劉曉冬

(1．北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

1 概述

設(shè)計(jì)FlexRay總線的硬件接口電路和軟件流程圖，并將其應(yīng)用到計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中[1]。

在鐵路信號(hào)設(shè)備中，聯(lián)鎖設(shè)備是保證行車安全的重要基礎(chǔ)裝備。從早期6502繼電聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)展到計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的過程中，越來越多的新技術(shù)被運(yùn)用到鐵路信號(hào)設(shè)備中。新技術(shù)的使用，既保證了行車安全，又極大提高了行車效率。

本文在比較幾種聯(lián)鎖設(shè)備上常用的通信總線的基礎(chǔ)上，介紹了一種新的車載通信總線FlexRay，

2 常用通信總線的比較

目前，在計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中，主要采用的通信總線有RS-422/485、CAN總線和以太網(wǎng)總線等。其中，聯(lián)鎖與CTC采用RS-422接口；聯(lián)鎖與軌旁設(shè)備采用CAN總線通信；聯(lián)鎖站間、聯(lián)鎖與RBC、聯(lián)鎖與計(jì)軸采用以太網(wǎng)通信等。這幾種接口總線的主要特點(diǎn)如下。

1) RS-422

RS-422是一種單點(diǎn)發(fā)送、多點(diǎn)接收的單向、平衡傳輸規(guī)范接口，傳輸速率最高達(dá)10 Mbit/s，傳輸距離達(dá)3 000 m（速率低于100 kbit/s時(shí)），并允許在一條平衡總線上最多連接10個(gè)接收器。

2) RS-485

RS-485是在RS-422基礎(chǔ)上制定的，增加了多點(diǎn)、雙向通信能力，允許多個(gè)發(fā)送器連接到同一條總線上，提高了發(fā)送器的驅(qū)動(dòng)能力，增加了沖突保護(hù)特性等，其傳輸速率最高達(dá)10 Mbit/s，最多連接32個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3) CAN

CAN總線是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)級(jí)總線[2]，具有可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性高的優(yōu)點(diǎn)，采用多主方式工作，節(jié)點(diǎn)可設(shè)置優(yōu)先級(jí)，糾錯(cuò)機(jī)制可保證數(shù)據(jù)出錯(cuò)機(jī)率低，單個(gè)節(jié)點(diǎn)故障后自動(dòng)關(guān)閉，不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，其最高傳輸速率為1 Mbit/s，最多連接110個(gè)節(jié)點(diǎn)。

4) 以太網(wǎng)

以太網(wǎng)是一種標(biāo)準(zhǔn)的開放式網(wǎng)絡(luò)[3]，具有傳輸速率高（千兆網(wǎng)），距離長(zhǎng)，成本低，易于組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)。以太網(wǎng)具有沖突檢測(cè)機(jī)制，因而無(wú)法保證通信的實(shí)時(shí)性，屬于非穩(wěn)定性的網(wǎng)絡(luò)。此外，以太網(wǎng)采用超時(shí)重發(fā)機(jī)制，單點(diǎn)故障容易擴(kuò)散導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓，存在網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴和非法入侵等問題。

上述4種接口總線中，以CAN和以太網(wǎng)總線的應(yīng)用最廣。其中，CAN總線主要應(yīng)用在對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高而通信速率和通信容量要求不高的場(chǎng)合，以太網(wǎng)總線則主要應(yīng)用在高速率大通訊量的場(chǎng)合，RS-422/485因無(wú)法滿足實(shí)時(shí)性等要求，在聯(lián)鎖設(shè)備上應(yīng)用越來越少。

3 FlexRay總線介紹

與CAN總線類似，F(xiàn)lexRay總線也是由汽車廠商制定和推廣。2000年的9月，寶馬和戴姆勒克萊斯勒聯(lián)合飛利浦和摩托羅拉成立了FlexRay聯(lián)盟，之后，世界上主要的半導(dǎo)體和電子系統(tǒng)生產(chǎn)商都加入了這個(gè)聯(lián)盟，共同制定FlexRay總線的技術(shù)規(guī)范，目前FlexRay協(xié)議規(guī)范V3.0.1版本已經(jīng)發(fā)布。

目前，F(xiàn)lexRay總線已經(jīng)在高級(jí)轎車上推廣使用，其主要特點(diǎn)如下[4]。

1) 傳輸速率高

FlexRay總線采用雙通道設(shè)計(jì)，每個(gè)通道最高速率為10 Mbit/s，既可以像CAN總線一樣采用單通道運(yùn)行，又可以采用雙通道運(yùn)行，最高傳輸速率可以達(dá)到20 Mbit/s，是CAN總線的20倍。

2) 時(shí)鐘同步

FlexRay總線是基于時(shí)鐘同步進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，該時(shí)鐘通過協(xié)議自動(dòng)建立和同步，并提供給應(yīng)用層。時(shí)鐘的精度介于0.5 μs和10 μs之間。由于采用時(shí)鐘同步，消息在通信周期中擁有固定位置，接收器可提前預(yù)知消息的到達(dá)時(shí)間，因此可以可靠、準(zhǔn)確地傳送安全相關(guān)的信息。

3) 高容錯(cuò)

FlexRay總線采用雙通道通信，通過硬件冗余備份的方法實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)；物理層總線監(jiān)控器可對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障無(wú)法正常收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，總線監(jiān)控器將通信控制器和總線斷開，避免影響其他節(jié)點(diǎn)的工作；當(dāng)使用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，星形連接器本身具備故障隔離功能，一旦發(fā)生意外情況，可以有選擇的切斷有故障的星型支路；此外，F(xiàn)lexRay總線使用24位循環(huán)冗余校驗(yàn) (Cyclic redundancy cheek，CRC)對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行檢錯(cuò)。

4) 靈活性

FlexRay總線帶寬可調(diào)、提供消息冗余傳輸和非冗余傳輸兩種方案；支持總線、星型或二者混合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可采用時(shí)間觸發(fā)和事件觸發(fā)相結(jié)合的通信方式；FlexRay總線提供了大量的配置參數(shù)（如通信周期的持續(xù)時(shí)間、消息長(zhǎng)度等），支持對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，以滿足不同的應(yīng)用需求。

綜上所述，支持高吞吐量、滿足實(shí)時(shí)性要求、具備高容錯(cuò)性和應(yīng)用靈活等特點(diǎn)的FlexRay總線在安全應(yīng)用中具有巨大的優(yōu)勢(shì)。

4 FlexRay總線軟硬件設(shè)計(jì)

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

FlexRay總線以其傳輸速率高、實(shí)時(shí)性好、容錯(cuò)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可以滿足計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的通信需求。本設(shè)計(jì)將FlexRay總線應(yīng)用于計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的邏輯單元中，作為雙CPU間和系間的通信總線。邏輯單元由二取二主控制單元組成，通過系間通信總線與另一系邏輯單元進(jìn)行通信，形成二乘二取二結(jié)構(gòu)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

如果現(xiàn)場(chǎng)被抽中人員不在場(chǎng)，主持人繼續(xù)主持抽獎(jiǎng)，直到獎(jiǎng)品被現(xiàn)場(chǎng)的人員領(lǐng)完為止(主持人在邀請(qǐng)讀者上臺(tái)抽獎(jiǎng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)提醒讀者待主持人確認(rèn)中獎(jiǎng)人員在場(chǎng)后，再進(jìn)行下一輪抽獎(jiǎng)，屏幕上也需要彈出一條信息提醒邀請(qǐng)的抽獎(jiǎng)讀者確認(rèn)中獎(jiǎng)的人員是否在場(chǎng))(注：抽獎(jiǎng)的大屏在閑時(shí)：左側(cè)滾動(dòng)顯示已被用戶薦購(gòu)的圖書，右邊邊滾動(dòng)已經(jīng)關(guān)注微信公眾號(hào)的用戶，屏幕滾動(dòng)頻率大約7s～10s一次)。

圖1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 Topological structure diagram

4.2 硬件設(shè)計(jì)

1) 器件選型

選擇TI公司內(nèi)置雙通道FlexRay控制器的TMS570系列的CPU，該芯片集成了ARM Cortex-R4F 32位RISC CPU，具有豐富的外設(shè)接口，如ADC、I/O輸入輸出、以太網(wǎng)等，可以滿足采集、控制和通信等功能需求。

選擇NXP公司的TJA1082作為FlexRay節(jié)點(diǎn)收發(fā)器[5]，符合FlexRay電氣物理層規(guī)范V3.0.1，數(shù)據(jù)傳輸速率可選2.5 Mbit/s、5 Mbit/s和10 Mbit/s，并為FlexRay網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)議控制器和物理總線之間提供了高級(jí)接口；TJA1082為網(wǎng)絡(luò)提供差分傳輸功能，為FlexRay控制器提供差分接收功能，當(dāng)差分電壓為400 mV時(shí)支持60 ns的最小位時(shí)間；可主動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)性能，同時(shí)進(jìn)行內(nèi)部電壓和溫度監(jiān)控等。

2) 電路設(shè)計(jì)

由于選擇了內(nèi)置FlexRay控制器的CPU，因此外圍僅需節(jié)點(diǎn)收發(fā)器和節(jié)點(diǎn)總線匹配電路即可，電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單可靠，所需器件較少。

3) 總線匹配

根據(jù)FlexRay總線物理層應(yīng)用筆記，推薦采用共模扼流圈和拆分終端（Split Termination）的方式實(shí)現(xiàn)總線匹配[6]。通過增加共模電感改進(jìn)發(fā)射和抗干擾性能，在FlexRay總線節(jié)點(diǎn)上將匹配電阻拆分為兩個(gè)阻值一樣的電阻，兩個(gè)電阻之間通過一個(gè)電容接地，以獲得更好的EMC性能。對(duì)于共模電感的選型，要求電感量不小于100 μH，直流電阻值小于1.5 Ω，雜散電感小于1 μH；拆分終端的兩個(gè)電阻值小于10 Ω，電容選擇4 700 pF。

綜上，F(xiàn)lexRay總線的外圍接口硬件電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

4.3 軟件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)前，需要確定主要的協(xié)議參數(shù)[8]，具體如表1所示。

表1 FlexRay總線協(xié)議參數(shù)Tab.1 FlexRay bus protocol parameters

1)節(jié)點(diǎn)初始化流程圖

圖2 FlexRay總線接口硬件電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of FlexRay bus interface hardware circuit

圖3 FlexRay節(jié)點(diǎn)初始化流程圖Fig.3 Initialization flowchart of FlexRay node

FlexRay總線節(jié)點(diǎn)的初始化流程如圖3所示，初始化主要完成FlexRay網(wǎng)絡(luò)通信之間的喚醒、啟動(dòng)和時(shí)間同步，是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)正常通信的前提。

2)數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

FlexRay總線通信是基于時(shí)間觸發(fā)，每一個(gè)發(fā)送時(shí)槽對(duì)應(yīng)一個(gè)中斷，當(dāng)對(duì)應(yīng)的發(fā)送時(shí)槽到來時(shí)，由FlexRay模塊自動(dòng)置位中斷，進(jìn)入對(duì)應(yīng)時(shí)槽的中斷服務(wù)程序后，調(diào)用發(fā)送函數(shù)。在發(fā)送操作之前，需要鎖住存儲(chǔ)待發(fā)送數(shù)據(jù)的緩沖器，保證對(duì)該緩沖器的配置在發(fā)送過程中不會(huì)發(fā)生改變，防止發(fā)送錯(cuò)誤。發(fā)送結(jié)束后，再釋放該緩沖器。具體的數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖4所示。

3)數(shù)據(jù)接收流程圖

同樣的，每一個(gè)接收時(shí)槽對(duì)應(yīng)一個(gè)中斷，接收時(shí)槽接收數(shù)據(jù)完畢并確認(rèn)有效后，由FlexRay模塊自動(dòng)產(chǎn)生相應(yīng)的接收中斷，進(jìn)入對(duì)應(yīng)時(shí)槽的中斷服務(wù)程序后，調(diào)用接收函數(shù)。在接收之前需要鎖住接收緩沖器，在確認(rèn)為數(shù)據(jù)幀后，讀取接收緩存器中的數(shù)據(jù)與幀長(zhǎng)度，最后解鎖接收緩沖器。具體的數(shù)據(jù)接收流程如圖5所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)比分析計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)上常用的幾種總線，總結(jié)FlexRay總線的主要特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種實(shí)用的接口電路，制定主要的軟件流程圖，相關(guān)的軟硬件設(shè)計(jì)已經(jīng)在計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備上得到使用，并已在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行。實(shí)踐證明，F(xiàn)lexRay總線可以替代CAN總線，運(yùn)用到鐵路信號(hào)設(shè)備中。

圖4 FlexRay節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖Fig.4 Data transmission flowchart of FlexRay node

圖5 FlexRay節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)接收流程圖Fig.5 Data reception flowchart of FlexRay node