Komunikační standard FlexRay

Transkript

1 Standard FlexRay 2. Komunikační standard FlexRay Jan Malinský ČVUT Praha, FEL, katedra měření X38SSL Str. Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

2 Standard FlexRay 2. Současná koncepce řízení Mechanická vazba Převodovka řízení X38SSL Str. 2 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

3 Standard FlexRay 2. Budoucí koncepce řízení (steer-by-wire) Snímač úhlu S Zpětná vazba M FR stanice FR stanice FlexRay sběrnice Akční člen M S FR stanice Senzory Převodovka řízení X38SSL Str. 3 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

4 Standard FlexRay 2. SKATEBOARD časopis automatizace 4/26 X38SSL Str. 4 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

5 Standard FlexRay 2. Proč FlexRay? porovnání s CAN standardem CAN CSMA/CR (Carrier Sense Multiple Access with Collision Resolution) kolize čas Stanice A Stanice C Stanice A Stanice B Stanice C CAN sběrnice X38SSL Str. 5 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

6 Standard FlexRay 2. Proč FlexRay? porovnání s CAN standardem FlexRay TDMA (Time Division Multiple Access) Slot A Slot B Slot C čas Stanice A Stanice B Stanice C FlexRay bus X38SSL Str. 6 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

7 Standard FlexRay 2. 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 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

8 Standard FlexRay 2. Vznik (r.999) Konsorcium FlexRay BMW Philips Daimler Chrystler General Motors Motorola Bosch projekt In-Vehicle Networks technologie X-by-wire komunikační standard FlexRay Vyřazení mechanických a hydraulických systémů (ovládání řízení, brzdění, akcelerace) a jejich nahrazení spolehlivými elektronickými systémy. X38SSL Str. 8 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

9 Standard FlexRay 2. FlexRay stanice STANICE A Linková vrstva Aplikační vrstva Komunikační řadič Communication Controller Řídící procesor Host Budič sběrnice (Bus Driver) + Hlídací člen (Bus Guardian) Fyzická vrstva Budič sběrnice (Bus Driver) + Hlídací člen (Bus Guardian) STANICE B STANICE C Kanál A Kanál B FlexRay sběrnice X38SSL Str. 9 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

10 Standard FlexRay 2. Fyzická vrstva Budič Transmitter BP U Kanál A U BP IDLE_LP IDLE Log. Log. Reciver Transmitter BM BP U BM GND,8 3,2 V U BP U =,2 V Kanál B U BM Reciver BM V t diferenciální sběrnice (odolnost proti souhlasnému rušení) X38SSL Str. Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

11 Standard FlexRay 2. Sběrnicové topologie I) Bod - bod X38SSL Str. Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

12 Standard FlexRay 2. Sběrnicové topologie II) Pasivní sběrnicová topologie bez kruhů a aktivních prvků max. 22 stanic max. délka sběrnice 24m X38SSL Str. 2 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

13 Standard FlexRay 2. Sběrnicové topologie III) Pasivní hvězda max. 22 stanic max. délka mezi dvěma libovolnými uzly je 24m X38SSL Str. 3 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

14 Standard FlexRay 2. 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. 4 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

15 Standard FlexRay 2. Sběrnicové topologie IV) Aktivní hvězda X38SSL Str. 5 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

16 Standard FlexRay 2. Sběrnicové topologie V) Hybridní topologie X38SSL Str. 6 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

17 Standard FlexRay 2. Linková vrstva komunikační řadič Úkoly: Sestavení rámce Kódování/dekódování Přístup na sběrnici (přístupová metoda - TDMA) Synchronizace časové základny Wakeup a startup proces Komunikace s řídícím procesorem aplikační vrstva X38SSL Str. 7 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

18 Komunikační cyklus (časování) Standard FlexRay 2. Statický segment (2 až 23 slotů) Dynamický segment (-7994 minislotů) Symbolové okno (-87 MT) Klidový stav Deterministické Nedeterministické Přenos symbolu MTS Statický slot Statický slot n - 87 MT MT M T M T M T M T M T Dynamický slot Mini slot M T Mini slot 2-63 MT Dynamický slot m Mini slot MT (makrotik) - globální časová jednotka sítě Mini slot 4-24 ut/mt M M T T M T M T u T u T u T u T u T u T ut (mikrotik) - nejmenší jednotka lokálního času odvozená od časové základny stanice (menší než trvání bitu) T( bit) = 8* Tvz(clk) u T u T 8,4,2 ut/bit ut = 2,5; 25; 5 ns ; 2 ns X38SSL Str. 8 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

19 Standard FlexRay 2. Multiplexování slotů stanice Komunikační slot přiřazený stanici P P3 P2 P4 Cyklus Cyklus 2 Cyklus 3 Cyklus 4 Cyklus 5 Komunikační cykly se periodicky opakují Číslování kom. cyklů ( 63 přenášeno v rámci) využití pro multiplexování jednoho slotu více úlohám běžícím v rámci jedné stanice X38SSL Str. 9 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

20 Standard FlexRay 2. Komunikační cyklus Rozčlenění cyklu lze nakonfigurovat před startem sítě (nelze měnit za běhu sítě) Komunikační cykly se periodicky opakují Číslování kom. cyklů ( 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 2,5; 25; 5ns) X38SSL Str. 2 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

21 Standard FlexRay 2. 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. 2 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

22 Standard FlexRay 2. Dynamický segment komunikačního cyklu 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 (-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). X38SSL Str. 22 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

23 Standard FlexRay 2. Statický segment x dynamický segment Statický segment (deterministické) Dynamický segment (nedeterministické) Kanál A Prázdný A B C A D E C D E slot Prázdný Prázdný Kanál B A slot C A slot D F A D X38SSL Str. 23 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

24 Standard FlexRay 2. FlexRay rámec Hlavičkový segment Datový segment CRC segment I I 2 I 3 I 4 I 5 ID rámce Délka dat Hlavičkové CRC Číslo cyklu Data Data Data n CRC CRC CRC 5 bitů bitů 7 bitů bitů 6 bitů bytů 24 bitů I - Reservovaný bit I2 - Indikátor preambule datového segmentu I3 - Indikátor nulového rámce I4 - Indikátor synchronizačního rámce I5 - Indikátor startovního rámce X38SSL Str. 24 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

25 X38SSL Str. 25 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha Standard FlexRay 2. Převzorkování vstupního datového toku a výběr z většiny Výběr z většiny Posuvný Registr (5 bitů) log. log. glitch glitch zpoždění zpoždění Dekódování data k linkové vrstvě sběrnice CLK

26 Standard FlexRay 2. 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 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

27 Standard FlexRay 2. Vkládání bitových sekvencí (statický segment) Statický slot n Statický slot n+ Klidový stav Statický rámec CID Klidový stav Statický rámec Action Point Offset F S S Byte Byte Poslední byte TSS (3 5 bitů) BSS BSS BSS FES CID ( bitů) TSS (Transmission Start Sequence) 5-5 bitů slouží k správnému nastavení spojení vstup-výstup aktivní hvězdy FSS (Frame Start Sequence) bit v log. kompenzace možné kavantizační chyby prvního BSS po TSS BSS (Byte Start Sequence) dvoubitová posloupnost vložena před každý byte, synchronizace bitového kmitočtu přijímače. FES (Frame end sequence) sekvence označuje konec posledního byte X38SSL Str. 27 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

28 Standard FlexRay 2. Vkládání bitových sekvencí (dynamický segment) Dynamický slot n dynamický slot n+ Klidový stav Dynamický rámec CID Klidový stav Dynamický rámec Action Point Offset F S S Byte Byte Poslední byte TSS (3 5 bitů) BSS BSS BSS FES DTS CID ( bitů) DTS (Dynamic Trailing Sequence) proměnná délka (log. ) doplnění zbytku v posledním minislotu X38SSL Str. 28 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

29 Standard FlexRay 2. Linková vrstva synchronizační mechanismus Výrobní tolerance Stárnutí krystalu Kolísání teploty FR stanice FlexRay bus Volant Slot FR stanice Slot 2 Pedály FR stanice Řadicí páka Slot 3 Porušení hranic slotů!! X38SSL Str. 29 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

30 Standard FlexRay 2. Problém synchronizace časových základen stanic.stanice (sync) 2.stanice (sync) 3.stanice (sync) 4.stanice 5.stanice 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. Null frame indicator nastaven v log. nepoužitelná data v payload segmentu rámce, log. data jsou použitelná X38SSL Str. 3 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

31 Standard FlexRay 2. 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 5 Nesynchronizační stanice nesmí vyslat rámec s nastaveným indikátorem sync frame X38SSL Str. 3 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

32 Standard FlexRay 2. Linková vrstva synchronizační mechanismus Korekce ofsetu (OC) Korekce rychlosti (RC) čas Cyklus 2n Cyklus 2n + Cyklus 2n + 2 Měření Měření Korekce rychlosti (RC) Korekce ofsetu (OC) X38SSL Str. 32 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

33 Standard FlexRay 2. Problém synchronizace časových základen stanic Bez synchronizace Synchronizace rychlosti Synchronizace rychlosti a ofsetu Lokální čas [MT] Stanice A Stanice B Stanice C Lokální čas [MT] Stanice A Stanice B Stanice C Lokální čas [MT] C B A Globální čas [s] Globální čas [s] Globální čas [s] X38SSL Str. 33 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

34 Standard FlexRay 2. Synchronizace časové základny měření odchylek a výpočet korekce Cyklus 2n Cyklus 2n + Cyklus 2n + 2 Cyklus 2n + 3 Stat. seg. Dyn. seg. Sym. okno Klid. stav Stat. seg. Dyn. seg. Sym. okno Klid. stav Stat. seg. Dyn. seg. Sym. okno Klid. stav Stat. seg. Dyn. seg. Sym. okno Klid. stav Korekce Měř. Měř. Měř. Měř. ofsetu Korekce ofsetu Korekce rychlosti 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 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

35 Vzbuzení sítě (Wakeup) Standard FlexRay 2. 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 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

36 Standard FlexRay 2. 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 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

37 Standard FlexRay 2. Start sítě (Startup) Definice časového rozvrhu. stanice status: startující 2. stanice status: startující Komunikační síť FlexRay (přístupová metoda TDMA) 3. stanice status: nestartující 4. stanice status: nestartující 5. stanice status: nestartující X38SSL Str. 37 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

38 Standard FlexRay 2. rozdílné časování podřízené st. stanice nebo mnohonásobný přechod nedetekovány st. rámce od podřízených st. Stanic (nejsou připravené) detekována kolize Stanice A STAV připraven čekání na st.rámce odposlech hledání kolizí v kanále od ostatních komunikace zachycení komunikace mimo A startovních stanic normální aktivní stav status ČASOVÉ startující SCHÉMA nedefinováno Cyklus Cyklus Cyklus 2 Cyklus 3 Cyklus 4 Cyklus 5 Cyklus 6 Cyklus 7 Cyklus 8 - komunikace nedetekována - st. A se stává startujícím leaderem - st. A vyšle symbol CAS Stanice B status startující - přijetí CAS symbolu od leadera - B se stává podřízenou startující stanicí STAV připraven st. B přijala. platný startovní rámec od leadera (stanice A) st. B přijala 2. platný startovní rámec od leadera (stanice A) odposlech komunikace platný st. rámec nepřijat (rozdílné časování) inicializ. časového schematu 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) st. rámce od leadera ustaly normální aktivní stav Stanice C status normální STAV platný st. rámec nepřijat (rozdílné časování) připraven odposlech komunikace inicializ. časového schematu čekání na 2. st. rámec od leadera (odhalení časového schématu leadera) 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 A A A A B A B A B A B A B C Symbol CAS (Collision Avoidance Symbol) Startovní rámec od leadera (stanice A) Startovní rámec od podřízené startující stanice (stanice B) Normální rámec od nestartující stanice C X38SSL Str. 38 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

39 Standard FlexRay 2. 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) - 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) X38SSL Str. 39 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

40 Naše reálná FlexRay síť Standard FlexRay 2. Display LEDs SERVO motor Bar graph Bar graph Bar graph Display Node no. Node no.2 Node no.3 Node no.4 Node no.5 RS232 PC visualization Active star Channel A,B FlexRay analyzer Node no.6 Node no.7 Node no.8 Node no.9 Node no. Gear lever Steeringwheel Switches Pedals Temperature sensor External generators of time bases X38SSL Str. 4 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

41 Naše reálná FlexRay síť Standard FlexRay 2. X38SSL Str. 4 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

42 Standard FlexRay 2. Průzkum trhu PHILIPS Budič sběrnice TJA8 včetně hlídacího členu (dostupnost od listopadu 25) 32-bit procesor ARM9 SJA25 s integrovaným řadičem standardu FlexRay verze 2. (dostupnost??) FREESCALE MFR42 integrovaný řadič standardu FlexRay verze. (plně dostupný včetně dokumentace) MFR43 integrovaný řadič standardu FlexRay verze 2. (plně dostupný včetně dokumentace) Rodina 6-bit procesorů MC9S2XF s integrovaným řadičem standardu FlexRay verze 2. (dostupnost.čtvrtletí r. 27) BOSCH IP funkce (E-Ray) řadiče standardu FlexRay verze 2. X38SSL Str. 42 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

43 Standard FlexRay 2. Děkuji za pozornost X38SSL Str. 43 Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha