Research on Application of the FlexRay Bus in Steer-by-wire System

王　闖

(許昌學(xué)院信息工程學(xué)院，河南 許昌　461000)

FlexRay總線在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

Research on Application of the FlexRay Bus in Steer-by-wire System

王闖

(許昌學(xué)院信息工程學(xué)院，河南 許昌461000)

摘要：針對(duì)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性、確定性和高可靠性通信的要求，設(shè)計(jì)了基于FlexRay總線的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。FlexRay線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究分為方向盤(pán)力反饋路感和方向盤(pán)對(duì)前輪的控制這兩個(gè)部分，重點(diǎn)研究了方向盤(pán)對(duì)前輪的控制部分。通過(guò)配置FlexRay網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和分配兩個(gè)FlexRay節(jié)點(diǎn)的任務(wù)，對(duì)搭建的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了在線監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明了FlexRay總線應(yīng)用于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可靠性和安全性，適合作為線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：FlexRay線控轉(zhuǎn)向時(shí)間觸發(fā)協(xié)議光電編碼器步進(jìn)電機(jī)

Abstract：In accordance with the communication requirements of steer-by-wire (SBW) system on on-vehicle network, e.g., the real time performance, certainty and high reliability, the SBW system based on FlexRay bus has been designed. The research on FlexRay-based SBW system is composed of two parts, i.e., the steering wheel force feedback road feel and the control for front wheel; here, the second part is researched emphatically. By configuring FlexRay network parameters and allocating tasks for two FlexRay nodes, online monitoring of the SBW system established is conducted. The experimental results show the reliability and security of applying FlexRay bus in SBW system, and FlexRay is suitable to serve as the standard of steer-by-wire system communication network.

Keywords：FlexRaySteer-by-wireTime-triggered protocolPhotoelectric encoderStepper motor

0引言

汽車未來(lái)的發(fā)展方向是電氣化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。這些發(fā)展趨勢(shì)會(huì)促使目前轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的機(jī)械和液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)向電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展，從而提出了線控轉(zhuǎn)向(steer-by-wire,SBW)系統(tǒng)[1]。與傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在信號(hào)傳輸上需要更高的安全性和可靠性。

FlexRay作為下一代車載網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)之一，它的雙通道架構(gòu)提供了足夠的安全冗余來(lái)支持安全相關(guān)系統(tǒng)的可靠要求。FlexRay總線每個(gè)通道的數(shù)據(jù)傳輸速度能達(dá)到10 Mbit/s。通過(guò)和CAN、LIN等網(wǎng)絡(luò)結(jié)合在一起工作，F(xiàn)lexRay不僅能減少使用并行CAN網(wǎng)絡(luò)通信來(lái)解決帶寬瓶頸問(wèn)題，還能降低設(shè)計(jì)成本[2]。

雖然針對(duì)FlexRay通信機(jī)制的理論研究已經(jīng)開(kāi)展多年，但是對(duì)其應(yīng)用研究卻剛剛開(kāi)始。本文在介紹FlexRay總線協(xié)議規(guī)范的基礎(chǔ)上，提出了一種建立在FlexRay總線基礎(chǔ)上的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，將FlexRay總線作為線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)。FlexRay線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究分為方向盤(pán)力反饋路感和方向盤(pán)對(duì)前輪的控制這兩個(gè)部分，本文重點(diǎn)研究了方向盤(pán)對(duì)前輪的控制部分。

本文結(jié)構(gòu)如下：首先簡(jiǎn)要介紹了FlexRay通信協(xié)議特點(diǎn)；然后描述了測(cè)量方向盤(pán)轉(zhuǎn)角使用的工具和方法，同時(shí)配置了FlexRay的通信參數(shù)；最后以實(shí)驗(yàn)室搭建的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為例，測(cè)試了這種基于FlexRay的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能。

1FlexRay概述

一個(gè)FlexRay幀由3部分組成，分別是頭部段、負(fù)載段和尾部段，如圖1所示。

FlexRay網(wǎng)絡(luò)上的通信節(jié)點(diǎn)在發(fā)送一個(gè)報(bào)文幀時(shí)先發(fā)送頭部段，再發(fā)送負(fù)載段，最后是尾部段。

在FlexRay協(xié)議中，其媒體訪問(wèn)控制方式是基于循環(huán)的通信周期。在一個(gè)通信周期內(nèi)，F(xiàn)lexRay提供兩種媒體訪問(wèn)方式：靜態(tài)段的時(shí)分多路訪問(wèn)(time division multiple access，TDMA)方式和動(dòng)態(tài)段的基于最小時(shí)隙的柔性時(shí)分多路(flexible time division multiple access，F(xiàn)TDMA)訪問(wèn)方式[3]。每一個(gè)通信周期包括靜態(tài)段、動(dòng)態(tài)段、符號(hào)窗口和網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間。

無(wú)論在通信周期靜態(tài)段中是否有報(bào)文通過(guò)總線發(fā)送數(shù)據(jù)，靜態(tài)段的時(shí)隙個(gè)數(shù)都是定值，并且每個(gè)靜態(tài)時(shí)隙的長(zhǎng)度值相同。在通信開(kāi)始前，每一個(gè)時(shí)隙都應(yīng)該分配給節(jié)點(diǎn)，并且一個(gè)或多個(gè)時(shí)隙可以安排在一個(gè)節(jié)點(diǎn)，但是這個(gè)節(jié)點(diǎn)只允許發(fā)送數(shù)據(jù)而不能接收數(shù)據(jù)。通信周期的靜態(tài)段是時(shí)間觸發(fā)的，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)提前知道報(bào)文的發(fā)送時(shí)間和報(bào)文的接收時(shí)間。整個(gè)靜態(tài)段的通信是確定的和有保證的，而動(dòng)態(tài)段的長(zhǎng)度可變，它專門(mén)用來(lái)給非關(guān)鍵性和隨機(jī)發(fā)生的報(bào)文使用。

與CAN總線相比，F(xiàn)lexRay總線的劣勢(shì)是必須要有啟動(dòng)程序，以及在運(yùn)行時(shí)不可重新配置[4]?；赥DMA的通信方案要求在一個(gè)簇中的所有參與通信的節(jié)點(diǎn)都要同步和校正。所有節(jié)點(diǎn)都要初始化同步為容錯(cuò)和分布式啟動(dòng)模式。這個(gè)初始化啟動(dòng)過(guò)程叫做冷啟動(dòng)。當(dāng)一個(gè)簇中的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)少于3個(gè)時(shí)，那么每個(gè)節(jié)點(diǎn)都將是一個(gè)冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)啟動(dòng)幀也將是一個(gè)同步幀。因此，每一個(gè)冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)同時(shí)也是一個(gè)同步節(jié)點(diǎn)。

更多關(guān)于FlexRay總線的信息，可以在FlexRay協(xié)議規(guī)范里面查找[5]。

圖1　FlexRay幀格式

2線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向角的測(cè)量

2.1　線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)架構(gòu)

本文中設(shè)計(jì)的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向盤(pán)節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)1)、前輪執(zhí)行機(jī)構(gòu)節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)2)和FlexRay通信網(wǎng)絡(luò)組成。文獻(xiàn)[6]中已經(jīng)闡述了基于FlexRay的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理。從中可以看出線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)。因此,本文只研究測(cè)量方向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào),并通過(guò)FlexRay網(wǎng)絡(luò)傳輸方向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào)，然后實(shí)時(shí)評(píng)估FlexRay的傳輸，通過(guò)FreeMASTER工具監(jiān)測(cè)接收到的轉(zhuǎn)角信號(hào)。圖2是一個(gè)簡(jiǎn)易的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理圖。由圖2可以看出，只研究如何檢測(cè)轉(zhuǎn)向盤(pán)模塊的轉(zhuǎn)向角和如何通過(guò)FlexRay通信網(wǎng)絡(luò)將轉(zhuǎn)向角信號(hào)從節(jié)點(diǎn)1傳輸至節(jié)點(diǎn)2。

圖2　線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

2.2　硬件組成

用于測(cè)量方向盤(pán)轉(zhuǎn)角和方向的設(shè)備是增量式光電編碼器(ISC3806)，使用的光電編碼器有3個(gè)輸出信號(hào)：A相、B相和Z相。每旋轉(zhuǎn)一圈，A相和B相將輸出360個(gè)方波脈沖信號(hào)。編碼器用來(lái)跟蹤運(yùn)動(dòng)并且可以決定位置和速率。編碼器連接在轉(zhuǎn)向盤(pán)的末端，它根據(jù)光電轉(zhuǎn)換原理能夠?qū)⒎较虮P(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖信號(hào)。

系統(tǒng)使用正交輸出的A相輸出和B相輸出，因?yàn)樗鼈冎g的相位差為90°。當(dāng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)編碼器時(shí)，A相超前B相90°；當(dāng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)編碼器時(shí)，B相超前A相90°。根據(jù)這個(gè)原理，就可以判斷方向盤(pán)的轉(zhuǎn)角方向。

為了測(cè)量順時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向盤(pán)和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向盤(pán)時(shí)的脈沖個(gè)數(shù)，使用參考文獻(xiàn)[7]中設(shè)計(jì)的鑒相電路。經(jīng)過(guò)鑒相電路的處理，輸出的脈沖信號(hào)在同一時(shí)間只能有一個(gè)輸出信號(hào)改變。鑒相電路的原理圖如圖3所示。

圖3　鑒相電路原理圖

鑒相電路由4個(gè)D觸發(fā)器和6個(gè)與門(mén)組成，并且有4個(gè)輸入信號(hào)，分別是A、B、IA和IB。其中A和B是光電編碼器的輸出信號(hào)，IA和IB是A相和B相的反向信號(hào)。

經(jīng)過(guò)鑒相電路處理后，當(dāng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向盤(pán)時(shí)，只有P20口輸出脈沖信號(hào)，P27口輸出低電平；當(dāng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向盤(pán)時(shí)，只有P27口輸出脈沖信號(hào)，P20口輸出低電平信號(hào)。鑒相電路仿真結(jié)果圖如圖4所示。從圖4可以看出，當(dāng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向盤(pán)時(shí)，只有P27口輸出信號(hào)，因此這個(gè)鑒相電路符合設(shè)計(jì)要求。

圖4　鑒相電路仿真圖

MC9S12XF512是Freescale公司生產(chǎn)的、內(nèi)嵌FlexRay模塊的單片機(jī)[8]。利用MCU上集成的兩個(gè)16位脈沖累加器PACA和PACB，就可以計(jì)算接收到的脈沖個(gè)數(shù)，即方向盤(pán)的轉(zhuǎn)向角度。當(dāng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向盤(pán)時(shí)，脈沖累加器PACB的計(jì)數(shù)寄存器PACN10的脈沖個(gè)數(shù)增加。同理，當(dāng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向盤(pán)時(shí)，脈沖累加器PACA的計(jì)數(shù)寄存器PACN32的脈沖個(gè)數(shù)也將增加。

節(jié)點(diǎn)1計(jì)算每個(gè)周期中檢測(cè)到的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)。tx_data_1[0]存儲(chǔ)方向盤(pán)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)存儲(chǔ)的脈沖個(gè)數(shù)，tx_data_1[1]存儲(chǔ)方向盤(pán)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)存儲(chǔ)的脈沖個(gè)數(shù)。

2.3　FlexRay通信參數(shù)配置

在FlexRay網(wǎng)絡(luò)能夠正常通信前，需要正確配置FlexRay的參數(shù)。共有兩種不同的參數(shù)類型需要配置：網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和節(jié)點(diǎn)參數(shù)[9]。配置好的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如表1所示，它與FlexRay網(wǎng)絡(luò)相關(guān)；節(jié)點(diǎn)參數(shù)和FlexRay網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)有關(guān)。

表1　FlexRay網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置

根據(jù)FlexRay協(xié)議，如果在一個(gè)FlexRay簇中的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)少于3個(gè)，那么每個(gè)節(jié)點(diǎn)都將是一個(gè)冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)啟動(dòng)幀都將是一個(gè)同步幀。因此，每一個(gè)冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)都將是一個(gè)同步節(jié)點(diǎn)[10]。在本文中，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2都必須配置為冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)并且在啟動(dòng)過(guò)程中發(fā)送冷啟動(dòng)幀。在時(shí)隙1中節(jié)點(diǎn)1發(fā)送冷啟動(dòng)幀，在時(shí)隙4中節(jié)點(diǎn)2發(fā)送冷啟動(dòng)幀。

同時(shí)在時(shí)隙1中，節(jié)點(diǎn)1通過(guò)FlexRay網(wǎng)絡(luò)發(fā)送存放在數(shù)組tx_data_1[16]中的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào)，節(jié)點(diǎn)2接收方向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào)并把它存放在rx_data_1[16]數(shù)組中。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙分配如表2所示。

表2　FlexRay網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙分配

3試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)

與CAN節(jié)點(diǎn)類似，一個(gè)FlexRay節(jié)點(diǎn)由MCU、FlexRay通信控制器、總線監(jiān)視器(可選器件)和總線驅(qū)動(dòng)器組成。在本試驗(yàn)中，使用Freescale半導(dǎo)體公司的S12XF開(kāi)發(fā)套裝。這個(gè)開(kāi)發(fā)套裝包含兩個(gè)EVB9S12XF512E開(kāi)發(fā)板，每一個(gè)開(kāi)發(fā)板上都有一個(gè)MC9S12XF512芯片。FlexRay通信控制器是片上集成的，總線驅(qū)動(dòng)使用的是NXP公司生產(chǎn)的TJA1080芯片。

節(jié)點(diǎn)2通過(guò)BDM Multilink仿真器連接計(jì)算機(jī)，通過(guò)FreeMaster仿真工具監(jiān)視每個(gè)周期接收到的脈沖個(gè)數(shù)。

4試驗(yàn)結(jié)果和分析

當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)成功啟動(dòng)后，F(xiàn)lexRay將開(kāi)始通信。節(jié)點(diǎn)1在時(shí)隙1中通過(guò)FlexRay通道A和B發(fā)送方向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào)，節(jié)點(diǎn)2在每個(gè)周期的時(shí)隙1中接收?qǐng)?bào)文信息，并把方向盤(pán)順時(shí)針轉(zhuǎn)角信號(hào)存放在rx_data_1[0]中，方向盤(pán)逆時(shí)針轉(zhuǎn)角信號(hào)存放在rx_data_1[1]中。

圖5和圖6所示為通過(guò)FreeMaster工具觀測(cè)到的方向盤(pán)順時(shí)針和逆時(shí)針轉(zhuǎn)角信號(hào)。

圖5　方向盤(pán)順時(shí)針轉(zhuǎn)角信號(hào)

圖6　方向盤(pán)逆時(shí)針轉(zhuǎn)角信號(hào)

當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，首先順時(shí)針旋動(dòng)方向盤(pán)，20 s之后逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)。從圖5和圖6可以看出，鑒相電路工作正常并能夠區(qū)分方向盤(pán)的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

本試驗(yàn)中，當(dāng)斷開(kāi)FlexRay的通道B時(shí)，并不影響另一個(gè)通道正確傳輸數(shù)據(jù)。然而如果使用CAN進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)只能有一個(gè)通道，當(dāng)斷開(kāi)時(shí)CAN將不能正常工作。試驗(yàn)結(jié)果表明，整個(gè)FlexRay網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)完好并且系統(tǒng)工作正常。

5結(jié)束語(yǔ)

FlexRay是車載通信網(wǎng)絡(luò)即將到來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)，它的主要應(yīng)用領(lǐng)域是X-By-Wire技術(shù)。本文選用線控轉(zhuǎn)向(SBN)系統(tǒng)作為它的應(yīng)用對(duì)象。FlexRay的時(shí)間觸發(fā)工作特性和雙通道傳輸特性使得它在安全關(guān)鍵性報(bào)文信息的傳輸上要優(yōu)于CAN總線，試驗(yàn)結(jié)果表明FlexRay通信網(wǎng)絡(luò)安全可靠。

FlexRay總線具有以下特性：①確定性通信，節(jié)點(diǎn)1在預(yù)定好的時(shí)隙1中發(fā)送報(bào)文信息，節(jié)點(diǎn)2同樣

也在時(shí)隙1中接收?qǐng)?bào)文，這表明基于FlexRay的通信是時(shí)間觸發(fā)的；②可靠性和安全性，斷開(kāi)任何一路傳輸通道并不影響整個(gè)系統(tǒng)的正常工作，這將在硬件冗余上節(jié)省成本。

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中圖分類號(hào)：TH85;TP393

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201508010

修改稿收到日期：2014-12-16。

作者王闖(1983-)，男，2011年畢業(yè)于上海理工大學(xué)檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置專業(yè)，獲碩士學(xué)位，助教；主要從事車載網(wǎng)絡(luò)通信、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的研究。