Le consortium automobile

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Introduction

Le consortium automobile ayant pour but de continuer à améliorer la sécurité, accroître les performances, réduire l'impact environnemental et améliorer le confort, la vitesse, la quantité et la fiabilité des données communiquées entre les unités d'une voiture de contrôle électronique. Ceci a permis l'apparition d'une nouvelle norme de communication, le protocole FlexRay, qui représente la prochaine génération du réseau à intégré dans les véhicules.

Dans ce chapitre on va présenter la norme FlexRay, ses avantages par rapport au réseau CAN, sa couche physique, les différentes topologies qui peut adopter ce réseau ainsi que sa partie ùhardware».

Présentation générale du réseau de communication FlexRay

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Le FlexRay est un système de communication par bus. En effet, il est standardisé pour les applications de communications embarquées. Mais il a été développé et dédié principalement pour les besoins spécifiques de l'automobile par une panopliedes constructeurs automobiles tels que BMW, Daimler et General Motors, des équipementiers automobiles ainsi Robert Bosch GmbH et Delphi et des fondeurs de silicium ainsi Freescale et NXP.

L'accès au bus se fait selon un mécanisme TDMA (Time-Division Multiple Access), dont chaque message est caractérisé par un créneau de temps (Slot Time) unique sur le réseau. Cette technique est caractérisée par des délais prédictifs permettant d'assurer le déterminisme. En effet, le principe de base se manifeste dans l'exécution des tâches et l'envoie des données d'après un calendrier prédéfini. Avec la communication à base du FlexRay, les activités sont alignées d'après une base temporelle globale alors que dans des protocoles de communication non déterministe tels que CAN, elles sont principalement déclenchées sur évènement en cours de fonctionnement.

Actuellement, FlexRay est en cours de développement, déjà certaines spécification ne sont pas encore rédigées, ainsi qu'il n'existe pas de véhicule sur le marché dont tout ou partie de l'architecture électrique électronique utilise le FlexRay pour l'ensemble de ses fonctionnalités on note seulement le BMW X5, en mars 2007, qui implémente FlexRay pour la gestion du système ùAdaptive Drive» de modulation de l'amortissement ,mais aucune production série à grande échelle n'est en cours.

Les principales caractéristiques

Les avantages de FlexRay

Le réseau de communication FlexRay est implanté afin d'offrir les avantages suivantes:

  • FlexRay est implémenté pour supporter, avec une souplesse accrue, des débits de données allant jusqu'à 10Mbits/s par canal;
  • au niveau physique il existe deux canaux de communication indépendante. Ces canaux ayant deux rôles, elles peuvent assurer la redondance, comme elles peuvent être couplés pour doubler la bande passante afin d'atteindre un débit de 20 Mb/s;
  • une particularité au niveau de la topologie du réseau est distinguée : en effet, si la vitesse est limitée à 1 Mb/s, le réseau peut adopter une topologie de type BUS tel que le réseau CAN. Avec un débit supérieur à 1 Mb/s la topologie sera obligatoirement de type étoile ;
  • utilisant des trames allant de 2 octets jusqu'à 254 octets de données;
  • contenant des mécanismes de tolérance aux fautes;
  • déterministe;
  • ayant une compatibilité électromagnétique EMC optimisé;
  • le coût d'un nœud FlexRay est à l'heure actuelle plus élevé que celui d'un nœud CAN.

Les différentes topologies du réseau FlexRay [5]

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Une des choses les plus importantes pour FlexRay, représente la manière de disposition du réseau. En effet, FlexRay supporte des connexions en bus, étoiles passives, ainsi que les connexions étoiles actives pour des réseaux plus complexes, on peut trouver aussi une combinaison de tous ces solutions.

La topologie Bus

C'est la topologie la plus simple à utiliser afin de réunir différent nœuds .En terme de distance tous les nœuds ne sont pas directement disposés sur le bus mais elles sont rattachés avec des bretelles plus au moins courtes. Ces bretelles se comportent comme des dérivations d'une ligne de communication d'où l'appellation ùstubs».

Les extrémités du réseau ont des résistances de terminaison installé pou éliminer les problèmes avec les réflexions des signaux. Parce que FlexRay fonctionne à des fréquences élevées, jusqu'à 10 Mbit / s par rapport à 1 Mbit/ s pour CAN.

Le problème pour cette topologie, c'est que les dérivations peuvent former des nœuds d'ondes sur le bus, qui annulent, dégrade ou amplifient localement les tensions présentes aux point de rattachement des bretelles.

Pour éviter ce problème, le protocole FlexRay a défini certaines limitations à ne pas dépasser. En effet il faut avoir:

  • une distance maximale entre deux nœuds égale à 24m;
  • une distance maximale du bus égale à 150m;
  • un nombre maximum de nœuds avec stubs égale à 22.

Cette topologie est presque abandonnée. Elle est couramment utilisée pour le réseau CAN.

La topologie étoile

La topologie étoile active

Dans le cas de cette architecture les éléments sont reliés à une étoile active (active star).Cette topologie peut servir à des multiples fonctions. En effet, en le comparant avec celle bus, on peut déduire qu'elle est plus sécurisée, car elle permet:

  • l'aiguillage d'un message vers le bon nœud;
  • de désactiver et isoler la branche en défaut (si par exemple un élément tombe en panne ou si son câble est défectueux);
  • de réaliser une remise en forme de signaux.

Cette topologie représente aussi des limites. En effet il existe certaines valeurs à respecter:

  • la longueur d'une branche d'un nœud à une étoile active doit être inférieur ou égale à 24m;
  • le nombre de branches d'une étoile égale à 2 au minimum.

La topologie étoiles actives en cascade

L'architecture du réseau devient plus complexe, mais ceci représentent les cas les plus réels et plus fréquent. En effet, les réseaux sont couramment implémenté sur des architectures en cascades .Mais cette topologie présente aussi des limites:

  • au maximum 3 étoiles active;
  • la distance entre deux étoiles actives ne doit pas dépasser 24m.

La topologie hybride

Dans ce cas, on monte dans le degré de complexité et on défini une architecture fortement utiliser pour les applications à débit élevés, dont le FlexRay est l'un des représentants les plus intéressant surtout pour les applications automobiles.

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Cette topologies regroupent des réseaux hybrides pour profiter de la facilité d'utilisation et les avantages de coût de la topologie du bus tout en appliquant les performances et la fiabilité des réseaux en étoile en cas de besoin dans un véhicule.

La topologie étoile double canal

Cette topologie introduit la notion de redondance, comme elle permet de doubler la bande passante. En effet, c'est l'architecture la plus parlante du réseau FlexRay.

Les microticks

La plus petite unité pratique de temps sur un réseau FlexRay est un microtick. En effet, ùLes microticks» sont crées localement dans un nœud via leur propre horloge. En effet, chaque nœud est caractérisé par ses propre ùmicroticks» qui sont couramment différent du nombre des ùmicroticks» des autres nœuds.

Les macroticks

La durée de chaque macrotick d'un nœud est constituée d'un nombre entier de microticks, dont la valeur est calculée et ajusté par un algorithme de synchronisation d'horloge.

Le cycle de communication

Le cycle de communication est constitué d'un nombre entier de macrotick. Le nombre de macrotick par cycle est identique pour tous les nœuds d'un même groupe, comme il reste identique pour tous les cycles.

Mécanisme de synchronisation entre les nœuds [8]

Suite à toutes ces exigences, un mécanisme de synchronisation doit être implémenté. En effet, la figure ci-dessous montre d'une part les instants pendant lesquels sont mesurées et calculées les erreurs, et d'autre part les moments ou sont corrigées numériquement, pour assurer la cohérence entre l'ensemble du réseau.

En fait, ce mécanisme permet la mesure de différence du débit et d'offset entre les moments d'arrivé estimé et le temps d'arrivé actuel. Ces mesures commencent après le segment statique de chaque cycle.

Le calcul de la valeur de correction d'offset se fait pour chaque cycle mais la correction se fait durant le NIT (Network Idle Time) pendant le cycle impair. Tandis que le calcul de la valeur de correction de débit se fait une seul fois pendant deux cycles après mesure du segment statique du cycle impaire.

La correction se fait par ajout d'une valeur de microtick, cette valeur peut être négative comme il peut être positif.

Cette figure montre bien la différence en offset et en débit, en terme local, entre trois nœuds qui doivent se synchroniser afin d'avoir le même temps globale.

La technique d'accès au médium

La stratégie d'accès au médium de communication repose sur un cycle de communication qui se répète périodiquement et qui enchaîne une fenêtre statique à accès strictement TDMA et une fenêtre dynamique à accès TDMA flexible.

Le segment statique [6]

La fenêtre statique est divisée en un nombre fixe de slots de taille constante (le nombre de slots est limité à 2047). Chaque nœud se voit allouer statiquement un ou plusieurs slots pendant lesquels il peut transmettre ses messages.

Pour le segment statique, l'émission est déterministe et la communication se présente en mode Time Triggered (cette mode est caractérisée par les dates d'émission périodique, les dates du départ et de latence connue à l'avance ainsi que la nécessite d'un service de synchronisation).

Elle possède les caractéristiques suivantes:

  • les slots sont protégés par bus guardian;
  • au début de chaque slot statique se fait la transmission de la trame;
  • la longueur de données est égale pour toutes les trames sur les deux canaux;
  • pour la configuration de ce segment statique on a:
  • dans le registre GTUC7:NSS9 à NSS0 (Number of Static Slots) se fait la configuration du nombre des slots statique;
  • dans le registre GTUC7:SSL9 à SSL0 (Static Slot Length) se fait la configuration de la longueur des slots statique;
  • dans le registre MHDC:SFDL6 à SFDL0 (Static Frame Data Length) se fait la configuration de la longueur de la trame de données.

La fenêtre dynamique [6]

Permet de réaliser un comportement guidé par les événements. La base de temps est le mini slot. En effet, chaque nœud possède un nombre prédéfini de mini slots qui ne sont pas nécessairement contigus et ne peut démarrer une transmission qu'à l'intérieur de l'un d'eux. Si le nœud ne transmet rien pendant l'intervalle correspondant, le réseau reste oisif pendant ce temps et, à la fin de l'intervalle, le droit de parole est accordé au nœud possédant le mini slot suivant. De plus, s'il y a redondance du médium, la transmission peut être différente sur les deux canaux.

Pour le segment dynamique l'émission est non déterministe ainsi que la communication est en mode Event Triggered (cette mode est caractérisé par des dates d'émissions individuels, des dates du départ et temps de latence inconnues à l'avance comme il nécessite un service d'arbitrage: proche du mode d'émission CAN).

Pour cette exemple, on a sur le premier canal, les nœuds correspondant au mini slot n ne transmet pas d'information alors que sur le canal 2, une trame est émise. Sur le canal 1, dés la fin du mini slot n, le nœud correspondant au mini slot n+1 transmet une trame et ainsi de suite.

Le segment dynamique possède les caractéristiques suivantes:

  • La longueur du slot est variable et différents entre les deux canaux;
  • au début de chaque mini slot se fait la transmission de la trame;
  • pour la configuration de ce segment dynamique on a:
  • dans le registre GTUC8: NMS12 à NMS0 (Number of Minislots) se fait la configuration du nombre des mini slots;
  • dans le registre GTUC8:MSL5 à MSL0 (Minislot Length) se fait la configuration de la longueur des mini slots;
  • dans le registre MHDC: SLT12 à SLT0 se fait la configuration de la longueur de la trame de données.

Le protocole FlexRay

Le cycle de communication

La communication FlexRay s'effectue à l'aide de cycle de communication récurrents, composé chacun d'un segment statique, un segment dynamique, une fenêtre optionnelle de symbole et pour terminer, une phase pendant laquelle le réseau en mode repos (idle) appelé ùNetwork Idle Time»(NIT).

Le mode de communication (TDMA)

FlexRay gère plusieurs nœuds avec une Accès multiple par répartition temporelle ou technique TDMA. En effet, c'est une méthode d'accès au canal pour les réseaux partagés moyennes. Elle permet à plusieurs utilisateurs de partager le même canal de fréquence en divisant le signal en intervalles de temps bien définie. Les utilisateurs transmettent en succession rapide, l'un après l'autre, chacun utilisant son propre intervalle de temps. Cela permet à plusieurs stations de partager le même support de transmission tout en utilisant seulement une partie de son capacité de transmission.

Le format des trames

La transmission et la réception des informations se fait par échange des trames entre les nœuds d'émissions et celles de réceptions.

En fait, une trame FlexRay standard est composée essentiellement de trois segments:

  • d'un segment d'en-tête ou ùheader segment»;
  • d'un segment de données ou ùpayload segment» portant l'information utile;
  • d'un segment de fin de trame ou ùtrailer section».

Segment d'en-tête

Le segment d'en-tête est codé sur 40 bits (5+11+7+11+6), soit un total de 5 octets. Il peut être décomposé comme ceci:

les premiers 5 bits: ont pour signification (dans l'ordre d'apparition):

  • reserved bit: pour une future utilisation;
  • indicateur de préambule de charge;
  • indicateur de trame nulle;
  • indicateur de trame de synchronisation: cet indicateur est mis à ù0»pour indiquer la transmission d'une trame normale, et lorsqu'il est mis à ù1» il indique la transmission d'une trame de synchronisation qui doit être utilisé pour la synchronisation des horloges;
  • Indicateur de début de trame.

identificateur de trames (Frame ID)

La valeur de l'identificateur de trame qui est codée sue 11bits (de 1 à 2047) définit deux paramètres très importants de la communication, d'une part elle définit la position du time slot dans le segment statique, et d'autre part elle définit la priorité dans le segment dynamique (une valeur faible indique une priorité élevée).

Pour cela, il est strictement interdit à deux contrôleurs de transmettre des trames ayant le même identificateur sur le même canal de transmission.

Longueur de la charge

Codé sur 7 bits indiquant la valeur du nombre de mots transmis dans le segment de donnée (254 données au maximum car elles sont des données sur 16 bits).

CRC de l'entête (Header CRC)

Le CRC de l'entête est codé sur 11bits, il est configuré par le processeur produisant la communication ensuite il est vérifier par le récepteur pour s'assurer que la trame est reçu sans erreurs. Le calcul de CRC s'effectue par le polynôme suivant:

Compteur de cycle

Ce champ est codé sur 6 bits (sur 64 valeurs), indiquant le numéro du cycle de communication. Il est incrémenté par le contrôleur et doit être identique pour toutes les trames transmises dans un cycle de communication.

Segment de données

Cette dernière varie entre 0 et 254 octets. Généralement chaque octet de donnée est connu par sa position dans le segment (le premier octet est appelé ùdata0», le deuxième ùdata1»...).

Dans certains cas ce segment de donnée est chargé de transmettre plus d'information (c'est optionnel), ces données peuvent être:

  • the message ID field : durant le segment dynamique du cycle de communication le message ID peut être placé dans les deux premiers octets de section de donnée. Pour déterminer si le message contient un message ID le récepteur teste l'état du bit d'entête ùPayload preamble indicator», s'il est mis à 1 il existe alors un champ du message ID.
  • network management vector: il est configuré au début du segment de la donnée sur une plage variant entre 0 et 12 octet.

Pour permettre à un nœud de déterminer que le message contient le ùnetwork management vector» le bit ùPayload preamble indicator» dans la partie entête est mit à 1. En fait, cette section doit être émise pendant le segment statique du cycle de communication.

Il est indispensable que tous les nœuds d'un même groupement doivent être configurés avec la même longueur duùnetwork management vector».

Segment de fin de trame

Composé d'un code CRC ou ùCyclic Redundancy Code» qui est constitué de 24 bits.

Au contraire du code CRC existant dans l'entête, ce code est calculé par le contrôleur réseau durant l'émission et la réception de la trame. En effet, après réception du donnée le code CRC émis est testé de nouveau, si les deux valeurs sont différents, il y a signalisation d'erreur (un flag mis à 1). Le calcul de CRC s'effectue par le polynôme suivant:

La couche physique du réseau FlexRay

La couche physique

La couche physique défini dans les spécifications officielles de FlexRay n'est pas explicitement défini, ce qui permet plusieurs possibilités, on peut citer les supports filaire de type torsadé non blindés ou encore les fibres optique.

Il y a un élément fort de singularisation de FlexRay par rapport au CAN est qu'un nœud doit être apte à supporter deux canaux indépendant de couche physique (canal A et canal B).En effet, ceci est imposé afin d'atteindre le but suivant ,une ayant le pouvoir de communiquer à des débits plus rapides durant la phase de bon fonctionnement du réseau, et l'autre ayant le rôle d'assurer la redondance de la transmission des données.

Le signal électrique sur le bus FlexRay

Selon la spécification FlexRay 2.1, le signal électrique est transmis en mode différentiel. En effet, les valeurs électriques des éléments binaire ù1» et ù0» sont toutes les deux représentées par des états dominant .Mais le niveau récessif est réservé uniquement pour le mode ùIdle» ou etat de repos du bus.

La valeur différentielle de la tension est de l'ordre de 750mV, c'est une valeur négligeable qui participe très peu aux rayonnements électromagnétiques.

Les composants FlexRay utilisés

Définition des différents composants électroniques du FlexRay

Il n'existe pas une grande différence entre le jeu de composant d'un FlexRay et celui de CAN. En effet, il est constitué essentiellement d'un contrôleur réseau (dans notre cas le MB88121B), deux drivers électronique (dans notre cas le AS8221C) et un élément spécial qui est le bus guardian (ces éléments vont être bien détaillé dans le chapitre: Présentation de la carte).

Présentation d'un nœud FlexRay

Chaque nœud FlexRay est constitué comme la montre le figure ci-dessous d'une partie de contrôle (Controller part) et une partie de communication (driver part). La première incluse le processeur ou le microcontrôleur (dans notre cas le microcontrôleur Philips LPC2294) avec le contrôleur réseau (dans notre cas on va prendre le MB88121B) .Concernant la deuxième partie, elle est constitué par un bus Guardian et un bus Driver.

Le bus Driver permet de connecter le contrôleur réseau au bus (soit canal A ou B) et le bus Guardian gère l'accès au bus. En effet, le processeur ou le microcontrôleur informe le bus Guardian sur le temps alloué pour la communication, avec cette information le bus Guardian donne la permission au contrôleur réseau pour transmettre les données uniquement pour ce temps alloué et en cas ou le bus Guardian détecte un dépassement du temps, il déconnecte immédiatement la communication.

Les différents états d'un nœud FlexRay

Comme le montre la Figure ci-dessous, un nœud FlexRay a plusieurs états de fonctionnement tels que mentionné :

  • état de configuration (default config/ config): permettant l'initialiser le nœud;
  • état prêt (ready): permettant d'effectuer des réglages de communication interne;
  • état Wakeup: pour réveiller un nœud qui ne communique pas. Dans cet état, le nœud envoie un signal vers un autre nœud, qui se réveille et permet la communication entre contrôleur, bus driver et le bus guardian;
  • état de démarrage (Run): afin de commencer la synchronisation d'horloge et se préparer pour la communication;
  • état normal (actif ou passif): pour indiquer que la communication est disponible;
  • état Halt: pour indiquer que la communication est désactivée.

Description de fonctionnement de chaque block

  • L'interface CPU et FlexRay (CIF): permettant de connecter le contrôleur FlexRay au processeur.
  • Le buffer d'entrée (Input Buffer ou IBF): utilisé pour écrire les données provenant du processeur dans à la RAM.
  • Le buffer de sortie (Output Buffer ou OBF): utilisé pour lire les données provenant de la RAM.
  • Le message Handler: permettant le contrôle et le transfert des données entre:
  • la RAM et les buffers d'entrée sortie,
  • la RAM et les deux buffers transitoires (TBF A et TBF B)
  • Les buffers transitoires (TBF A et TBF B): permettant le stockage des données provenant du transceiver (AS8221C).
  • Le contrôleur du protocole (PRT A/B): qui assure:
  • la connectivité avec AS8221C (physical layer)
  • le contrôle d'émission et de réception des trames
  • la génération et la contrôle du code CRC
  • L'unité de temps global (GTU): cette unité est chargée de la génération des macroticks et microtiks, ainsi que le contrôle du timing des segments statiques et des segments dynamiques.
  • Le système universel de contrôle (SUC):
  • Frame and Symbol Processing (FSP)
  • Network Management (NEM)
  • Le contrôleur d'interruption (Interrupt Control (INT))

Exemples d'application d'un réseau FlexRay

Le nouveau protocole FlexRay ouvre la porte à des futures applications automobiles telles que x-by-wire, nécessitant une sécurité accrue par rapport aux caractéristiques des systèmes actuels de réseau automobile. En effet, les premières applications qui seront dédié pour le réseau FlexRay sont:

  • Système de direction (Steer-By-Wire)
  • Système de freinage (Brake-By-Wire), ABS
  • Système de contrôle de traction électrique, un accélérateur électronique (Trottle-By-Wire) qui remplace l'actuel système mécanique.

Conclusion

Afin de conclure, le réseau FlexRay fournit des communications déterministes, à tolérance de panne et à haute vitesse, exigences de performance du système de bus pour la prochaine génération d'automobiles.

Il faut noter que d'après cette présentation de ce nouveau concept, on doit être conscient qu'il existe une forte similitude dans l'élaboration et le développement entre le réseau FlexRay et le CAN.