FlexRay總線在線控轉向系統中的應用研究

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

王　闖

(許昌學院信息工程學院，河南 許昌　461000)

FlexRay總線在線控轉向系統中的應用研究

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

王闖

(許昌學院信息工程學院，河南 許昌461000)

摘要：針對線控轉向系統對車載網絡的實時性、確定性和高可靠性通信的要求，設計了基于FlexRay總線的線控轉向系統。FlexRay線控轉向系統的研究分為方向盤力反饋路感和方向盤對前輪的控制這兩個部分，重點研究了方向盤對前輪的控制部分。通過配置FlexRay網絡參數和分配兩個FlexRay節點的任務，對搭建的線控轉向系統進行了在線監測。試驗結果表明了FlexRay總線應用于線控轉向系統的可靠性和安全性，適合作為線控轉向系統通信網絡的標準。

關鍵詞：FlexRay線控轉向時間觸發協議光電編碼器步進電機

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

汽車未來的發展方向是電氣化、網絡化和智能化。這些發展趨勢會促使目前轉向系統中的機械和液壓轉向系統向電子轉向系統發展，從而提出了線控轉向(steer-by-wire,SBW)系統[1]。與傳統的機械轉向系統相比，線控轉向系統在信號傳輸上需要更高的安全性和可靠性。

FlexRay作為下一代車載網絡的標準之一，它的雙通道架構提供了足夠的安全冗余來支持安全相關系統的可靠要求。FlexRay總線每個通道的數據傳輸速度能達到10 Mbit/s。通過和CAN、LIN等網絡結合在一起工作，FlexRay不僅能減少使用并行CAN網絡通信來解決帶寬瓶頸問題，還能降低設計成本[2]。

雖然針對FlexRay通信機制的理論研究已經開展多年，但是對其應用研究卻剛剛開始。本文在介紹FlexRay總線協議規范的基礎上，提出了一種建立在FlexRay總線基礎上的線控轉向系統，將FlexRay總線作為線控轉向系統的通信網絡。FlexRay線控轉向系統的研究分為方向盤力反饋路感和方向盤對前輪的控制這兩個部分，本文重點研究了方向盤對前輪的控制部分。

本文結構如下：首先簡要介紹了FlexRay通信協議特點；然后描述了測量方向盤轉角使用的工具和方法，同時配置了FlexRay的通信參數；最后以實驗室搭建的線控轉向系統為例，測試了這種基于FlexRay的線控轉向系統的性能。

1FlexRay概述

一個FlexRay幀由3部分組成，分別是頭部段、負載段和尾部段，如圖1所示。

FlexRay網絡上的通信節點在發送一個報文幀時先發送頭部段，再發送負載段，最后是尾部段。

在FlexRay協議中，其媒體訪問控制方式是基于循環的通信周期。在一個通信周期內，FlexRay提供兩種媒體訪問方式：靜態段的時分多路訪問(time division multiple access，TDMA)方式和動態段的基于最小時隙的柔性時分多路(flexible time division multiple access，FTDMA)訪問方式[3]。每一個通信周期包括靜態段、動態段、符號窗口和網絡空閑時間。

無論在通信周期靜態段中是否有報文通過總線發送數據，靜態段的時隙個數都是定值，并且每個靜態時隙的長度值相同。在通信開始前，每一個時隙都應該分配給節點，并且一個或多個時隙可以安排在一個節點，但是這個節點只允許發送數據而不能接收數據。通信周期的靜態段是時間觸發的，每一個節點提前知道報文的發送時間和報文的接收時間。整個靜態段的通信是確定的和有保證的，而動態段的長度可變，它專門用來給非關鍵性和隨機發生的報文使用。

與CAN總線相比，FlexRay總線的劣勢是必須要有啟動程序，以及在運行時不可重新配置[4]。基于TDMA的通信方案要求在一個簇中的所有參與通信的節點都要同步和校正。所有節點都要初始化同步為容錯和分布式啟動模式。這個初始化啟動過程叫做冷啟動。當一個簇中的節點個數少于3個時，那么每個節點都將是一個冷啟動節點，每個啟動幀也將是一個同步幀。因此，每一個冷啟動節點同時也是一個同步節點。

更多關于FlexRay總線的信息，可以在FlexRay協議規范里面查找[5]。

圖1　FlexRay幀格式

2線控轉向系統轉向角的測量

2.1　線控轉向系統架構

本文中設計的線控轉向系統由轉向盤節點(節點1)、前輪執行機構節點(節點2)和FlexRay通信網絡組成。文獻[6]中已經闡述了基于FlexRay的線控轉向系統的工作原理。從中可以看出線控轉向系統是一個非常復雜的系統。因此,本文只研究測量方向盤轉角信號,并通過FlexRay網絡傳輸方向盤轉角信號，然后實時評估FlexRay的傳輸，通過FreeMASTER工具監測接收到的轉角信號。圖2是一個簡易的線控轉向系統原理圖。由圖2可以看出，只研究如何檢測轉向盤模塊的轉向角和如何通過FlexRay通信網絡將轉向角信號從節點1傳輸至節點2。

圖2　線控轉向系統

2.2　硬件組成

用于測量方向盤轉角和方向的設備是增量式光電編碼器(ISC3806)，使用的光電編碼器有3個輸出信號：A相、B相和Z相。每旋轉一圈，A相和B相將輸出360個方波脈沖信號。編碼器用來跟蹤運動并且可以決定位置和速率。編碼器連接在轉向盤的末端，它根據光電轉換原理能夠將方向盤轉角信號轉換為數字脈沖信號。

系統使用正交輸出的A相輸出和B相輸出，因為它們之間的相位差為90°。當順時針旋轉編碼器時，A相超前B相90°；當逆時針旋轉編碼器時，B相超前A相90°。根據這個原理，就可以判斷方向盤的轉角方向。

為了測量順時針旋轉方向盤和逆時針旋轉方向盤時的脈沖個數，使用參考文獻[7]中設計的鑒相電路。經過鑒相電路的處理，輸出的脈沖信號在同一時間只能有一個輸出信號改變。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D觸發器和6個與門組成，并且有4個輸入信號，分別是A、B、IA和IB。其中A和B是光電編碼器的輸出信號，IA和IB是A相和B相的反向信號。

經過鑒相電路處理后，當順時針旋轉方向盤時，只有P20口輸出脈沖信號，P27口輸出低電平；當逆時針旋轉方向盤時，只有P27口輸出脈沖信號，P20口輸出低電平信號。鑒相電路仿真結果圖如圖4所示。從圖4可以看出，當逆時針旋轉方向盤時，只有P27口輸出信號，因此這個鑒相電路符合設計要求。

圖4　鑒相電路仿真圖

MC9S12XF512是Freescale公司生產的、內嵌FlexRay模塊的單片機[8]。利用MCU上集成的兩個16位脈沖累加器PACA和PACB，就可以計算接收到的脈沖個數，即方向盤的轉向角度。當順時針旋轉方向盤時，脈沖累加器PACB的計數寄存器PACN10的脈沖個數增加。同理，當逆時針旋轉方向盤時，脈沖累加器PACA的計數寄存器PACN32的脈沖個數也將增加。

節點1計算每個周期中檢測到的方向盤轉角脈沖信號個數。tx_data_1[0]存儲方向盤順時針旋轉時存儲的脈沖個數，tx_data_1[1]存儲方向盤逆時針旋轉時存儲的脈沖個數。

2.3　FlexRay通信參數配置

在FlexRay網絡能夠正常通信前，需要正確配置FlexRay的參數。共有兩種不同的參數類型需要配置：網絡參數和節點參數[9]。配置好的網絡參數如表1所示，它與FlexRay網絡相關；節點參數和FlexRay網絡中的某個節點有關。

表1　FlexRay網絡參數配置

根據FlexRay協議，如果在一個FlexRay簇中的節點個數少于3個，那么每個節點都將是一個冷啟動節點，每一個啟動幀都將是一個同步幀。因此，每一個冷啟動節點都將是一個同步節點[10]。在本文中，節點1和節點2都必須配置為冷啟動節點并且在啟動過程中發送冷啟動幀。在時隙1中節點1發送冷啟動幀，在時隙4中節點2發送冷啟動幀。

同時在時隙1中，節點1通過FlexRay網絡發送存放在數組tx_data_1[16]中的方向盤轉角信號，節點2接收方向盤轉角信號并把它存放在rx_data_1[16]數組中。兩個節點的時隙分配如表2所示。

表2　FlexRay網絡時隙分配

3試驗測試平臺

與CAN節點類似，一個FlexRay節點由MCU、FlexRay通信控制器、總線監視器(可選器件)和總線驅動器組成。在本試驗中，使用Freescale半導體公司的S12XF開發套裝。這個開發套裝包含兩個EVB9S12XF512E開發板，每一個開發板上都有一個MC9S12XF512芯片。FlexRay通信控制器是片上集成的，總線驅動使用的是NXP公司生產的TJA1080芯片。

節點2通過BDM Multilink仿真器連接計算機，通過FreeMaster仿真工具監視每個周期接收到的脈沖個數。

4試驗結果和分析

當兩個節點成功啟動后，FlexRay將開始通信。節點1在時隙1中通過FlexRay通道A和B發送方向盤轉角信號，節點2在每個周期的時隙1中接收報文信息，并把方向盤順時針轉角信號存放在rx_data_1[0]中，方向盤逆時針轉角信號存放在rx_data_1[1]中。

圖5和圖6所示為通過FreeMaster工具觀測到的方向盤順時針和逆時針轉角信號。

圖5　方向盤順時針轉角信號

圖6　方向盤逆時針轉角信號

當整個系統開始工作時，首先順時針旋動方向盤，20 s之后逆時針轉動方向盤。從圖5和圖6可以看出，鑒相電路工作正常并能夠區分方向盤的順時針旋轉和逆時針旋轉。

本試驗中，當斷開FlexRay的通道B時，并不影響另一個通道正確傳輸數據。然而如果使用CAN進行數據的傳輸時只能有一個通道，當斷開時CAN將不能正常工作。試驗結果表明，整個FlexRay網絡設計完好并且系統工作正常。

5結束語

FlexRay是車載通信網絡即將到來的標準，它的主要應用領域是X-By-Wire技術。本文選用線控轉向(SBN)系統作為它的應用對象。FlexRay的時間觸發工作特性和雙通道傳輸特性使得它在安全關鍵性報文信息的傳輸上要優于CAN總線，試驗結果表明FlexRay通信網絡安全可靠。

FlexRay總線具有以下特性：①確定性通信，節點1在預定好的時隙1中發送報文信息，節點2同樣

也在時隙1中接收報文，這表明基于FlexRay的通信是時間觸發的；②可靠性和安全性，斷開任何一路傳輸通道并不影響整個系統的正常工作，這將在硬件冗余上節省成本。

參考文獻

[1] 唐瑩.汽車前輪線控轉向系統研究[D].上海:上海理工大學, 2009.

[2] Freescale Semiconductor.FlexRay communication system[EB/OL].[2014-09-12].http://www.freescale.com/webapp/sps/site/homepage.jsp?code=FLEXRAY.

[3] 顧嫣.FlexRay線控轉向系統的實時性與容錯性研究[D].上海：上海理工大學,2010.

[4] Waras D.Steer-by-wire system based on FlexRay protocol[C]∥2009 Applied Electronics International Conference,2009:269-272.

[5] FlexRay Consortium.FlexRay protocol specification V2.1 Rev.A[S].http://www.flexray.com,2005.

[6] Duan Jianmin,Zhu Liang,Yu Yongchuan.Research on FlexRay communication of steering-by-wire system[C]∥2009 IEEE Intelligent Vehicles Symposium,2009：824-828.

[7] 孫祥明,齊明俠,沈蓉.編碼器換向誤碼輸出原因探討及鑒相電路改進[J].石油大學學報,2005,29(4):91-94.

[8] Freescale Semiconductor.MC9S12XF512 Reference Manual[EB/OL].[2010-10-15].[2014-09-12].http://www.win.tue.nl/~mholende/automotive/MC9S12XF512RMV1.pdf.

[9] 牛志剛,肖昆,王建林，等.FlexRay總線在電力系統繼電保護裝置中的應用[J].電力系統保護與控制,2010,38(16):73-77.

[10]Cheng Anyu,Pang Rui,Zhao Shuang,et al.Application of the in-vehicle FlexRay network on steer-by-wire system[C]∥International Coference on Mechanic Automatic and Control Engineering，Wuhan,2010:5426-5431.

中圖分類號：TH85;TP393

文獻標志碼：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年畢業于上海理工大學檢測技術與自動化裝置專業，獲碩士學位，助教；主要從事車載網絡通信、現場總線技術的研究。