FlexRay总线在全电子目标控制系统中的应用研究

吕媛媛

(1．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2．北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070)

1 概述

随着通信系统性能、容量的不断发展，CAN总线传输数据容量有限、速率较低，已经不能适应目前通信系统大数据的发展需求，FlexRay作为新一代总线，因其具有高速率、可确定性、容错性等优点，被誉为是CAN总线的升级版。目前FlexRay总线仅在汽车领域应用广泛，本文将FlexRay总线应用于铁路信号地面控制系统中的全电子目标控制系统，对于FlexRay总线在铁路交通信号领域的研究与推广具有一定的参考意义。

2 FlexRay总线优势

FlexRay总线与传统的CAN总线相比的优点如下。

传输速率高。FlexRay总线为硬件双通道，单通道传输速率可达10 Mbit/s，通过配置，也可以 设置为8 Mbit/s、5 Mbit/s、2.5 Mbit/s，提高带宽的灵活性；双通道设置为传输不同数据帧时，速率可达20 Mbit/s。而CAN总线最高速率为1 Mbit/s，远远优于CAN总线。

时间确定性准，同时灵活性高。FlexRay总线采用调度表机制，有“时间触发”、“事件触发”两种方式。每个通信周期的静态段基于“时间触发”方式，消息在每个周期中拥有固定位置的时槽，以固定的时序传输数据，极大地保证传输时间的准确性、通信延迟小；每个通信周期的动态段采用“事件触发”方式，时槽长度可变，带宽可动态分配，灵活性好。

容错性强。FlexRay支持双通道的互相冗余，通过双通道传输相同的信息来实现冗余备份，在一个通道故障时，另一个通道可以正常运行，不影响系统的稳定性。同时，单节点发生故障时，总线监控器将该节点断开，不影响总线上其他节点正常工作。

载荷容量大。FlexRay帧具有高达254 Byte的数据容量，更适合大容量数据传输。

3 Flexray总线协议

FlexRay总线目前只规定了数据链路层和物理层的通信协议。

3.1 网络拓扑结构

FlexRay可支持各种拓扑结构，如总线型、星型和混合拓扑等。并且节点可以支持两个通信通道，可以开发单信道和双信道两种系统。

3.2 数据帧格式

FlexRay数据帧由帧头、有效数据段和帧尾3部分组成。如图1所示。

图1 FlexRay数据帧格式Fig.1 FlexRay data frame format

3.3 通信模式

FlexRay总线是固定周期通信方式。每个通信周期时长可配置，每个通信周期的组成如图2所示。

图2 通信周期时间分层Fig.2 Layers for communication cycle time

在静态段中，采用时分多址TDMA技术实现时间触发。每个节点拥有固定数量的时槽大小，在这些时槽内，不允许其他节点传输数据，该节点的数据容量也不能超过这些时槽的长度。这种访问方法，保证静态段中传输的特定数据帧在每个周期中拥有固定的位置。动态段则采用更灵活的时分多址FTDMA技术，各个节点利用信息 ID（帧ID）中定义好的优先级竞争带宽，保证一些具有高优先权的数据能够在总线忙时也有机会发送信息。并且时槽长度会按照需要的时间来扩展，因而总线的带宽是动态可变动的。

4 系统设计

4.1 网络结构设计

通用全电子目标控制系统是以全电子的驱动层执行模块为基础，配备上层安全逻辑平台，搭建成的一个通用安全控制平台。该平台作为若干安全应用的支撑，可以完成诸如联锁系统、列控中心等多种安全系统，适用于铁路及城市轨道交通环境中。

全电子目标控制系统内的安全相关电子执行模块包含道岔模块、信号机模块、输入输出模块、64D模块等，所有模块均采用2乘2取2架构进行设计，模块内部（系内双CPU间以及双系间）需具备通信的能力，来实现时钟同步和数据交互等功能。每次传输数据约200 Byte，需要一种高速、可靠的通信结构。

FlexRay具有时间触发、高带宽、灵活性、安全性等优点，结合上述原因，全电子系统模块内部通信网采用FlexRay总线，总线型拓扑结构。4个主控单元CPU作为4个FlexRay节点进行组网通信，4个CPU均可以互相通信；双通道冗余工作，数据双份传输；整个网络平台设计通信速率为10 Mbit/s。模块间网络拓扑结构如图3所示。

图3 模块网络拓扑结构Fig.3 Module network topology

4.2 硬件设计

在全电子目标控制系统中，主控芯片采用TI公司的TMS570LS3137，内部集成FlexRay通信控制器，支持FlexRay V2.1版本协议；物理层收发器驱动芯片采用NXP公司的TJA1082，用于实现FlexRay信号的转换。FlexRay节点结构框如图4所示。

图4 FlexRay节点结构Fig.4 FlexRay node structure

TJA1082与TMS570LS3137之间的接口电路简单，接口信号主要有发送/接收管脚TXD/RXD、发送使能脚TXEN、总线检测使能管脚BGE、工作模式控制管脚STBN、故障指示管脚ERRN等，BP、BM为差分输出线。电路如图5所示。

图5 FlexRay节点硬件电路Fig.5 FlexRay node hardware circuit

4.3 软件设计

FlexRay节点软件设计主要包含节点初始化、发送数据、接收数据3部分。

4.3.1 节点参数设置

在FlexRay通信流程中，节点的配置和状态控制是关键。节点初始化配置主要流程如图6所示。

图6 FlexRay通信控制流程Fig.6 FlexRay communication control flow chart

FlexRay节点配置参数：一类参数是根据实际应用的系统对于通信速率、数据容量等需求以及系统自身的功能要求而确定的；另一类参数是与FlexRay总线结构、硬件元件性能、物理层特性等相关，根据FlexRay协议规定的计算公式或约束条件计算得到的。同时，全电子目标控制系统的设计需求为：内部通信周期32 ms、通道冗余传输、每个CPU数据类型两种（CPU间/系间）等。

综上而言，设计的基本参数如表1所示。

表1 FlexRay基本网络参数设置Tab.1 FlexRay basic network parameter

4.3.2 发送/接收数据流程

全电子目标控制系统采用了uc/os II操作系统，多任务并行方式运行。

内部通信发送数据时，根据发送方序列号、接收方上一次序列号、源系统ID等数据，在“内部通信发送任务”中，通过FlexRay发送函数发送出去。

内部通信接收数据时，采用中断接收方式。首先，接收到CPU间或系间数据时会中断CPU；然后，在中断服务程序中完成数据接收，包括：读取FlexRay Buffer编号确认数据类型，把接收数据拷贝到内部通信缓存队列，Post内部通信信号量触发“内部通信接收处理任务”；最后，在“内部通信接收处理任务”中完成数据解析过程及存储过程。

同时，考虑到安全性，在“自检任务”中，会定周期执行FlexRay节点号自检。总线上的每个节点都有可能变化，为了防止节点冲突，需要周期对节点号自检。若被窜改，需要重新设定为原始节点号。

4.3.3 仿真分析

由于FlexRay网络参数多、手动配置非常繁琐复杂、总线数据抓包分析困难，为简化设计分析过程，在设计中借助Vector公司的一系列FlexRay工具。首先使用Network Designer FlexRay定义网络参数、节点、报文、信号、映射关系，将配置好的协议参数写入TMS570LS3137相关协议参数寄存器中，生成FIBEX格式调度表；然后将调度表导入CANoe.FlexRay，进行节点测试、仿真和分析：跟踪总线数据传输、显示报文的交互式发送、总线负载及干扰统计、诊断测试等。

5 结语

FlexRay总线作为新一代的汽车总线，已经在汽车车载通信领域得到广泛应用。本文借助其总线优势将其应用在全电子目标控制系统，根据系统应用条件给出了设计方案，来提高系统的实时性、可靠性和安全性。同时表明FlexRay总线在铁路信号领域中有着很好的应用前景。