基于FlexRay總線的車載安全驅動采集板設計

張昊凡,邢東峰,石建強,楊 揚,陳光武

1.蘭州交通大學光電技術與智能控制教育部重點實驗室;2.甘肅省高原交通信息工程及控制重點實驗室;3.蘭州交通大學自動化與電氣工程學院

0 引言

列車車載驅動采集板的安全性、可靠性以及傳輸速率是列車安全運行的關鍵,但是隨著列車速度的不斷提高、列車上電子控制單元的不斷增加,對列車車載驅動采集板的安全性、可靠性以及時效性提出了更高的要求。

目前,車載驅動采集板常用的通信總線與車載安全計算機一致,都選擇RS485、控制器局域網(controller area network,CAN)、以太網和FlexRay等作為通信總線[1-4]。RS485、CAN等傳統通信總線已無法滿足車載數據傳輸要求,并且以太網配置過于復雜。本文選用FlexRay總線作為車載驅動采集板的通信總線,并且針對車載驅動采集板中驅動、采集系統的安全性和可靠性進行了設計研究。

FlexRay總線不僅可以簡化通訊系統,還可以提供較高傳輸速率和高穩定性、可靠性[5-6]。該板卡使用FlexRay作為系統通信總線,彌補了控制總線中總線協議容錯性差和傳輸速率低的缺點[7]。在驅動和采集模塊中,采用雙核二乘二取二冗余架構,使用動態電路實現驅動的安全輸出,利用光耦將采集數據進行安全隔離,提高了驅動采集板功能上的安全性和可靠性。

1 車載安全驅動采集板架構

板卡通信協議采用FlexRay通信,架構采用二乘二取二架構?！岸《笔且环N典型的冗余結構,被用來實現故障-安全機制。二取二架構在工控等領域應用廣泛,可提升系統可靠性和安全性。該架構由2個獨立運行的處理器(CPUA和CPUB)負責相同任務,運算結果進行比較,只有相同時才能輸出下一步指令,確保系統安全可靠,避免硬件故障和軟件異常導致崩潰或數據錯誤?？梢杂行岣呦到y的可靠性,避免正在運行的CPU發生故障時出現宕機狀態[8]。

1.1 FlexRay總線簡介

FlexRay總線具有傳輸速率高、實時性好、可靠性高等優點,目前很多領域都已經成功應用該技術[9-10]。FlexRay總線特點如圖1所示。

圖1 FlexRay總線特點

1.2 系統實現

本系統采用2個CPU,每個CPU構建一路FlexRay通道。通過這2路FlexRay通道與上級主板通信。車載安全驅動采集板接收和處理外部設備數據,同時處理執行單元采集的數據,并將處理后的數據發送給上級主板。系統架構如圖2所示。

該板卡分為采集模塊和驅動模塊,采集模塊負責采集外部繼電器節點狀態數據,并通過FlexRay總線發送給主板;驅動模塊負責接收主板驅動命令,控制外部繼電器設備。

1.3 架構安全性設計

架構階段安全性設計的實現,采用的技術和措施:

1)通道隔離設計:兩通道之間采用光耦進行隔離,降低模塊與模塊之間的干擾;

2)兩通道之間的串口數據同步增加安全校驗機制;

3)故障-安全設計:該應用采用二取二架構,輸入,運算,輸出都采用二取二表決架構;

4)采用具有故障安全的電子器件,比如強制導桿式安全繼電器等固有故障安全器件;

5)兩通道外部輸入接口采用動態采集以防止輸入信號在設備失效情況下出現“凍結”;

6)采用動態脈沖監測:如監測繼電器狀態時,輸出脈沖串0101信號,若讀回0101脈沖信號,則判斷該繼電器處于吸起狀態。

2 車載安全驅動采集板硬件設計

本設計主控芯片選用MC9S12XF512MLM微處理器,控制整個車載安全驅動采集板,是整個板卡穩定運行的基礎。

2.1 動態電路設計

動態電路設計利用動態脈沖技術實現安全輸出,保證系統異常情況下不向受控設備輸出危險信號,避免造成損失。CPU產生動態脈沖,驅動輸出通道后的硬件電路,并通過動/靜態電平轉換,輸出靜態電平,再通過冗余模塊處理,從而驅動繼電器電路。動態電路部分如圖3所示。

圖3 動態電路圖

2.2 驅動電路設計

因驅動所需電壓較高,選用光電耦合器KAQV214和安全繼電器SR4-M組合來對外部引入的高壓進行控制。用CPU控制小電流的通斷,進而利用繼電器進行大電流的通斷以此來驅動外部繼電器工作。為了實時監控內部電路的狀態,通過控制光電耦合器的高低電平來對內部繼電器狀態進行檢查。驅動電路部分如圖4所示。

圖4 驅動電路圖

2.3 采集電路設計

在車載安全驅動采集板中,設計6路采集通道實現對外部繼電器節點信息的采集。為了增加安全性,減少電路干擾,簡化電路設計,選用TLP521光電耦合器設計開關量采集電路[11]。采集電路部分如圖5所示。

圖5 采集電路圖

光電耦合器可以進行電-光-電的轉換,使前端與負載完全隔離。通過采集板后端引入的電源,將端子接入外部繼電器的兩端,構成一個完整回路。外部繼電器節點狀態將直接影響對應光電耦合器前端狀態,前端狀態的改變將直接影響后端電路電平狀態。若光電耦合器導通,則反饋給CPU低電平;若光電耦合器斷開,則反饋給CPU高電平。通過這種方式來采集外部繼電器工作狀態。

2.4 數據通信傳輸設計

FlexRay總線一個通信周期包括靜態部分、動態部分、符號窗口、網絡空閑時間4個部分。靜態部分采用TDMA方法,用于發送頻率高且重要性高的數據[12];動態部分常用于發送一些相對隨機的數據。采用TJA1080作為總線收發器,該收發器為控制器和FlexRay總線物理層之間提供了一個穩定且抗干擾能力強的接口。FlexRay通信系統結構如圖6所示。

圖6 FlexRay通信系統結構

FlexRay每個數據幀包括幀頭、有效負載數據段和幀尾3個部分。幀頭由5字節構成;有效負載數據段內包含0～254字節的數據,且為偶數個數據字節;幀尾只有一個24位的幀CRC[13-14],用于校驗起始段和凈荷段數據是否正確。有效負載段編幀的方式分為靜態幀和動態幀。靜態幀采用時分多址技術(TDMA)保證了數據傳輸的實時性[15]。靜態幀編碼如圖7所示。動態幀采用了靈活時分多址技術(FTDMA)實現事件觸發,事件觸發在一定程度上會存在延遲情況,無法達到系統實時性的要求。動態幀編碼如圖8所示。

圖7 靜態幀編碼

圖8 動態幀編碼

FlexRay通信協議規定,靜態段的時槽包括APO、數據幀本體、通信空閑CID 3個部分[16]。假設在FlexRay通信中,傳輸速率位時間為α,靜態段中時隙消息傳輸時間為T,傳輸負載數據的長度為N字節,根據協議計算靜態段下的傳輸時間如下:

T=α[2APO+TSS+FSS+(5+N+3)×(8+BSS)+FES+CID]

(1)

式中:APO為動作點偏移;TSS為傳輸起始序列;FSS為幀起始序列;N為傳輸數據長度;BSS為字節開始序列;FES為幀結束序列;CID為通信空閑序列。

取TSS為10位,通信空閑時間段的界定符CID為11位,APO在時隙的開始與結尾處,代入以上幀序列位數,有:

T=α[2APO+10+1+(5+N+3)×(8+2)+2+11]

(2)

T=α(104+10N+2APO)

(3)

由以上計算結果可知,在靜態段通信模式中,每個節點都有特定的收發時序,并且傳輸時間被規定,這確保了通信的穩定性和數據傳輸的可靠性,所以本設計選用靜態幀編碼。

3 軟件設計

3.1 FlexRay通信設計

在FlexRay協議軟件設計中,首先對CPU進行初始化,包括完成時鐘配置、倍頻配置以及啟動鎖相環,同時完成CPU外圍設備配置、中斷及定時器等設置。其次,MC9S12XF512內部嵌有通信控制器,因此只需要配置內部寄存器,使FlexRay通信得以啟用,包括配置FlexRay引擎、消息緩沖器大小等。FlexRay通信流程如圖9所示。

圖9 FlexRay通信流程圖

在數據的發送和接收過程中,使用中斷方式進行通信:當發送時隙到來時,將需要發送的數據寫入消息緩沖器,并在寫入成功后把數據發送出去;當接收時隙到來時,通過消息緩沖器的中斷判斷,對數據進行接收,從而實現FlexRay網絡數據的傳輸。

3.2 板卡功能設計

設計安全驅動采集板實現雙線程方式,采用2個CPU獨立運行,避免任務間的輪轉、搶占等調度機制。此外,通過外部硬件中斷產生統一的時鐘,觸發軟件各項功能的執行。驅動功能設計如圖10所示。采集功能設計如圖11所示。

圖10 驅動功能設計

圖11 采集功能設計

安全驅動采集板功能流程:

1)功能初始化:初始化各項配置數據,與上級主板取得通信。

2)接收主板發送的驅動數據:主板系統每周期會向安全驅動采集板發送一次驅動命令,命令包括驅動兩路繼電器的系別、工作狀態、系統周期值等。CPUA和CPUB接收到主板發送的命令數據后,通過串口進行雙CPU二取二比較,以保證數據安全。待數據校驗無誤后,CPUA和CPUB對校驗無誤的數據進行解析,并通過外圍電路進行執行。

3)采集外部6路繼電器節點狀態:CPUA和CPUB實時采集外部6路繼電器的節點狀態信息。

4)安全關鍵數據二取二比較:CPUA和CPUB實時將采集到的數據和驅動命令數據交換,進行雙CPU二取二比較。比較失敗時,通過FlexRay總線向主板發送故障警報,再執行故障安全處理。此外,CPUA和CPUB還需通過串口實時比對系統運行狀態數據,確保2個CPU的時鐘和動作信息等保持同步。

5)驅動繼電器:CPUA和CPUB通過FlexRay總線從主板上接收驅動命令,驅動繼電器吸起或者落下。如果CPUA和CPUB在規定的周期內未收到驅動命令,應使繼電器處于安全狀態即落下狀態。

6)發送采集數據:2顆CPU將采集到的外部6路繼電器的節點狀態數據進行比對,確認數據安全后,按照安全通信協議打包,通過FlexRay總線發送給上級主板。

7)自檢及故障處理:軟件實時對硬件電路部分進行自檢,當出現故障時驅動繼電器落下,并向主板發出故障警報,完成故障安全處理。

4 系統測試

4.1 測試平臺搭建

在構建的測試電路中,使用開關的開閉來模擬外部繼電器的工作狀態,通過LED燈來表示采集到的外部繼電器的工作狀態。測試電路上的2顆LED燈來模擬驅動外部繼電器的工作狀態。使用XF512多功能開發板來測試系統的FlexRay通信模塊功能。測試平臺如圖12所示。

圖12 測試平臺

4.2 功能測試

經測試,CPUA和CPUB的FlexRay模塊可以正常收發數據,通信波形圖分別如圖13、圖14所示。

圖13 CPUA FlexRay通信波形圖

圖14 CPUB FlexRay通信波形

驅動模塊可以接收FlexRay總線上的驅動命令,并且可以正常驅動外部繼電器動作。采集模塊上電后可以實時向FlexRay總線上發送采集到的狀態信息。當CPUA和CPUB收到不一致的波形,如圖15所示時,采集板上傳故障碼,并停止工作。

圖15 CPUA、B間通信波形對比圖

本設計采用的FlexRay總線,提高了系統的傳輸速率,“二取二”冗余架構,在一定程度上增強了系統的安全性和可靠性。

5 結束語

本設計基于FlexRay總線設計了一種列車車載安全驅動采集板,FlexRay協議解決了采集數據傳輸慢、驅動命令發送不及時的問題。在系統架構上采用了二乘二取二安全架構,從系統層面上提高了板卡的安全性和可靠性。同時分別給驅動模塊和采集模塊設計了動態輸出和光耦隔離電路,從硬件層面提高了各模塊的可靠性。軟件層面上,使用了動態檢測技術,可以做到對自身器件故障的實時監測,實現了故障-安全導向系統。本設計采用了模塊的思想,簡化了電路,降低了使用過程中的故障率。本設計相比于傳統的車載驅動采集板,在安全性、可靠性以及傳輸速率上都得到了很大提升。