基于FlexRay总线的分布式测控系统

李 静，王 健

基于FlexRay总线的分布式测控系统

李 静，王 健

介绍了一种高可靠性分布式测控系统设计，采用FlexRay网络作为现场测控网络。该总线采用时间触发方式，并具有数据传输速率高、可靠性高和实时性好等优点，它给工业领域监控系统中原有的RS485、CAN总线等通信方式带来了更新换代的可能性。研究了FlexRay总线技术的硬件结构和通信协议，利用飞思卡尔单片机MC9S12XF512作为主芯片，实现了多节点间的通信，为FlexRay总线技术在分布式测控系统中的应用奠定了基础。

MC9S12XF512；FlexRay总线协议；多点通信；现场总线；分布式测控系统

0 引言

在现代分布式测控网络中，多采用RS-485、CAN等作为现场总线，该类总线具有技术成熟、性能稳定等特点。但RS-485不适合在距离远、恶劣工作环境中作为现场总线使用；而CAN总线虽然支持长距离通信，但采用事件触发方式，基于优先级的数据传输顺序，必然会出现某些数据传输时间的不确定性，且随着电子设备的增多，使通信总线传输的数据量增加很大，1 Mb/s的最大传输速率在某些场合已略显不足。

与这两种总线相比，FlexRay可以进行同步（实时）和异步的数据传输，来满足分布式测控系统中的需求。FlexRay不仅可以单信道数据传输，而且还可以作为一个双信道系统运行，可以通过冗余网络传输数据。该总线具有故障容限，可提供500kbps～10Mbps的数据传输速率和24位CRC（循环冗余）校验码。FlexRay 的访问方法基于同步时基，该时基通过协议自动建立和同步。因此，用户可提前知道消息到达时间，消息周期偏差非常小，这使得FlexRay成为具有严格实时要求的分布式控制系统的首选技术。大量研究表明，基于时间触发的确定性网络协议是满足安全关键性实时控制的最佳选择[2]。

1 FlexRay通信协议概述

FlexRay的协议通信是以 FlexRay网络通信循环（Communication cycle）为基础建立起来的。一个通信循环包括静态段（Static segment）、动态段（Dynam ic segment）、符号窗（Symbol w indow）和网络空闲时间（Network idle time）。FlexRay协议提供两种通信机制：一种是静态段的时分多址技术（TDMA），整个静态段被分为若干个相等的静态时间片，每个时间片有唯一的标识符，这些时间片固定分配给相应的节点，但是，每个节点最多分配16个时间片；一种是动态段的基于小时槽（m ini-slot）的更加灵活的时分多址技术（FTDMA），主要用于事件触发消息的传输，每个节点可以占据全部的动态时槽，但时间和带宽是受限的[1]。

作为一种新型时间触发总线，已经在宝马X5等轿车中成功应用，它具有高速率、时间确定性、最大20Mbit/s通信速率等特点。CAN总线作为一种成熟的技术，在车用总线、工业控制、机械制造等领域得到了广泛的应用，与之相比，FlexRay诞生的时间比较短，且目前仅应用于汽车总线领域，但其卓越的性能，一定会在分布式测控系统中得到广泛的应用。FlexRay和CAN性能比较如表1所示：

表1 FlexRay和CAN性能比较

2 系统结构

此分布式测控系统采用上位机监控和下位机现场测控两个部分组成，下位机现场测控实现FlexRay节点对现场各节点模拟量数据的采集并进行传送，上位机监控实现对下位机各个节点所采集数据的监控。系统整体结构如图1所示：

图1 系统结构

3 分布式测控系统设计

3.1 硬件设计

3.1.1 总线收发器和微控制器的连接

本文采用飞思卡尔公司的MC9S12XF512单片机作为主芯片，该芯片基于高效的16位CISC架构的HCS12X内核，内核支持50Hz系统时钟，片内资源丰富，包括A/D，D/A，SPI，接口，能满足大部分测控系统接口需要，并集成了支持FlexRay协议规范的v2.1版本的通信控制器，支持单/双通道通信，两个通道独立配置，每个通道最高速度为10Mbps，并内嵌CAN2.0 A/B的控制器局域网络通信接口。总线收发器选用恩智浦的 TJA1080。它是第一款成功通过FlexRay物理层一致性测试并上市的 FlexRay收发器。TJA1080证明了FlexRay的强大性能与灵活便捷性，其良好的EMC性能及强大的错误诊断和保护机制，可使开发商更迅捷、简便地开发可实现稳定通信的、完整的FlexRay网络。TJA1080A总线收发器主要有状态机、信号路由器、输入/输出管理模块、收发模块以及发送器组成。

TJA1080A和MC9S12XF512的连接如图2所示：

图2 TJA1080A和MC9S12XF512的连接

3.1.2 FlexRay网关及组网

FlexRay总线采用屏蔽双绞线进行数据传输，这样做可以尽可能的减少外界噪声对总线信号的干扰。FlexRay总线拓扑结构采用总线型结构。在上位机监控中，本文采用连接CAN/FlexRay网关的方式进行监控，这样不仅实现了两者协议数据的转换，而且可以使用同一种上位机进行两种总线的监控。CAN/FlexRay网关作为CAN网络和FlexRay网络中间件，目的是将传输的信息重新封装且满足目标网络协议的要求。因为二者均只支持OSI（Open System Interconnection）模型的第一、二层，CAN/FlexRay网关必须能接收发送两个网络上的数据，因此在传输层完成CAN网络和FlexRay网络的数据交换即可实现网关功能[4]。

3.2 软件设计

3.2.1 节点初始化设计

FlexRay总线节点进行通信前，需要对FlexRay模块进行初始化，由于FlexRay要求严格的时间同步，需要对相应寄存器配置完成初始化，并严格按照事先分配的时槽进行配置，才会使总线通信进入正常工作状态。初始化成功后此FlexRay节点便可作为总线上的一个节点加入总线通信集群中。FlexRay节点初始化流程如图3所示：

图3 节点初始化流程

3.2.2 FlexRay总线通信设计

当FlexRay网络正常启动后，才可以进行FlexRay数据通信。FlexRay总线通信主要是基于时间触发，在静态段中，它是基于TDMA技术的时间触发，通过事先安排好的时刻表进行通信。FlexRay消息发送的中断产生过程：TDMA时分表中的每个时槽都会对应一个中断，且这些中断按时分表在时间轴上分布开来，只有在其对应的时槽时刻，才会由FlexRay模块自动置位中断，且每个时槽的发送中断产生与标志置位都是在该时槽数据发送完毕之后，由FlexRay模块自动产生相应的置位与中断；当进入FlexRay对应时槽的中断服务程序后，调用发送函数，锁定发送时槽对应的发送缓存，对发送缓存赋值并置位发送，最后解锁发送缓存，等待下一个周期该时槽的发送刻到来发送。具体的FlexRay总线数据发送中断流程如图4所示：

图4 总线数据发送流程

3.2.3 上位机软件设计

上位机采用C#编写，主要用于在PC端进行总线数据监测。功能包括监视网络节点在线状态、接收下位机数据、发送指令、数据存储等功能。并可设置总线上节点数量、采样深度等参数，便于用户调试。

4 实验结果

本文以AD采集的数据为参数，观察各个节点通道数据传输的准确性及上位机的可靠性。以节点3采集的4路通道为例，4个通道分别输入0.9V，1.9V，1.25V，1V的电压（3节点进行了Y轴的拉伸，便于比较）。验证均正确，如图5所示：

图5 节点3各输入通道数据

结果分析：根据四路通道采集的数据分析得出：FlexRay数据的采集与传输在可靠性上基本满足分布式测控系统的基本要求，误差可保持在0.15V以内。验证了FlexRay总线应用在分布式测控系统中的可能性与可靠性，并为日后的应用打下了坚实的基础。

5 总结

本文对FlexRay总线在分布式测控系统的应用进行了研究，并设计了系统的软硬件，进行了FlexRay协议的实现，该总线可进行节点数量上的扩展，并支持多种网络拓扑结构。从FlexRay总线的通信容量、实时性、可靠性、组网灵活性等方面相比其他总线都极具优势，在现场总线的应用中必将得到快速的发展和广泛的应用。

[1] FlexRay Communication system.Protocol Specification v2.1.FlexRay Consortium. May,2005.

[2] Bannatyne R. Time Triggered Protocol-Fault Tolerant Serial Communications for Real-time Embedded Systems. Wescon/98 15-17Sept,1998:86-91.

[3] 董晓丹,车载网络FlexRay在线控制动系统中的应用与研究[D].湖南大学硕士学位论文,2009.

[4] 宋琦,郭芸,CAN/FlexRay网关的设计与实现[J].电子技术,2013(04):74-76.

[5] 王婧,张欣.汽车网络通信协议TTP/C和FlexRay的研究分析[J]. 北京汽车, 2006(6):40-43.

[6] 李佳,田光宇,钮翔,等.FlexRay网络通信延迟时间分析[J].清华大学学报:自然科学版,2007,47(8):1343-1346.

[7] 王琴,陈欣,吕迅弦.基于 FlexRay总线的无人机飞行控制计算机[J].兵工自动化,2011(12):30-34.

Distributed M easurement and Control System Based on FlexRay Bus

Li Jing, Wang Jian
(College of Electronic Information, Xi’an Technological University, Xi’an710032,China)

A reliable distributed measurement and control system that adopted FlexRay Bus as field measurement and control net is proposed in this paper. FlexRay communication protocol is a time-triggered protocol, which is more real-time, dependable and has high data transfer rate. It makes it possible for the original communication in the industrial field control system bus (like RS485 and CAN) to renew. This paper discusses the FlexRay bus technology of hardware structure and communication protocols, using MC9S12XF512 Freescale MCU as the main chip, manages to achieve the communication between multi-nodes. It has laid foundation for FlexRay bus technology in the of the distributed measurement and control system application

MC9S12XF512; FlexRay Bus Protocol; Multipoint Communication; Field Bus; Distributed Measurement and Control System

TP336

A

2014.06.24）

李 静（1972-），女，陕西省西安市人，西安工业大学教授，研究方向：多元信息融合、智能故障诊断，西安，710032

王 健（1990-），男，山西省运城市人，西安工业大学硕士，研究方向：通信与信息系统，西安，710032

1007-757X(2014)11-0038-03