FlexRay通信網絡的車載信息終端嵌入式系統設計

呂緒浩，史紅偉

（1.長春人文學院，吉林 長春 130117；2.長春理工大學電子信息工程學院，吉林 長春 130022）

1 引言

由于現階段車輛數量不斷增加，車輛定位和導航服務也在不斷提升，車載導航終端得到了廣泛應用。車載網絡系統是集成信息采集、通信、顯示和存儲的控制系統，屬于汽車電子重要組成部分之一。現階段技術越來越完善，使用者對車輛網絡系統的傳輸容量、效率和保密性的要求越來越高，同時為了降低操作控制流程難度，將智能網絡技術逐漸應用于日新月異變化的車載網絡系統內。而目前車載網絡系統已經無法滿足現代汽車對安全性和大容量多媒體數據交換的要求。為了適應汽車網絡容錯和安全相關應用的發展趨勢，嵌入式系統的應用得到了快速發展。

文獻［1］通過車載FlexRay總線安全協議，最大程度保證各節點身份準確性，使用非對稱加密下密鑰交換確保各連接個體的合法性，保證總線安全。為車輛從啟動到運行提供全方位的信息安全保護，有效增加FlexRay總線的隱私數據防護程度；文獻［2］使用的雙總線并行實時監控方法，是在CANOE 和FlexRay 雙總線并行傳輸的終端總線監控記錄開發平臺，實現了車輛實際運行中不同通信信號和狀態參數的實時記錄，該方法監控夾具穩定可靠。但上述方法，存在信道信息交流延時問題，使通信雙方存在溝通空白，影響操作的實時性。

針對上述問題，設計FlexRay通信網絡的車載信息終端嵌入式系統。基于嵌入式Linux的網絡移動終端，連接網絡信息數據，縮短網絡移動終端信息傳輸時間，計算FlexRay通信網絡周期結構中動態段，連接車載網絡通信標準和信息數據，實現高效網絡數據通信，減小車載信息終端傳輸能耗，引入時間因子，滿足場景中數據及時性要求，降低丟包數。

2 車載信息終端嵌入式系統硬件設計

FlexRay通信網絡中的傳感器硬件部分，主要是通過Altium designer6應用軟件開發和設計實現的。其中Designer 6屬于Pro?tel軟件發行公司研制出的最新產品，能更有效實現原理設計、電子電路模擬、PCB編輯以及電子繪圖等相關功能，提高電路設計的質量和效率［3］。

為此，依據Altium designer 的電路模擬功能，在滿足電路性能測試的基礎上，使用PCB的文本編輯和圖像繪制，進一步優化車載信息節點上硬件電路板，得到最優結果，依據制板、器件采集、焊接和調試，實現車載信息終端硬件平臺的構建。車載信息終端硬件結構主要由GPRS、GPS、藍牙、MC9S12XF512 微處理器、LPC1766單片機等模塊構成，車載信息終端硬件結構，如圖1所示。

圖1 車載信息終端硬件結構圖Fig.1 Hardware Structure of Vehicle Information Terminal

2.1 GPRS、GPS和藍牙模塊

GPRS是整個車載信息終端接入的前提和重點。Linux系統將選擇所使用的PPP（Parallel Pattern Processor）協議的PPPD 程序，實現當該車載通信網絡運行PPP腳本后，移動終端的GPRS模塊能夠與Internet相互連接。車載通信網絡完成信息交流工作，主要由3個部分實現：（1）通過串行方式封裝交流信息的數據幀路徑；（2）擴展網絡連接控制協議（LCP）；（3）憑借不同通信網絡層的NCP（National COMINT Plan）實現數據的傳輸。其中，嵌入式Linux系統利用shell腳本，選取相應的GPRS，以最大程度實現系統的獨立運行，降低外界干擾，使用DOS腳本語言編寫程序。

GPS模塊具有定位導航功能，GPS衛星發射信號由環天ET-314模塊接收，再由串口RS-232將信息傳遞到主控制器，以實現GPS定位導航功能。

藍牙采用的型號為JBM-130，能夠有效實現車載電話的免提功能，來電直接顯示到車載終端上并自動進行接聽，無需手動呼叫，確保駕駛安全。

2.2 MC9S12XF512微處理器

車載信息終端硬件結構的核心是MC9S12XF512微處理器，它控制著整個車載信息終端嵌入式系統，是系統順利運行的基礎［4］。MC9S12XF512微處理器的硬件電路包括嵌入式微處理器MC9S12XF512及其相關功能模塊，MC9S12XF512內核的工作頻率為100-a65374，400MHz。MC9S12XF512微處理器集成了雙通道FlexRay協議，通過FlexRay通訊控制器TJA1080，實現節點和FlexRay總線通信。

集成式FlexRay 通信網絡控制器常用的主控芯片是飛思卡爾MC9S12XF和Mpc56xx、NXP的SJA2510、德州儀器的TMS570系列等都符合FlexRay 通信網絡協議。通過比對分析可得MC9S12XF512芯片下的控制器，其信號輸出波形的脈沖寬度精度較高，能夠精準描述微秒和秒鐘信號波形，適用性高，且緩沖能力強，可完成與外圍終端以及其他并行處理器芯片的實時同步信息傳輸，并根據要求選擇8種不同的信息傳輸速率，降低數據的易失性，防止誤操作。

2.3 LPC1766單片機

在車載終端平臺中，LPC1766可以通過串口與控制器和主控制器之間進行通訊，能夠處理更多任務，實用性高，更好地采集車主信息、幫助采集串行通信網絡、查看車輛狀況等功能。

3 車載信息終端嵌入式系統軟件設計

為了強化系統可靠性并方便理解，在構建車載信息終端硬件結構的基礎上，通過各個模塊串聯為整體，基于Linux操作系統，建立完整且抗干擾能力強的軟件系統［5］。對FlexRay控制器設置相關參數并進行初始化模擬，同時明確車載信息終端嵌入式系統單片機運行環境。軟件系統包括：系統初始化，數據信號的采集，傳輸和處理，數據通信和傳輸。車載信息終端軟件系統結構，如圖2所示。

圖2 終端軟件系統結構圖Fig.2 Structure Diagram of Terminal Software System

系統的軟件部分主要由通信模塊、定位處理模塊和人機交互模塊［6］組建。通信模塊一般使用簡化的PPP協議和TCP協議接入移動設備到Internet，與監控站建立TCP連接，保障數據傳輸穩定。定位處理模塊可以對GPS模塊數據進行處理，并提供有價值的數據。人機交互模塊實現了向量地圖的繪制和人機交互，并通過線程LCD和trace實時跟蹤顯示車載信息終端。

嵌入式車載信息終端由驅動程序和應用程序組成，并且均在FS2410 平臺上完成設計和應用，同時憑借Bootloader 引導linux2.4內核下fpga.0驅動程序設計相關的FPGA板。利用驅動接口完成FS2410 與FPGA 間的信息交流。裝置驅動操作裝置，如圖3所示。

圖3 設備驅動操作集合Fig.3 Device-Driven Operation Set

內核中集成的驅動程序，可以操控軟硬件控制器，同時，內核中的高級驅動程序能夠共享低級硬件操作例程，降低運行矛盾問題的產生。

3.1 FlexRay通信網絡周期計算

FlexRay在運行過程中具有通信周期，在系統穩定條件下會按照固定規則循環。一般情況下，循環周期會由靜態段、動態段、符號窗口以及網絡空閑時間組成，穩定的循環周期能夠滿足現代車輛控制系統對強實時性的要求［7］。其中，時隙由ST和DYN構成，時隙沿周期循環，以便信息可以傳輸。FlexRay通信網絡周期結構，如圖4所示。

圖4 FlexRay通信網絡周期結構圖Fig.4 Cycle Structure of FlexRay Communication Network

FlexRay通信網絡循環周期的動態段采用時分多址（TDMA）技術，最主要的方法是從程序啟動開始，每個時間窗對應一個節點，然后在節點上進行數據傳輸，實現車載網絡通信標準和信息數據互聯。在程序中起作用的時隙具有相同的數據長度，并且在操作過程中保持恒定。相比現階段最常用的事件觸發CAN 網絡，FlexRay通信網絡屬于最為優化產品，其為一種與事件觸發兼容的時間觸發總線協議。終端媒體的接入方式為時分多址接入（FTDMA）技術，在某些時隙中，可能會浪費某些時隙的數據，導致數據片不占用時間，但兩個段落可以同時出現，并只有一個段落［8］，且規定網絡中每個節點最多分配16個時間片，任意時間片有且只有唯一標識符。

FlexRay通信網絡周期是FlexRay協議中介質訪問調度的基本單元。網絡設計時完成后，周期長度是一個固定值，長度通常為（1～5）ms，通常分為通信周期層、仲裁網格層、大拍層和小拍層四個時間層［9］。有效網絡傳輸速度是指幀中的數據流是一個有效的網絡比特，數據不包括在幀內和幀的末尾，可得出表達式為：

式中：Vb—有效數據傳輸速率；Nf—傳輸數據幀數；Nb—有效數據位；T—采集時間周期。

可以看出，靜態段的接入并不會促使總線帶寬發生改變，但是會導致運營效率和適應性的降低，限制了節點的擴展。相比靜態段，動態段變得更加靈活［10］。

3.2 終端緩存管理機制

為進一步優化車載信息終端實時性需求，利用時間因子降低不同環境下傳輸延時。降低網絡開銷權重值越大，丟棄概率越高，消息丟棄優先級越低。當節點的緩存空間已滿時，將根據從小到大的下降權重丟棄該緩存空間，其運算公式為：

式中：dmj—丟棄消息mj的權重值。由于時間消息Rmj的初值遠高于mj(Tmj)值，經過歸一化處理后，憑借對數函數取消息Rmj值的自然對數，不同維度的值在同一個數量級上；ωmj—報文方向的權值，表示報文當前位置和移動方向與目的地位置的關聯度—報文在網絡中的擴展，消息在剩余時間內擴散到目的地的概率很小單位大小消息的權重，數據的形式和大小是不同的，它可以容納更多的新消息，減少丟包數。在構建車載信息終端硬件平臺的基礎上，基于Linux操作系統，設計車載信息終端嵌入式系統軟件部分，通過計算FlexRay通信網絡周期結構中動態段，引入時間因子設計相應終端緩存管理機制，實現車載信息終端嵌入式系統設計。

4 實驗結果分析

為了驗證FlexRay 通信網絡的車載信息終端嵌入式系統的有效性，實驗配置Inter Core i3-8130U 處理器、8.00G 內存、400G硬盤、32 位Windows7 操作系統，采用CodeWarrior 軟件編寫FlexRay通信網絡程序，FlexRay通信網絡測試環境，如圖5所示。車載信息終端嵌入式系統在信息接入FlexRay通信網絡后，經終端接收的信息，經系統分析研究后，整理好的數據結果傳輸到可視化顯示板硬件上，使設備正常運行48h，記錄實際能耗。分別采用文獻［1］系統和文獻［2］系統與所提系統進行對比，得到不同系統的車載信息終端傳輸能耗，如圖6所示。

圖5 FlexRay通信網絡測試環境Fig.5 FlexRay Communication Network Test Environment

圖6 不同系統的車載信息終端傳輸能耗Fig.6 Energy Consumption of Vehicle Information Terminal Transmission of Different Systems

根據圖6可知，當設備正常運行48h后，文獻［1］系統的平均車載信息終端傳輸能耗為17W，文獻［2］系統的平均車載信息終端傳輸能耗為23W，而所提系統的平均車載信息終端傳輸能耗僅為9W。由此可知，所提系統的車載信息終端傳輸能耗較低。因為所提方法采用能量管理和實時時鐘，控制不同模塊的循環頻率，從而有效降低車載信息終端傳輸能耗。

設置車載信息終端數據包數量為3000MB，進一步驗證所提系統的車載信息終端丟包率，得到不同系統的車載信息終端丟包率，如表1所示。

表1 不同系統的車載信息終端丟包率對比Tab.1 Comparison of Packet Loss Rate of Onboard Information Terminals of Different Systems

根據表1可知，隨著數據包數量的增加，不同系統的車載信息終端丟包率隨之增大。當數據包數量達到3000MB時，文獻［1］系統的丟包率為5.4%，文獻［2］系統的丟包率為8.9%，而所提系統的丟包率為1.6%。由此可知，所提系統的車載信息終端丟包率較低。因為所提方法引入時間因子，滿足場景中數據即時性要求，減少丟包操作，從而降低丟包率。

在此基礎上，進一步驗證所提系統的信息傳輸時間，得到不同系統的信息傳輸時間對比結果，如表2所示。

表2 不同系統的信息傳輸時間對比Tab.2 Comparison of Information Transfer Time for Different Systems

根據表2可知，隨著數據包數量的增加，不同系統的信息傳輸時間隨之增大。當數據包數量達到3000MB時，文獻［1］系統的信息傳輸時間為9.6s，文獻［2］系統的信息傳輸時間為13.5s，而所提系統的信息傳輸時間為6.9s。由此可知，所提系統的信息傳輸時間較短。因為所提系統采用FlexRay通信網絡，在某些時隙中，可能會浪費某些時隙數據，從而使數據片不占用時間，有效縮短信息傳輸時間。

5 結論

為了減小車載信息終端傳輸能耗，縮短信息傳輸時間，降低丟包率，設計FlexRay通信網絡的車載信息終端嵌入式系統，根據嵌入式Linux 的車載信息終端連接網絡信息數據，通過計算FlexRay通信網絡周期結構中動態段，引入時間因子，設計相應終端緩存管理機制，實現車載信息終端嵌入式系統設計。與其他系統設備的傳輸性能進行對比，得出所提系統能夠有效減小車載信息終端傳輸能耗，縮短信息傳輸時間，降低丟包率，進一步驗證了其可行性和可靠性。