改進(jìn)FlexRay總線的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

何浩洋， 穆建成， 馬連川，曹 源

（1．北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044；2．鐵道部 科學(xué)技術(shù)司，北京 100844 ）

軌道交通列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（簡稱列控系統(tǒng)）是典型的安全苛求控制系統(tǒng)，列控系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)組成，子系統(tǒng)又由多個分布子設(shè)備組成，如地面子系統(tǒng)由RBC、TCC、軌道電路、應(yīng)答器、GSM-R通信接口設(shè)備等組成，車載子系統(tǒng)由車載安全計算機(jī)、應(yīng)答器信息接收模塊、軌道電路信息接收單元、測速測距單元、人機(jī)界面、列車接口等設(shè)備組成。雖然每個子系統(tǒng)和子設(shè)備是安全的，但如果系統(tǒng)和設(shè)備間的通信不安全會導(dǎo)致行車危險，需要故障安全通信，CTCS-2級、CTCS-3級列控系統(tǒng)通信中都具有故障安全特性。

在鐵路、航空等安全理論和國際標(biāo)準(zhǔn)中IEC61508是比較基本和核心的。IEC61508指出，為防護(hù)通信中的安全風(fēng)險引入了時間觸發(fā)架構(gòu)。TTP/C、FlexRay、TTEthernet是常用的時間觸發(fā)總線，其中FlexRay是混合信道結(jié)構(gòu)設(shè)計，總線訪問靜態(tài)時間消息采用TDMA方式訪問網(wǎng)絡(luò)，動態(tài)事件消息采用柔性時分多址（FTDMA）方式訪問網(wǎng)絡(luò)，具有很好的靈活性，因此是未來現(xiàn)場總線的發(fā)展趨勢。為保證FlexRay總線能更好地應(yīng)用于列控系統(tǒng)的故障安全通信中，可借鑒ARINC659的物理層對FlexRay總線進(jìn)行改進(jìn)。

1 FlexRay總線的改進(jìn)設(shè)計

ARINC659背板總線采用4條總線冗余，4條總線采用半雙工傳輸和交叉檢驗(yàn)的通信方式。每一個BIU接收所有4組總線發(fā)送的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行交叉校驗(yàn)，從而檢測出瞬態(tài)故障和硬故障，并能解決單個總線的故障，即可容忍一個總線的故障。

為保證FlexRay總線能夠更好用于故障安全通信，一方面可以保留FlexRay總線采用時間觸發(fā)機(jī)制時間確定性，以及靈活性的優(yōu)勢，另一方面可以對FlexRay容錯能力不足和總線利用率不高的方面進(jìn)行改進(jìn)，通過借鑒ARINC659高可靠度和安全度的物理層，進(jìn)一步提高總線的可靠性和容錯性以及利用率。其具體框架如圖1所示。

圖1 改進(jìn)的FlexRay總線節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

2 改進(jìn)FlexRay總線的實(shí)現(xiàn)

針對改進(jìn)的FlexRay總線，在FPGA上進(jìn)行IP核的設(shè)計。首先采用Quartus II實(shí)現(xiàn)各個模塊的設(shè)計，再將各模塊統(tǒng)一綜合。模塊包括時鐘模塊、協(xié)議運(yùn)行控制狀態(tài)模塊、時鐘同步模塊、介質(zhì)訪問模塊和收發(fā)模塊。

在FlexRay協(xié)議里，通信建立在重復(fù)的通信循環(huán)中。通信循環(huán)按照時間定義的元素分為4個時間層次：微時鐘層、宏時鐘層、仲裁格層和通信循環(huán)層。微時鐘層的時鐘大小由系統(tǒng)時鐘確定，對于不同的節(jié)點(diǎn)可以使用不同的時鐘。宏時鐘層是實(shí)現(xiàn)全局時鐘同步最小的時間單元。仲裁格層中靜態(tài)段的時間單位為靜態(tài)時隙，動態(tài)段的時間單位為小時隙（動態(tài)時隙）。通信循環(huán)層由靜態(tài)段、動態(tài)段、符號窗和網(wǎng)絡(luò)空閑時間段組成。

FlexRay總線上的節(jié)點(diǎn)一共有8個基本的協(xié)議運(yùn)行控制狀態(tài)，分別是默認(rèn)配置狀態(tài)、參數(shù)配置狀態(tài)、就緒狀態(tài)、喚醒狀態(tài)、啟動狀態(tài)、正常主動狀態(tài)、正常被動狀態(tài)、中止?fàn)顟B(tài)，在各不同的狀態(tài)下執(zhí)行相應(yīng)的功能。

介質(zhì)訪問模塊主要完成數(shù)據(jù)幀的組幀與解幀。數(shù)據(jù)幀根據(jù)具體情況，從各狀態(tài)寄存器和從主機(jī)接收到的數(shù)據(jù)獲取所需要的信息，再經(jīng)過11位的頭部CRC計算和幀尾段24位的CRC計算，得到最終的數(shù)據(jù)幀。反之，解幀時也是先計算數(shù)據(jù)幀的頭部CRC和總的CRC，然后與發(fā)送的CRC值進(jìn)行比較，若一致則接收該數(shù)據(jù)，并更新狀態(tài)寄存器的數(shù)據(jù)。

FlexRay協(xié)議采用分布式的時鐘同步機(jī)制，每個節(jié)點(diǎn)通過其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的同步幀測量時鐘計時，從而實(shí)現(xiàn)總線上的節(jié)點(diǎn)時鐘同步。所有節(jié)點(diǎn)采用相同的方式進(jìn)行時鐘同步，相位校正在奇數(shù)周期的網(wǎng)絡(luò)空閑時間進(jìn)行，頻率校正則在整個周期中都進(jìn)行。

數(shù)據(jù)按照規(guī)范規(guī)定的位流進(jìn)行傳輸。按照規(guī)范中所指出的編碼方式得到數(shù)據(jù)幀或特征符的位流，接著將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，再根據(jù)ARINC659的底層對位流傳輸進(jìn)行改進(jìn)。接收時先仍按上述方式進(jìn)行處理，對處理后數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)據(jù)確認(rèn)表對其進(jìn)行比較。再對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行串行轉(zhuǎn)并行，得到最后的消息位流。數(shù)據(jù)位流的發(fā)送接收過程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)位流的收發(fā)

對改進(jìn)FlexRay總線各模塊設(shè)計完成后，即可根據(jù)需要搭建FPGA硬件開發(fā)板。開發(fā)板芯片為Cyclone的EP1C12Q240C8，采用5個開發(fā)板實(shí)現(xiàn)通信。

3 改進(jìn)FlexRay總線的符合性測試

對于通信控制器，F(xiàn)lexRay發(fā)布的協(xié)議符合性測試規(guī)范中指出可以采用基于仿真環(huán)境和基于硬件環(huán)境的符合性測試?；诜抡姝h(huán)境的測試是采用Modelsim軟件對設(shè)計的通信控制器進(jìn)行RTL級的仿真?；谟布h(huán)境的測試被測試對象是基于FPGA的FlexRay通信控制器，處理器采用Cyclone自帶的Nios II。

開發(fā)板上的晶振是40 M，設(shè)置具體的參數(shù)：系統(tǒng)時鐘為CLK：25 ns；微時鐘Microtick：25 ns；宏時鐘Macrotick ：1 μs；靜態(tài)段時隙：50 μs；動態(tài)段時隙：40 μs；符號窗時隙和網(wǎng)絡(luò)空閑時間的時鐘采用微時鐘，即25 ns。對于通信循環(huán)，總的周期：5 ms；其中靜態(tài)段時間：3 ms；動態(tài)段時間：1.8 ms；符號窗時間：120 μs；網(wǎng)絡(luò)空閑時間：80 μs。

3.1 基于仿真的測試

基于仿真環(huán)境的測試，通過編寫Testbench實(shí)現(xiàn)RTL級的仿真。數(shù)據(jù)的發(fā)送仿真如圖3所示。

圖3 改進(jìn)FlexRay總線靜態(tài)段的發(fā)送

對于數(shù)據(jù)的接收，若傳輸未出現(xiàn)錯誤，則能正確接收到數(shù)據(jù)。仿真圖如圖4所示。

圖4 改進(jìn)FlexRay總線靜態(tài)段的接收

通過對數(shù)據(jù)幀發(fā)送信號線的波形分析，可以看到與規(guī)范中的位流編碼一致，設(shè)計符合要求。

若一個通道傳輸錯誤，也能正常接收數(shù)據(jù)，假定Bx通道傳輸錯誤，數(shù)據(jù)接收仿真如圖4所示。若一位數(shù)據(jù)的傳輸時發(fā)生兩處錯誤，假設(shè)Ay和Bx均發(fā)生錯誤，數(shù)據(jù)接收仿真如圖5所示。

圖5 兩條通道出現(xiàn)錯誤的幀接收

通過仿真可見，若某位數(shù)據(jù)的傳輸過程中出現(xiàn)一個通道錯誤時，通信控制器仍然能正確接收到數(shù)據(jù)，改進(jìn)后的總線具有容錯能力。若傳輸過程中出現(xiàn)兩通道同時錯誤的情況下，通信控制器不能解析收到的數(shù)據(jù)，輸出高阻。

3.2 基于硬件的測試

處理器采用Nios II內(nèi)核，系統(tǒng)參數(shù)與仿真設(shè)置參數(shù)相同，節(jié)點(diǎn)2在靜態(tài)段時隙為15發(fā)送16 bit數(shù)據(jù)0x0215，節(jié)點(diǎn)3在靜態(tài)段時隙為25發(fā)送16 bit數(shù)據(jù)0x0325，節(jié)點(diǎn)4在靜態(tài)段時隙為35發(fā)送16 bit數(shù)據(jù)0x0435，節(jié)點(diǎn)5在靜態(tài)段時隙為45發(fā)送16 bit數(shù)據(jù)0x0545，節(jié)點(diǎn)1接收數(shù)據(jù)。

測試節(jié)點(diǎn)4故障對傳輸?shù)挠绊?。首先設(shè)置Bx通道傳輸錯誤，測試數(shù)據(jù)能否被接收；然后設(shè)置Ay和Bx通道均發(fā)生錯誤，測試數(shù)據(jù)能否被接收。對其他節(jié)點(diǎn)仍正確設(shè)置。

測試結(jié)果表明，對于正確傳輸?shù)耐ǖ?，能正確接收到數(shù)據(jù)。對單通道Bx傳輸錯誤，仍能接收到節(jié)點(diǎn)4發(fā)送的數(shù)據(jù)，可見單個通道的故障不影響數(shù)據(jù)的通信，即改進(jìn)后的FlexRay總線允許單個通道的傳輸故障。通過對改進(jìn)后總線容錯能力的測試，IP核的設(shè)計與要求容錯能力一致，即可容忍一條通道的傳輸錯誤。

4 結(jié)束語

為保證FlexRay總線更好地應(yīng)用于列控系統(tǒng)的故障安全通信中，可借鑒ARINC659總線對其物理層進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)FlexRay協(xié)議符合性測試規(guī)范，首先利用Modelsim對設(shè)計的各模塊進(jìn)行RTL級的仿真，以驗(yàn)證設(shè)計模塊的符合性。然后采用Cyclone自帶的Nios II內(nèi)核作為主機(jī)控制通信控制器，進(jìn)行開發(fā)板的通信實(shí)驗(yàn)和主要功能的符合性測試。測試結(jié)果表明改進(jìn)的FlexRay總線能夠正確完成調(diào)度和數(shù)據(jù)的收發(fā)，且有更好的容錯能力，能容忍一個通道傳輸?shù)腻e誤，對兩個通道同時故障，可導(dǎo)向安全側(cè)，因此改進(jìn)后的FlexRay總線能更好地應(yīng)用于故障安全通信中。

[1] Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems German version EN 61508: 2010[S] . 2010, 4.

[2] FlexRay Consortium. FlexRay Communications System Protocol Specifi cation Version 3.0.1 [S] . 2010.

[3] Arinc Specifi cation 659 Backplane Data Bus[C] . The Airlines Electronic Engineering Committee, DEC. 27, 1993.

[4] 劉 欣，楊志家.FlexRay通信控制器收發(fā)功能的研究和實(shí)現(xiàn)[J] .微計算機(jī)信息，2007，23（6）：266-268.

[5] FlexRay Consortium. FlexRay Communications System Protocol Conformance Test Specifi cation Version 3.0.1 [S] .2010.