FlexRay通信网络的车载信息终端嵌入式系统设计

吕绪浩，史红伟

（1.长春人文学院，吉林 长春 130117；2.长春理工大学电子信息工程学院，吉林 长春 130022）

1 引言

由于现阶段车辆数量不断增加，车辆定位和导航服务也在不断提升，车载导航终端得到了广泛应用。车载网络系统是集成信息采集、通信、显示和存储的控制系统，属于汽车电子重要组成部分之一。现阶段技术越来越完善，使用者对车辆网络系统的传输容量、效率和保密性的要求越来越高，同时为了降低操作控制流程难度，将智能网络技术逐渐应用于日新月异变化的车载网络系统内。而目前车载网络系统已经无法满足现代汽车对安全性和大容量多媒体数据交换的要求。为了适应汽车网络容错和安全相关应用的发展趋势，嵌入式系统的应用得到了快速发展。

文献［1］通过车载FlexRay总线安全协议，最大程度保证各节点身份准确性，使用非对称加密下密钥交换确保各连接个体的合法性，保证总线安全。为车辆从启动到运行提供全方位的信息安全保护，有效增加FlexRay总线的隐私数据防护程度；文献［2］使用的双总线并行实时监控方法，是在CANOE 和FlexRay 双总线并行传输的终端总线监控记录开发平台，实现了车辆实际运行中不同通信信号和状态参数的实时记录，该方法监控夹具稳定可靠。但上述方法，存在信道信息交流延时问题，使通信双方存在沟通空白，影响操作的实时性。

针对上述问题，设计FlexRay通信网络的车载信息终端嵌入式系统。基于嵌入式Linux的网络移动终端，连接网络信息数据，缩短网络移动终端信息传输时间，计算FlexRay通信网络周期结构中动态段，连接车载网络通信标准和信息数据，实现高效网络数据通信，减小车载信息终端传输能耗，引入时间因子，满足场景中数据及时性要求，降低丢包数。

2 车载信息终端嵌入式系统硬件设计

FlexRay通信网络中的传感器硬件部分，主要是通过Altium designer6应用软件开发和设计实现的。其中Designer 6属于Pro⁃tel软件发行公司研制出的最新产品，能更有效实现原理设计、电子电路模拟、PCB编辑以及电子绘图等相关功能，提高电路设计的质量和效率［3］。

为此，依据Altium designer 的电路模拟功能，在满足电路性能测试的基础上，使用PCB的文本编辑和图像绘制，进一步优化车载信息节点上硬件电路板，得到最优结果，依据制板、器件采集、焊接和调试，实现车载信息终端硬件平台的构建。车载信息终端硬件结构主要由GPRS、GPS、蓝牙、MC9S12XF512 微处理器、LPC1766单片机等模块构成，车载信息终端硬件结构，如图1所示。

图1 车载信息终端硬件结构图Fig.1 Hardware Structure of Vehicle Information Terminal

2.1 GPRS、GPS和蓝牙模块

GPRS是整个车载信息终端接入的前提和重点。Linux系统将选择所使用的PPP（Parallel Pattern Processor）协议的PPPD 程序，实现当该车载通信网络运行PPP脚本后，移动终端的GPRS模块能够与Internet相互连接。车载通信网络完成信息交流工作，主要由3个部分实现：（1）通过串行方式封装交流信息的数据帧路径；（2）扩展网络连接控制协议（LCP）；（3）凭借不同通信网络层的NCP（National COMINT Plan）实现数据的传输。其中，嵌入式Linux系统利用shell脚本，选取相应的GPRS，以最大程度实现系统的独立运行，降低外界干扰，使用DOS脚本语言编写程序。

GPS模块具有定位导航功能，GPS卫星发射信号由环天ET-314模块接收，再由串口RS-232将信息传递到主控制器，以实现GPS定位导航功能。

蓝牙采用的型号为JBM-130，能够有效实现车载电话的免提功能，来电直接显示到车载终端上并自动进行接听，无需手动呼叫，确保驾驶安全。

2.2 MC9S12XF512微处理器

车载信息终端硬件结构的核心是MC9S12XF512微处理器，它控制着整个车载信息终端嵌入式系统，是系统顺利运行的基础［4］。MC9S12XF512微处理器的硬件电路包括嵌入式微处理器MC9S12XF512及其相关功能模块，MC9S12XF512内核的工作频率为100-a65374，400MHz。MC9S12XF512微处理器集成了双通道FlexRay协议，通过FlexRay通讯控制器TJA1080，实现节点和FlexRay总线通信。

集成式FlexRay 通信网络控制器常用的主控芯片是飞思卡尔MC9S12XF和Mpc56xx、NXP的SJA2510、德州仪器的TMS570系列等都符合FlexRay 通信网络协议。通过比对分析可得MC9S12XF512芯片下的控制器，其信号输出波形的脉冲宽度精度较高，能够精准描述微秒和秒钟信号波形，适用性高，且缓冲能力强，可完成与外围终端以及其他并行处理器芯片的实时同步信息传输，并根据要求选择8种不同的信息传输速率，降低数据的易失性，防止误操作。

2.3 LPC1766单片机

在车载终端平台中，LPC1766可以通过串口与控制器和主控制器之间进行通讯，能够处理更多任务，实用性高，更好地采集车主信息、帮助采集串行通信网络、查看车辆状况等功能。

3 车载信息终端嵌入式系统软件设计

为了强化系统可靠性并方便理解，在构建车载信息终端硬件结构的基础上，通过各个模块串联为整体，基于Linux操作系统，建立完整且抗干扰能力强的软件系统［5］。对FlexRay控制器设置相关参数并进行初始化模拟，同时明确车载信息终端嵌入式系统单片机运行环境。软件系统包括：系统初始化，数据信号的采集，传输和处理，数据通信和传输。车载信息终端软件系统结构，如图2所示。

图2 终端软件系统结构图Fig.2 Structure Diagram of Terminal Software System

系统的软件部分主要由通信模块、定位处理模块和人机交互模块［6］组建。通信模块一般使用简化的PPP协议和TCP协议接入移动设备到Internet，与监控站建立TCP连接，保障数据传输稳定。定位处理模块可以对GPS模块数据进行处理，并提供有价值的数据。人机交互模块实现了向量地图的绘制和人机交互，并通过线程LCD和trace实时跟踪显示车载信息终端。

嵌入式车载信息终端由驱动程序和应用程序组成，并且均在FS2410 平台上完成设计和应用，同时凭借Bootloader 引导linux2.4内核下fpga.0驱动程序设计相关的FPGA板。利用驱动接口完成FS2410 与FPGA 间的信息交流。装置驱动操作装置，如图3所示。

图3 设备驱动操作集合Fig.3 Device-Driven Operation Set

内核中集成的驱动程序，可以操控软硬件控制器，同时，内核中的高级驱动程序能够共享低级硬件操作例程，降低运行矛盾问题的产生。

3.1 FlexRay通信网络周期计算

FlexRay在运行过程中具有通信周期，在系统稳定条件下会按照固定规则循环。一般情况下，循环周期会由静态段、动态段、符号窗口以及网络空闲时间组成，稳定的循环周期能够满足现代车辆控制系统对强实时性的要求［7］。其中，时隙由ST和DYN构成，时隙沿周期循环，以便信息可以传输。FlexRay通信网络周期结构，如图4所示。

图4 FlexRay通信网络周期结构图Fig.4 Cycle Structure of FlexRay Communication Network

FlexRay通信网络循环周期的动态段采用时分多址（TDMA）技术，最主要的方法是从程序启动开始，每个时间窗对应一个节点，然后在节点上进行数据传输，实现车载网络通信标准和信息数据互联。在程序中起作用的时隙具有相同的数据长度，并且在操作过程中保持恒定。相比现阶段最常用的事件触发CAN 网络，FlexRay通信网络属于最为优化产品，其为一种与事件触发兼容的时间触发总线协议。终端媒体的接入方式为时分多址接入（FTDMA）技术，在某些时隙中，可能会浪费某些时隙的数据，导致数据片不占用时间，但两个段落可以同时出现，并只有一个段落［8］，且规定网络中每个节点最多分配16个时间片，任意时间片有且只有唯一标识符。

FlexRay通信网络周期是FlexRay协议中介质访问调度的基本单元。网络设计时完成后，周期长度是一个固定值，长度通常为（1～5）ms，通常分为通信周期层、仲裁网格层、大拍层和小拍层四个时间层［9］。有效网络传输速度是指帧中的数据流是一个有效的网络比特，数据不包括在帧内和帧的末尾，可得出表达式为：

式中：Vb—有效数据传输速率；Nf—传输数据帧数；Nb—有效数据位；T—采集时间周期。

可以看出，静态段的接入并不会促使总线带宽发生改变，但是会导致运营效率和适应性的降低，限制了节点的扩展。相比静态段，动态段变得更加灵活［10］。

3.2 终端缓存管理机制

为进一步优化车载信息终端实时性需求，利用时间因子降低不同环境下传输延时。降低网络开销权重值越大，丢弃概率越高，消息丢弃优先级越低。当节点的缓存空间已满时，将根据从小到大的下降权重丢弃该缓存空间，其运算公式为：

式中：dmj—丢弃消息mj的权重值。由于时间消息Rmj的初值远高于mj(Tmj)值，经过归一化处理后，凭借对数函数取消息Rmj值的自然对数，不同维度的值在同一个数量级上；ωmj—报文方向的权值，表示报文当前位置和移动方向与目的地位置的关联度—报文在网络中的扩展，消息在剩余时间内扩散到目的地的概率很小单位大小消息的权重，数据的形式和大小是不同的，它可以容纳更多的新消息，减少丢包数。在构建车载信息终端硬件平台的基础上，基于Linux操作系统，设计车载信息终端嵌入式系统软件部分，通过计算FlexRay通信网络周期结构中动态段，引入时间因子设计相应终端缓存管理机制，实现车载信息终端嵌入式系统设计。

4 实验结果分析

为了验证FlexRay 通信网络的车载信息终端嵌入式系统的有效性，实验配置Inter Core i3-8130U 处理器、8.00G 内存、400G硬盘、32 位Windows7 操作系统，采用CodeWarrior 软件编写FlexRay通信网络程序，FlexRay通信网络测试环境，如图5所示。车载信息终端嵌入式系统在信息接入FlexRay通信网络后，经终端接收的信息，经系统分析研究后，整理好的数据结果传输到可视化显示板硬件上，使设备正常运行48h，记录实际能耗。分别采用文献［1］系统和文献［2］系统与所提系统进行对比，得到不同系统的车载信息终端传输能耗，如图6所示。

图5 FlexRay通信网络测试环境Fig.5 FlexRay Communication Network Test Environment

图6 不同系统的车载信息终端传输能耗Fig.6 Energy Consumption of Vehicle Information Terminal Transmission of Different Systems

根据图6可知，当设备正常运行48h后，文献［1］系统的平均车载信息终端传输能耗为17W，文献［2］系统的平均车载信息终端传输能耗为23W，而所提系统的平均车载信息终端传输能耗仅为9W。由此可知，所提系统的车载信息终端传输能耗较低。因为所提方法采用能量管理和实时时钟，控制不同模块的循环频率，从而有效降低车载信息终端传输能耗。

设置车载信息终端数据包数量为3000MB，进一步验证所提系统的车载信息终端丢包率，得到不同系统的车载信息终端丢包率，如表1所示。

表1 不同系统的车载信息终端丢包率对比Tab.1 Comparison of Packet Loss Rate of Onboard Information Terminals of Different Systems

根据表1可知，随着数据包数量的增加，不同系统的车载信息终端丢包率随之增大。当数据包数量达到3000MB时，文献［1］系统的丢包率为5.4%，文献［2］系统的丢包率为8.9%，而所提系统的丢包率为1.6%。由此可知，所提系统的车载信息终端丢包率较低。因为所提方法引入时间因子，满足场景中数据即时性要求，减少丢包操作，从而降低丢包率。

在此基础上，进一步验证所提系统的信息传输时间，得到不同系统的信息传输时间对比结果，如表2所示。

表2 不同系统的信息传输时间对比Tab.2 Comparison of Information Transfer Time for Different Systems

根据表2可知，随着数据包数量的增加，不同系统的信息传输时间随之增大。当数据包数量达到3000MB时，文献［1］系统的信息传输时间为9.6s，文献［2］系统的信息传输时间为13.5s，而所提系统的信息传输时间为6.9s。由此可知，所提系统的信息传输时间较短。因为所提系统采用FlexRay通信网络，在某些时隙中，可能会浪费某些时隙数据，从而使数据片不占用时间，有效缩短信息传输时间。

5 结论

为了减小车载信息终端传输能耗，缩短信息传输时间，降低丢包率，设计FlexRay通信网络的车载信息终端嵌入式系统，根据嵌入式Linux 的车载信息终端连接网络信息数据，通过计算FlexRay通信网络周期结构中动态段，引入时间因子，设计相应终端缓存管理机制，实现车载信息终端嵌入式系统设计。与其他系统设备的传输性能进行对比，得出所提系统能够有效减小车载信息终端传输能耗，缩短信息传输时间，降低丢包率，进一步验证了其可行性和可靠性。