如何解決FlexRay時鐘同步的同向漂移

隨著安全性要求的提高， CAN總線的帶寬就嫌不足，消息送達的確定性不夠。為此，一些汽車大廠和汽車電子的大廠成立了研發(fā)新型通信協(xié)議的聯(lián)盟[1]，目標是開發(fā)出稱為FlexRay的協(xié)議，使它成為下一代車用通信協(xié)議的事實上的標準。2005年聯(lián)盟推出了2.1版的規(guī)范，2009年完成3.0版規(guī)范，然后就結束了。現(xiàn)在公眾還無法見到3.0版規(guī)范，但是據(jù)介紹，關鍵部分并無大的變化。

　　BMW車上在2006年已開始應用FlexRay，各大電子器件生產(chǎn)廠開始了批量生產(chǎn)FlexRay控制器?，F(xiàn)在業(yè)界正處于爭取FlexRay技術早日成熟的階段，在系統(tǒng)設計、測試、標定等方面開始了大量投入。因此，任何涉及FlexRay協(xié)議的基礎性問題的研究就格外重要，一旦有新的未發(fā)現(xiàn)的隱患披露，無疑會引起大的波動。

　　FlexRay是基于時間觸發(fā)的協(xié)議，節(jié)點間的時間同步是它的關鍵，參考文獻[5]是2.1版規(guī)范直接引用的主要原始資料的2009年修訂版，其主要內(nèi)容是有相位與頻率校正時誤差的靜態(tài)傳遞分析，求出可以達到的最壞或最好狀態(tài)下的簇內(nèi)時鐘差的精度。參考文獻[5]指出了5種計算時的誤差來源：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。由于時鐘校正實際上是一個反饋控制問題，但以前的研究沒有采用反饋控制的分析方法，沒有考慮同步幀發(fā)送節(jié)點間的交互影響，以及傳遞延遲誤差作為系統(tǒng)性誤差的長期存在，得到的結論并不全面，這是本文要重點討論的問題：由于系統(tǒng)性誤差的持續(xù)存在，節(jié)點的相位差會單向漂移，與hoST的時鐘越離越遠，造成新的失誤。參考文獻[6]用軟件仿真FlexRay時鐘頻率跳變或緩變時校正算法的有效性，它證實算法是收斂的，簇內(nèi)時鐘差校正后的精度與頻率漂移率無關，跳變時有一個過渡過程，瞬態(tài)差可能超過精度范圍。參考文獻[7]分析了有拜占庭錯時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程中也得到了校正后cycle開始時間真值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鐘與真實時鐘差時，存在±ε的漂移，其中ε是傳送延遲。這也證實了本文分析的問題早已存在，而FlexRay未對該問題的后果有所警覺。

　　1 FlexRay時鐘的概念

　　FlexRay的時間單位是從大到小分級的：通信Cycle、通信宏拍（Macrotick，MT）和微拍（Microtick）。每一個節(jié)點中的振蕩器，經(jīng)過分頻之后，產(chǎn)生一個本地的微拍時鐘單位，它與位采樣數(shù)及位采樣時鐘周期有關，所以節(jié)點中最小的時間單位是位采樣時鐘周期。各個節(jié)點可以有不同的微拍，簇內(nèi)共同的時間單位是MT，每個節(jié)點組態(tài)時定義正常時每MT內(nèi)本地微拍的個數(shù)。本地MT的生成有專門的邏輯，在每一本地微拍時執(zhí)行一次，以實現(xiàn)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cycle中。

　　2 FlexRay收發(fā)的同步

　　在收發(fā)過程中還有字節(jié)的位同步和幀開始同步來解決可能的抖動與延遲，它們極大地緩解了時鐘同步的精度要求。

　　在以字節(jié)為單位的幀數(shù)據(jù)傳送時，每個字節(jié)的開頭有由“10”構成的字節(jié)開始序列（BSS），這個1/0跳變沿是位時間同步用的：發(fā)現(xiàn)跳變沿后位采樣計數(shù)器就設為2，當位采樣計數(shù)器=5時，zVotedVal的值就作為當時的位值。位采樣計數(shù)器為9后溢出復位為1。顯然，若因收發(fā)有時鐘差，而要在下一個BSS的1處采錯，需要差4個位采樣時鐘周期時才會發(fā)生。也就是說，時鐘差5%才會發(fā)生。

　　FlexRay的同步幀是在靜態(tài)段中傳送的，一個時隙（slot）內(nèi)實際上有很多空閑時間。首先，每個幀是在稱為actiON point offset處（gdActionPointOffset）開始發(fā)送，這是一個全局參數(shù)。幀開始是“0”表示的傳送開始序列TSS，經(jīng)過1位“1”的幀開始序列FSS，再是第一個字節(jié)開始序列BSS，它由“10”二位組成。接收節(jié)點要正確檢測到第一個字節(jié)開始序列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總線處于高阻狀態(tài)。在幀傳送結束后發(fā)送節(jié)點要有長度為11位的通道空閑分界符（cChannelIdleDelimiter，實際上總線高阻時，經(jīng)50～250 ns接收節(jié)點會發(fā)現(xiàn)總線空閑，然后輸出RxD=“1”。然后總線一直在空閑狀態(tài)。由于FlexRay的物理連接有可能通過有源星型耦合器，在總線空閑到總線上傳送0有一個啟動過程，再加總線上位置不同的傳送延遲差別、收發(fā)器的延遲，發(fā)送節(jié)點的TSS長度會與接收節(jié)點的長度不同，接收節(jié)點看到的TSS會比發(fā)送節(jié)點的TSS短，稱為TSS截短。只要接收節(jié)點看到的TSS在1～（gdTSSTransmitter + 1）之間，TSS就是有效的。所以gdActionPointOffset之前，總線也是空閑的。因此，若節(jié)點時鐘差不使總線上的傳送提前使gdActionPointOffset前的空閑消失，或落后使cChannelIdleDelimiter后的空閑消失，就不會產(chǎn)生2個發(fā)送幀的重疊而影響正常收發(fā)。

圖1 求取相位差的時間關系