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【摘要】本文研究了FlexRay总线的主要特性，并将其应用在全电子计算机联锁系统中。在满足故障-安全的设计原则上，提出了以内嵌FlexRay总线协议的MC9S12XF512为处理器核心的全电子执行单元通信接口硬件组成及软件设计，实现全电子执行单元与联锁机、维修监测机之间数据的安全、可靠通信。
【关键词】FlexRay总线；全电子执行单元；通信接口；硬件结构；软件设计
Abstract：This paper researches main features of FlexRay bus，and also researches its application in all-electronic computer interlocking system.Considering the fail-safe principle，communication interface hardware and software design of the all-electronic execution based on CPU MC9S12XF512 embeded FlexRay bus protocol are proposed in order to realize safe and reliable data communication between the all-electronic execution units and the interlocking machine，the maintenance monitoring machine.
Key words：FlexRay bus；all-electronic execution units；communication interface；hardware structure；software design
1.引言
在基于二乘二取二全电子计算机联锁系统中信号设备全电子执行单元与联锁机及维修监测机之间采用CAN总线进行数据通信[1]，但CAN总线本身传输速率不高，最高只达1Mbits/s，且通信格式采用短帧格式（每帧数据段不超过8个字节），数据容量较小。此外CAN总线采用事件触发方式，高优先级的消息先于低优先级消息访问总线，低优先级消息不可避免产生传输延时。随着高优先级消息数目的增多，响应时间呈逐渐上升趋势，实时性降低。FlexRay总线作为新一代的汽车总线通信协议，克服了CAN总线的不足，以其自身的优势被誉为是可以逐步取代CAN总线协议的新一代的汽车总线[2]。
2.FlexRay总线主要特性
FlexRay与传统的CAN总线相比，在通信速率、实时性、容错性及有效数据容量等方面具有巨大的优势。
（1）通信速率高。FlexRay总线单通道速度可达10Mbits/s，双通道在传输不同的信息时，速率可达到20Mbits/s。通过对总线控制器的配置，总线亦可在8Mbits/s、5Mbits/s、2.5Mbits/s的速率下工作，提高了带宽的灵活性[3]。
（2）实时性好。FlexRay总线采用周期循环通信，周期循环中的静态段基于时间触发技术，可传输实时性要求较高的特定消息，消息在周期循环中拥有固定的位置，即接收器已预知消息到达的时间，且到达时间的临时偏差幅度较小[4]102。
（3）容错性强。单通道通信时可接独立的物理层总线监控器，当节点发生故障不能正常接收或发送数据时，总线监控器将通信控制器和总线断开，不影响其他节点工作；双通道通信通过传输相同的信息来实现冗余容错，保证系统正常运行不影响系统的稳定性。
（4）有效载荷数据容量大。FlexRay帧数据结构复杂，单帧高达254字节的数据容量，更加适合多信息的消息传输，能实现比CAN帧更多的功能。
3.全电子计算机联锁系统
3.1 FlexRay通信网络结构设计
全电子执行单元与联锁机、维修监测机之间通信采用总线型拓扑。
道岔、信号机、轨道电路等全电子执行单元作为FlexRay网络子节点，联锁机作为主控节点。采用冗余总线FlexRay A，FlexRay B通信，分别接收联锁运算结果，进行与逻辑控制输出，并实时采集设备状态反馈给联锁主机。此外，通过检测总线FlexRay C将设备各种状态参数传送给维修监测机。如图1所示。
图1 全电子计算机联锁FlexRay总线拓扑
3.2 基于FlexRay总线的全电子执行单元通信节点硬件组成及软件设计
信号设备全电子执行单元包括道岔执行单元，信号执行单元，轨道执行单元等[5]。以道岔执行单元做一个详细的介绍，其他执行单元类似。
3.2.1 道岔执行单元通信节点硬件组成
基于FlexRay总线的道岔执行单元与基于二乘二取二全电子计算机联锁系统中信号设备全电子执行单元最根本的区别在于通信接口结构的不同。如图2所示。
图2 道岔执行单元通信接口基本结构
MCU采用Freescale公司的内建单/双通道FlexRay V2.1的新系列16位车用微控制器MC9S12XF512，它集成了FlexRay通信控制器和独立总线控制器，一方面简化可硬件和软件设计，另一方面，提高了硬件电路的抗干扰性，满足系统对于高性能，高可靠性和高稳定性的要求[6]；总线收发器采用Philips公司的TJA1080，它集成了总线监视器和总线驱动器；在MCU和总线收发器之间加入光电耦合器，实现良好的电气隔离。
3.2.2 道岔执行单元通信节点软件设计
道岔执行单元通信节点参与总线通信之前，需要对其进行一系列的初始化操作，包括FlexRay模块配置，FlexRay协议参数配置和信息缓冲器配置[7]。 FlexRay模块配置主要完成三项主要任务，一是FlexRay模块及其存储器的基址映射的配置；二是配置通信信道单双与否、选择时钟信号以及同步帧滤波；三是复位通信控制器。然后POCR_POCCMD=0x0010使能FlexRay模块，进入协议配置状态POC：config。
FlexRay协议参数配置是将协议参数配置到PCR0-PCR30着31个协议参数寄存器中.协议参数包括通信周期；通信速率；静态段；动态段、标识窗的时间宽度；MT的时长；μT的时长等。所有的参数的最终确定需根据实际系统调试测试结果进行必要的优化。
信息缓冲器配置包括独立的信息缓冲器配置，接收屏蔽缓冲器配置和先入先出缓冲器（FIFOS）配置。以便确定有效数据帧的接收和发送。
配置结束后，POCR_POCCMD=0x0100，并等待进入POC：ready状态，此时便完成了道岔模块FlexRay节点的初始化，并整合进电子计算机联锁系统的FlexRay通信网络中，等待主节点联锁机发出有效操作命令。FlexRay模块的初始化的软件流程图如图3所示。
图3 初始化软件流程图
4.总结
FlexRay总线作为新一代总线，已经在宝马5系及奥迪A8等中实现应用，本文将其传输速率高，实时性好，传输数据容量大等优势应用于全电子计算机计算机联锁系统中，以提高系统的实时性，可靠性和安全性。
参考文献
[1]陈光武，范多旺，魏宗寿，等.基于二乘二取二的全电子计算机联锁系统[J].中国铁道科学，2010，31（2）.
[2]徐志俊，钟再敏.FlexRay总线在工业自动化领域的应用展望[J].工业控制计算机，2008，21（5）：1.
[3]陈智琦，罗峰，陈觉晓，等.FlexRay特性分析及应用实现[D].2007中国汽车工程学会年会论文集[M].北京：机械工业出版社，2007：1203.
[4]FlexRay Communications Protocol Specification V2.1 Rev.A.
[5]魏文君，范多旺.铁路车站全电子计算机联锁系统的研究与设计[J].自动化与仪器仪表，2007，3.
[6]牛志刚，肖昆，王健林，等.FlexRay总线在店里系统继电保护装置中的应用[J].电力系统保护与控制，2010，16（38）.
[7]庞瑞.FlexRay总线的研究及其在线控转向系统中的应用[D].重庆邮电大学，2011：56-63.
【关键词】FlexRay总线；全电子执行单元；通信接口；硬件结构；软件设计
Abstract：This paper researches main features of FlexRay bus，and also researches its application in all-electronic computer interlocking system.Considering the fail-safe principle，communication interface hardware and software design of the all-electronic execution based on CPU MC9S12XF512 embeded FlexRay bus protocol are proposed in order to realize safe and reliable data communication between the all-electronic execution units and the interlocking machine，the maintenance monitoring machine.
Key words：FlexRay bus；all-electronic execution units；communication interface；hardware structure；software design
1.引言
在基于二乘二取二全电子计算机联锁系统中信号设备全电子执行单元与联锁机及维修监测机之间采用CAN总线进行数据通信[1]，但CAN总线本身传输速率不高，最高只达1Mbits/s，且通信格式采用短帧格式（每帧数据段不超过8个字节），数据容量较小。此外CAN总线采用事件触发方式，高优先级的消息先于低优先级消息访问总线，低优先级消息不可避免产生传输延时。随着高优先级消息数目的增多，响应时间呈逐渐上升趋势，实时性降低。FlexRay总线作为新一代的汽车总线通信协议，克服了CAN总线的不足，以其自身的优势被誉为是可以逐步取代CAN总线协议的新一代的汽车总线[2]。
2.FlexRay总线主要特性
FlexRay与传统的CAN总线相比，在通信速率、实时性、容错性及有效数据容量等方面具有巨大的优势。
（1）通信速率高。FlexRay总线单通道速度可达10Mbits/s，双通道在传输不同的信息时，速率可达到20Mbits/s。通过对总线控制器的配置，总线亦可在8Mbits/s、5Mbits/s、2.5Mbits/s的速率下工作，提高了带宽的灵活性[3]。
（2）实时性好。FlexRay总线采用周期循环通信，周期循环中的静态段基于时间触发技术，可传输实时性要求较高的特定消息，消息在周期循环中拥有固定的位置，即接收器已预知消息到达的时间，且到达时间的临时偏差幅度较小[4]102。
（3）容错性强。单通道通信时可接独立的物理层总线监控器，当节点发生故障不能正常接收或发送数据时，总线监控器将通信控制器和总线断开，不影响其他节点工作；双通道通信通过传输相同的信息来实现冗余容错，保证系统正常运行不影响系统的稳定性。
（4）有效载荷数据容量大。FlexRay帧数据结构复杂，单帧高达254字节的数据容量，更加适合多信息的消息传输，能实现比CAN帧更多的功能。
3.全电子计算机联锁系统
3.1 FlexRay通信网络结构设计
全电子执行单元与联锁机、维修监测机之间通信采用总线型拓扑。
道岔、信号机、轨道电路等全电子执行单元作为FlexRay网络子节点，联锁机作为主控节点。采用冗余总线FlexRay A，FlexRay B通信，分别接收联锁运算结果，进行与逻辑控制输出，并实时采集设备状态反馈给联锁主机。此外，通过检测总线FlexRay C将设备各种状态参数传送给维修监测机。如图1所示。
图1 全电子计算机联锁FlexRay总线拓扑
3.2 基于FlexRay总线的全电子执行单元通信节点硬件组成及软件设计
信号设备全电子执行单元包括道岔执行单元，信号执行单元，轨道执行单元等[5]。以道岔执行单元做一个详细的介绍，其他执行单元类似。
3.2.1 道岔执行单元通信节点硬件组成
基于FlexRay总线的道岔执行单元与基于二乘二取二全电子计算机联锁系统中信号设备全电子执行单元最根本的区别在于通信接口结构的不同。如图2所示。
图2 道岔执行单元通信接口基本结构
MCU采用Freescale公司的内建单/双通道FlexRay V2.1的新系列16位车用微控制器MC9S12XF512，它集成了FlexRay通信控制器和独立总线控制器，一方面简化可硬件和软件设计，另一方面，提高了硬件电路的抗干扰性，满足系统对于高性能，高可靠性和高稳定性的要求[6]；总线收发器采用Philips公司的TJA1080，它集成了总线监视器和总线驱动器；在MCU和总线收发器之间加入光电耦合器，实现良好的电气隔离。
3.2.2 道岔执行单元通信节点软件设计
道岔执行单元通信节点参与总线通信之前，需要对其进行一系列的初始化操作，包括FlexRay模块配置，FlexRay协议参数配置和信息缓冲器配置[7]。 FlexRay模块配置主要完成三项主要任务，一是FlexRay模块及其存储器的基址映射的配置；二是配置通信信道单双与否、选择时钟信号以及同步帧滤波；三是复位通信控制器。然后POCR_POCCMD=0x0010使能FlexRay模块，进入协议配置状态POC：config。
FlexRay协议参数配置是将协议参数配置到PCR0-PCR30着31个协议参数寄存器中.协议参数包括通信周期；通信速率；静态段；动态段、标识窗的时间宽度；MT的时长；μT的时长等。所有的参数的最终确定需根据实际系统调试测试结果进行必要的优化。
信息缓冲器配置包括独立的信息缓冲器配置，接收屏蔽缓冲器配置和先入先出缓冲器（FIFOS）配置。以便确定有效数据帧的接收和发送。
配置结束后，POCR_POCCMD=0x0100，并等待进入POC：ready状态，此时便完成了道岔模块FlexRay节点的初始化，并整合进电子计算机联锁系统的FlexRay通信网络中，等待主节点联锁机发出有效操作命令。FlexRay模块的初始化的软件流程图如图3所示。
图3 初始化软件流程图
4.总结
FlexRay总线作为新一代总线，已经在宝马5系及奥迪A8等中实现应用，本文将其传输速率高，实时性好，传输数据容量大等优势应用于全电子计算机计算机联锁系统中，以提高系统的实时性，可靠性和安全性。
参考文献
[1]陈光武，范多旺，魏宗寿，等.基于二乘二取二的全电子计算机联锁系统[J].中国铁道科学，2010，31（2）.
[2]徐志俊，钟再敏.FlexRay总线在工业自动化领域的应用展望[J].工业控制计算机，2008，21（5）：1.
[3]陈智琦，罗峰，陈觉晓，等.FlexRay特性分析及应用实现[D].2007中国汽车工程学会年会论文集[M].北京：机械工业出版社，2007：1203.
[4]FlexRay Communications Protocol Specification V2.1 Rev.A.
[5]魏文君，范多旺.铁路车站全电子计算机联锁系统的研究与设计[J].自动化与仪器仪表，2007，3.
[6]牛志刚，肖昆，王健林，等.FlexRay总线在店里系统继电保护装置中的应用[J].电力系统保护与控制，2010，16（38）.
[7]庞瑞.FlexRay总线的研究及其在线控转向系统中的应用[D].重庆邮电大学，2011：56-63.