呂媛媛

(1．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運行控制系統(tǒng)工程技術研究中心，北京 100070)

1 概述

隨著通信系統(tǒng)性能、容量的不斷發(fā)展，CAN總線傳輸數據容量有限、速率較低，已經不能適應目前通信系統(tǒng)大數據的發(fā)展需求，FlexRay作為新一代總線，因其具有高速率、可確定性、容錯性等優(yōu)點，被譽為是CAN總線的升級版。目前FlexRay總線僅在汽車領域應用廣泛，本文將FlexRay總線應用于鐵路信號地面控制系統(tǒng)中的全電子目標控制系統(tǒng)，對于FlexRay總線在鐵路交通信號領域的研究與推廣具有一定的參考意義。

2 FlexRay總線優(yōu)勢

FlexRay總線與傳統(tǒng)的CAN總線相比的優(yōu)點如下。

傳輸速率高。FlexRay總線為硬件雙通道，單通道傳輸速率可達10 Mbit/s，通過配置，也可以 設置為8 Mbit/s、5 Mbit/s、2.5 Mbit/s，提高帶寬的靈活性；雙通道設置為傳輸不同數據幀時，速率可達20 Mbit/s。而CAN總線最高速率為1 Mbit/s，遠遠優(yōu)于CAN總線。

時間確定性準，同時靈活性高。FlexRay總線采用調度表機制，有“時間觸發(fā)”、“事件觸發(fā)”兩種方式。每個通信周期的靜態(tài)段基于“時間觸發(fā)”方式，消息在每個周期中擁有固定位置的時槽，以固定的時序傳輸數據，極大地保證傳輸時間的準確性、通信延遲??；每個通信周期的動態(tài)段采用“事件觸發(fā)”方式，時槽長度可變，帶寬可動態(tài)分配，靈活性好。

容錯性強。FlexRay支持雙通道的互相冗余，通過雙通道傳輸相同的信息來實現冗余備份，在一個通道故障時，另一個通道可以正常運行，不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時，單節(jié)點發(fā)生故障時，總線監(jiān)控器將該節(jié)點斷開，不影響總線上其他節(jié)點正常工作。

載荷容量大。FlexRay幀具有高達254 Byte的數據容量，更適合大容量數據傳輸。

3 Flexray總線協議

FlexRay總線目前只規(guī)定了數據鏈路層和物理層的通信協議。

3.1 網絡拓撲結構

FlexRay可支持各種拓撲結構，如總線型、星型和混合拓撲等。并且節(jié)點可以支持兩個通信通道，可以開發(fā)單信道和雙信道兩種系統(tǒng)。

3.2 數據幀格式

FlexRay數據幀由幀頭、有效數據段和幀尾3部分組成。如圖1所示。

圖1 FlexRay數據幀格式Fig.1 FlexRay data frame format

3.3 通信模式

FlexRay總線是固定周期通信方式。每個通信周期時長可配置，每個通信周期的組成如圖2所示。

圖2 通信周期時間分層Fig.2 Layers for communication cycle time

在靜態(tài)段中，采用時分多址TDMA技術實現時間觸發(fā)。每個節(jié)點擁有固定數量的時槽大小，在這些時槽內，不允許其他節(jié)點傳輸數據，該節(jié)點的數據容量也不能超過這些時槽的長度。這種訪問方法，保證靜態(tài)段中傳輸的特定數據幀在每個周期中擁有固定的位置。動態(tài)段則采用更靈活的時分多址FTDMA技術，各個節(jié)點利用信息 ID（幀ID）中定義好的優(yōu)先級競爭帶寬，保證一些具有高優(yōu)先權的數據能夠在總線忙時也有機會發(fā)送信息。并且時槽長度會按照需要的時間來擴展，因而總線的帶寬是動態(tài)可變動的。

4 系統(tǒng)設計

4.1 網絡結構設計

通用全電子目標控制系統(tǒng)是以全電子的驅動層執(zhí)行模塊為基礎，配備上層安全邏輯平臺，搭建成的一個通用安全控制平臺。該平臺作為若干安全應用的支撐，可以完成諸如聯鎖系統(tǒng)、列控中心等多種安全系統(tǒng)，適用于鐵路及城市軌道交通環(huán)境中。

全電子目標控制系統(tǒng)內的安全相關電子執(zhí)行模塊包含道岔模塊、信號機模塊、輸入輸出模塊、64D模塊等，所有模塊均采用2乘2取2架構進行設計，模塊內部（系內雙CPU間以及雙系間）需具備通信的能力，來實現時鐘同步和數據交互等功能。每次傳輸數據約200 Byte，需要一種高速、可靠的通信結構。

FlexRay具有時間觸發(fā)、高帶寬、靈活性、安全性等優(yōu)點，結合上述原因，全電子系統(tǒng)模塊內部通信網采用FlexRay總線，總線型拓撲結構。4個主控單元CPU作為4個FlexRay節(jié)點進行組網通信，4個CPU均可以互相通信；雙通道冗余工作，數據雙份傳輸；整個網絡平臺設計通信速率為10 Mbit/s。模塊間網絡拓撲結構如圖3所示。

圖3 模塊網絡拓撲結構Fig.3 Module network topology

4.2 硬件設計

在全電子目標控制系統(tǒng)中，主控芯片采用TI公司的TMS570LS3137，內部集成FlexRay通信控制器，支持FlexRay V2.1版本協議；物理層收發(fā)器驅動芯片采用NXP公司的TJA1082，用于實現FlexRay信號的轉換。FlexRay節(jié)點結構框如圖4所示。

圖4 FlexRay節(jié)點結構Fig.4 FlexRay node structure

TJA1082與TMS570LS3137之間的接口電路簡單，接口信號主要有發(fā)送/接收管腳TXD/RXD、發(fā)送使能腳TXEN、總線檢測使能管腳BGE、工作模式控制管腳STBN、故障指示管腳ERRN等，BP、BM為差分輸出線。電路如圖5所示。

圖5 FlexRay節(jié)點硬件電路Fig.5 FlexRay node hardware circuit

4.3 軟件設計

FlexRay節(jié)點軟件設計主要包含節(jié)點初始化、發(fā)送數據、接收數據3部分。

4.3.1 節(jié)點參數設置

在FlexRay通信流程中，節(jié)點的配置和狀態(tài)控制是關鍵。節(jié)點初始化配置主要流程如圖6所示。

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

FlexRay節(jié)點配置參數：一類參數是根據實際應用的系統(tǒng)對于通信速率、數據容量等需求以及系統(tǒng)自身的功能要求而確定的；另一類參數是與FlexRay總線結構、硬件元件性能、物理層特性等相關，根據FlexRay協議規(guī)定的計算公式或約束條件計算得到的。同時，全電子目標控制系統(tǒng)的設計需求為：內部通信周期32 ms、通道冗余傳輸、每個CPU數據類型兩種（CPU間/系間）等。

綜上而言，設計的基本參數如表1所示。

表1 FlexRay基本網絡參數設置Tab.1 FlexRay basic network parameter

4.3.2 發(fā)送/接收數據流程

全電子目標控制系統(tǒng)采用了uc/os II操作系統(tǒng)，多任務并行方式運行。

內部通信發(fā)送數據時，根據發(fā)送方序列號、接收方上一次序列號、源系統(tǒng)ID等數據，在“內部通信發(fā)送任務”中，通過FlexRay發(fā)送函數發(fā)送出去。

內部通信接收數據時，采用中斷接收方式。首先，接收到CPU間或系間數據時會中斷CPU；然后，在中斷服務程序中完成數據接收，包括：讀取FlexRay Buffer編號確認數據類型，把接收數據拷貝到內部通信緩存隊列，Post內部通信信號量觸發(fā)“內部通信接收處理任務”；最后，在“內部通信接收處理任務”中完成數據解析過程及存儲過程。

同時，考慮到安全性，在“自檢任務”中，會定周期執(zhí)行FlexRay節(jié)點號自檢?？偩€上的每個節(jié)點都有可能變化，為了防止節(jié)點沖突，需要周期對節(jié)點號自檢。若被竄改，需要重新設定為原始節(jié)點號。

4.3.3 仿真分析

由于FlexRay網絡參數多、手動配置非常繁瑣復雜、總線數據抓包分析困難，為簡化設計分析過程，在設計中借助Vector公司的一系列FlexRay工具。首先使用Network Designer FlexRay定義網絡參數、節(jié)點、報文、信號、映射關系，將配置好的協議參數寫入TMS570LS3137相關協議參數寄存器中，生成FIBEX格式調度表；然后將調度表導入CANoe.FlexRay，進行節(jié)點測試、仿真和分析：跟蹤總線數據傳輸、顯示報文的交互式發(fā)送、總線負載及干擾統(tǒng)計、診斷測試等。

5 結語

FlexRay總線作為新一代的汽車總線，已經在汽車車載通信領域得到廣泛應用。本文借助其總線優(yōu)勢將其應用在全電子目標控制系統(tǒng)，根據系統(tǒng)應用條件給出了設計方案，來提高系統(tǒng)的實時性、可靠性和安全性。同時表明FlexRay總線在鐵路信號領域中有著很好的應用前景。