基于FlexRay的新型復(fù)雜武器總線體系

丁天寶，王 剛，2

（1.西北機電工程研究所 陜西 咸陽 712099；2.電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院，四川 成都 610054）

當(dāng)前，信息化是各類復(fù)雜武器系統(tǒng)發(fā)展的重要趨勢之一。而現(xiàn)場總線在武器中的應(yīng)用則是實現(xiàn)其信息化的主要手段。目前，以“事件觸發(fā)”機制為基礎(chǔ)的CAN總線的最高傳輸速率只有1Mbit／s，且存在缺少硬件冗余等固有不足；當(dāng)武器系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，特別是增加了諸如信息融合、預(yù)警以及信息感知等大信息量的節(jié)點后，繼續(xù)采用CAN總線將無法滿足未來復(fù)雜武器系統(tǒng)更高的要求。

FlexRay總線是由2000年成立的FlexRay聯(lián)盟推出的一種新型時間觸發(fā)類高速總線，其最高目標(biāo)是使FlexRay成為未來汽車高速網(wǎng)絡(luò)的實際標(biāo)準(zhǔn)。FlexRay總線以“時間觸發(fā)”通信為主，兼顧“事件觸發(fā)”，可進行同步數(shù)據(jù)和異步數(shù)據(jù)的傳輸［1］。近年來，許多學(xué)者對FlexRay技術(shù)展開了廣泛的研究［2－5］。然而，F(xiàn)lexRay總線應(yīng)用僅限于某些控制或測試系統(tǒng)，還未被作為主干網(wǎng)絡(luò)而用于一個復(fù)雜武器系統(tǒng)中。

1 FlexRay總線通信技術(shù)主要特點

作為新一代總線技術(shù)，F(xiàn)lexRay的通信機制具有如下一些特點［1］：

1）通信速率高?？蛇M行單信道10Mbps的通信，使用兩個獨立信道進行非冗余通信時，理論最高速率可達(dá)20Mbps，是CAN總線最高通信速率的20倍。

2）確定性。FlexRay總線靜態(tài)段嚴(yán)格采用基于時間觸發(fā)的總線訪問方式，而動態(tài)段采用有限確定性的靈活時間觸發(fā)的總線訪問方式。特別是靜態(tài)段通信可以完全保證節(jié)點間數(shù)據(jù)通信的實時性。

3）容錯性。FlexRay總線具有兩個完全獨立的信道，可以進行節(jié)點間數(shù)據(jù)的冗余通信，這在很大程度上能保證總線通信的容錯性。

4）靈活性。FlexRay總線可以配置多種拓?fù)淠Ｊ剑o源總線型拓?fù)?、有源星型拓?fù)浜蜔o源星型拓?fù)洹Ｍ瑫r，其通信介質(zhì)可以是雙絞線或是光纖。

5）分布式的時鐘同步特性。FlexRay總線提供一種分布式的時鐘同步特性，通過該機制可以為整個網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點進行相位偏差和頻率偏差的糾正，從而保證系統(tǒng)通信的正常運轉(zhuǎn)。

2 新型復(fù)雜武器總線體系設(shè)計方案

2.1 FlexRay總線通信協(xié)議簡介

FlexRay總線是一種綜合了基于時間觸發(fā)的TTP和基于柔性時間觸發(fā)的ByteFlight特點的新型現(xiàn)場總線。FlexRay總線有4個時間等級，由高到低依次是通信周期層、仲裁層、宏拍層和微拍層［1］。如圖1所示，在一個FlexRay周期中包含有靜態(tài)段、動態(tài)段、符號窗和網(wǎng)絡(luò)空閑時間4個部分，這4個時間段都是由若干宏拍（Macro tick）組成的，宏拍是網(wǎng)絡(luò)級的最小時間單位。而一個宏拍則是由若干微拍（Micro tick）組成，微拍是節(jié)點級的最小時間單位，不同節(jié)點的微拍長度可以不同。

FlexRay總線上的數(shù)據(jù)傳輸單位是數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀包含兩種：靜態(tài)幀和動態(tài)幀。在靜態(tài)段中傳輸靜態(tài)幀，用于傳輸周期發(fā)生的消息；動態(tài)段中傳輸動態(tài)幀，用于傳輸以某種事件激發(fā)而產(chǎn)生的消息。FlexRay總線上數(shù)據(jù)幀包含的有效數(shù)據(jù)長度為0～254字節(jié)。在一個網(wǎng)絡(luò)中所有的靜態(tài)幀長度均相同，動態(tài)幀的長度可以不同。

在一個無源總線型拓?fù)涞腇lexRay網(wǎng)絡(luò)中可以包含的節(jié)點數(shù)為2～24個。通過使用有源星型耦合器，可以將多個總線型FlexRay網(wǎng)絡(luò)進行級聯(lián)，從而滿足更多的需要。

2.2 基于FlexRay的新型復(fù)雜武器總線體系的設(shè)計實例

彈炮一體防空武器系統(tǒng)是一類典型的復(fù)雜防空武器系統(tǒng)。以該武器系統(tǒng)為例，構(gòu)建一套基于FlexRay的總線體系。整個總線體系由兩簇FlexRay子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，兩個子網(wǎng)絡(luò)均采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

具體的技術(shù)方案可以用圖2來表示。圖2為本文提供的彈炮一體防空武器裝備上FlexRay主干網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)框圖，包括兩簇FlexRay子網(wǎng)絡(luò)。其通信線路為雙絞線。FlexRay總線的數(shù)據(jù)通信速率為10Mbps，以雙通道模式進行數(shù)據(jù)的冗余收發(fā)，總線兩端的節(jié)點加100Ω終端電阻。

由于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點較多（共35個），根據(jù)FlexRay協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)目的規(guī)定，將整個FlexRay網(wǎng)絡(luò)被分成了兩個簇C1（18個節(jié)點）和C2（17個節(jié)點）。其中的各個節(jié)點如表1所示。

需要指出的是，C1和C2兩個簇都采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過FlexRay星型耦合器連接在一起。由于總線網(wǎng)絡(luò)中的35個節(jié)點所傳輸?shù)男畔⒃谌蒎e性方面都有較高的要求，因此，兩個簇C1和C2都使用了雙通道的冗余發(fā)送模式來保證信息的容錯性。

表1 彈炮一體防空武器中FlexRay總線體系節(jié)點Tab.1 Nodes of bus system in missile－gun integrated antiaircraft weapon

3 新型FlexRay總線體系實驗結(jié)果

對彈炮一體防空武器中FlexRay總線網(wǎng)絡(luò)分塊進行了測試。實驗中的網(wǎng)絡(luò)由3個FlexRay節(jié)點組成，其硬件為Vector的VN3300接口卡，該接口卡通過PCI總線與工控機相連。例如，這3個節(jié)點A、B、C分別用于模擬所構(gòu)建總線體系中的通信網(wǎng)絡(luò)控制器、戰(zhàn)場態(tài)勢終端以及駕駛員終端。另外還有一個監(jiān)控節(jié)點，其硬件為Vector的VN7600，通過USB接口與工控機相連，利用該節(jié)點中的軟件CANoe.FlexRay能夠?qū)υ摼W(wǎng)絡(luò)進行多種監(jiān)控和分析。具體的實驗框圖如圖3所示。

實驗利用VN系列產(chǎn)品的XL Library對A、B和C 3個節(jié)點進行相應(yīng)的軟件設(shè)計來控制其數(shù)據(jù)的收發(fā)。實驗中的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)為：波特率10Mbps，通信周期5ms，靜態(tài)段時長3.5ms，動態(tài)段時長1.3ms。試驗中只研究了靜態(tài)幀的發(fā)送和接收。A、B和C 3個節(jié)點的數(shù)據(jù)收發(fā)關(guān)系為：A節(jié)點在第40時隙發(fā)送1個數(shù)據(jù)幀，B節(jié)點在第42時隙發(fā)送1個數(shù)據(jù)幀，C節(jié)點在45時隙發(fā)送1個數(shù)據(jù)幀。另外，這3個節(jié)點的同步幀發(fā)送時隙分別為第1、3和5時隙。圖4就是通過安裝在節(jié)點D上的CANoe.FlexRay監(jiān)控到的結(jié)果?？梢钥闯觯@和設(shè)計完全一致。

需要說明的是，盡管在實驗中只有3個節(jié)點組成FlexRay網(wǎng)絡(luò)，但在該實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上經(jīng)過推理不難驗證在前一小節(jié)設(shè)計的35個節(jié)點組成1個FlexRay總線體系的方案是完全可行的。

4 結(jié) 論

作者提出了基于FlexRay總線技術(shù)的復(fù)雜武器的總線體系。通過實驗驗證，證實了所提出的技術(shù)方案在原理上的正確性和工程可行性。此技術(shù)為未來復(fù)雜武器的信息化發(fā)展開辟了一個重要領(lǐng)域，具有較高的推廣應(yīng)用價值。

（References）

［1］FlexRay consortium.FlexRay communication system protocol specification，version 2.1［S］2005.

［2］KANG MINKOO，PARK KIEJIN，KIM BONGJUN.Determining the size of a static segment and analyzing the Utilization of In－Vehicle FlexRay Newwork［C］.The Third 2008International Conference on Convergence and Hybrid Information Technology，Seoal，2008：50－53.

［3］POP T，POP P，ELES P，et al.Timing analysis of the FlexRay commucation protocol［J］.Real－Time Systems，2008，39（1）：205－235.

［4］XU Chuang－yan，ZHANG Yong.Simulation of FlexRay communication using C language［C］.2008International Symposium on Computer Science and Computational Technology，Beijing，2008：272－276.

［5］SCHMIDT K，SCHMIDT E G.Message scheduling for the FlexRay protocol：The static segment［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2009，58（5）：2170－2179.