如何解決FlexRay時(shí)鐘同步的同向漂移

隨著(zhù)安全性要求的提高， CAN總線(xiàn)的帶寬就嫌不足，消息送達的確定性不夠。為此，一些汽車(chē)大廠(chǎng)和汽車(chē)電子的大廠(chǎng)成立了研發(fā)新型通信協(xié)議的聯(lián)盟[1]，目標是開(kāi)發(fā)出稱(chēng)為FlexRay的協(xié)議，使它成為下一代車(chē)用通信協(xié)議的事實(shí)上的標準。2005年聯(lián)盟推出了2.1版的規范，2009年完成3.0版規范，然后就結束了?，F在公眾還無(wú)法見(jiàn)到3.0版規范，但是據介紹，關(guān)鍵部分并無(wú)大的變化。

　　BMW車(chē)上在2006年已開(kāi)始應用FlexRay，各大電子器件生產(chǎn)廠(chǎng)開(kāi)始了批量生產(chǎn)FlexRay控制器?，F在業(yè)界正處于爭取FlexRay技術(shù)早日成熟的階段，在系統設計、測試、標定等方面開(kāi)始了大量投入。因此，任何涉及FlexRay協(xié)議的基礎性問(wèn)題的研究就格外重要，一旦有新的未發(fā)現的隱患披露，無(wú)疑會(huì )引起大的波動(dòng)。

　　FlexRay是基于時(shí)間觸發(fā)的協(xié)議，節點(diǎn)間的時(shí)間同步是它的關(guān)鍵，參考文獻[5]是2.1版規范直接引用的主要原始資料的2009年修訂版，其主要內容是有相位與頻率校正時(shí)誤差的靜態(tài)傳遞分析，求出可以達到的最壞或最好狀態(tài)下的簇內時(shí)鐘差的精度。參考文獻[5]指出了5種計算時(shí)的誤差來(lái)源：采樣的量化誤差、微拍非均勻分布誤差、傳遞延遲誤差、整除誤差和簇漂阻尼誤差。由于時(shí)鐘校正實(shí)際上是一個(gè)反饋控制問(wèn)題，但以前的研究沒(méi)有采用反饋控制的分析方法，沒(méi)有考慮同步幀發(fā)送節點(diǎn)間的交互影響，以及傳遞延遲誤差作為系統性誤差的長(cháng)期存在，得到的結論并不全面，這是本文要重點(diǎn)討論的問(wèn)題：由于系統性誤差的持續存在，節點(diǎn)的相位差會(huì )單向漂移，與hoST的時(shí)鐘越離越遠，造成新的失誤。參考文獻[6]用軟件仿真FlexRay時(shí)鐘頻率跳變或緩變時(shí)校正算法的有效性，它證實(shí)算法是收斂的，簇內時(shí)鐘差校正后的精度與頻率漂移率無(wú)關(guān)，跳變時(shí)有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，瞬態(tài)差可能超過(guò)精度范圍。參考文獻[7]分析了有拜占庭錯時(shí)FlexRay容錯中值相位校正算法的收斂性，非常有趣的是在推導過(guò)程中也得到了校正后cycle開(kāi)始時(shí)間真值Us隨延遲補償不足而推遲的公式，它表明每校正一次存在的差，但是這種漂移并未受到FlexRay重視。參考文獻[8]是對容錯中值算法正確性的形式化證明，該算法就是FlexRay采用的算法，在分析每輪修正后的虛擬時(shí)鐘與真實(shí)時(shí)鐘差時(shí)，存在±ε的漂移，其中ε是傳送延遲。這也證實(shí)了本文分析的問(wèn)題早已存在，而FlexRay未對該問(wèn)題的后果有所警覺(jué)。

　　1 FlexRay時(shí)鐘的概念

　　FlexRay的時(shí)間單位是從大到小分級的：通信Cycle、通信宏拍（Macrotick，MT）和微拍（Microtick）。每一個(gè)節點(diǎn)中的振蕩器，經(jīng)過(guò)分頻之后，產(chǎn)生一個(gè)本地的微拍時(shí)鐘單位，它與位采樣數及位采樣時(shí)鐘周期有關(guān)，所以節點(diǎn)中最小的時(shí)間單位是位采樣時(shí)鐘周期。各個(gè)節點(diǎn)可以有不同的微拍，簇內共同的時(shí)間單位是MT，每個(gè)節點(diǎn)組態(tài)時(shí)定義正常時(shí)每MT內本地微拍的個(gè)數。本地MT的生成有專(zhuān)門(mén)的邏輯，在每一本地微拍時(shí)執行一次，以實(shí)現本地MT的修正，以保證MT盡量全局一致，并且可以保證頻率的校正均勻分布在整個(gè)cycle中。

　　2 FlexRay收發(fā)的同步

　　在收發(fā)過(guò)程中還有字節的位同步和幀開(kāi)始同步來(lái)解決可能的抖動(dòng)與延遲，它們極大地緩解了時(shí)鐘同步的精度要求。

　　在以字節為單位的幀數據傳送時(shí)，每個(gè)字節的開(kāi)頭有由“10”構成的字節開(kāi)始序列（BSS），這個(gè)1/0跳變沿是位時(shí)間同步用的：發(fā)現跳變沿后位采樣計數器就設為2，當位采樣計數器=5時(shí)，zVotedVal的值就作為當時(shí)的位值。位采樣計數器為9后溢出復位為1。顯然，若因收發(fā)有時(shí)鐘差，而要在下一個(gè)BSS的1處采錯，需要差4個(gè)位采樣時(shí)鐘周期時(shí)才會(huì )發(fā)生。也就是說(shuō)，時(shí)鐘差5%才會(huì )發(fā)生。

　　FlexRay的同步幀是在靜態(tài)段中傳送的，一個(gè)時(shí)隙（slot）內實(shí)際上有很多空閑時(shí)間。首先，每個(gè)幀是在稱(chēng)為actiON point offset處（gdActionPointOffset）開(kāi)始發(fā)送，這是一個(gè)全局參數。幀開(kāi)始是“0”表示的傳送開(kāi)始序列TSS，經(jīng)過(guò)1位“1”的幀開(kāi)始序列FSS，再是第一個(gè)字節開(kāi)始序列BSS，它由“10”二位組成。接收節點(diǎn)要正確檢測到第一個(gè)字節開(kāi)始序列BSS的1/0跳變沿才作幀接收的同步。幀的最后是“01”構成的幀結束序列FES，然后發(fā)送器被禁止了。發(fā)送器禁止后30 ns總線(xiàn)處于高阻狀態(tài)。在幀傳送結束后發(fā)送節點(diǎn)要有長(cháng)度為11位的通道空閑分界符（cChannelIdleDelimiter，實(shí)際上總線(xiàn)高阻時(shí)，經(jīng)50～250 ns接收節點(diǎn)會(huì )發(fā)現總線(xiàn)空閑，然后輸出RxD=“1”。然后總線(xiàn)一直在空閑狀態(tài)。由于FlexRay的物理連接有可能通過(guò)有源星型耦合器，在總線(xiàn)空閑到總線(xiàn)上傳送0有一個(gè)啟動(dòng)過(guò)程，再加總線(xiàn)上位置不同的傳送延遲差別、收發(fā)器的延遲，發(fā)送節點(diǎn)的TSS長(cháng)度會(huì )與接收節點(diǎn)的長(cháng)度不同，接收節點(diǎn)看到的TSS會(huì )比發(fā)送節點(diǎn)的TSS短，稱(chēng)為T(mén)SS截短。只要接收節點(diǎn)看到的TSS在1～（gdTSSTransmitter + 1）之間，TSS就是有效的。所以gdActionPointOffset之前，總線(xiàn)也是空閑的。因此，若節點(diǎn)時(shí)鐘差不使總線(xiàn)上的傳送提前使gdActionPointOffset前的空閑消失，或落后使cChannelIdleDelimiter后的空閑消失，就不會(huì )產(chǎn)生2個(gè)發(fā)送幀的重疊而影響正常收發(fā)。

圖1 求取相位差的時(shí)間關(guān)系