考虑到FlexRay是用作下一代汽车联网系统，其目标自然是要将最好的灵活性、稳定性、牢固性、可靠性和可依赖性结合到一个标准中。在2006和2007年，FlexRay被成功引入到小规模生产，包含FlexRay网络的新型汽车项目的增长将成为趋势。

FlexRay被设计成一个非常灵活的高速可容错总线系统，可通过嵌入式事件触发功能支持实时操作。作为车用联网系统，FlexRay支持各种网路拓扑，数据率可达10Mb/s。在汽车网络领域，之前标准的非屏蔽铜线线缆都未实现过如此高的带宽。光纤或屏蔽式铜线虽然可以实现10Mb/s以上的带宽，但由于材料和布线成本太高，显然无法吸引人。汽车网络的灵活性是指能够利用某些拓扑并结合不同线缆长度的能力。

FlexRay可将三种网络结合到一个混合网络中:无源线路网络、无源星形网络和有源星形网络。由于涉及到网络终端的正确应用问题，无源网络是一个难题。连接到一个有源星形网络的FlexRay节点必须始终以低阻值终止。但是，无源网络中每个节点的所有终端都不会很容易就能支持网络扩展，而且会导致很难满足DC总线负载要求。终端概念会消除线路的阻抗阶跃 －阻抗阶跃是在将终端电阻器加到传输线上时发生的。

正确的终端

在无源网络中，终端需要加到两个彼此距离最远的两个节点上。它相当于这两点之间的标定线路阻抗。

对FlexRay网络来首，最好的终端是分裂终端，在分裂终端中一半的接地线路阻抗被连接在两个总线之间。此外，在总线驱动和终端电路之间必须添加一个共模扼流圈(CMC)。

总线终端在有些情况下会与某个网络的灵活性要求相抵触，因为灵活性就意味着网络接点必须能在需要时任意插入或移除。为了保持整个网络电路，节点扩展或收缩之前预算好的标定阻抗就有可能需要在随后更改。

只有在扩展或收缩一个系统时我们才推荐使用有源星形网络，但即便如此也还是需要初步设计投入以确保所需的有源星形网络的灵活性。在很多时候，基础架构的成本都会限制设计和灵活性，而另一方面，要实现最好的灵活性又会限制网络的稳定性。

具有挑战性的任务

设计一个FlexRay节点是一项挑战。ECU是面向特殊应用，且由不同供应商提供的。要以专用ECU来限定汽车网络平台，才能够实现ECU的重复利用。但是，这就意味着一个网络中的ECU不仅看起来不一样，而且功能和二次效应都有不同。在设计一个FlexRay节点时，必须考虑到这些次效应，才能确保实现设计的功能。

一个典型的ECU上的主要功能块有MCU、存储器、传感器接口、总线系统接口和电源外围设备，以及保护和监管电路。总的来看，MCU不能和连接器并排在一起的。另一方面，总线系统接口必须紧靠连接器引脚。在FlexRay中，一个节点包括了一个MCU、FlexRay通信控制器（独立的或集成到MCU中的）和FlexRay总线驱动器(也叫FlexRay收发器)。

FlexRay通信控制器和总线驱动器之间的电气距离可以在PCB上达到15cm。FlexRay通信控制器和FlexRay总线收发器之间的接口由两条通信速度各为10Mb/s的单向连接线（数据发射线和数据接受线）组成。

PCB的设计必须确保接口上的干扰不会影响整个通信通道。设备的输出和输入阻抗必须和PCB上的连接线阻抗匹配，而输出需要能够驱动一个规定的最坏情况负载，此处所有的设备参数都必须在FlexRay规定的参数范围内。

设计FlexRay节点的困难之一是要确保针对FlexRay的关键参数不会被改变。目前的FlexRay规格并不能实现所有系统参数的要求，因此我们的目标是在设备层面上规定可测量的参数。

为此，设计人员在设计一个FlexRay节点时，就有了另一项责任，因为节点可能会在ECU验证的过程中不受限制地工作，而不是在网络格局中运行。换句话说，FlexRay节点的设计对于保持系统在运行中的余度有很大影响。在汽车领域，工作环境是非常严厉的，所以各项功能必须能够稳定运行。

图1：FlexRay通信通道上的组件对系统表现有直接影响

关键参数

在FlexRay节点中，有些FlexRay组件不能完全满足的关键参数对于系统表现有很大的影响。这些参数产生于信号传输的整个通道中。如上面图1所示，该通道上的组件直接影响着系统表现。另外，PCB的布局对于FlexRay节点的性能也有很大影响。

在大部分情况下都是由OEM来决定网络结构甚至是总线终端。在设计ECU时，需要考虑的FlexRay关键参数到底有哪些呢？

传播延迟是由于处于信号传输通道中的组件所导致的，这个通道始于发射通信控制器，终于接收通信控制器，FlexRay的信息也是在接收通信控制器那里被解码。传播延迟有两种：对称延迟（信号在信号通道的停留时间）和非对称延迟（位元时间的缩短或延长）。

图2：此图展示了由于非对称延迟造成的位长改变。非对称延迟直接限制着网络拓扑的使用。

如图2所示，非对称延迟是更关键的参数，因为它直接限制着网络拓扑的使用。除了静态效应，动态效应（如电磁干扰和短时脉冲波形干扰等）也影响着网络中所测位的长度，因此必须在设计阶段中考虑到。

总线上的SI参数是在两个总线引脚之间的定时电压水平和差分电压水平里规定的。采用BP和不同测试面上的图，是一个测量信号完整性的常用方法。并不是每一次影响都意味着网络将无法运行，但至少意味着网络可能会不稳定。

测量信号完整性的另一个方法是规定简化的接收器模式，这些模式可以就信号是否被正确转换成为数字信号提供“正常”或“不正常”两种结果。

这在网络模拟信号通道中的任何位置都能测量出来。但这两种方法都无法给出有关FlexRay信息解码是否正常运行的反馈。但是我们可以将两种方法与对传播延迟和信号完整度的考虑结合起来，预见网络在某个时间是否能正常工作。

了解了这个基本知识之后，设计一个FlexRay网络的挑战就变成网络中所有节点的配置问题了。和事件触发型网络不一样，时间触发型网络技术需要提前配置更多的参数来进行通信。

本文将不会讲述FlexRay的协议功能，而是讨论当前已有的用于配置和设置FlexRay网络的软件工具。提供面向FlexRay的软件的供应商包括EB Elektrobit、dSPACE、IXXAT、TTTech Automotive、TZ Mikroelektronik和Vector Informatik。这些工具大都能够提供一个简单易用的图形界面来配置FlexRay网络并生成Fibex配置文件，随后这些配置文件可以由IDE翻译用于MCU。这些配置文件包含了FlexRay通信运行所需每个节点的FlexRay参数，例如FlexRay通道、静态沟槽长度、最低沟槽长度、静态沟槽数量、小型沟槽数量和采样时钟周期。

图3：为了展示一个FlexRay网络，我们将一个游戏用方向盘升级成一个FlexRay节点，并开发了一个转换盒。

设置范例

为了展示一个FlexRay网络，我们选择了一个线控转向应用（上图3）。我们将一个游戏用方向盘升级成为一个FlexRay节点，并开发出了一个转换盒。

转换盒直接与一台标准的PC连接，将信号在FlexRay和USB2.0之间互换。另外，我们采用了两个富士通启动器套件SK-91F467- FlexRay，连接到FlexRay总线，以将无源线网络扩大到四个节点。

用于方向盘节点的硬件和FlexRay USB转换器是从零开始开发的。本文所讲到的这套设置是由Austriamicrosystems AG和FH Joanneum电子与技术管理部门共同开发而成的。下图4展示了方向盘节点的主要功能块。

图4：方向盘节点的主要功能块

方向盘被安装在一根末端带有永久磁铁的轴上。磁转编码器AS5046通过SPI将方向盘位置信息传输到MCU。MCU会定期读取位置信息和方向盘的按键状态。这一信息被转发至FlexRay通信控制器。最后，来自austriamicrosystems的AS8221 FlexRay收发器提供了用于FlexRay通道的微分总线电压。

FlexRay信息被转换成USB信息，让PC可以和方向盘通信（如下图5）。此时，MCU相当于一个主机，将FlexRay通信控制器上接收到的原始数据传输到USB链路并回传。

图5：在转换盒图片中，FlexRay信息被转换成USB信息，以便电脑能够和方向盘通信。

富士通的启动器套件可用来观测FlexRay的数据流通并记录重要信息。这套FlexRay设置可以在试验多种不同终端概念时具有灵活性。在方向盘节点和转换盒上，添加了一个低电阻的分裂终端和一个共模扼流圈。在启动器套件上，则添加了高电阻的分裂中断和共模扼流圈。

这套配置展示了联网应用中的最高可靠性。其设计的目的是为了能够在改变配置的时候，测量并评估系统的关键FlexRay参数，例如传播延迟和配置参数。在验证网络通信时，甚至可以考虑将网络拓扑扩大到一个有源星形网络的中。

作者：Harald Gall, Peter Hintenaus

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