FlexRay總線在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

Research on Application of the FlexRay Bus in Steer-by-wire System

王　闖

(許昌學(xué)院信息工程學(xué)院，河南 許昌　461000)

FlexRay總線在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

Research on Application of the FlexRay Bus in Steer-by-wire System

王闖

(許昌學(xué)院信息工程學(xué)院，河南 許昌461000)

摘要：針對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對車載網(wǎng)絡(luò)的實時性、確定性和高可靠性通信的要求，設(shè)計了基于FlexRay總線的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。FlexRay線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究分為方向盤力反饋路感和方向盤對前輪的控制這兩個部分，重點研究了方向盤對前輪的控制部分。通過配置FlexRay網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和分配兩個FlexRay節(jié)點的任務(wù)，對搭建的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了在線監(jiān)測。試驗結(jié)果表明了FlexRay總線應(yīng)用于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可靠性和安全性，適合作為線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：FlexRay線控轉(zhuǎn)向時間觸發(fā)協(xié)議光電編碼器步進(jìn)電機(jī)

Abstract：In accordance with the communication requirements of steer-by-wire (SBW) system on on-vehicle network, e.g., the real time performance, certainty and high reliability, the SBW system based on FlexRay bus has been designed. The research on FlexRay-based SBW system is composed of two parts, i.e., the steering wheel force feedback road feel and the control for front wheel; here, the second part is researched emphatically. By configuring FlexRay network parameters and allocating tasks for two FlexRay nodes, online monitoring of the SBW system established is conducted. The experimental results show the reliability and security of applying FlexRay bus in SBW system, and FlexRay is suitable to serve as the standard of steer-by-wire system communication network.

Keywords：FlexRaySteer-by-wireTime-triggered protocolPhotoelectric encoderStepper motor

0引言

汽車未來的發(fā)展方向是電氣化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。這些發(fā)展趨勢會促使目前轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的機(jī)械和液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)向電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展，從而提出了線控轉(zhuǎn)向(steer-by-wire,SBW)系統(tǒng)[1]。與傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在信號傳輸上需要更高的安全性和可靠性。

FlexRay作為下一代車載網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)之一，它的雙通道架構(gòu)提供了足夠的安全冗余來支持安全相關(guān)系統(tǒng)的可靠要求。FlexRay總線每個通道的數(shù)據(jù)傳輸速度能達(dá)到10 Mbit/s。通過和CAN、LIN等網(wǎng)絡(luò)結(jié)合在一起工作，F(xiàn)lexRay不僅能減少使用并行CAN網(wǎng)絡(luò)通信來解決帶寬瓶頸問題，還能降低設(shè)計成本[2]。

雖然針對FlexRay通信機(jī)制的理論研究已經(jīng)開展多年，但是對其應(yīng)用研究卻剛剛開始。本文在介紹FlexRay總線協(xié)議規(guī)范的基礎(chǔ)上，提出了一種建立在FlexRay總線基礎(chǔ)上的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，將FlexRay總線作為線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)。FlexRay線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究分為方向盤力反饋路感和方向盤對前輪的控制這兩個部分，本文重點研究了方向盤對前輪的控制部分。

本文結(jié)構(gòu)如下：首先簡要介紹了FlexRay通信協(xié)議特點；然后描述了測量方向盤轉(zhuǎn)角使用的工具和方法，同時配置了FlexRay的通信參數(shù)；最后以實驗室搭建的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為例，測試了這種基于FlexRay的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能。

1FlexRay概述

一個FlexRay幀由3部分組成，分別是頭部段、負(fù)載段和尾部段，如圖1所示。

FlexRay網(wǎng)絡(luò)上的通信節(jié)點在發(fā)送一個報文幀時先發(fā)送頭部段，再發(fā)送負(fù)載段，最后是尾部段。

在FlexRay協(xié)議中，其媒體訪問控制方式是基于循環(huán)的通信周期。在一個通信周期內(nèi)，F(xiàn)lexRay提供兩種媒體訪問方式：靜態(tài)段的時分多路訪問(time division multiple access，TDMA)方式和動態(tài)段的基于最小時隙的柔性時分多路(flexible time division multiple access，F(xiàn)TDMA)訪問方式[3]。每一個通信周期包括靜態(tài)段、動態(tài)段、符號窗口和網(wǎng)絡(luò)空閑時間。

無論在通信周期靜態(tài)段中是否有報文通過總線發(fā)送數(shù)據(jù)，靜態(tài)段的時隙個數(shù)都是定值，并且每個靜態(tài)時隙的長度值相同。在通信開始前，每一個時隙都應(yīng)該分配給節(jié)點，并且一個或多個時隙可以安排在一個節(jié)點，但是這個節(jié)點只允許發(fā)送數(shù)據(jù)而不能接收數(shù)據(jù)。通信周期的靜態(tài)段是時間觸發(fā)的，每一個節(jié)點提前知道報文的發(fā)送時間和報文的接收時間。整個靜態(tài)段的通信是確定的和有保證的，而動態(tài)段的長度可變，它專門用來給非關(guān)鍵性和隨機(jī)發(fā)生的報文使用。

與CAN總線相比，F(xiàn)lexRay總線的劣勢是必須要有啟動程序，以及在運行時不可重新配置[4]?；赥DMA的通信方案要求在一個簇中的所有參與通信的節(jié)點都要同步和校正。所有節(jié)點都要初始化同步為容錯和分布式啟動模式。這個初始化啟動過程叫做冷啟動。當(dāng)一個簇中的節(jié)點個數(shù)少于3個時，那么每個節(jié)點都將是一個冷啟動節(jié)點，每個啟動幀也將是一個同步幀。因此，每一個冷啟動節(jié)點同時也是一個同步節(jié)點。

更多關(guān)于FlexRay總線的信息，可以在FlexRay協(xié)議規(guī)范里面查找[5]。

圖1　FlexRay幀格式

2線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向角的測量

2.1　線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)架構(gòu)

本文中設(shè)計的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向盤節(jié)點(節(jié)點1)、前輪執(zhí)行機(jī)構(gòu)節(jié)點(節(jié)點2)和FlexRay通信網(wǎng)絡(luò)組成。文獻(xiàn)[6]中已經(jīng)闡述了基于FlexRay的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理。從中可以看出線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)。因此,本文只研究測量方向盤轉(zhuǎn)角信號,并通過FlexRay網(wǎng)絡(luò)傳輸方向盤轉(zhuǎn)角信號，然后實時評估FlexRay的傳輸，通過FreeMASTER工具監(jiān)測接收到的轉(zhuǎn)角信號。圖2是一個簡易的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理圖。由圖2可以看出，只研究如何檢測轉(zhuǎn)向盤模塊的轉(zhuǎn)向角和如何通過FlexRay通信網(wǎng)絡(luò)將轉(zhuǎn)向角信號從節(jié)點1傳輸至節(jié)點2。

圖2　線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

2.2　硬件組成

用于測量方向盤轉(zhuǎn)角和方向的設(shè)備是增量式光電編碼器(ISC3806)，使用的光電編碼器有3個輸出信號：A相、B相和Z相。每旋轉(zhuǎn)一圈，A相和B相將輸出360個方波脈沖信號。編碼器用來跟蹤運動并且可以決定位置和速率。編碼器連接在轉(zhuǎn)向盤的末端，它根據(jù)光電轉(zhuǎn)換原理能夠?qū)⒎较虮P轉(zhuǎn)角信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖信號。

系統(tǒng)使用正交輸出的A相輸出和B相輸出，因為它們之間的相位差為90°。當(dāng)順時針旋轉(zhuǎn)編碼器時，A相超前B相90°；當(dāng)逆時針旋轉(zhuǎn)編碼器時，B相超前A相90°。根據(jù)這個原理，就可以判斷方向盤的轉(zhuǎn)角方向。

為了測量順時針旋轉(zhuǎn)方向盤和逆時針旋轉(zhuǎn)方向盤時的脈沖個數(shù)，使用參考文獻(xiàn)[7]中設(shè)計的鑒相電路。經(jīng)過鑒相電路的處理，輸出的脈沖信號在同一時間只能有一個輸出信號改變。鑒相電路的原理圖如圖3所示。

圖3　鑒相電路原理圖

鑒相電路由4個D觸發(fā)器和6個與門組成，并且有4個輸入信號，分別是A、B、IA和IB。其中A和B是光電編碼器的輸出信號，IA和IB是A相和B相的反向信號。

經(jīng)過鑒相電路處理后，當(dāng)順時針旋轉(zhuǎn)方向盤時，只有P20口輸出脈沖信號，P27口輸出低電平；當(dāng)逆時針旋轉(zhuǎn)方向盤時，只有P27口輸出脈沖信號，P20口輸出低電平信號。鑒相電路仿真結(jié)果圖如圖4所示。從圖4可以看出，當(dāng)逆時針旋轉(zhuǎn)方向盤時，只有P27口輸出信號，因此這個鑒相電路符合設(shè)計要求。

圖4　鑒相電路仿真圖

MC9S12XF512是Freescale公司生產(chǎn)的、內(nèi)嵌FlexRay模塊的單片機(jī)[8]。利用MCU上集成的兩個16位脈沖累加器PACA和PACB，就可以計算接收到的脈沖個數(shù)，即方向盤的轉(zhuǎn)向角度。當(dāng)順時針旋轉(zhuǎn)方向盤時，脈沖累加器PACB的計數(shù)寄存器PACN10的脈沖個數(shù)增加。同理，當(dāng)逆時針旋轉(zhuǎn)方向盤時，脈沖累加器PACA的計數(shù)寄存器PACN32的脈沖個數(shù)也將增加。

節(jié)點1計算每個周期中檢測到的方向盤轉(zhuǎn)角脈沖信號個數(shù)。tx_data_1[0]存儲方向盤順時針旋轉(zhuǎn)時存儲的脈沖個數(shù)，tx_data_1[1]存儲方向盤逆時針旋轉(zhuǎn)時存儲的脈沖個數(shù)。

2.3　FlexRay通信參數(shù)配置

在FlexRay網(wǎng)絡(luò)能夠正常通信前，需要正確配置FlexRay的參數(shù)。共有兩種不同的參數(shù)類型需要配置：網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和節(jié)點參數(shù)[9]。配置好的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如表1所示，它與FlexRay網(wǎng)絡(luò)相關(guān)；節(jié)點參數(shù)和FlexRay網(wǎng)絡(luò)中的某個節(jié)點有關(guān)。

表1　FlexRay網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置

根據(jù)FlexRay協(xié)議，如果在一個FlexRay簇中的節(jié)點個數(shù)少于3個，那么每個節(jié)點都將是一個冷啟動節(jié)點，每一個啟動幀都將是一個同步幀。因此，每一個冷啟動節(jié)點都將是一個同步節(jié)點[10]。在本文中，節(jié)點1和節(jié)點2都必須配置為冷啟動節(jié)點并且在啟動過程中發(fā)送冷啟動幀。在時隙1中節(jié)點1發(fā)送冷啟動幀，在時隙4中節(jié)點2發(fā)送冷啟動幀。

同時在時隙1中，節(jié)點1通過FlexRay網(wǎng)絡(luò)發(fā)送存放在數(shù)組tx_data_1[16]中的方向盤轉(zhuǎn)角信號，節(jié)點2接收方向盤轉(zhuǎn)角信號并把它存放在rx_data_1[16]數(shù)組中。兩個節(jié)點的時隙分配如表2所示。

表2　FlexRay網(wǎng)絡(luò)時隙分配

3試驗測試平臺

與CAN節(jié)點類似，一個FlexRay節(jié)點由MCU、FlexRay通信控制器、總線監(jiān)視器(可選器件)和總線驅(qū)動器組成。在本試驗中，使用Freescale半導(dǎo)體公司的S12XF開發(fā)套裝。這個開發(fā)套裝包含兩個EVB9S12XF512E開發(fā)板，每一個開發(fā)板上都有一個MC9S12XF512芯片。FlexRay通信控制器是片上集成的，總線驅(qū)動使用的是NXP公司生產(chǎn)的TJA1080芯片。

節(jié)點2通過BDM Multilink仿真器連接計算機(jī)，通過FreeMaster仿真工具監(jiān)視每個周期接收到的脈沖個數(shù)。

4試驗結(jié)果和分析

當(dāng)兩個節(jié)點成功啟動后，F(xiàn)lexRay將開始通信。節(jié)點1在時隙1中通過FlexRay通道A和B發(fā)送方向盤轉(zhuǎn)角信號，節(jié)點2在每個周期的時隙1中接收報文信息，并把方向盤順時針轉(zhuǎn)角信號存放在rx_data_1[0]中，方向盤逆時針轉(zhuǎn)角信號存放在rx_data_1[1]中。

圖5和圖6所示為通過FreeMaster工具觀測到的方向盤順時針和逆時針轉(zhuǎn)角信號。

圖5　方向盤順時針轉(zhuǎn)角信號

圖6　方向盤逆時針轉(zhuǎn)角信號

當(dāng)整個系統(tǒng)開始工作時，首先順時針旋動方向盤，20 s之后逆時針轉(zhuǎn)動方向盤。從圖5和圖6可以看出，鑒相電路工作正常并能夠區(qū)分方向盤的順時針旋轉(zhuǎn)和逆時針旋轉(zhuǎn)。

本試驗中，當(dāng)斷開FlexRay的通道B時，并不影響另一個通道正確傳輸數(shù)據(jù)。然而如果使用CAN進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸時只能有一個通道，當(dāng)斷開時CAN將不能正常工作。試驗結(jié)果表明，整個FlexRay網(wǎng)絡(luò)設(shè)計完好并且系統(tǒng)工作正常。

5結(jié)束語

FlexRay是車載通信網(wǎng)絡(luò)即將到來的標(biāo)準(zhǔn)，它的主要應(yīng)用領(lǐng)域是X-By-Wire技術(shù)。本文選用線控轉(zhuǎn)向(SBN)系統(tǒng)作為它的應(yīng)用對象。FlexRay的時間觸發(fā)工作特性和雙通道傳輸特性使得它在安全關(guān)鍵性報文信息的傳輸上要優(yōu)于CAN總線，試驗結(jié)果表明FlexRay通信網(wǎng)絡(luò)安全可靠。

FlexRay總線具有以下特性：①確定性通信，節(jié)點1在預(yù)定好的時隙1中發(fā)送報文信息，節(jié)點2同樣

也在時隙1中接收報文，這表明基于FlexRay的通信是時間觸發(fā)的；②可靠性和安全性，斷開任何一路傳輸通道并不影響整個系統(tǒng)的正常工作，這將在硬件冗余上節(jié)省成本。

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中圖分類號：TH85;TP393

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201508010

修改稿收到日期：2014-12-16。

作者王闖(1983-)，男，2011年畢業(yè)于上海理工大學(xué)檢測技術(shù)與自動化裝置專業(yè)，獲碩士學(xué)位，助教；主要從事車載網(wǎng)絡(luò)通信、現(xiàn)場總線技術(shù)的研究。