FlexRay總線在全電子計算機聯鎖系統中的應用研究

蘭州交通大學光電技術與智能控制教育部重點實驗室 張 峰

中鐵工程設計咨詢集團濟南分院 趙 陽

中國人民解放軍68016部隊 楊 瀟

1.引言

在基于二乘二取二全電子計算機聯鎖系統中信號設備全電子執行單元與聯鎖機及維修監測機之間采用CAN總線進行數據通信[1]，但CAN總線本身傳輸速率不高，最高只達1Mbits/s，且通信格式采用短幀格式（每幀數據段不超過8個字節），數據容量較小。此外CAN總線采用事件觸發方式，高優先級的消息先于低優先級消息訪問總線，低優先級消息不可避免產生傳輸延時。隨著高優先級消息數目的增多，響應時間呈逐漸上升趨勢，實時性降低。FlexRay總線作為新一代的汽車總線通信協議，克服了CAN總線的不足，以其自身的優勢被譽為是可以逐步取代CAN總線協議的新一代的汽車總線[2]。

2.FlexRay總線主要特性

FlexRay與傳統的CAN總線相比，在通信速率、實時性、容錯性及有效數據容量等方面具有巨大的優勢。

(1)通信速率高。FlexRay總線單通道速度可達10Mbits/s，雙通道在傳輸不同的信息時，速率可達到20Mbits/s。通過對總線控制器的配置，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)實時性好。FlexRay總線采用周期循環通信，周期循環中的靜態段基于時間觸發技術，可傳輸實時性要求較高的特定消息，消息在周期循環中擁有固定的位置，即接收器已預知消息到達的時間，且到達時間的臨時偏差幅度較小[4]102。

(3)容錯性強。單通道通信時可接獨立的物理層總線監控器，當節點發生故障不能正常接收或發送數據時，總線監控器將通信控制器和總線斷開，不影響其他節點工作；雙通道通信通過傳輸相同的信息來實現冗余容錯，保證系統正常運行不影響系統的穩定性。

(4)有效載荷數據容量大。FlexRay幀數據結構復雜，單幀高達254字節的數據容量，更加適合多信息的消息傳輸，能實現比CAN幀更多的功能。

3.全電子計算機聯鎖系統

3.1 FlexRay通信網絡結構設計

全電子執行單元與聯鎖機、維修監測機之間通信采用總線型拓撲。

道岔、信號機、軌道電路等全電子執行單元作為FlexRay網絡子節點，聯鎖機作為主控節點。采用冗余總線FlexRay A，FlexRay B通信，分別接收聯鎖運算結果，進行與邏輯控制輸出，并實時采集設備狀態反饋給聯鎖主機。此外，通過檢測總線FlexRay C將設備各種狀態參數傳送給維修監測機。如圖1所示。

圖1 全電子計算機聯鎖FlexRay總線拓撲

3.2 基于FlexRay總線的全電子執行單元通信節點硬件組成及軟件設計

信號設備全電子執行單元包括道岔執行單元，信號執行單元，軌道執行單元等[5]。以道岔執行單元做一個詳細的介紹，其他執行單元類似。

3.2.1 道岔執行單元通信節點硬件組成

基于FlexRay總線的道岔執行單元與基于二乘二取二全電子計算機聯鎖系統中信號設備全電子執行單元最根本的區別在于通信接口結構的不同。如圖2所示。

圖2 道岔執行單元通信接口基本結構

MCU采用Freescale公司的內建單/雙通道FlexRay V2.1的新系列16位車用微控制器MC9S12XF512，它集成了FlexRay通信控制器和獨立總線控制器，一方面簡化可硬件和軟件設計，另一方面，提高了硬件電路的抗干擾性，滿足系統對于高性能，高可靠性和高穩定性的要求[6]；總線收發器采用Philips公司的TJA1080，它集成了總線監視器和總線驅動器；在MCU和總線收發器之間加入光電耦合器，實現良好的電氣隔離。

3.2.2 道岔執行單元通信節點軟件設計

道岔執行單元通信節點參與總線通信之前，需要對其進行一系列的初始化操作，包括FlexRay模塊配置，FlexRay協議參數配置和信息緩沖器配置[7]。

FlexRay模塊配置主要完成三項主要任務，一是FlexRay模塊及其存儲器的基址映射的配置；二是配置通信信道單雙與否、選擇時鐘信號以及同步幀濾波；三是復位通信控制器。然后POCR_POCCMD=0x0010使能FlexRay模塊，進入協議配置狀態POC:config。

FlexRay協議參數配置是將協議參數配置到PCR0-PCR30著31個協議參數寄存器中.協議參數包括通信周期；通信速率；靜態段；動態段、標識窗的時間寬度；MT的時長；μT的時長等。所有的參數的最終確定需根據實際系統調試測試結果進行必要的優化。

信息緩沖器配置包括獨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。以便確定有效數據幀的接收和發送。

配置結束后，POCR_POCCMD=0x0100，并等待進入POC:ready狀態，此時便完成了道岔模塊FlexRay節點的初始化，并整合進電子計算機聯鎖系統的FlexRay通信網絡中，等待主節點聯鎖機發出有效操作命令。FlexRay模塊的初始化的軟件流程圖如圖3所示。

4.總結

FlexRay總線作為新一代總線，已經在寶馬5系及奧迪A8等中實現應用，本文將其傳輸速率高，實時性好，傳輸數據容量大等優勢應用于全電子計算機計算機聯鎖系統中，以提高系統的實時性，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算機聯鎖系統[J].中國鐵道科學,2010,31(2).

[2]徐志俊,鐘再敏.FlexRay總線在工業自動化領域的應用展望[J].工業控制計算機,2008,21(5):1.

[3]陳智琦,羅峰,陳覺曉,等.FlexRay特性分析及應用實現[D].2007中國汽車工程學會年會論文集[M].北京:機械工業出版社,2007:1203.

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

[5]魏文君,范多旺.鐵路車站全電子計算機聯鎖系統的研究與設計[J].自動化與儀器儀表,2007,3.

[6]牛志剛,肖昆,王健林,等.FlexRay總線在店里系統繼電保護裝置中的應用[J].電力系統保護與控制,2010,16(38).

[7]龐瑞.FlexRay總線的研究及其在線控轉向系統中的應用[D].重慶郵電大學,2011:56-63.