Początek XXI w. w motoryzacji, to okres w którym protokół CAN przestał wystarczać jako układ sterowania i koordynacji wszystkich systemów w samochodach osobowych. Wypuszczając na rynek w 2009 r. trzecią i ostateczną wersję pod nazwą FlexRay, jego producent przetarł nowy szlak w świecie protokołów komunikacyjnych stosowanych w pojazdach. W poniższym artykule przedstawiamy ten powstały stosunkowo niedawno, ale obecnie niezbędny system.

Co to FlexRay?

FlexRay jest deterministyczną, odporną na błędy, szybką magistralą komunikacyjną w standardzie ISO, która może być wykorzystywana w systemach steer-by-wire, drive-by-wire, brake-by-wire, adaptive cruise control, active suspension i innych zastosowaniach związanych z bezpieczeństwem. Standard ten jest owocem wspólnej pracy takich firm jak BMW, VW, Daimler AG, GM, Bosch, NXP Semiconductors i Freescale. W 2009 r. wprowadzono wersję 3.0, która stała się ostatecznym protokołem FlexRay. System ten zadebiutował w takich samochodach jak:

• Audi A8 (2011)
• BMW X5
• BMW X6
• BMW 7
• BMW 5
• BMW 5 GT
• Rolls Royce Ghost

Jakie wymagania postawiono inżynierom pracującym nad Flexray?

Podstawowym wymogiem stawianym protokołowi FlexRay była możliwość wysokiej prędkości przesyłu danych, wyższej niż w przypadku CAN. FlexRay posiada dwa oddzielne, całkowicie niezależne kanały, z prędkością przesyłu danych 10 Mbit na sekundę na kanał. Spełnia on krytyczne dla bezpieczeństwa wymogi stawiane systemowi sterowania, co jest również jedną z jego podstawowych właściwości. Dzięki temu możemy powierzyć mu obsługę układów takich jak brake-by-wire czy steer-by-wire, w przypadku których protokół musi błyskawicznie obsłużyć stosunkowo duże ilości danych. Zastosowanie tych systemów nie zostało po dziś dzień uregulowane prawnie w jednolity sposób, dlatego są one częstym tematem debat. Faktem jest jednak, że mogą one działać właśnie dzięki FlexRay.

Czym wyróżnia się protokół FlexRay?

Gdybyśmy mieli opisać protokół w trzech słowach, moglibyśmy powiedzieć: szybki, deterministyczny i odporny na błędy. To ostatnie jest szczególnie ważne, ponieważ nie ma tu arbitracji, jak w przypadku CAN. Choć przemysł motoryzacyjny stymuluje rozwój sieci, to tylko dzięki ogromnemu sukcesowi FlexRay systemy sterowania wyszły poza wąską dziedzinę motoryzacyjną. Szybkość przesyłu danych na poziomie 10 Mbit/s na kanał jest niebagatelna, przy czym system ten stosuje dwa kanały do jednego celu, co w technicznym żargonie nosi miano redundancji sprzętowej. Cykl komunikacyjny można podzielić na statyczne i dynamiczne odcinki czasowe. Część statyczna jest przeznaczona dla jednostek sterujących, natomiast część dynamiczna obsługuje urządzenia multimedialne, wykorzystując pozostałą szerokość pasma. Działa to na zasadzie współdzielenia czasu, zapewniając integralność wysyłanych i odbieranych informacji, ale powoduje też trudności organizacyjne.

Zasada działania systemu FlexRay

Zegar

System FlexRay składa się z magistrali i ECU (elektronicznych jednostek sterujących). Każda jednostka ECU posiada niezależny zegar – tu właśnie wchodzi kwestia zarządzania czasem. Wielkość przesunięcia czasowego zegara nie może być większa niż 0,15% w stosunku do zegara referencyjnego, a więc różnica między najwolniejszym i najszybszym zegarem systemu nie może przekraczać 0,3%. Oznacza to, że jeśli ECU posiada nadajnik i odbiornik, to na każde 300 cykli nadajnika przypada 299 i 301 cykli odbiornika. Zegary są resynchronizowane na tyle często, że nie stanowi to problemu. Sygnały zegara zajmują segment statyczny.

Magistrala

Zapis na magistrali możliwy jest jednocześnie tylko z jednej jednostki ECU. Każdy bit wysyłany na magistralę zajmuje do 8 cykli zegara taktującego. Odbiornik buforuje ostatnie 5 próbek i wykorzystuje większość z nich jako sygnał wejściowy. Błędy transmisji pojedynczego cyklu mogą wpływać na wyniki w pobliżu granicy bitów, ale nie mają wpływu na cykle w środkowym zakresie 8 cykli.

Próbkowane bity

Wartość bitu jest próbkowana w środku 8-bitowego zakresu. Błędy są przesuwane do skrajnych cykli, a zegar jest synchronizowany na tyle często, że dryf jest niewielki, tj. mniejszy niż 1 cykl na przestrzeni 300, a podczas transmisji zegar jest synchronizowany kilka razy na 300 cykli.

Ramki

Wszystkie wiadomości składają się z bajtów i przesyłane są w postaci ramek. Wygląda to w
następujący sposób:

• Sygnał rozpoczęcia transmisji (TSS) – bit 0
• Sygnał początku ramki (FSS) – bit 1
• m razy:
  – Sygnał początku bajtu 0 (BSS0) – bit 1
  – Sygnał początku bajtu 1 (BSS1) – bit 0
  – Bit 0 i-ego bajtu
  – Bit 1 i-ego bajtu
  – Bit 2 i-ego bajtu
  …
  – Bit 7 i-ego bajtu
• Sygnał końca ramki (FES) – bit 0
• Sygnał końca transmisji (TES) – bit 1

W przypadku braku komunikacji, magistrala jest w stanie 1 (stan wysoki), więc wszystkie odbiorniki wiedzą, że komunikacja rozpoczęła się w momencie spadku napięcia do 0. Odbiornik wie, że komunikat jest kompletny po sprawdzeniu, czy odebrano BSS0 (1) lub FES (0). Należy zauważyć, że pojęcie 8 cykli na bit nie ma nic wspólnego z bajtami. Przesłanie każdego bajtu zajmuje 80 cykli. 16 dla BSS0 i BSS1 oraz 64 dla jego poszczególnych bitów.

Synchronizacja zegara

Zegary są resynchronizowane, gdy wybrany sygnał zmienia się z 1 na 0, jeśli odbiornik był bezczynny lub czekał na BSS1. Ponieważ synchronizacja następuje przy wybranym sygnale, niewielkie błędy transmisji podczas synchronizacji, które dotyczą bitów granicznych, mogą zniekształcić synchronizację nawet o 1 cykl. Ponieważ pomiędzy synchronizacjami jest maksymalnie 88 cykli (BSS1, 8 bitów z ostatniego bajtu, FES i TES – 11 bitów z 8 cykli), a przesunięcie zegara jest nie większe niż 1 na 300 cykli, przesunięcie może zniekształcić zegar. Małe błędy transmisji, które występują podczas odbioru, mogą dotyczyć tylko bitów granicznych. Tak więc w najgorszym przypadku środkowe dwa bity są poprawne, więc próbkowana wartość jest również prawidłowa.

źródło: wikipedia.com