蘭州交通大學(xué)光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 張 峰

中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)濟(jì)南分院 趙 陽(yáng)

中國(guó)人民解放軍68016部隊(duì) 楊 瀟

1.引言

在基于二乘二取二全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中信號(hào)設(shè)備全電子執(zhí)行單元與聯(lián)鎖機(jī)及維修監(jiān)測(cè)機(jī)之間采用CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[1]，但CAN總線本身傳輸速率不高，最高只達(dá)1Mbits/s，且通信格式采用短幀格式（每幀數(shù)據(jù)段不超過(guò)8個(gè)字節(jié)），數(shù)據(jù)容量較小。此外CAN總線采用事件觸發(fā)方式，高優(yōu)先級(jí)的消息先于低優(yōu)先級(jí)消息訪問(wèn)總線，低優(yōu)先級(jí)消息不可避免產(chǎn)生傳輸延時(shí)。隨著高優(yōu)先級(jí)消息數(shù)目的增多，響應(yīng)時(shí)間呈逐漸上升趨勢(shì)，實(shí)時(shí)性降低。FlexRay總線作為新一代的汽車(chē)總線通信協(xié)議，克服了CAN總線的不足，以其自身的優(yōu)勢(shì)被譽(yù)為是可以逐步取代CAN總線協(xié)議的新一代的汽車(chē)總線[2]。

2.FlexRay總線主要特性

FlexRay與傳統(tǒng)的CAN總線相比，在通信速率、實(shí)時(shí)性、容錯(cuò)性及有效數(shù)據(jù)容量等方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)。

(1)通信速率高。FlexRay總線單通道速度可達(dá)10Mbits/s，雙通道在傳輸不同的信息時(shí)，速率可達(dá)到20Mbits/s。通過(guò)對(duì)總線控制器的配置，總線亦可在8Mbits/s、5Mbits/s、2.5Mbits/s的速率下工作，提高了帶寬的靈活性[3]。

(2)實(shí)時(shí)性好。FlexRay總線采用周期循環(huán)通信，周期循環(huán)中的靜態(tài)段基于時(shí)間觸發(fā)技術(shù)，可傳輸實(shí)時(shí)性要求較高的特定消息，消息在周期循環(huán)中擁有固定的位置，即接收器已預(yù)知消息到達(dá)的時(shí)間，且到達(dá)時(shí)間的臨時(shí)偏差幅度較小[4]102。

(3)容錯(cuò)性強(qiáng)。單通道通信時(shí)可接獨(dú)立的物理層總線監(jiān)控器，當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障不能正常接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，總線監(jiān)控器將通信控制器和總線斷開(kāi)，不影響其他節(jié)點(diǎn)工作；雙通道通信通過(guò)傳輸相同的信息來(lái)實(shí)現(xiàn)冗余容錯(cuò)，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(4)有效載荷數(shù)據(jù)容量大。FlexRay幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單幀高達(dá)254字節(jié)的數(shù)據(jù)容量，更加適合多信息的消息傳輸，能實(shí)現(xiàn)比CAN幀更多的功能。

3.全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)

3.1 FlexRay通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

全電子執(zhí)行單元與聯(lián)鎖機(jī)、維修監(jiān)測(cè)機(jī)之間通信采用總線型拓?fù)洹?/p>

道岔、信號(hào)機(jī)、軌道電路等全電子執(zhí)行單元作為FlexRay網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點(diǎn)，聯(lián)鎖機(jī)作為主控節(jié)點(diǎn)。采用冗余總線FlexRay A，F(xiàn)lexRay B通信，分別接收聯(lián)鎖運(yùn)算結(jié)果，進(jìn)行與邏輯控制輸出，并實(shí)時(shí)采集設(shè)備狀態(tài)反饋給聯(lián)鎖主機(jī)。此外，通過(guò)檢測(cè)總線FlexRay C將設(shè)備各種狀態(tài)參數(shù)傳送給維修監(jiān)測(cè)機(jī)。如圖1所示。

圖1 全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖FlexRay總線拓?fù)?/p>

3.2 基于FlexRay總線的全電子執(zhí)行單元通信節(jié)點(diǎn)硬件組成及軟件設(shè)計(jì)

信號(hào)設(shè)備全電子執(zhí)行單元包括道岔執(zhí)行單元，信號(hào)執(zhí)行單元，軌道執(zhí)行單元等[5]。以道岔執(zhí)行單元做一個(gè)詳細(xì)的介紹，其他執(zhí)行單元類似。

3.2.1 道岔執(zhí)行單元通信節(jié)點(diǎn)硬件組成

基于FlexRay總線的道岔執(zhí)行單元與基于二乘二取二全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中信號(hào)設(shè)備全電子執(zhí)行單元最根本的區(qū)別在于通信接口結(jié)構(gòu)的不同。如圖2所示。

圖2 道岔執(zhí)行單元通信接口基本結(jié)構(gòu)

MCU采用Freescale公司的內(nèi)建單/雙通道FlexRay V2.1的新系列16位車(chē)用微控制器MC9S12XF512，它集成了FlexRay通信控制器和獨(dú)立總線控制器，一方面簡(jiǎn)化可硬件和軟件設(shè)計(jì)，另一方面，提高了硬件電路的抗干擾性，滿足系統(tǒng)對(duì)于高性能，高可靠性和高穩(wěn)定性的要求[6]；總線收發(fā)器采用Philips公司的TJA1080，它集成了總線監(jiān)視器和總線驅(qū)動(dòng)器；在MCU和總線收發(fā)器之間加入光電耦合器，實(shí)現(xiàn)良好的電氣隔離。

3.2.2 道岔執(zhí)行單元通信節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

道岔執(zhí)行單元通信節(jié)點(diǎn)參與總線通信之前，需要對(duì)其進(jìn)行一系列的初始化操作，包括FlexRay模塊配置，F(xiàn)lexRay協(xié)議參數(shù)配置和信息緩沖器配置[7]。

FlexRay模塊配置主要完成三項(xiàng)主要任務(wù)，一是FlexRay模塊及其存儲(chǔ)器的基址映射的配置；二是配置通信信道單雙與否、選擇時(shí)鐘信號(hào)以及同步幀濾波；三是復(fù)位通信控制器。然后POCR_POCCMD=0x0010使能FlexRay模塊，進(jìn)入?yún)f(xié)議配置狀態(tài)POC:config。

FlexRay協(xié)議參數(shù)配置是將協(xié)議參數(shù)配置到PCR0-PCR30著31個(gè)協(xié)議參數(shù)寄存器中.協(xié)議參數(shù)包括通信周期；通信速率；靜態(tài)段；動(dòng)態(tài)段、標(biāo)識(shí)窗的時(shí)間寬度；MT的時(shí)長(zhǎng)；μT的時(shí)長(zhǎng)等。所有的參數(shù)的最終確定需根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)調(diào)試測(cè)試結(jié)果進(jìn)行必要的優(yōu)化。

信息緩沖器配置包括獨(dú)立的信息緩沖器配置，接收屏蔽緩沖器配置和先入先出緩沖器（FIFOS）配置。以便確定有效數(shù)據(jù)幀的接收和發(fā)送。

配置結(jié)束后，POCR_POCCMD=0x0100，并等待進(jìn)入POC:ready狀態(tài)，此時(shí)便完成了道岔模塊FlexRay節(jié)點(diǎn)的初始化，并整合進(jìn)電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的FlexRay通信網(wǎng)絡(luò)中，等待主節(jié)點(diǎn)聯(lián)鎖機(jī)發(fā)出有效操作命令。FlexRay模塊的初始化的軟件流程圖如圖3所示。

4.總結(jié)

FlexRay總線作為新一代總線，已經(jīng)在寶馬5系及奧迪A8等中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，本文將其傳輸速率高，實(shí)時(shí)性好，傳輸數(shù)據(jù)容量大等優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于全電子計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中，以提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，可靠性和安全性。

[1]陳光武,范多旺,魏宗壽,等.基于二乘二取二的全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2010,31(2).

[2]徐志俊,鐘再敏.FlexRay總線在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用展望[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2008,21(5):1.

[3]陳智琦,羅峰,陳覺(jué)曉,等.FlexRay特性分析及應(yīng)用實(shí)現(xiàn)[D].2007中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007:1203.

[4]FlexRay Communications Protocol Specification V2.1 Rev.A.

[5]魏文君,范多旺.鐵路車(chē)站全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2007,3.

[6]牛志剛,肖昆,王健林,等.FlexRay總線在店里系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,16(38).

[7]龐瑞.FlexRay總線的研究及其在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].重慶郵電大學(xué),2011:56-63.