協(xié)調節點(diǎn)內各個(gè)功能模塊有效地運行。根據節點(diǎn)時(shí)鐘同步流程，建立有限狀態(tài)模型，如圖6所示。
如圖6所示，節點(diǎn)首先對兩個(gè)模塊進(jìn)行初始化；當接收到主機配置指令后，進(jìn)行內部功能配置；完成后進(jìn)入節點(diǎn)啟動(dòng)狀態(tài)，最后轉換到運行狀態(tài)。如果在運行狀態(tài)接收到主機的外部修正值時(shí)，則活動(dòng)對象發(fā)送vExternRate—control和vExternOffsetControl兩個(gè)變量到CSP模塊，用于節點(diǎn)內部時(shí)鐘修正。 3．3．2 內部時(shí)鐘控制活動(dòng)對象 此活動(dòng)對象包含CSS、CSP和MTG三個(gè)功能模塊，是時(shí)鐘同步機制的主要組成部分。這里考慮作為從冷啟動(dòng)節點(diǎn)的時(shí)鐘同步過(guò)程，所以采取使用其他主冷啟動(dòng)節點(diǎn)的同步化參數參來(lái)啟動(dòng)，調整內部時(shí)鐘，從而實(shí)現系統中各個(gè)節點(diǎn)間的時(shí)鐘同步，如圖7所示。
上電后，活動(dòng)對象處于默認狀態(tài)。當接收到主機集群?jiǎn)?dòng)指令后，進(jìn)入等待啟動(dòng)狀態(tài)并建立CSS實(shí)例和對測量偏差的變量初始化；在接收兩個(gè)啟動(dòng)幀后，節點(diǎn)啟動(dòng)內部時(shí)鐘。當接收到其他冷啟動(dòng)節點(diǎn)的時(shí)鐘信息同步幀后，采集節點(diǎn)間時(shí)間偏差，采用容錯算法計算出頻率和相位的修正值并發(fā)送給MTG模塊，從而完成與主冷啟動(dòng)節點(diǎn)的時(shí)鐘同步。 3．3．3 總線(xiàn)接口控制活動(dòng)對象 此活動(dòng)對象是FlexRay內核與外部總線(xiàn)的接口，完成對發(fā)送數據信息的編碼發(fā)送和對接收數據的解碼及識別�？紤]到靜態(tài)段采用TMDA方式進(jìn)行傳輸，且時(shí)鐘同步采用接收數據幀的方式，這里只根據數據幀的接收及解碼過(guò)程建立有限狀態(tài)模型，如圖8所示。
圖8中，活動(dòng)對象在接收到相應信號的空閑標志信號cE Start后，開(kāi)始對數據幀進(jìn)行解碼，依次對數據幀的起始標志和幀頭段進(jìn)行解碼；然后是靜態(tài)段以及周期內其他部分的解碼。通過(guò)檢查數據幀、符號時(shí)序和語(yǔ)法來(lái)判斷當前接收數據的有效性。 3．4 活動(dòng)對象交互 在節點(diǎn)集群?jiǎn)?dòng)過(guò)程中，分解的活動(dòng)對象彼此之間要發(fā)生信息交互，如圖9所示。
節點(diǎn)通過(guò)通信接口控制對象啟動(dòng)內部模塊，并發(fā)出集群?jiǎn)?dòng)的指令(attempt integration)，等待接收主冷啟動(dòng)節點(diǎn)發(fā)出的啟動(dòng)幀。首先，總線(xiàn)接口控制對象接收到第一個(gè)有效偶數啟動(dòng)幀(valid even startup frame)后，通知內部時(shí)鐘控制對象集群?jiǎn)?dòng)；當接收下一個(gè)有效奇數啟動(dòng)幀(valid odd startup frame)，并把當前啟動(dòng)的狀態(tài)信息發(fā)送給其他的兩個(gè)對象，在兩通道完成同步幀的接收后，內部時(shí)鐘模塊調用內部宏單元計算頻率和相位偏差，修正內部時(shí)鐘使之和主冷啟動(dòng)節點(diǎn)同步，從而實(shí)現時(shí)鐘同步，并把結果SyncCalcResult發(fā)送到協(xié)議控制器，后者根據結果來(lái)決定當前節點(diǎn)的工作狀態(tài)。 4 軟件結構 應用量子框架編寫(xiě)應用程序主要有3步：聲明觸發(fā)信號和事件；定義活動(dòng)對象(任務(wù))；初始化量子框架并開(kāi)始運行活動(dòng)對象�；窘Y構如下：
5 結論 FlexRay是一種支持多種網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，高速可靠，尤其適用于汽車(chē)環(huán)境下的總線(xiàn)。其協(xié)議旨在應用于需要高通信帶寬和決定性容錯數據傳輸能力的底盤(pán)控制、車(chē)身和動(dòng)力總成等場(chǎng)合，有很好的發(fā)展前景；而量子框架則提供了基于有限狀態(tài)機的實(shí)現技術(shù)，能方便地將狀態(tài)圖轉化成系統的程序代碼。 參考文獻 1. 劉欣.楊志家 FlexRay 通信控制器收發(fā)功能的研究和實(shí)現 [期刊論文] -微計算機信息2007(17) 2. 徐小良.汪樂(lè )宇.周泓 有限狀態(tài)機的一種實(shí)現框架 [期刊論文] -工程設計學(xué)報2003(5) 3. Samek Miro.敬萬(wàn)鈞.陳麗蓉 嵌入式系統的微模塊化程序設計--實(shí)用狀態(tài)圖C/C++實(shí)現 2004 4. 李佳.田光宇.鈕翔.陳全世 FlexRay 網(wǎng)絡(luò )通信延遲時(shí)間分析 [期刊論文] -清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）2007(8) 5. Rausch Mathias FlexRay設計、功能和應用 2006 6. FlexRay communication system protocol specification.Version2.1 2005 作者：山東大學(xué) 姜文超 張承瑞 來(lái)源：單片機與嵌入式系統應用 2008 (12) |
