FlexRay测试开发实践之诊断刷写

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前言

FlexRay总线目前主要应用在高端品牌车型（如宝马、奔驰、奥迪、沃尔沃、捷豹路虎、凯迪拉克等），在以太网技术没有成熟之前，也有部分OEM将其作为主干网应用。

相对于传统的CAN测试，FlexRay测试有哪些特点呢？本期我们将主要介绍FlexRay相关协议，并分享FlexRay诊断刷写测试实践经验。

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FlexRay简介

FlexRay的出现始于二十世纪九十年代末，BMW和Daimler Chrysler开始着手进行FlexRay的研究，其初始目标是为了实现线控等应用。2000年成立了FlexRay联盟，2005年发布FlexRay V2.1规范。2006年，FlexRay首次应用于量产车——用在BMW X5的悬架系统中。

FlexRay总线具有以下技术特点：

• 时间确定性

FlexRay静态段采用基于时间触发的媒体访问策略，保证了消息传输的时间确定性。

• 容错性

FlexRay支持单通道和双通道的容错通信，使得当一个通道出现故障无法进行通信时，另一个通道上的数据可以保证系统的正常运行。

• 灵活性

FlexRay通信周期分为静态段和动态段，将基于时间触发和基于事件触发两种媒体访问方式相结合。

• 高带宽（相对于CAN/CAN FD）

FlexRay支持两个通道同时进行数据传输，每个通道的带宽最高可达10Mbit/s。

另外，大家可以留意下近期新的以太网通信技术10Base-T1，其相关的通信技术与FlexRay有异曲同工之处。

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FlexRay通信协议

FlexRay拓扑结构

FlexRay有两个通道，即通道A和通道B，支持多种网络拓扑结构，可配置成：

• 单通道或双通道总线网络

• 单通道或双通道星型网络

• 总线型和星型的混合型网络

图1 双通道总线型拓扑结构

FlexRay帧格式

FlexRay数据帧由帧头、有效负载数据段和帧尾三部分构成。

图2 FlexRay帧格式

FlexRay媒体访问控制（MAC）

FlexRay媒体访问控制（MAC）是基于循环的通信周期来实现的，在一个通信周期中，FlexRay协议提供两种MAC：

• 静态段基于时分多址TDMA（time division multiple access）的访问机制

• 动态段基于最小时隙的访问机制，也称灵活的时分多址FTDMA（flexible time division multiple access）

通信周期是 FlexRay 媒体访问控制的基本要素，协议是通过时间分层的方法来定义通信周期的。

图3 通信周期的时间分层

1.通信周期层

一个通信周期包括静态段、动态段、符号窗口和网络空闲时间四个部分。

• 静态段采用TDMA机制进行数据传输

• 动态段采用FTDMA机制进行数据传输

• 符号窗口主要用来发送特征符号

• 网络空闲时间在一个通信周期的末尾，主要用来进行时钟同步

2.仲裁网格层

在仲裁网格层中，静态段是由若干个等长的静态时隙（static slot）组成的，动态段是由若干个等长的最小时隙（minislot）组成的。

3.最大时间节拍层

不同数目的最大时间节拍（macrotick）分别构成了静态时隙、最小时隙、符号窗口及网络空闲时间部分，所以整个通信周期是由若干最大时间节拍组成的。

4.最小时间节拍层

一个最大时间节拍是由若干个最小时间节拍（microtick）组成的。

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FlexRay传输层协议

ISO 10681-2规定了FlexRay网络层和传输层协议（本文不做区分，统称传输层协议），相对于CAN传输层协议，FlexRay传输层协议具有如下不同点：

协议功能

• 支持无ACK应答和有ACK应答（带消息重传机制）的数据传输
  
• 支持已知消息长度和未知消息长度的数据传输

图4-1 无ACK应答报文传输

图4-2 有ACK应答报文传输

传输层C_PDU类型与PCI字节

图5 C_PDU类型与PCI字节

• 起始帧

分为无ACK的STFU和有ACK的STFA两种，通过PCI第一个字节的低4位来区分两者，FPL表示该帧传输的有效净荷长度，ML表示数据传输的总长度。

• 连续帧

一般情况下使用CF1，如果有消息重传时，需要CF1和CF2之间进行切换。当发送buffer和接收buffer受限时，每个block的传输会以CF_EOB（End Of Block）结束，用于请求接收端给出下一个流控应答。

图6 Num Bytes of Block与BufferSize（BfS）

• 流控帧

PCI第一个字节的低四位用于区分流控状态：

•     3表示CTS（ContinueToSend）

•     4表示ACK_RET（Acknowledge/Retry）

•     5表示WT（Wait）

•     6表示ABT（Abort）

•     7表示OVFLW（Overflow）

• 尾帧

与CAN 传输层协议不同，FlexRay在分段传输时必须以LF结束。

接收节点的接收性能参数

• CAN： 传输层协议通过BlockSize （BS）和SeparationTime （STmin）来体现，FlexRay是通过BufferSize （BfS）和Bandwidth Control （BC）来体现的
  
• BfS：表示接收节点当前可接收的最大buffer
• BC：包含两个参数，separation cycle exponent （SCexp）和maximum number of PDUs per cycle （MNPC）

传输层C_PDU与链路层L_PDU的映射

图7 C_PDU格式

图8 L_PDU格式

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FlexRay诊断刷写测试实践

FlexRay诊断相关的测试相对CAN/CAN FD而言，其测试规范的制定及测试脚本的开发相对更为复杂，如下为北汇信息基于Vector公司的CANoe及部分自定义函数在项目中实现了FlexRay诊断刷写测试的示例。

FlexRay诊断报文示例

图9 FlexRay诊断报文示例

FlexRay诊断测试开发

采用CANoe的CAPL脚本及部分自定义函数实现了诊断通信、诊断服务和诊断刷写的自动化测试。

图10 FlexRay诊断通信部分测试项示例

图11 FlexRay诊断服务部分测试项示例

图12 FlexRay诊断刷写部分测试项示例

图13 FlexRay诊断测试报告示例

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总结

北汇信息多年来一直专注于汽车电子测试，在网络测试、诊断测试以及功能测试等领域积累了丰富的实践经验。目前，我们已实现了CAN、CAN FD、LIN、FlexRay和Ethernet的诊断及刷写测试，欢迎感兴趣的客户朋友与我们探讨交流~

部分图片来源于Vector

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参考文献

[1] ISO 10681-2

[2] FlexRay Communications System Protocol Specification v3.0.1

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