Komunikační standard FlexRay

Standard FlexRay 2.1

Komunikační standard FlexRay

Jan Malinský

ČVUT Praha, FEL, katedra měření X38SSL

Str. 1

Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha


Současná koncepce řízení

Mechanická vazba

Převodovka řízení X38SSL

Str. 2



Budoucí koncepce řízení (steer-by-wire) Snímač úhlu

S

Zpětná vazba

M

FR stanice

FlexRay sběrnice Akční člen

FR stanice

M S

FR stanice

Senzory

Převodovka řízení X38SSL

Str. 3



SKATEBOARD

časopis automatizace 4/2006 X38SSL

Str. 4



Proč FlexRay ? – porovnání s CAN standardem • CAN – CSMA/CR (Carrier Sense Multiple Access with Collision Resolution) kolize čas Stanice A

Stanice A

Stanice C

Stanice B

Stanice C

CAN sběrnice X38SSL

Str. 5



Proč FlexRay ? – porovnání s CAN standardem • FlexRay –TDMA (Time Division Multiple Access) čas Slot A

Slot B

Slot C

Stanice A

Stanice B

Stanice C

FlexRay bus X38SSL

Str. 6



Obsah přednášky: • • • •

Vznik standardu FlexRay Systémy X-by-wire FlexRay x CAN bus Fyzická vrstva – elektrické vlastnosti – sběrnicové topologie

• Linková vrstva – – – – – –

komunikační cyklus formát rámce kódování časová synchronizace probuzení sítě z režimu spánku nastartování sítě a integrace stanic

• Spolehlivost standardu • Průzkum trhu elektronických součástek a přístrojů podporujících FlexRay X38SSL

Str. 7



Vznik (r.1999) Konsorcium FlexRay BMW Philips Daimler Chrystler General Motors Motorola Bosch

komunikační standard FlexRay

X38SSL

projekt In-Vehicle Networks

technologie X-by-wire

Vyřazení mechanických a hydraulických systémů (ovládání řízení, brzdění, akcelerace) a jejich nahrazení spolehlivými elektronickými systémy.

Str. 8



FlexRay stanice

STANICE A Linková vrstva Aplikační vrstva

Komunikační řadič

Communication Controller

Řídící procesor

Budič sběrnice (Bus Driver) + Hlídací člen (Bus Guardian)

Host

Fyzická vrstva Budič sběrnice (Bus Driver) + Hlídací člen (Bus Guardian)

STANICE

B

STANICE

C

Kanál A Kanál B

X38SSL

FlexRay sběrnice

Str. 9



Fyzická vrstva

Budič Transmitter

U

BP

IDLE_LP

Kanál A Reciver

BM

UBM

1,8 – 3,2 V

U = 1,2 V

UBP

BP

Kanál B Reciver

Log.0

Log.1

UBP

GND Transmitter

IDLE

BM

UBM 0V

t

• diferenciální sběrnice (odolnost proti souhlasnému rušení) X38SSL

Str. 10



Sběrnicové topologie I) Bod - bod

X38SSL

Str. 11



Sběrnicové topologie II) Pasivní sběrnicová topologie

 bez kruhů a aktivních prvků  max. 22 stanic  max. délka sběrnice 24m X38SSL

Str. 12



Sběrnicové topologie III) Pasivní hvězda

 max. 22 stanic  max. délka mezi dvěma libovolnými uzly je 24m X38SSL

Str. 13



Sběrnicové topologie IV) Aktivní hvězda

 aktivní hvězda – více portový obousměrný opakovač  max. délka mezi stanicí a hvězdou je 24m  max. dvě hvězdy na cestě mezi stanicemi X38SSL

Str. 14



Sběrnicové topologie IV) Aktivní hvězda

X38SSL

Str. 15



Sběrnicové topologie V) Hybridní topologie

X38SSL

Str. 16



Linková vrstva – komunikační řadič

Úkoly: • • • • • •

X38SSL

Sestavení rámce Kódování/dekódování Přístup na sběrnici (přístupová metoda - TDMA) Synchronizace časové základny Wakeup a startup proces Komunikace s řídícím procesorem – aplikační vrstva

Str. 17



Komunikační cyklus (časování) Statický segment (2 až 1023 slotů)

Dynamický segment (0-7994 minislotů) Nedeterministické

Deterministické Statický slot 1

Symbolové okno Klidový stav (0-87 MT)

Statický slot n

5 - 2047 MT

Dynamický slot 1 Mini slot

Mini slot

Dynamický slot m Mini slot

Mini slot

2-63 MT M M T T

M M T T

u u T T

X38SSL

M T

M T

40 - 240 uT/MT M M M T T T

MT (makrotik) - globální časová jednotka sítě

u u u u T T T T uT (mikrotik) - nejmenší jednotka lokálního času odvozená od časové základny stanice (menší než trvání 1 bitu) T(1 bit) = 8* Tvz(clk)

Str. 18

Přenos symbolu MTS 0 - 87 MT

M T

8,4,2 uT/bit u u T T 1 uT = 12,5; 25; 50 ns 100; 200 ns



Multiplexování slotů stanice P1

P2

P3

P4

Komunikační slot přiřazený stanici

Cyklus 1

• •

X38SSL

Cyklus 2

Cyklus 3

Cyklus 4

Cyklus 5

Komunikační cykly se periodicky opakují Číslování kom. cyklů (0 – 63 přenášeno v rámci) – využití pro multiplexování jednoho slotu více úlohám běžícím v rámci jedné stanice

Str. 19



Komunikační cyklus • • • • • •

Rozčlenění cyklu lze nakonfigurovat před startem sítě (nelze měnit za běhu sítě) Komunikační cykly se periodicky opakují Číslování kom. cyklů (0 –63 přenášeno v rámci) – využití pro multiplexování jednoho slotu více úlohám běžícím v rámci jedné stanice Stanice uchovává číslo cyklu prostřednictvím čítače cyklů. Makrotik (MT) – globální časová jednotka na sběrnici (jeho nominální hodnota musí být shodná v celé síti) Miktotik (mT) – lokální nejmenší časová jednotka každé stanice odvozená od časové základny stanice (v úvahu přicházejí nominální časy 12,5; 25; 50ns)

X38SSL

Str. 20



Statický segment komunikačního cyklu

• • • • • • • •

Povinný (nelze nakonfigurovat cyklus bez statického segmentu) Konstantní délka (udaná v počtu MT) Počet slotů a jejich délka jsou konstantami (nastaveno před spuštěním) Každá stanice má přidělený svůj statický slot pro vysílání (na obou komunikačních kanálech A,B ve stejnou dobu je přidělen stejný slot). V jednom statickém slotu je vysílán jeden rámec příslušné stanice. Pokud stanice chce vyslat na obou kanálech, musí vyslat totožný rámec na oba kanály (souvisí se synchronizačními rámci) Statické sloty jsou stejně dlouhé se staticky konfigurovatelnou dobou trvání (počet makrotiků). Pro uchování aktuálního čísla slotu má každá stanice dva čítače slotů (pro kanál A a B).

X38SSL

Str. 21



Dynamický segment komunikačního cyklu • • • • • •

• •

X38SSL

Je volitelný (nemusí se vyskytovat v komunikačních cyklech) Proměnná délka komunikačního slotu (dle konkrétní délky rámce) v celistvém počtu minislotů Komunikace na kanálech A,B jedné stanice není na sobě závislá. Počítadla dyn. slotů pro oba kanály jsou na sobě nezávislé. Počet minislotů na dynamický segment je konstantou (0-7994) Dynamický slot se zkládá z – jednoho minislotu pokud stanice nemá žádná data k vyslání – více minislotů (podle délky rámce). Stanice může vysílat na kanál A a B v jiných časových okamžicích v rámci jednoho dynamického segmentu. Začátek vysílání konkrétní stanice od začátku dyn. segmentu není přesně znám – může dojít dokonce k přesunu do dalšího komunikačního cyklu (nedeterministické).

Str. 22



Statický segment x dynamický segment

Statický segment (deterministické)

Dynamický segment (nedeterministické)

Kanál A

A

B

C

A

Prázdný slot

D

E

Kanál B

A

Prázdný slot

C

A

Prázdný slot

D

F

X38SSL

Str. 23

C

D

A

E

D



FlexRay rámec Hlavičkový segment

Datový segment

I I I I I 12345

ID rámce

Délka dat

Hlavičkové CRC

5 bitů

11 bitů

7 bitů

11 bitů

Číslo Data 0 Data 1 cyklu

6 bitů

Data n

0 .. 254 bytů

CRC segment

CRC

CRC

CRC

24 bitů

I1 - Reservovaný bit I2 - Indikátor preambule datového segmentu I3 - Indikátor nulového rámce I4 - Indikátor synchronizačního rámce I5 - Indikátor startovního rámce

X38SSL

Str. 24



Převzorkování vstupního datového toku a výběr z většiny sběrnice

Posuvný Registr

Výběr z většiny

data k linkové vrstvě

Dekódování

(5 bitů)

CLK

log. 1

log. 0

glitch 0 0 0 0 0

1 0 0 0 0

1 1 0 0 0

zpoždění X38SSL

1 1 1 0 0

1 1 1 1 0

0 1 1 1 1

glitch 1 0 1 1 1

1 1 0 1 1

1 1 1 0 1

0 1 1 1 0

0 0 1 1 1

0 0 0 1 1

0 0 0 0 1

1 1 0 0 0

0 1 1 0 0

0 0 1 1 0

0 0 0 1 1

1 0 0 0 1

1 1 0 0 0

1 1 1 0 0

zpoždění Str. 25



Kódování a dekódování

•

Kódování – finální operace linkové vrstvy před vysláním bitového toku fyzické vrstvě (vkládání bitových sekvencí mezi jednotlivé bajty)

•

Dekódování – první operace linkové vrstvy pro přijatý datový tok od fyzické vrstvy, odebrání přidaných bitových sekvencí

X38SSL

Str. 26



Vkládání bitových sekvencí (statický segment) Statický slot n Klidový stav

Statický slot n+1

Statický rámec

CID

Klidový stav

Statický rámec

Action Point Offset

F S S

TSS (3 – 15 bitů)

• •

• • X38SSL

Byte 0

BSS

Byte 1

BSS

Poslední byte

BSS

FES

CID (11 bitů)

TSS (Transmission Start Sequence) 5-15 bitů 0 slouží k správnému nastavení spojení vstup-výstup aktivní hvězdy FSS (Frame Start Sequence) 1 bit v log.1 kompenzace možné kavantizační chyby prvního BSS po TSS BSS (Byte Start Sequence) – dvoubitová posloupnost 10 vložena před každý byte, synchronizace bitového kmitočtu přijímače. FES (Frame end sequence) – sekvence 01 označuje konec posledního byte Str. 27



Vkládání bitových sekvencí (dynamický segment) Dynamický slot n Klidový stav

dynamický slot n+1

Dynamický rámec

CID

Klidový stav

Dynamický rámec

Action Point Offset

F S S

TSS (3 – 15 bitů)

•

Byte 0

BSS

Byte 1

BSS

Poslední byte

BSS

FES

CID

DTS

(11 bitů)

DTS (Dynamic Trailing Sequence) proměnná délka (log. 0) – doplnění zbytku v posledním minislotu

X38SSL

Str. 28



Linková vrstva – synchronizační mechanismus Výrobní tolerance Stárnutí krystalu Kolísání teploty

FR stanice

FR stanice

FR stanice

Slot 2

Řadicí páka

FlexRay bus Volant Slot 1

X38SSL

Pedály

Str. 29

Slot 3 Porušení hranic slotů !! Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha


Problém synchronizace časových základen stanic

1.stanice (sync)

4.stanice

•

•

2.stanice (sync)

5.stanice

3.stanice (sync)

6.stanice

7.stanice

Synchronizační stanice mají přiřazeny svoje komunikační sloty + jeden synchronizační slot pro vysílání synchronizačního rámce Synchronizační rámec: – Sync frame indicator nastaven v log. 1 – Null frame indicator nastaven v log.0 – nepoužitelná data v payload segmentu rámce, log.1 – data jsou použitelná

X38SSL

Str. 30



Problém synchronizace časových základen stanic - pravidla • • • • •

Vysílání synch. rámců pouze ve statickém segmentu komunikačního cyklu Každá synch. stanice je povinna vyslat ve svém synch. slotu synchronizační rámec v každém komunikačním cyklu Synch. stanice musí synch. rámec poslat na na oba kanály (A,B) Počet synch. stanic = 2 (bod – bod) až 15 Nesynchronizační stanice nesmí vyslat rámec s nastaveným indikátorem

sync frame

X38SSL

Str. 31



Linková vrstva – synchronizační mechanismus

• Korekce ofsetu (OC) • Korekce rychlosti (RC) čas Cyklus 2n Měření Korekce rychlosti (RC)

X38SSL

Cyklus 2n + 1

Cyklus 2n + 2

Měření Korekce ofsetu (OC)

Str. 32



Problém synchronizace časových základen stanic

Synchronizace rychlosti

A

ice B Stan Stanice C

Globální čas [s]

X38SSL

Stanice A Stanice B Stanice C

Globální čas [s]

Str. 33

Synchronizace rychlosti a ofsetu

Lokální čas [MT]

nice a t S

Lokální čas [MT]

Lokální čas [MT]

Bez synchronizace

C

B

A

Globální čas [s]



Synchronizace časové základny – měření odchylek a výpočet korekce

Cyklus 2n

Stat. seg.

Dyn. seg.

Sym. okno

Měř.

Cyklus 2n + 1

Klid. stav

Stat. seg.

Měř.

Dyn. seg.

Sym. okno

Cyklus 2n + 2

Klid. stav

Korekce ofsetu

Stat. seg.

Dyn. Sym. seg. okno

Klid. stav

Měř.

Korekce rychlosti

Cyklus 2n + 3

Stat. seg.

Dyn. Sym. seg. okno

Měř.

Korekce ofsetu

Klid. stav

Korekce rychlosti Výpočet korekce rychlosti dle rozdílu změřených odchylek mezi sudým a lichým cyklem.

Výpočet korekce ofsetu dle změřené odchylky v lichém cyklu.

Měření odchylky předpokládaného času příchodu synchronizačního rámce od skutečného času příchodu. X38SSL

Str. 34



Vzbuzení sítě (Wakeup) •

•

Budič sběrnice je schopen po příjmu speciálního symbolu WUS probudit z režimu spánku zbytek stanice Alespoň jednu stanici musí být možno vzbudit externí událostí Externí wakeup událost

zbytek stanice

zbytek stanice

zbytek stanice

budič sběrnice

budič sběrnice

budič sběrnice

Wakeup symboly

X38SSL

Str. 35



Start sítě (Startup)

• • • •

V síti musí existovat dvě stanice se statusem STARTUJÍCÍ (coldstart node) Po procesu arbitráže se jedna z nich stává vůdčí stanicí (leading node) a započne komunikaci Startující stanice mezi sebou navážou spojení Ostatní stanice (non-coldstart node) se integrují k již běžícím stanicím

X38SSL

Str. 36



Start sítě (Startup) Definice časového rozvrhu

1. stanice

2. stanice

status: startující

status: startující

Komunikační síť FlexRay (přístupová metoda TDMA)

X38SSL

3. stanice

4. stanice

5. stanice

status: nestartující



Str. 37


Standard FlexRay 2.1 nedetekovány st. rámce od podřízených st. Stanic (nejsou připravené)

rozdílné časování podřízené st. stanice nebo mnohonásobný přechod detekována kolize Stanice A status startující

STAV ČASOVÉ SCHÉMA

čekání na st.rámce od ostatních startovních stanic

hledání kolizí v kanále zachycení komunikace mimo A

odposlech komunikace

připraven

nedefinováno

Cyklus 0

Cyklus 1

Cyklus 2

Cyklus 3

Cyklus 4

Cyklus 5

normální aktivní stav Cyklus 6

Cyklus 7

Cyklus 8

- komunikace nedetekována - st. A se stává startujícím leaderem - st. A vyšle symbol CAS

- přijetí CAS symbolu od leadera - B se stává podřízenou startující stanicí

platný st. rámec nepřijat (rozdílné časování)

Stanice B status startující

STAV

inicializ. časového schematu


připraven

st. B přijala 1. platný startovní rámec od leadera (stanice A)

čekání na 2. st. rámec od leadera (odhalení časového schématu leadera)

synchronizace s leaderem (přijetí dvou rámců leadera) synchronizace s leaderem se nezdařila

připojení (počátek vysílání st. B)

normální aktivní stav

st. rámce od leadera ustaly

st. B přijala 2. platný startovní rámec od leadera (stanice A) platný st. rámec nepřijat (rozdílné časování)

Stanice C status normální

STAV

připraven


čekání na 2. st. rámec od leadera (odhalení časového schématu leadera)

inicializ. časového schematu

čekání na st. rámce od startovních stanic synchronizace dle přijatých startovních rámců

normální aktivní stav

nepřijat st. rámec od podřízené st. stanice (B) kanál

A

Symbol CAS (Collision Avoidance Symbol)

X38SSL

A

A

Startovní rámec od leadera (stanice A)

Str. 38

A

A B

A B

Startovní rámec od podřízené startující stanice (stanice B)

A B

A B

A B C

Normální rámec od nestartující stanice C



Spolehlivost standardu FlexRay - shrnutí  Deterministický přístup na sběrnici ve statickém segmentu  Redundantní komunikační kanál  Na úrovni budiče sběrnice (fyzická vrstva) -

je možná hardwarová detekce zkratu a přerušení sběrnice Člen bus guardian zakazující přístupu stanice na sběrnici mimo její vyhrazený slot

 Na úrovni komunikačního řadiče (linková vrstva) -

Dvojnásobné zabezpečení cyklickým redundantním kódem – hlavička rámce a celý rámec Převzorkování vstupního signálu (eliminace rušivých zákmitů)

 Na úrovni aplikačního host procesoru (aplikační vrstva) -

X38SSL

Aplikační vrstva přijímá oznámení chybách od fyzické a linkové vrstvy a rozhoduje o dalším postupu – snaha o zotavení z chyby příp. redukce funkce zařízení (Error management service)

Str. 39



SERVO motor

Node no.1

Node no.2

Node no.3

Bar graph

LEDs

Bar graph

Display

Bar graph

Naše reálná FlexRay síť

Display

Node no.4

Node no.5

Channel A,B

FlexRay analyzer

RS232

PC visualization

Active star

Node no.6

Node no.7

Node no.8

Node no.9

Node no.10

Gear lever

Steeringwheel

Switches

Pedals

Temperature sensor

External generators of time bases

X38SSL

Str. 40



Naše reálná FlexRay síť

X38SSL

Str. 41



Průzkum trhu •

PHILIPS – Budič sběrnice TJA1080 včetně hlídacího členu (dostupnost od listopadu 2005) – 32-bit procesor ARM9 SJA2510 s integrovaným řadičem standardu FlexRay verze 2.1 (dostupnost ??)

•

FREESCALE – MFR4200 integrovaný řadič standardu FlexRay verze 1.1 (plně dostupný včetně dokumentace) – MFR4300 integrovaný řadič standardu FlexRay verze 2.1 (plně dostupný včetně dokumentace) – Rodina 16-bit procesorů MC9S12XF s integrovaným řadičem standardu FlexRay verze 2.1 (dostupnost 1.čtvrtletí r. 2007)

•

BOSCH – IP funkce (E-Ray) řadiče standardu FlexRay verze 2.1

X38SSL

Str. 42



Děkuji za pozornost

X38SSL

Str. 43


Komunikační standard FlexRay

Recommend Documents