基于FlexRay總線的分布式測控系統(tǒng)

李 靜，王 健

基于FlexRay總線的分布式測控系統(tǒng)

李 靜，王 健

介紹了一種高可靠性分布式測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用FlexRay網(wǎng)絡(luò)作為現(xiàn)場測控網(wǎng)絡(luò)。該總線采用時(shí)間觸發(fā)方式，并具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、可靠性高和實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，它給工業(yè)領(lǐng)域監(jiān)控系統(tǒng)中原有的RS485、CAN總線等通信方式帶來了更新?lián)Q代的可能性。研究了FlexRay總線技術(shù)的硬件結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議，利用飛思卡爾單片機(jī)MC9S12XF512作為主芯片，實(shí)現(xiàn)了多節(jié)點(diǎn)間的通信，為FlexRay總線技術(shù)在分布式測控系統(tǒng)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

MC9S12XF512；FlexRay總線協(xié)議；多點(diǎn)通信；現(xiàn)場總線；分布式測控系統(tǒng)

0 引言

在現(xiàn)代分布式測控網(wǎng)絡(luò)中，多采用RS-485、CAN等作為現(xiàn)場總線，該類總線具有技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。但RS-485不適合在距離遠(yuǎn)、惡劣工作環(huán)境中作為現(xiàn)場總線使用；而CAN總線雖然支持長距離通信，但采用事件觸發(fā)方式，基于優(yōu)先級的數(shù)據(jù)傳輸順序，必然會出現(xiàn)某些數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間的不確定性，且隨著電子設(shè)備的增多，使通信總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量增加很大，1 Mb/s的最大傳輸速率在某些場合已略顯不足。

與這兩種總線相比，F(xiàn)lexRay可以進(jìn)行同步（實(shí)時(shí)）和異步的數(shù)據(jù)傳輸，來滿足分布式測控系統(tǒng)中的需求。FlexRay不僅可以單信道數(shù)據(jù)傳輸，而且還可以作為一個(gè)雙信道系統(tǒng)運(yùn)行，可以通過冗余網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。該總線具有故障容限，可提供500kbps～10Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率和24位CRC（循環(huán)冗余）校驗(yàn)碼。FlexRay 的訪問方法基于同步時(shí)基，該時(shí)基通過協(xié)議自動建立和同步。因此，用戶可提前知道消息到達(dá)時(shí)間，消息周期偏差非常小，這使得FlexRay成為具有嚴(yán)格實(shí)時(shí)要求的分布式控制系統(tǒng)的首選技術(shù)。大量研究表明，基于時(shí)間觸發(fā)的確定性網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是滿足安全關(guān)鍵性實(shí)時(shí)控制的最佳選擇[2]。

1 FlexRay通信協(xié)議概述

FlexRay的協(xié)議通信是以 FlexRay網(wǎng)絡(luò)通信循環(huán)（Communication cycle）為基礎(chǔ)建立起來的。一個(gè)通信循環(huán)包括靜態(tài)段（Static segment）、動態(tài)段（Dynam ic segment）、符號窗（Symbol w indow）和網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間（Network idle time）。FlexRay協(xié)議提供兩種通信機(jī)制：一種是靜態(tài)段的時(shí)分多址技術(shù)（TDMA），整個(gè)靜態(tài)段被分為若干個(gè)相等的靜態(tài)時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片有唯一的標(biāo)識符，這些時(shí)間片固定分配給相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，但是，每個(gè)節(jié)點(diǎn)最多分配16個(gè)時(shí)間片；一種是動態(tài)段的基于小時(shí)槽（m ini-slot）的更加靈活的時(shí)分多址技術(shù)（FTDMA），主要用于事件觸發(fā)消息的傳輸，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以占據(jù)全部的動態(tài)時(shí)槽，但時(shí)間和帶寬是受限的[1]。

作為一種新型時(shí)間觸發(fā)總線，已經(jīng)在寶馬X5等轎車中成功應(yīng)用，它具有高速率、時(shí)間確定性、最大20Mbit/s通信速率等特點(diǎn)。CAN總線作為一種成熟的技術(shù)，在車用總線、工業(yè)控制、機(jī)械制造等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，與之相比，F(xiàn)lexRay誕生的時(shí)間比較短，且目前僅應(yīng)用于汽車總線領(lǐng)域，但其卓越的性能，一定會在分布式測控系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。FlexRay和CAN性能比較如表1所示：

表1 FlexRay和CAN性能比較

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

此分布式測控系統(tǒng)采用上位機(jī)監(jiān)控和下位機(jī)現(xiàn)場測控兩個(gè)部分組成，下位機(jī)現(xiàn)場測控實(shí)現(xiàn)FlexRay節(jié)點(diǎn)對現(xiàn)場各節(jié)點(diǎn)模擬量數(shù)據(jù)的采集并進(jìn)行傳送，上位機(jī)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)對下位機(jī)各個(gè)節(jié)點(diǎn)所采集數(shù)據(jù)的監(jiān)控。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 分布式測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 總線收發(fā)器和微控制器的連接

本文采用飛思卡爾公司的MC9S12XF512單片機(jī)作為主芯片，該芯片基于高效的16位CISC架構(gòu)的HCS12X內(nèi)核，內(nèi)核支持50Hz系統(tǒng)時(shí)鐘，片內(nèi)資源豐富，包括A/D，D/A，SPI，接口，能滿足大部分測控系統(tǒng)接口需要，并集成了支持FlexRay協(xié)議規(guī)范的v2.1版本的通信控制器，支持單/雙通道通信，兩個(gè)通道獨(dú)立配置，每個(gè)通道最高速度為10Mbps，并內(nèi)嵌CAN2.0 A/B的控制器局域網(wǎng)絡(luò)通信接口?？偩€收發(fā)器選用恩智浦的 TJA1080。它是第一款成功通過FlexRay物理層一致性測試并上市的 FlexRay收發(fā)器。TJA1080證明了FlexRay的強(qiáng)大性能與靈活便捷性，其良好的EMC性能及強(qiáng)大的錯(cuò)誤診斷和保護(hù)機(jī)制，可使開發(fā)商更迅捷、簡便地開發(fā)可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定通信的、完整的FlexRay網(wǎng)絡(luò)。TJA1080A總線收發(fā)器主要有狀態(tài)機(jī)、信號路由器、輸入/輸出管理模塊、收發(fā)模塊以及發(fā)送器組成。

TJA1080A和MC9S12XF512的連接如圖2所示：

圖2 TJA1080A和MC9S12XF512的連接

3.1.2 FlexRay網(wǎng)關(guān)及組網(wǎng)

FlexRay總線采用屏蔽雙絞線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這樣做可以盡可能的減少外界噪聲對總線信號的干擾。FlexRay總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用總線型結(jié)構(gòu)。在上位機(jī)監(jiān)控中，本文采用連接CAN/FlexRay網(wǎng)關(guān)的方式進(jìn)行監(jiān)控，這樣不僅實(shí)現(xiàn)了兩者協(xié)議數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，而且可以使用同一種上位機(jī)進(jìn)行兩種總線的監(jiān)控。CAN/FlexRay網(wǎng)關(guān)作為CAN網(wǎng)絡(luò)和FlexRay網(wǎng)絡(luò)中間件，目的是將傳輸?shù)男畔⒅匦路庋b且滿足目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的要求。因?yàn)槎呔恢С諳SI（Open System Interconnection）模型的第一、二層，CAN/FlexRay網(wǎng)關(guān)必須能接收發(fā)送兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)，因此在傳輸層完成CAN網(wǎng)絡(luò)和FlexRay網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)功能[4]。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 節(jié)點(diǎn)初始化設(shè)計(jì)

FlexRay總線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信前，需要對FlexRay模塊進(jìn)行初始化，由于FlexRay要求嚴(yán)格的時(shí)間同步，需要對相應(yīng)寄存器配置完成初始化，并嚴(yán)格按照事先分配的時(shí)槽進(jìn)行配置，才會使總線通信進(jìn)入正常工作狀態(tài)。初始化成功后此FlexRay節(jié)點(diǎn)便可作為總線上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)加入總線通信集群中。FlexRay節(jié)點(diǎn)初始化流程如圖3所示：

圖3 節(jié)點(diǎn)初始化流程

3.2.2 FlexRay總線通信設(shè)計(jì)

當(dāng)FlexRay網(wǎng)絡(luò)正常啟動后，才可以進(jìn)行FlexRay數(shù)據(jù)通信。FlexRay總線通信主要是基于時(shí)間觸發(fā)，在靜態(tài)段中，它是基于TDMA技術(shù)的時(shí)間觸發(fā)，通過事先安排好的時(shí)刻表進(jìn)行通信。FlexRay消息發(fā)送的中斷產(chǎn)生過程：TDMA時(shí)分表中的每個(gè)時(shí)槽都會對應(yīng)一個(gè)中斷，且這些中斷按時(shí)分表在時(shí)間軸上分布開來，只有在其對應(yīng)的時(shí)槽時(shí)刻，才會由FlexRay模塊自動置位中斷，且每個(gè)時(shí)槽的發(fā)送中斷產(chǎn)生與標(biāo)志置位都是在該時(shí)槽數(shù)據(jù)發(fā)送完畢之后，由FlexRay模塊自動產(chǎn)生相應(yīng)的置位與中斷；當(dāng)進(jìn)入FlexRay對應(yīng)時(shí)槽的中斷服務(wù)程序后，調(diào)用發(fā)送函數(shù)，鎖定發(fā)送時(shí)槽對應(yīng)的發(fā)送緩存，對發(fā)送緩存賦值并置位發(fā)送，最后解鎖發(fā)送緩存，等待下一個(gè)周期該時(shí)槽的發(fā)送刻到來發(fā)送。具體的FlexRay總線數(shù)據(jù)發(fā)送中斷流程如圖4所示：

圖4 總線數(shù)據(jù)發(fā)送流程

3.2.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用C#編寫，主要用于在PC端進(jìn)行總線數(shù)據(jù)監(jiān)測。功能包括監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在線狀態(tài)、接收下位機(jī)數(shù)據(jù)、發(fā)送指令、數(shù)據(jù)存儲等功能。并可設(shè)置總線上節(jié)點(diǎn)數(shù)量、采樣深度等參數(shù)，便于用戶調(diào)試。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文以AD采集的數(shù)據(jù)為參數(shù)，觀察各個(gè)節(jié)點(diǎn)通道數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性及上位機(jī)的可靠性。以節(jié)點(diǎn)3采集的4路通道為例，4個(gè)通道分別輸入0.9V，1.9V，1.25V，1V的電壓（3節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了Y軸的拉伸，便于比較）。驗(yàn)證均正確，如圖5所示：

圖5 節(jié)點(diǎn)3各輸入通道數(shù)據(jù)

結(jié)果分析：根據(jù)四路通道采集的數(shù)據(jù)分析得出：FlexRay數(shù)據(jù)的采集與傳輸在可靠性上基本滿足分布式測控系統(tǒng)的基本要求，誤差可保持在0.15V以內(nèi)。驗(yàn)證了FlexRay總線應(yīng)用在分布式測控系統(tǒng)中的可能性與可靠性，并為日后的應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5 總結(jié)

本文對FlexRay總線在分布式測控系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的軟硬件，進(jìn)行了FlexRay協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，該總線可進(jìn)行節(jié)點(diǎn)數(shù)量上的擴(kuò)展，并支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。從FlexRay總線的通信容量、實(shí)時(shí)性、可靠性、組網(wǎng)靈活性等方面相比其他總線都極具優(yōu)勢，在現(xiàn)場總線的應(yīng)用中必將得到快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)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.

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[4] 宋琦,郭蕓,CAN/FlexRay網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù),2013(04):74-76.

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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 靜（1972-），女，陜西省西安市人，西安工業(yè)大學(xué)教授，研究方向：多元信息融合、智能故障診斷，西安，710032

王 ?。?990-），男，山西省運(yùn)城市人，西安工業(yè)大學(xué)碩士，研究方向：通信與信息系統(tǒng)，西安，710032

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