OSEK網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)范在FlexRay總線中的研究與實(shí)現(xiàn)

谷建偉 ，蔡云輝

（1.安全關(guān)鍵工業(yè)測(cè)控技術(shù)教育部工程研究中心，合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥230009）

FlexRay是繼CAN和LIN之后的最新研發(fā)的汽車總線，將會(huì)在未來數(shù)年內(nèi)，引領(lǐng)整個(gè)汽車電子產(chǎn)品控制結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向［1］。目前，F(xiàn)lexRay聯(lián)盟推進(jìn)了FlexRay的標(biāo)準(zhǔn)化，使之成為了新一代汽車內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，F(xiàn)lexRay總線具有傳輸速率高、硬實(shí)時(shí)、安全性和靈活性等特點(diǎn)。但FlexRay協(xié)議只規(guī)定了物理層協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，沒有制定網(wǎng)絡(luò)管理方面的標(biāo)準(zhǔn)。隨著FlexRay總線在汽車電控領(lǐng)域中越來越廣泛的應(yīng)用，對(duì)適用于FlexRay總線的網(wǎng)絡(luò)管理策略的研究也變得愈加重要。

對(duì)于車載網(wǎng)絡(luò)管理而言，OSEK/VDX NM是通用的、公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，因此各廠家在制定網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)范時(shí)，應(yīng)盡量遵循這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)［2］。目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究單位已經(jīng)對(duì)OSEK/VDX NM規(guī)范的研究作了大量的工作。在國(guó)外，法國(guó)的電子工程學(xué)院、CEA、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)以及美國(guó)著名的嵌入式系統(tǒng)廠商WindRiver公司、Metroworks公司等都對(duì)OSEK標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了深入的研究［3-5］。在國(guó)內(nèi)，清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和同濟(jì)大學(xué)等高校均開展了對(duì)OSEK規(guī)范的學(xué)習(xí)與研究［6-9］。分析當(dāng)前各大研究機(jī)構(gòu)的研究成果可以知道，對(duì)OSEK網(wǎng)絡(luò)管理的研究主要是針對(duì)CAN網(wǎng)絡(luò)的，對(duì)于Flexray總線的網(wǎng)絡(luò)管理的研究幾乎處于初級(jí)階段，只有個(gè)別研究單位進(jìn)行了零星的研究，如在文獻(xiàn)［10］中提出了基于OSEK的FlexRay總線網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議單元的定義，文獻(xiàn)［11］介紹了AutoSAR規(guī)范中FlexRay總線網(wǎng)絡(luò)管理的方法。本文分析了FlexRay總線協(xié)議和OSEK/VDX網(wǎng)絡(luò)管理的特點(diǎn)，提出了在FlexRay通信周期動(dòng)態(tài)段中實(shí)現(xiàn)OSEK網(wǎng)絡(luò)管理的方案，并在自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本方案的可行性。

1 FlexRay協(xié)議及OSEK直接網(wǎng)絡(luò)管理

1.1 FlexRay通信協(xié)議

FlexRay總線是一種高速串行通信網(wǎng)絡(luò)，具有高帶寬、支持雙通道、可靈活配置多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)等特點(diǎn)。FlexRay的一個(gè)通信周期分為靜態(tài)段、動(dòng)態(tài)段、標(biāo)識(shí)窗和網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間，其中，靜態(tài)段和動(dòng)態(tài)段用來傳輸總線數(shù)據(jù)，即FlexRay報(bào)文。FlexRay的靜態(tài)段采用的TDMA方式，靜態(tài)段被劃分為若干個(gè)時(shí)間寬度相等的靜態(tài)時(shí)隙（Static Slot），每個(gè)時(shí)隙被分配給某個(gè)特定節(jié)點(diǎn)，在該時(shí)隙內(nèi)，此節(jié)點(diǎn)唯一占有總線控制權(quán)，向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，即使該節(jié)點(diǎn)此時(shí)沒有數(shù)據(jù)需要向總線上發(fā)送，它所占用的時(shí)隙也不會(huì)被其它節(jié)點(diǎn)所占用。靜態(tài)時(shí)隙的時(shí)間寬度以及節(jié)點(diǎn)訪問總線的順序在系統(tǒng)配置時(shí)被確定，系統(tǒng)運(yùn)行中是固定的。與靜態(tài)段不同，動(dòng)態(tài)段采用的是可伸縮時(shí)分多路（FTDMA）方式，節(jié)點(diǎn)訪問總線的順序是按優(yōu)先級(jí)確定的，但時(shí)隙長(zhǎng)度是動(dòng)態(tài)調(diào)整的，當(dāng)節(jié)點(diǎn)沒有數(shù)據(jù)需要向總線發(fā)送時(shí)，經(jīng)過一個(gè)微時(shí)隙（Minislot）后，總線控制權(quán)立即交給下級(jí)節(jié)點(diǎn)。FlexRay總線的靜態(tài)段是時(shí)間觸發(fā)方式，動(dòng)態(tài)段本質(zhì)上是事件觸發(fā)方式。時(shí)間觸發(fā)方式具有確定性，但實(shí)時(shí)性較差，而事件觸發(fā)方式的實(shí)時(shí)性較好，但確定性差。

1.2 OSEK直接網(wǎng)絡(luò)管理

OSEK網(wǎng)絡(luò)管理可以監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，并使網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能夠協(xié)商進(jìn)入睡眠狀態(tài)。OSEK網(wǎng)絡(luò)管理提供兩種可供選擇的實(shí)現(xiàn)機(jī)制：直接網(wǎng)絡(luò)管理和間接網(wǎng)絡(luò)管理。直接網(wǎng)絡(luò)管理是使用邏輯環(huán)并通過主動(dòng)廣播專門的網(wǎng)絡(luò)管理消息來實(shí)現(xiàn)的。在直接網(wǎng)絡(luò)管理中，節(jié)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)雜的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，并組成邏輯環(huán)；通過在邏輯環(huán)中發(fā)送網(wǎng)絡(luò)管理消息來主動(dòng)監(jiān)控和報(bào)告網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，使得每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能在一定的時(shí)間內(nèi)獲得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)消息。

對(duì)于直接網(wǎng)絡(luò)管理，首先是要建立邏輯環(huán)。邏輯環(huán)的通信獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有一個(gè)自己的邏輯后繼節(jié)點(diǎn)。當(dāng)邏輯環(huán)穩(wěn)定后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)依次用網(wǎng)絡(luò)管理信息報(bào)告自己的當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，并接收其他節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)管理信息，從而監(jiān)控它們的狀態(tài)。OSEK網(wǎng)絡(luò)管理把直接網(wǎng)絡(luò)管理信息定義為網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議數(shù)據(jù)單元 （Network Management Protocol Data Unit，NMPDU）。 NMPDU 的格式見表 1。

表1 NMPDU的格式

表1中，地址域包含源節(jié)點(diǎn)地址和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址?？刂朴虬㈩愋偷男畔?，即Ring消息（正常工作的邏輯環(huán)消息）、Alive消息 （Alive消息用于表明加入了新節(jié)點(diǎn)）和LimpHome消息（功能異常的節(jié)點(diǎn)將周期性地傳輸LimpHome消息）。數(shù)據(jù)域是可選的，可根據(jù)具體情況自行定義。

2 FlexRay總線網(wǎng)絡(luò)管理的研究

2.1 NMPDU到FlexRay動(dòng)態(tài)段數(shù)據(jù)幀的映射

通過研究OSEK網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)范和FlexRay通信周期中靜態(tài)段和動(dòng)態(tài)段的特點(diǎn)，可知OSEK網(wǎng)絡(luò)管理雖然沒有指定具體的總線類型，但是其特性決定了其只適合于事件觸發(fā)方式的總線協(xié)議，如CAN總線。FlexRay通信周期動(dòng)態(tài)段也是基于事件觸發(fā)方式，這與CAN總線類似。因此，可以將OSEK網(wǎng)絡(luò)管理消息放置在FlexRay通信周期動(dòng)態(tài)段中發(fā)送。

OSEK網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)范采用網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議數(shù)據(jù)單元（NMPDU）來表示一個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)管理信息。網(wǎng)絡(luò)管理消息要通過FlexRay總線進(jìn)行傳輸，需要將其映射成FlexRay總線的數(shù)據(jù)幀格式。在FlexRay通信周期動(dòng)態(tài)段數(shù)據(jù)幀中將有效數(shù)據(jù)部分的頭兩個(gè)字節(jié)設(shè)置成消息標(biāo)識(shí)（Message ID），作為NMPDU的源節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)符，用于表明接收的消息來自哪個(gè)節(jié)點(diǎn)；將有效數(shù)據(jù)的第3和第4個(gè)字節(jié)作為NMPDU的目的節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)符，用于確定本消息的接收節(jié)點(diǎn)；第5個(gè)字節(jié)作為NMPDU的操作碼，包含了直接網(wǎng)絡(luò)管理的三類消息，即Ring消息、Alive消息和LimpHome消息；第6到11個(gè)字節(jié)作為NMPDU的可選數(shù)據(jù)部分，映射格式如表2所示。

表2 NMPDU到FlexRay動(dòng)態(tài)段數(shù)據(jù)幀的映射

2.2 網(wǎng)絡(luò)管理消息在動(dòng)態(tài)段延遲時(shí)間分析

與CAN總線不同，由于FlexRay總線動(dòng)態(tài)段特殊的通信機(jī)理，動(dòng)態(tài)幀消息不能實(shí)時(shí)發(fā)送。因此，在動(dòng)態(tài)段中發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)管理消息會(huì)出現(xiàn)延遲的情況，從而造成網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)誤判當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和節(jié)點(diǎn)狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)管理消息在最壞情況下延遲時(shí) 間 Tdelay［12］為：

式中：Tt為發(fā)送網(wǎng)絡(luò)管理消息所需要的時(shí)間，可用式（2）表示：

式中:FrameSize為報(bào)文長(zhǎng)度；BusSleep為總線速率。

Te表示在給定時(shí)間內(nèi)，由于靜態(tài)段內(nèi)的消息和更高優(yōu)先級(jí)動(dòng)態(tài)段消息的發(fā)送所消耗的時(shí)間，可用式（3）表示：

式中：TCycle為一個(gè)通信周期的時(shí)間長(zhǎng)度；DelayCycles（t）為由于出現(xiàn)更高優(yōu)先級(jí)和由于網(wǎng)絡(luò)管理消息使用更低幀標(biāo)識(shí)而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)管理消息無法發(fā)送的周期數(shù)；Te′為某消息發(fā)送的周期內(nèi)，從該周期開始到該消息被發(fā)送之間的時(shí)間長(zhǎng)度。

Tc表示網(wǎng)絡(luò)管理消息在屬于它的微時(shí)隙之后產(chǎn)生，從而引起在這個(gè)周期內(nèi)的時(shí)間延遲，可以用式（4）來表示［13］：

式中：TST為靜態(tài)段傳輸時(shí)間；FrameID為幀ID的值；gdMinislot為微時(shí)隙的時(shí)間。

2.3 網(wǎng)絡(luò)管理過程分析

直接網(wǎng)絡(luò)管理是通過在邏輯環(huán)上網(wǎng)絡(luò)管理消息的傳遞來實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控，因此，邏輯環(huán)的可靠運(yùn)行是直接網(wǎng)絡(luò)管理的重要內(nèi)容。下面就通過分析邏輯環(huán)的建立、邏輯環(huán)的穩(wěn)定運(yùn)行、節(jié)點(diǎn)增加和節(jié)點(diǎn)離線及網(wǎng)絡(luò)故障處理來說明FlexRay的OSEK網(wǎng)絡(luò)管理的過程，并研究邏輯環(huán)運(yùn)行過程中網(wǎng)絡(luò)管理消息可能出現(xiàn)的最壞情況下的延遲時(shí)間Tdelay問題。

2.3.1邏輯環(huán)的建立

FlexRay網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)時(shí)，首先發(fā)送Alive消息成功的節(jié)點(diǎn)將成為邏輯環(huán)中的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)。如果多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送Alive消息時(shí)，在動(dòng)態(tài)段中每個(gè)時(shí)刻，都是通過節(jié)點(diǎn)消息的優(yōu)先級(jí)來競(jìng)爭(zhēng)總線的，即通過每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息的Frame ID值，并且只有當(dāng)消息的Frame ID值與動(dòng)態(tài)時(shí)慒相等時(shí)，才允許發(fā)送Alive消息，成為第一個(gè)發(fā)送的節(jié)點(diǎn)。收到第一個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送的Alive消息后，其他節(jié)點(diǎn)按相同的方式繼續(xù)競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送自己的Alive消息，最后按消息的Message ID的大小順序形成邏輯環(huán)。

2.3.2 邏輯環(huán)的穩(wěn)定運(yùn)行

Ring消息是網(wǎng)絡(luò)管理的主要消息，它采用令牌環(huán)機(jī)制在邏輯環(huán)中被依次傳遞，在邏輯環(huán)中，各節(jié)點(diǎn)按Message ID的大小依次連接，Message ID值小的節(jié)點(diǎn)是Message ID大的節(jié)點(diǎn)的邏輯前驅(qū)節(jié)點(diǎn)，最大Message ID的節(jié)點(diǎn)的邏輯后繼節(jié)點(diǎn)是最小Message ID的節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)FlexRay網(wǎng)絡(luò)中某節(jié)點(diǎn)接收到Ring消息后，此節(jié)點(diǎn)會(huì)判斷Ring消息的NMPDU中的目的節(jié)點(diǎn)地址，如果Ring消息的目的地址不是此節(jié)點(diǎn)，則取消TTyp定時(shí)器，啟動(dòng)TMax定時(shí)器（如果定時(shí)器TMax沒有運(yùn)行則啟動(dòng)，如果定時(shí)器TMax正在運(yùn)行則重啟）；如果Ring消息的目的地址是此節(jié)點(diǎn)，則取消TMax定時(shí)器，啟動(dòng)TTyp定時(shí)器（如果定時(shí)器TTyp沒有運(yùn)行則啟動(dòng)，如果定時(shí)器TTyp正在運(yùn)行則重啟），TTyp定時(shí)器到時(shí)后，發(fā)送Ring消息到自己的后繼節(jié)點(diǎn)，其實(shí)現(xiàn)過程如圖2所示。

在圖1中，節(jié)點(diǎn)在t2時(shí)刻向其后繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送Ring消息，由于存在最壞情況下的延遲時(shí)間Tdelay可能出現(xiàn)在TMax定時(shí)器到時(shí)（t3時(shí)刻）時(shí)，Ring消息還未發(fā)送出去，這就造成網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)誤認(rèn)為A節(jié)點(diǎn)已經(jīng)掉線，從而將節(jié)點(diǎn)A從邏輯環(huán)中排除掉，造成網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)無法正常工作。

所以，必須保證t2到t3時(shí)間段的長(zhǎng)度大于最壞情況下的延遲時(shí)間Tdelay，即：

2.3.3節(jié)點(diǎn)增加

如果FlexRay網(wǎng)絡(luò)中有新的節(jié)點(diǎn)加入，那么該節(jié)點(diǎn)將向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送一條將其后繼節(jié)點(diǎn)設(shè)置為自身地址的Alive消息。邏輯環(huán)中已有的節(jié)點(diǎn)在接收到Alive消息后，認(rèn)為有新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)并判斷新節(jié)點(diǎn)是否為自己邏輯后繼節(jié)點(diǎn)。之后新節(jié)點(diǎn)將監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)中的Ring消息，當(dāng)接收到Ring消息時(shí)，便將自己的后繼節(jié)點(diǎn)更新為Ring消息的源節(jié)點(diǎn)地址。此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中其他的節(jié)點(diǎn)將會(huì)判斷自己是否被跳過，如果某節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)自己被跳過，將向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送一條Alive消息表明自己還在網(wǎng)絡(luò)中。新節(jié)點(diǎn)收到Alive消息后，便將自己的后繼節(jié)點(diǎn)更新為Alive消息的源節(jié)點(diǎn)地址，此時(shí)，新節(jié)點(diǎn)便加入邏輯環(huán)中。

2.3.4節(jié)點(diǎn)離線及網(wǎng)絡(luò)故障處理

OSEK網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)范提供了檢測(cè)節(jié)點(diǎn)離線的機(jī)制，如果TMax定時(shí)器到時(shí)，表明在此期間邏輯環(huán)中沒有消息，一定有節(jié)點(diǎn)離線，此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)將重新建立邏輯環(huán)并將離線節(jié)點(diǎn)排除在外。如果某節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)管理消息傳輸失敗，則啟動(dòng)TTx計(jì)數(shù)器并增加計(jì)數(shù)器TTx的值。如果計(jì)數(shù)器TTx值超過一定的次數(shù)，則該節(jié)點(diǎn)將進(jìn)人LimpHome狀態(tài)，表明該節(jié)點(diǎn)存在故障。當(dāng)節(jié)點(diǎn)因故障進(jìn)人LimpHome狀態(tài)后，由其TError定時(shí)器控制周期性地發(fā)送LimpHome消息，表示自己處于網(wǎng)絡(luò)故障狀態(tài)。

在OSEK網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)中，定時(shí)器TError的值一般遠(yuǎn)大于TMax和TTyp定時(shí)器的值，也滿足式（5）。因此，LimpHome消息能成功發(fā)送，而不受最壞響應(yīng)時(shí)間Tdelay的影響。

3 實(shí)驗(yàn)方案驗(yàn)證

本方案使用自行設(shè)計(jì)的三個(gè)FlexRay節(jié)點(diǎn)構(gòu)建邏輯環(huán)，各節(jié)點(diǎn)采用Freescale公司生產(chǎn)的MC9S12XF512單片機(jī)作為中央控制單元，TJA1080T作為FlexRay節(jié)點(diǎn)的收發(fā)器并將Vector公司開發(fā)的Davinci軟件接入網(wǎng)絡(luò)來觀察邏輯環(huán)運(yùn)行過程［14］。限于篇幅，只給出了邏輯環(huán)建立過程的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表3所示。

從表3實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，節(jié)點(diǎn)1首先發(fā)送Alive消息，之后，節(jié)點(diǎn)2也發(fā)送Alive消息。節(jié)點(diǎn)1根據(jù)更新的網(wǎng)絡(luò)配置發(fā)送Ring消息到它的邏輯后繼節(jié)點(diǎn)2，TTyp定時(shí)器到時(shí)后，節(jié)點(diǎn)2也更新自己的網(wǎng)絡(luò)配置，并發(fā)送Ring消息到它的邏輯后繼節(jié)點(diǎn)1。節(jié)點(diǎn)4啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)管理，并向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送Alive消息。節(jié)點(diǎn)1仍會(huì)按當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)配置將Ring消息發(fā)送給節(jié)點(diǎn)2，而節(jié)點(diǎn)2則會(huì)把Ring消息發(fā)送給節(jié)點(diǎn)4。節(jié)點(diǎn)4會(huì)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)上當(dāng)前最小的節(jié)點(diǎn)地址，將Ring消息發(fā)送給節(jié)點(diǎn)1。由此可以看出，這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)現(xiàn)了邏輯環(huán)建立的功能。

表3 方案實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語

車載網(wǎng)絡(luò)管理的主要作用是保障車載網(wǎng)絡(luò)通信的安全性與可靠性，并能協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)同步進(jìn)入睡眠狀態(tài)。OSEK網(wǎng)絡(luò)管理可以很好的保障FlexRay網(wǎng)絡(luò)在高帶寬和高靈活性的情況下，可靠安全地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。通過分析OSEK網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)范和FlexRay總線協(xié)議，提出在FlexRay通信周期動(dòng)態(tài)段中實(shí)現(xiàn)OSEK網(wǎng)絡(luò)管理，并定義了網(wǎng)絡(luò)管理數(shù)據(jù)協(xié)議單元 （NMPDU），分析和研究了FlexRay的OSEK網(wǎng)絡(luò)管理的具體過程以及網(wǎng)絡(luò)管理消息在動(dòng)態(tài)段延遲時(shí)間問題。本文為國(guó)內(nèi)研究OSEK網(wǎng)絡(luò)管理的FlexRay網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)提供了一個(gè)初步方案，為進(jìn)一步研究FlexRay總線的網(wǎng)絡(luò)管理做些鋪墊。

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