基于FlexRay總線的車載通用信息交互單元設計

趙 君，趙 剛，李侖升，許亞星

(航空工業計算所，陜西 西安 710065)

0 引 言

隨著特種車輛機電技術性能提升需求的不斷提高，機電綜合化技術在非任務系統中的應用越來越廣泛，其主要特征為物理綜合、信息綜合與能量綜合。新的特種車輛平臺已廣泛采用了基于CAN總線或FlexRay總線的機電綜合管理系統架構，技戰術指標得到了跨代飛躍[1]。但是，針對現役老型號車載平臺的能力提升也是現階段裝備發展的一個重要工作方向，其中通過在現有平臺中增加非任務系統控制管理設備，改造信息網絡，增加傳感與作動部件，從而降低平臺對戰勤人員非戰斗任務的占用，可以有效提升現有裝備的技戰術水平[1]。

FlexRay總線是一種采用高速串行通信模式、兼容事件觸發的時間觸發型總線[2]，并具有實時性高、有效帶寬高、容錯能力強等諸多優勢，已成為特種車輛平臺系統的首選網絡通信方案，該總線具備柔性時分多址通信能力，可有效避免傳統CAN總線應用中的沖突競爭問題，是未來特種車輛平臺機電綜合管理系統的一個發展方向[2-4]。

本文針對現役裝備車輛平臺基于FlexRay總線的機電綜合化能力提升需求，設計一種兼容多種接口的信息交互單元，滿足傳統裝備模擬量、離散量、RS422等數據信息與車載FlexRay總線網絡的交互，目標是降低裝備非任務重量，提升機電綜合管理性能，為有效提升老型號裝備戰斗力提供有效的解決措施。

1 工作原理與技術要求

針對某型裝備能力提升，提出一種基于信息交互單元應用模式，如圖1所示。在本系統中，信息交互單元隸屬于顯控系統，主要實現以下功能：

(1)系統需要在上電后1 s內完成啟動與初始化配置；

(2)將接收到的顯控裝置發送的控制指令，由RS422接口轉為FlexRay總線，并按照規定時序發送至綜管單元；

(3)將接收到的綜管單元采集的遙測信息，自身健康狀態等信息，由FlexRay總線轉換為RS422接口在顯控裝置顯示；

(4)將接收到的顯控裝置發送的配電指令，由RS422接口轉為CAN總線信息，轉發至配電裝置，并將配電裝置的健康狀態信息，系統配置狀態，由CAN總線轉為RS422接口信息在顯控裝置顯示；

(5)將接收到的顯控裝置發送的液壓控制指令，轉發至液壓控制器，并將控制健康狀態信息，系統工作狀態，通過與液壓控制器交聯的RS422接口實現數據透傳；

(6)采集新增溫度與壓力傳感器狀態，提供傳感器供電與采集4 mA～20 mA電流信號，具備傳感器過載保護能力；

(7)控制新增封閉活門、交輸活門、電磁閥等部件，具備過載保護能力。

圖1 信息交互單元典型應用

針對以上需求，梳理出本系統中信息交互單元技術要求如下：

(1)應至少具備1路FlexRay總線，1路CAN總線，2路RS422接口；

(2)應具備至少6路4 mA～20 mA采集接口，分辨率不低于16 bit，數據更新率不低于1 kSPS；

(3)應具備至少6路傳感器供電能力，支持過載保護，可獨立配電，供電電壓15 V±0.1 V，紋波小于100 mV；

(4)應具備至少8路27 V/開功率驅動能力，支持過載保護，可獨立控制；

(5)支持針對RS422接口的波特率檢測，通信波特率誤差應小于2%，具備針對RS422接收電壓的電壓檢測能力；

(6)具備故障信息本地記錄能力。

2 硬件設計

2.1 架構設計

為提升內外場測試性與維護性能力，提高故障診斷與隔離能力，同時兼容靈活擴展與可配置性，根據綜合化與模塊化設計原則進行架構設計，共設計了3類模塊實現本系統信息交互單元功能，分別為核心處理模塊(central processing moudle，CPM)、接口功能模塊(input & output module，IOM)與電源模塊(power supply module，PSM)，圖2為適配FlexRay總線系統的信息交互單元架構。

2.2 核心處理模塊(CPM)設計

核心處理模塊，簡稱CPM，主要完成信息交互單元的控制管理任務，基于SPI總線接口與硬線實現與各功能模塊的數據交互與控制管理功能。該模塊主要由CPU最小系統與通用FlexRay總線通信單元組成(1.2節)其架構如圖3所示。本設計中選擇ARM+FPGA架構作為核心處理模塊最小系統，其中ARM處理器選擇STM32F407，FPGA選擇Artix-7 A7 XC7A35。

圖2 基于FlexRay總線的信息交互單元架構

圖3 信息交互單元CPM模塊架構

圖3中，最小系統主要包括ARM處理器、FPGA、存儲器、電源、時鐘、調試接口等，具備微控制器監控、硬件初始化、操作系統引導、故障數據記錄、功能調試、軟件加載等基本功能，并通過SPI接口與硬線交聯其它功能模塊，實現控制管理功能，其中核心處理模塊作為SPI主設備。同時，為了實現帶寬擴展、控制解耦，并防止故障蔓延，核心處理模塊具備8路SPI接口，可為功能模塊配置獨立的SPI接口。

在CPM模塊中獨立設計了基于FPGA控制的FlexRay總線、CAN總線與RS422通信接口，ARM通過FSMC接口訪問CAN總線與FlexRay總線協議芯片，RS422采用IP核實現。針對消息聯動需求，可以在FPGA中設計觸發源，無需ARM應用軟件參與實現基于配置表的消息透傳轉發，從而提升系統實時響應能力[5,6]。

2.3 接口功能模塊(IOM)設計

信息交互單元中除CPM模塊外均可認為是接口功能模塊(IOM)，主要用于是應用不同場景的接口交聯需求，具有兩種架構形態：一種模態是基于FPGA的智能架構；第二種是無處理器的非智能架構，其中非智能架構通常采用硬線完成接口采集與控制，本文主要介紹基于FPGA智能架構的接口功能模塊設計，如圖4所示。

圖4 信息交互單元IOM模塊架構

IOM模塊和CPM模塊之間通過SPI接口與硬線連接，實現數據通信與控制管理。該模塊主要實現傳感器供電，溫度壓力傳感器信號采集以及作動部件功率驅動控制，完成輸入模擬量的處理功能，通過差分濾波器與儀表運放將4 mA～20 mA模擬信號處理成標準電壓信號由模數轉換器件完成數據采集。模塊使用AD7606完成模數轉換，該器件單片支持8通道同步采集，最高支持200 kSPS，分辨率可達16 bit，具備模擬輸入箝位保護，模擬緩沖器輸入阻抗高達1M歐姆，具備二階抗混疊低通濾波器，支持基于數字濾波器的過采樣應用需求，接口方式靈活，基于該芯片及其配置可以方便地構建各種機電類產品的模擬量接口采集電路，具有很好的靈活性與可擴展性。

此外，接口功能模塊具備功率驅動功能，基于TPS2492設計的功率驅動電路，可以通過配置采樣電阻與充電電容實現過載保護與短路保護，具備反時限保護特征，可以有效地保護負載與信息交互單元產品本身。同時，基于TPS2492設計了超控電路，可以通過硬線實現安全態的超越控制，有效地提升了系統安全性。

2.4 電源模塊(PSM)設計

PSM主要完成正常、應急電源切換處理、濾波、浪涌抑制、預處理及DC/DC轉換，為處理板和接口處理板提供對應電源供電，PSM模塊架構如圖5所示[5]。

圖5 信息交互單元PSM模塊架構

3 軟件設計

3.1 信息交互單元軟件運行機理

信息交互單元軟件配置項包括CPM_ARM應用軟件(運行于ARM處理器)、CPM_FPGA邏輯(主FPGA)、IOM_FPGA邏輯(從FPGA)，配置項間相互協同為各種數據提供控制管理功能，如FlexRay與CAN總線之間的數據轉換、FlexRay總線與RS422接口之間的數據轉換以及模擬量數據與總線數據間的數據轉換等，同時信息交互提供基于配置表的簡單邏輯處理能力。信息交互單元軟件將不同ICD的輸入數據去除其接口屬性，將數據負載進行參數化分解與存儲，然后基于配置表規劃的信息流路徑與實時性要求將參數二次封裝為滿足系統ICD要求的數據包傳輸至目標設備。實現數據轉換與傳輸功能主要由4個軟件功能模塊組成，分別是數據采集模塊、數據處理模塊、數據發送模塊、管理維護模塊，其運行架構如圖6所示。

圖6 信息交互單元軟件數據處理原理

圖6中，數據采集模塊主要用于對輸入數據的采集，主要由4個數據采集引擎構成，基于管理維護模塊傳遞的地址映射、ICD與工作模式等配置參數，實現采集數據轉化為系統參數的解耦操作，數據采集引擎的能力受信息交互單元硬件資源約束，因此軟件中需要設計安全邊界，防止發生數組越界，參數范圍越界等導致系統異常崩潰故障，從而對系統和人員安全性造成不良影響。

數據處理模塊主要用于對分解出的各種參數完成邏輯處理，包括算術邏輯與時序邏輯。管理維護模塊將邏輯處理配置表傳輸至數據處理模塊，當參數非法時數據處理模塊具備故障記錄與告警能力。

數據發送模塊管理維護模塊傳遞來的地址映射、ICD以及工作模式等配置信息，數據處理模塊輸出的參數與邏輯關系進行數據封裝、邏輯關聯與時序配置，最終將信息轉化為電氣接口所需的電平信號完成接口驅動。

管理維護模塊主要完成配置表信息接收、解析、配置參數二次分配，故障記錄，BIT(PUBIT/PBIT/MBIT)，人機交互等功能，最終為數據采集/處理/發送模塊提供工作所需的配置信息。

3.2 FlexRay總線驅動軟件設計

CPM模塊通過配置可以實現針對RS422接口、CAN總線接口與FlexRay總線接口的通信數據交互，其中與顯控裝置的FlexRay總線通信接口驅動軟件設計是關鍵技術之一。本文針對MFR4310設計了基于協議操作控制接口(protocol operation control，POC)的驅動軟件，將對POC的寄存器操作命令封裝成驅動軟件中間件，可以降低系統開發難度，實現基于用戶功能需求的FlexRay協議配置、喚醒與傳輸等控制功能。

驅動軟件主要包括接口時序控制、初始化、服務層3個功能模塊。時序控制模塊完成針對MFR4310的物理層接口操作，建立FPGA對MFR4310的數據操作能力；初始化模塊主要完成基于維護管理模塊配置信息的POC相關寄存器配置；服務層模塊完成與數據發送模塊的邏輯與數據鏈接[7,8]。

驅動軟件包括Open、Close、Send與Receive這4個功能接口，Open基于配置信息完成初始化操作，中斷管理，Close完成關閉中斷和復位，Send完成發送數據地址映射，Receive完成接收數據地址映射與狀態信息回讀。

管理維護模塊軟件基于配置表信息，調用FlexRay總線驅動軟件完成MFR4310內部接收FIFO緩存、獨立消息緩存與接收映射緩存的相關配置。其中，獨立消息緩存用于配置靜態段收發數據幀，而接收映射緩存用于執行接收任務，接收FIFO用來配置沒有分配接收消息的數據幀，通常用于動態段的數據操作。

3.3 RS422波特率測量軟件設計

針對技術要求中對RS422接口進行波特率檢測的需求，進行波特率誤差檢測軟件設計。將RS422接口接收信號經驅動器完成電平轉換后，由FPGA采集并分析波特率誤差，設計包括電平狀態寄存器、波特率閾值配置寄存器(單bit)、單bit脈寬FIFO(深度128)以及FIFO狀態寄存器。

其中，兩個波特率單bit閾值寄存器，用于配置任一波特率下的1 bit數據所對應的時間長度，例如當預期波特率為115200 bps時，1 bit數據發送時間約為8 μs，則波特率上限寄存器配置13 μs，下限寄存器配置5 μs，當接口捕獲信號脈寬為5 μs

3.4 模擬量采集軟件設計

模擬量采集接口是由2片AD7606構成的16通道模擬量輸入接口，其中2片AD7606的片選與啟動轉換控制端共用。模擬量采集功能主要由FPGA實現，包括模擬量電壓存儲寄存器、最大值寄存器、最小值寄存器、模式選擇寄存器、采樣率配置寄存器、啟動與停止寄存器。

通過維護管理軟件模塊可以實現工作參數配置，主要包括采樣模式寄存器選擇AD7606工作狀態(是否過采樣)、采樣率配置寄存器，選擇系統所需的采集速率(范圍1 kHz～200 kHz，步進1 kHz，精度1 Hz)。數據采集模塊軟件配置啟動與停止寄存器，使能采集后，2片AD7606同步開始采集數據，每一個通道具有3個寄存器，分別是最大值、最小值、實時值，可以通過數據采集模塊軟件訪問相應的數據存儲寄存器，為后續數據處理模塊軟件提供有效數據。

4 總線通信調度優化設計

4.1 數據流能力需求分析

信息交互單元是系統信息通信路徑的關鍵節點，其有效帶寬余量是系統可擴展性的重要指標。FlexRay總線中，每個靜態段的數據幀長度可以配置為0～254字節，根據以往型號通信ICD要求，信息交互單元控制類指令數據幀長度小于等于64字節，采集類數據幀長度一般小于128字節，因此本系統中信息交互單元長度選擇64字節，可以在滿足傳輸要求的前提下，能有效提升數據幀利用率[9,10]。

本文設計信息交互單元數據流周期包括10 ms、20 ms、50 ms和100 ms，通信幀更新統計見表1，共計23幀。選擇5 ms作為基準通信周期，考慮降額設計需求保證所有數據在基準周期的整數倍內傳輸完畢，定義2個最大更新周期公倍數200 ms作為系統通信周期。由于系統總線通信周期為10 Mbps，一個靜態段64字節的耗時約為93 μs，因此考慮降額設計后選取靜態時隙為100 μs[7-9]。

表1 信息交互單元典型工況數據幀統計

本文中信息交互單元的通信機制全部采用靜態段時間觸發模式，不采用應用軟件時間調度方式，可以最大程度保證系統的實時性與確定性。根據表1數據流量統計，將所有數據幀配置在23個靜態時隙中，如圖7所示。

圖7 信息交互單元時隙分配

4.2 時隙優化控制

本文中信息交互單元采用圖7中方案時存在冗余數據發送缺陷，主要表現為信息交互單元采用5 ms基準周期通信，所有更新周期大于5 ms的數據都按照基準周期重復冗余發送，例如100 ms周期發送的數據幀，在100 ms內被重復發送19次，因此圖7方案導致總線有效帶寬降低，不利于系統擴展。

針對帶寬浪費問題，本文基于MFR4310協議處理器開展時隙優化控制。該處理器具備兩種時鐘，其中T1為絕對時鐘，T2為可配置時鐘(絕對/相對)。T1與T2均可以配置為循環模式，時鐘溢出可觸發可屏蔽中斷，定時器配置關系如式(1)與式(2)所示，T1采用總線周期和宏節拍作為時基，其中宏節拍與微節拍相對應。微節拍是總線協議棧中最小時間單位，其與晶振周期量級相同，宏節拍是N個微節拍組成的一個宏觀時間，總線中每個通信周期都是由M個宏節拍組成，因此每個通信周期宏節拍的范圍最大是M，通信周期數值量化范圍是0～63[10,11]

CCYC&TI1CYCMSK=TI1CYCVAL&TI1CYCMSK

(1)

CMT&TI1MTMSK=TI1MTVAL&TI1MTMSK

(2)

式中：CCYC和CMT為周期計與宏節拍計數器，TI1CYCVAL與TI1MTVAL為定時器T1配置溢出參數，TI1CYCMSK與TI1MTMSK為掩碼參數。

本文信息交互單元的時間調度優化方案中，將T1的配置溢出參數設置為0，掩碼參數也配置為0，此時每個通信周期起始就觸發定時器T1中斷，實現5 ms中斷一次，在定時器中斷中對表1中的4種周期時隙進行動態使能與禁止，優化后的時序關系如圖8所示。

圖8 優化后的通信時序關系

圖8中，方格代表基準周期計數，方格中的數字10、20、50、100代表表1中4種周期通信任務，例如編號0方格，表示該周期內發送的數據幀為10 ms、20 ms、50 ms與100 ms周期任務數據，方格20表示該周期內發送10 ms與50 ms周期任務數據，通過每個5 ms基準周期配置不同通信任務周期數據的使能與禁止實現動態時隙優化控制，可有效降低總線負載冗余數據，提升帶寬利用率[12]。

5 測試驗證與分析

針對基于信息交互單元的老型號裝備升級后平臺開展測試分析，結果見表2。

表2 測試驗證與分析結果

針對基于信息交互單元FlexRay總線與CAN總線樣機，測試對比數據見表3。其中，在FlexRay樣機平臺，通過合理規劃FlexRay總線周期調度，采用時隙優化控制技術，降低數據通信周期中的冗余消息發送，可以有效地降低總線負載，提升通信效率[11,12]。

為進一步驗證該平臺的通用性，基于FlexRay總線的信息交互單元，構建出半物理仿真環境，選擇環控系統中的輔助冷卻系統作為典型應用場景。輔助冷卻系統由沖壓空氣單元、蒸發循環制冷單元、液體冷卻回路3部分構成。其中沖壓空氣單元由沖壓空氣作動器、沖壓空氣出口抽氣風扇、出口單向活門等部件組成；蒸發制冷單元由壓縮機、蒸發器、電子膨脹活門、冷凝器、回熱器等部件組成；液體冷卻回路由液體散熱器、發熱元件(電子設備艙、大功率電子設備)、泵組件等組成，測試架構如圖9所示，其中環控輔助冷卻系統半物理仿真設備主要用于運行輔助冷卻系統物理域模型，驅動板卡產生激勵與接收控制指令；實時仿真機運行嵌入式綜合處理軟件，模擬分布式控制架構；信息交互單元實物是系統控制算法與輔助冷卻系統物理域信息的橋梁，作為遠程測控終端完成信號采集、指令轉發與數據傳輸。

表3 CAN總線樣機與FlexRay總線樣機對比

圖9 輔助冷卻系統典型工況半物理仿真架構

系統測試動態監控界面如圖10所示。其中，信息交互單元主要功能為數據采集、數據處理、數據發送、管理維護，實現環控輔助冷卻系統半物理仿真設備與綜合控制軟件之間的數據交互。在本典型測試應用中，信息交互單元最小控制周期5 ms，啟動時間小于300 ms，滿足系統實時性要求，數據負載占用率最高12.7%，采用時隙優化控制技術后，負載占用率降低至7.1%，降低冗余信息帶寬占用，有效提升了系統余量。

圖10 信息交互單元的輔助冷卻系統聯合實驗

6 結束語

針對傳統車載平臺機電綜合化性能提升需求，設計了基于FlexRay總線的信息交互單元，以模塊化思想構建了基于SPI總線的信息交互單元架構，并實現了各功能模塊的軟硬件設計與研制。計算分析與測試驗證結果表明，適配FlexRay總線的信息交互單元可以滿足裝備改造及性能提升要求，相比于傳統車載機電架構，基于信息交互單元的升級方案大幅提升了系統的可靠性與實時性，并有效提升了整機級輕量化與模塊化水平，該方案為特種車輛平臺的性能提升提供了有效解決措施。