FlexRay总线技术在航天领域的应用

李 帆 吴毅杰 张蓓蕾

（上海航天电子技术研究所，上海 201109）

FlexRay总线技术在航天领域的应用

李 帆 吴毅杰 张蓓蕾

（上海航天电子技术研究所，上海 201109）

针对航天领域的CAN总线技术，本文提出一种新的FlexRay总线通信方式，并介绍了一种基于FPGA+ FlexRay架构的处理模式，同时描述了FlexRay总线的特点和工作原理，从协议上分析了FlexRay总线在航天领域应用的可行性，从芯片选用、原理设计、接口实现以及软件设计等方面阐述了FlexRay总线在我国航天领域的应用。

FPGA；FlexRay总线；航天领域；通信

1 引言

FlexRay总线是为了满足汽车网络发展支持容错和安全相关应用的汽车协议，具有网络的确定性、同步性、可靠性、高带宽以及容错性等特点，能够满足高速控制的通信需要。

随着航天系统应用的数据量越来越大，对处理速度、传输速率及实时响应的要求越来越高。而传统的CAN网络传输带宽低和速率的不足已经无法满足现在日益复杂的数据网络，CAN总线技术也将逐渐被FlexRay总线取代。本文主要对FlexRay总线在航天军工领域中的应用进行详细论述。

2 FlexRay总线特点

FlexRay总线和CAN总线一样，是一种串行数据通讯协议。其主要通信介质为双绞线、同轴电缆等。FlexRay总线每个通信信道上的数据速率最大可达到10Mbps，总数据传输速率可达到20Mbps，而CAN网络最高速率极限为1Mbps，可以看出FlexRay总线提供比CAN总线更大的网络带宽。

Flexray总线较CAN总线具有很多CAN总线所达不到的特点，Flexray在冗余通信中可以通过硬件复制网络配置并进行进度监测，同时，flexray可以通过内部寄存器来对总线进行灵活的配置，并和CAN总线一样，支持各种拓扑结构，如总线型、星型和混合拓扑等。开发人员可以根据不同的需求对总线进行配置。

在数据传输过程中，FlexRay具备同步数据传输和异步数据传输，能满足不同系统的通信需求。在通信过程中，FlexRay为每个通信周期提供静态通信段和动态通信段。其中，静态通信段提供有界延迟，用固定时间触发（fixed-timetrigger）的方法来传输信息；而动态通信段则有助于满足在系统运行时间内出现的不同带宽需求，使用灵活的时间触发的方法来传输信息。

FlexRay总线网络不仅可以和CAN网络一样进行单信道系统运行，而且还能够以一个双信道系统来运行。双信道系统可以通过冗余网络传输数据，这也是提高系统可靠性的一项重要性能。

3 工程应用实例及实现

本文以Freescale公司的MC9S12XF512作为Flexray总线的通信控制器，NXP公司的TJA1080为总线驱动器，并结合Xilinx的FPGA构建以FPGA+FlexRay的方式为主干网，运用FPGA灵活性设计的特点以及MC9S12XF512的灵活性编程，实现了Flexray总线在军工领域的应用。FPGA与MC9S12XF512之间采用SPI总线方式通信，速率可达20Mbps，能够满足航天大数据量的需求，系统之间的接口如下：

图1 系统结构框图

其中RxD、TxD、RxEN、TxEN为通信控制器与总线驱动器之间的接收发送及请求数据总线信号。

3.1 FlexRay节点的设计与实现

MC9S12XF512是MC9S12XF系列的一款32位性能和效率都很出色的16位微控制器，它基于高性能S12X内核，以16位寻址范围零等待的速率访问外设和外部存储器。具有高速串行通信的FLexRay模块，速率达到10Mbit/s。FlexRay网络节点结构如下图所示，包含总线控制器、总线收发器以及两个收发通道。如图2所示。

图2 FlexRay节点结构图

其中，FlexRay总线通信节点的通信过程如下：

发送数据：由FPGA提供通过SPI总线接口提供数据帧，通过FlexRay通信控制器向总线驱动器发送数据帧，再由总线驱动器下传到数据收发通道上。

接收数据：数据由收发通道送达总线驱动器TJA1080，总线驱动器向通信控制器以中断的方式发出接收数据请求信号，将数据存入通信控制器的数据缓存中，再由通信控制器通过SPI总线将接收到的数据上传给FPGA，由FPGA去解析数据。

3.2 硬件构成

FlexRay总线控制器基于S12X构架，以16位总线寻址范围访问外围设备及存储空间，具有灵活的操作以及中断处理方法，支持单通道和双通道通信，具有32个配置消息缓存，每个消息缓存可配置为接收、单缓存器发送及双缓存器发送模式。每个消息缓存数据长度可配置为0到254字节。

TJA1080是NXP公司的一款兼容FlexRay电气物理层协议2.1版本的FlexRay总线收发器，它主要是为通信系统从1Mbit/s到10Mbit/s而准备，为协议控制器与FlexRay网络物理层总线之间提供了一个可靠的接口。同时，TJA1080能够通过有效的配置来实现星型收发器和节点收发器，它以差分传输方式到各网络节点，并以差分接收方式到FlexRay控制器，增强了数据传输的抗干扰能力。在TJA1080收发数据过程中，还增加了监测系统中的错误和状态信息等功能。MC9S12XF512与TJA1080之间接口连接如下图3所示。

图3 FlexRay总线原理图

BDM为在线调试和下载程序提供了一个接口。信号线上的BKGD信号连接至单片机MC9S12XF512的同名管脚，该引脚用来向单片机下载应用程序和在线调试。接口原理图如图4所示。其中BKGD引脚默认设置为3脚，可以根据不同厂家的BDM下载器来设置图4中J6上的跳线将BKGD设置在引脚1上。

图4 BDM接口电路原理图

4 软件设计

基于MC9S12XF512单片机应用程序，主要完成Flexray总线功能，包括系统时钟配置、锁相环配置、外围设备初始化与配置、内存分配与初始化、Flexray收发模块初始化以及中断向量表等功能。软件调试工具主要用CodeWarrior集成环境进行编程，同时使用BDM在线调试器进行软件下载与调试。软件流程如图5所示。

图5 数据接收与发送流程图

5 结束语

本文通过对FlexRay总线结构功能分析，构建以FPGA+ MCU的方式进行Flexray总线通信。系统采用freescale单片机MC9S12XF512作为通信控制器，并结合NXP公司的TJA1080为总线驱动器的典型方式构建系统方案，采用双通道（通道A和通道B）同时通信，两个通道实现冗余备份，满足了系统容错功能的需求。在航天领域系统复杂的网络结构背景下，FlexRay总线技术正将逐步取代CAN网络，实现数据的高速可靠传输。

[1]MC9S12XF512 Reference Manual．Rev．1．19 18-May-2010．

[2]TJA1080 FlexRay transceiver．Rev．02—12 July 2007．

[3]FlexRay Communications System Protocol Specification Version2．1．

[4]王锴，王宏，徐皑冬．下一代车载网络FlexRay及其应用研究[J]．计算机工程与应用．2008．

[5]姚江云，孔峰，吴方圆．FlexRay车载网络管理数据调度的研究[J]．自动化仪表，2011．

[6]周新发，尚智，刘群．工业现场总线CAN总线技术在航天领域的应用[J]．(PLC&FA)，2006．

Application of FlexRay Bus Technology inAerospace Field

Li Fan Wu Yijie Zhang Beilei
（ShanghaiAerospace Electronic Technology Institute,Shanghai 201109）

Aiming at CAN bus technology in aerospace field,this article proposes a new FlexRay bus communication mod.It introduces a processing mod based on FPGA+FlexRay architecture,and describes the characteristics and working principle of FlexRay bus.It analyzes the feasibility of the application of FlexRay bus in the aerospace field from communication protocol,and expoundes the application of FlexRay bus in the aerospace field of our country from the aspects of chip selection,principle design, interface realization and software design.

FPGA;FlexRay bus;aerospace field;communication

TP273

A

1008-6609(2016)05-0068-03

李帆，男，湖北宜城人，工程师，研究方向：嵌入式系统。