CN104683201B - 一种FlexRay总线通信四余度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种FlexRay总线通信四余度方法，采用四通道FlexRay总线模块、线性无源总线型网络拓扑和静态时分多址的媒体接入机制，方法中包括总线通道配置、静态段时隙配置、总线状态检测与切换以及冗余发送处理等通信余度的关键技术。本发明解决了余度设计中的切换逻辑、数据冗余等关键问题，增加了FlexRay总线通信的可靠性，进一步推动了FlexRay总线的工程化应用。

Description

一种FlexRay总线通信四余度方法

技术领域

本发明涉及网络通信技术领域，特别是涉及一种FlexRay总线通信的四余度方法。

背景技术

FlexRay是一种近年来发展起来的新型车载总线，具有时间触发、高容错能力、低传输延迟和高通信速率等特点。2000年，宝马、奔驰、通用等七家公司成立了FlexRay通信联盟，并在此基础上于2001年形成了FlexRay V1.0通信协议，经过十余年的发展，历经百来个版本的升级，目前FlexRay通信协议已更新至V3.0版。2006年，宝马X5、X7等高档汽车上成功应用了FlexRay标志着FlexRay不再只处于开发阶段，以进入实际应用中。

FlexRay做为一种新型总线技术，单通道情况下数据传输率最高可达10Mbps，总数据速率可达20Mbps，其网络带宽是CAN的20倍之多，数据传输效率可高达96.9％，是CAN的1.6倍，具有可靠性高和实时性好等优点，能满足大容量实时通信要求。国内对于FlexRay的研究还处于起步阶段，大部分还停留在理论研究阶段，目前FlexRay总线节点大部分采用双通道通信结构，可靠性较低，对于FlexRay总线余度设计的研究更是少之又少，制约了FlexRay的应用范围。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及的缺陷，提供一种FlexRay总线通信的四余度方法,以提高FlexRay总线通信的可靠性，进一步推动了FlexRay总线的工程化应用。

一种FlexRay总线通信四余度方法，采用四通道FlexRay总线模块、线性无源总线型网络拓扑和静态时分多址的媒体接入机制，包含以下步骤：

步骤1)，根据总线余度数，指定主运行总线和备份总线的优先级；

步骤2)，通过配置FlexRay通信控制器的寄存器，设置总线四通道有效；

步骤3)，根据具体的通信需求，为网络中节点间的数据交互分配静态段时隙数量和时隙对应的缓冲区数量；

步骤4)，指定总线型网络拓扑连接中的一个节点作为核心节点，采用全广播的形式，发送状态检测帧，网络中其他所有节点采用多路广播的形式，向核心节点发送状态检测回帧，核心节点判断各个节点的状态检测回帧计数是否达到规定上限，以获得当前总线工作状态，改写总线状态标志；

步骤5)，比较通信数据量的更新周期与FlexRay总线的通信周期，动态配置数据量对应的静态段时隙的有效性。

作为本发明一种FlexRay总线通信四余度方法进一步的优化方案，步骤2)中所述的FlexRay通信控制器采用MFR4310。

作为本发明一种FlexRay总线通信四余度方法进一步的优化方案，步骤3)中所述分配静态段时隙数量和时隙对应的缓冲区数量的详细步骤如下：

步骤3.1)，为单个接收时隙配置两个接收缓冲区；

步骤3.2)，将两个接收缓冲区分别配置至不同的接收通道；

步骤3.3)，开启对应当前主运行总线通道的接收缓冲区中断，关闭对应备份总线通道的接收缓冲区中断，即只允许单通道的接收行为，关闭其他三个通道的接收行为。

作为本发明一种FlexRay总线通信四余度方法进一步的优化方案，所述步骤4)的详细步骤如下：

步骤4.1)，判断是否到周期状态检测帧的静态段时隙，如果时隙到，核心节点发送状态检测帧；如果时隙不到，则重新执行步骤4.1)；

步骤4.2)，判断固定静态时隙是否收到状态检测回帧；

步骤4.3)，若固定静态时隙收到状态检测回帧，将对应的节点状态检测回帧计数清零；

步骤4.4)，若固定静态时隙未收到状态检测回帧，将对应的节点状态检测回帧计数加1，并判断是否所有其他节点计数均超过规定上限，如果判断结果为真，则修改总线状态标志，切换至备份总线；

步骤4.5)，判断通信是否截止，如果通信没有截止，重新执行步骤4.1)。

作为本发明一种FlexRay总线通信四余度方法进一步的优化方案，所述步骤5)的详细步骤如下：

若通信数据量的更新周期大于FlexRay总线的通信周期，则利用FlexRay通信控制器提供的定时器，在定时器中断服务函数中判断数据量的更新状态；

若判断数据量已更新，则使能该数据量对应的发送缓冲区中断，即允许该时隙的发送行为；否则关闭该数据量对应的发送缓冲区中断，即关闭该时隙的发送行为。

本发明采用以上技术方法与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.采用合理的软件设计，优化了硬件余度的效果，进一步提高了FlexRay总线通信的可靠性；

2.较大程度地减少了余度设计中不必要的总线负载，适用于多种通信总线的余度设计，具备一定的通用性，推动了FlexRay总线的工程化应用。

附图说明

图1是FlexRay总线通信节点架构图；

图2是FlexRay总线状态检测示意图；

图3是FlexRay总线通信四余度故障检测与切换逻辑图；

图4是状态检测帧对应的静态时隙时间结构图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及效果，以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细的说明。

一种FlexRay总线通信四余度方法包括以下步骤：

步骤1)，根据总线余度数，指定主运行总线和备份总线的优先级。

本发明的硬件基础是四通道FlexRay总线模块，其中四通道对应四条物理总线。FlexRay总线单通道数据传输率最高可达10Mbps，因此能够满足较大数据通信量的传输要求。由于本方法采用四余度，仅需一条通信总线承担所有的通信任务，其余三条总线均为备份总线。如图1所示，指定其中总线FLEX1是运行总线，其余三条总线均为备份总线，且备份优先级固定，优先级关系为FLEX2>FLEX3>FLEX4。

步骤2)，通过配置FlexRay通信控制器的寄存器，设置总线四通道有效。

由于本方法采用四余度，总线四通道均需配置至正常工作状态，否则在总线故障切换时需要通信初始化，从而导致通信中断的问题。所述的FlexRay通信控制器采用MFR4310，该控制器支持双总线通道，即通道A和通道B。FlexRay总线节点架构如图1所示，由于需求四路总线通道，因此在协议配置过程中，需将MFR4310模式配置寄存器MCR的SCM位置0，意为FlexRay模块工作在双通道模式。写SCM位的操作只在POC配置模式下有效，因此在正常通信过程中，不可更改通道模式。则MFR4310-1支持的作为备份的通道B与主通信通道A处于相同的工作状态，且协议配置相同，MFR4310-2的配置与MFR4310-1一致。

步骤3)，根据具体的通信需求，为网络中节点间的数据交互分配合理的静态段时隙数量和时隙对应的缓冲区数量。

根据具体FlexRay网络通信的需求，按照负载段数据长度以及通信数据量的种类进行静态段时隙数量的分配。FlexRay总通信网络中所有节点的静态段时隙分配保持一致，并且全局参数设置相同。为减少总线负载和处理器不必要的读写操作，采用了单时隙配置双接收缓冲区的模式。所有发送时隙分配一个发送类型的消息缓冲区，其发送行为是在双通道同时进行的。而为所有接收时隙分配两个接收类型的消息缓冲区，两个缓冲区的接收行为分别对应A和B两个通道。在FLEX1正常运行时，使能MFR4310-1支持的A通道对应接收缓冲区的中断，关闭B通道对应接收缓冲区的中断，关闭MFR4310-2支持的双通道对应接收缓冲区的中断。消息缓冲区的中断使能配置反映在MFR4310寄存器MBCCSRn的MBIE位，该位在正常工作模式下可读写。FLEX1总线故障，切换至备份FLEX2总线工作时，配置MFR4310-1两个接收缓冲区对应的MBIE位，使能B通道缓冲区中断，关闭A通道缓冲区中断。FLEX2总线故障时隙缓冲区配置操作同理，对应的操作状态如下表所示：

步骤4)，指定总线型网络拓扑连接中的一个节点作为核心节点，采用全广播的形式，发送状态检测帧，网络中其他所有节点采用多路广播的形式，向核心节点发送状态检测回帧，核心节点判断各个节点的状态检测回帧计数是否达到规定上限，以获得当前总线工作状态，改写总线状态标志。

如图2所示，指定节点1作为核心节点，该节点发送状态检测帧，网络中其他所有总线节点接收的形式，即一发多收的全广播形式实现状态检测帧的下行收发行为。同时为其他所有总线节点分配静态时隙，在对应时隙中发送状态检测回帧，核心节点1接收，即利用多个一发一收的多路广播来实现状态检测帧的上行收发行为。总线状态检测与切换的逻辑是在核心节点1中实施的。在核心节点1接收到状态检测回帧时，对应节点状态检测回帧计数会被清除，否则计数会每个通信周期加1。一旦某节点检测回帧计数超过规定上限，则表明该节点通信故障，当其他所有节点均故障时判断为总线故障。总线状态标志的初始化值为0，每条总线均配置对应的总线状态标志，当判断总线故障时，置位当前运行总线的标志位，表示该标志位对应的总线故障，随后将工作总线切换为备份总线，即所有的通信行为均切换至备份总线中实施。

FlexRay总线通信四余度故障检测与切换逻辑如图3所示：1.判断是否到周期状态检测帧的静态段时隙；2.如果时隙到，则核心节点1发送状态检测帧；3.判断固定静态时隙是否收到状态检测回帧；4.如果收到，则对应的节点状态检测回帧计数清零；5.如果未收到，则对应的节点状态检测回帧计数加1，并判断是否所有其他节点计数均超过规定上限；6.如果判断结果为真，则修改总线状态标志，切换至备份总线；7.判断通信是否截止；即可实现四余度故障检测与切换逻辑。

步骤5)，比较通信数据量的更新周期与FlexRay总线的通信周期，动态配置数据量对应的静态段时隙的有效性。

FlexRay协议的媒体访问是基于通信周期的，其时间等级主要包括通信周期层，仲裁层，宏节拍层以及微节拍层四个层次。采用静态时分多址的访问模式，在静态段中实现数据帧的收发。数据帧中数据量的更新周期大于通信周期时，即使数据量未更新，至对应静态时隙时，数据帧依然会被发送，即出现冗余发送的情况。由于通信数据量类型迥异，冗余发送的问题是普遍存在的。所述的FlexRay通信控制器采用MFR4310，其FlexRay模块提供两个运行在FlexRay时基的定时器：绝对时钟T1和可配置时钟T2。两个时钟均可配置为循环模式，均可满足本方法的设计需求。选用的绝对时钟T1的时基是通信周期计数和宏节拍计数。在每个通信周期中产生定时器T1中断，在中断服务函数中根据数据的更新情况使能或关闭分配给对应时隙的发送类型消息缓冲区，以避免冗余发送。核心节点1静态段中用作状态检测帧发送的静态时隙，状态检测帧的发送周期与通信周期相等，因此无需进行时隙有效性判断。将时钟中断时间偏移至该静态时隙中，避免与静态时隙中的发送中断冲突，确保时钟中断服务函数的有效执行，该静态时隙的时间结构如图4所示。每个通信周期由相同数量的宏节拍组成，T1时钟中断应设置为在每个周期固定宏节拍处循环中断，其中断需满足的公式：

CYCTR[CYCCNT]&T1CYSR[T1_CYC_MSK]＝＝

T1CYSR[T1_CYC_VAL]&T1CYSR[T1_CYC_MSK] (1)

MTCTR[MTCT]＝＝TI1MTOR[T1_MTOFFSET] (2)

其中：

CYCTR[CYCCNT]表示通信周期计数，范围为0至63；

MTCTR[MTCT]表示宏节拍计数，范围是0至全局参数gMacroPerCycle；

T1CYSR[T1_CYC_MSK]、T1CYSR[T1_CYC_VAL]分别表示周期过滤的掩码和值；

TI1MTOR[T1_MTOFFSET]表示绝对时钟T1的宏节拍偏移值；

将参数T1CYSR[T1_CYC_MSK]和T1CYSR[T1_CYC_VAL]设置为0，即可实现每个通信周期循环中断，将TI1MTOR[T1_MTOFFSET]设置为状态检测帧对应静态时隙的时钟中断段0起始偏移宏节拍。在T1时钟中断的服务函数中，根据更新标志位判断数据量是否更新，若更新则使能对应时隙发送缓冲区的中断，即置位MFR4310寄存器MBCCSRn的MBIE位，否则清除该标志位，关闭中断，使得对应时隙不实施数据帧发送的行为，从而实现冗余发送的处理。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (4)

1.一种FlexRay总线通信四余度方法，采用四通道FlexRay总线模块、线性无源总线型网络拓扑和静态时分多址的媒体接入机制，其特征在于包含以下步骤：

步骤1），根据总线余度数，指定主运行总线和备份总线的优先级；

步骤2），通过配置FlexRay通信控制器的寄存器，设置总线四通道有效；

步骤3），根据具体的通信需求，为网络中节点间的数据交互分配静态段时隙数量和时隙对应的缓冲区数量：

步骤3.1），为单个接收时隙配置两个接收缓冲区；

步骤3.2），将两个接收缓冲区分别配置至不同的接收通道；

步骤3.3），开启对应当前主运行总线通道的接收缓冲区中断，关闭对应备份总线通道的接收缓冲区中断，即只允许单通道的接收行为，关闭其他三个通道的接收行为；

步骤4），指定总线型网络拓扑连接中的一个节点作为核心节点，采用全广播的形式，发送状态检测帧，网络中其他所有节点采用多路广播的形式，向核心节点发送状态检测回帧，核心节点判断各个节点的状态检测回帧计数是否达到规定上限，以获得当前总线工作状态，改写总线状态标志；

步骤5），比较通信数据量的更新周期与FlexRay总线的通信周期，动态配置数据量对应的静态段时隙的有效性。

2.根据权利要求1所述的FlexRay总线通信四余度方法，其特征在于，步骤2）中所述的FlexRay通信控制器采用MFR4310。

3.根据权利要求1所述的FlexRay总线通信四余度方法，其特征在于，所述步骤4）的详细步骤如下：

步骤4.1），判断是否到周期状态检测帧的静态段时隙，如果时隙到，核心节点发送状态检测帧；如果时隙不到，则重新执行步骤4.1）；

步骤4.2），判断固定静态时隙是否收到状态检测回帧；

步骤4.3），若固定静态时隙收到状态检测回帧，将对应的节点状态检测回帧计数清零；

步骤4.4），若固定静态时隙未收到状态检测回帧，将对应的节点状态检测回帧计数加1，并判断是否所有其他节点计数均超过规定上限，如果判断结果为真，则修改总线状态标志，切换至备份总线；

步骤4.5），判断通信是否截止，如果通信没有截止，重新执行步骤4.1）。

4.根据权利要求1所述的FlexRay总线通信四余度方法，其特征在于，所述步骤5）的详细步骤如下：

若通信数据量的更新周期大于FlexRay总线的通信周期，则利用FlexRay通信控制器提供的定时器，在定时器中断服务函数中判断数据量的更新状态；

若判断数据量已更新，则使能该数据量对应的发送缓冲区中断，即允许该时隙的发送行为；否则关闭该数据量对应的发送缓冲区中断，即关闭该时隙的发送行为。