FlexRay總線(xiàn)的飛行控制計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)

劉彧，曹東，呂迅竑

（南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京210016）

FlexRay總線(xiàn)的飛行控制計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)

劉彧，曹東，呂迅竑

（南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京210016）

針對(duì)傳統(tǒng)飛行控制計(jì)算機(jī)不易升級(jí)、擴(kuò)展困難等不足，本文引入了FlexRay總線(xiàn)技術(shù)，采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，將飛行控制計(jì)算機(jī)內(nèi)部各模塊通過(guò)FlexRay總線(xiàn)連接，提供多機(jī)通信的總線(xiàn)接口，完成了飛行控制計(jì)算機(jī)的硬件設(shè)計(jì)以及FlexRay總線(xiàn)協(xié)議設(shè)計(jì)，其性能、體積、功耗、成本均能滿(mǎn)足當(dāng)前工程需求。

飛行控制計(jì)算機(jī)；FlexRay總線(xiàn)；MPC5644A；總線(xiàn)協(xié)議

引言

飛行控制計(jì)算機(jī)是飛行器的“大腦”，隨著飛行任務(wù)不斷復(fù)雜化、多樣化，對(duì)飛行控制計(jì)算機(jī)的要求也不斷提高。傳統(tǒng)集成式的飛行控制計(jì)算機(jī)將CPU、傳感器、外圍接口等集成在一塊或多塊電路板上，這種設(shè)計(jì)使得飛行控制計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)更加緊湊，但同時(shí)也降低了擴(kuò)展性，使得日后更新升級(jí)變得困難。本文將FlexRay總線(xiàn)引入到傳統(tǒng)飛行控制計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)之中，各模塊之間只需通過(guò)兩根內(nèi)部總線(xiàn)相連，在保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊的同時(shí)，增大了系統(tǒng)應(yīng)用的靈活度，使得維護(hù)性、拓展性大大增強(qiáng)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

典型的飛行控制計(jì)算機(jī)按功能可劃分為CPU模塊和傳感器模塊。為了提高系統(tǒng)集成度，本文將無(wú)線(xiàn)測(cè)控模塊也集成在飛行控制計(jì)算機(jī)之中。CPU模塊是主控單元，主要負(fù)責(zé)控制律解算、導(dǎo)航以及任務(wù)調(diào)度等工作。傳感器模塊負(fù)責(zé)向CPU模塊提供載機(jī)的姿態(tài)、位置等信息。測(cè)控模塊是飛行控制計(jì)算機(jī)與地面站通信的橋梁，地面控制人員通過(guò)遙測(cè)傳回的信息了解無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)發(fā)送遙控指令實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的控制。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外小型無(wú)人機(jī)飛行控制計(jì)算機(jī)研制現(xiàn)狀的調(diào)查并結(jié)合現(xiàn)階段的工程需求，本文對(duì)飛行控制計(jì)算機(jī)提出了以下設(shè)計(jì)指標(biāo)：主頻不低于100 MHz，尺寸小于100 mm×60 mm×50 mm，重量小于400 g，功耗低于15 W，集成慣性傳感器、高度傳感器、空速傳感器以及GPS，集成串口、開(kāi)關(guān)量I/O、模擬量I/O等。

為了提高飛行控制計(jì)算機(jī)的擴(kuò)展性以及可維護(hù)性，本系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想。將主控CPU與外圍接口設(shè)計(jì)在一塊核心板上，傳感器模塊與測(cè)控模塊設(shè)計(jì)在另一塊傳感器板上。傳感器板上的采樣CPU將傳感器信息、遙控信息解幀、重新組幀后通過(guò)FlexRay總線(xiàn)發(fā)送至主控CPU，同時(shí)接收主控CPU下傳的遙測(cè)信息并通過(guò)測(cè)控模塊發(fā)送至地面站。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 飛行控制計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)硬件組成

飛行控制計(jì)算機(jī)由核心板、傳感器板、底板3塊電路板組成：核心板上主要有主控CPU、外部存儲(chǔ)器、PWM驅(qū)動(dòng)電路、開(kāi)關(guān)量驅(qū)動(dòng)電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、串口驅(qū)動(dòng)電路、總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路等；傳感器板上主要有采樣CPU、慣性傳感器、高度/空速傳感器、GPS、數(shù)傳電臺(tái)、串口驅(qū)動(dòng)電路、總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路等；底板主要有連接核心板與傳感器板的插座以及飛行控制計(jì)算機(jī)的外部接口。

為了保證飛行控制計(jì)算機(jī)具有高速的運(yùn)算性能以及豐富的接口，主控CPU選用飛思卡爾公司的MPC5644A微控制器，其主要性能如下：最高150 MHz的工作頻率；4 MB內(nèi)部Flash；192 KB片上SRAM；內(nèi)置FlexRay、CAN控制器；最高可擴(kuò)展16路串口、32路PWM I/O［1］。

慣導(dǎo)選用ADI公司十自由度慣性傳感器，可輸出三軸角速度、三軸加速度、三軸姿態(tài)角、磁航向等信息，使用SPI接口與CPU通信。高度/空速傳感器使用精量電子的數(shù)字式氣壓傳感器，使用SPI接口與CPU通信。GPS選用NOVATEL公司的OEM板進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。測(cè)控模塊設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)接板可供多種型號(hào)的數(shù)傳電臺(tái)使用。

FlexRay控制器使用MPC5644A內(nèi)置的FlexRay模塊，驅(qū)動(dòng)器選用Philips公司TJA1080芯片。FlexRay模塊正常工作需要40 MHz的工作頻率，可從系統(tǒng)總線(xiàn)時(shí)鐘或者外部參考時(shí)鐘獲取。本文由于采用40 MHz外部有源時(shí)鐘，故選取外部時(shí)鐘作為參考源。MPC5644A與TJA1080連接示意圖如圖2所示。

圖2 MPC5644A與TJA1080連接示意圖

3 FlexRay協(xié)議設(shè)計(jì)

3.1 總線(xiàn)數(shù)據(jù)流分析

飛行控制計(jì)算機(jī)內(nèi)部FlexRay總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)流總體由兩部分組成：傳感器板發(fā)送至核心板的上行數(shù)據(jù)以及核心板發(fā)送至傳感器板的下行數(shù)據(jù)。上行數(shù)據(jù)又可細(xì)分為：GPS數(shù)據(jù)、慣性傳感器數(shù)據(jù)、高度/空速傳感器數(shù)據(jù)以及遙控?cái)?shù)據(jù)。下行數(shù)據(jù)同樣可分為以下幾部分：控制律輸出、航段航點(diǎn)信息、控制律參數(shù)、A/D采樣數(shù)據(jù)。本文以數(shù)據(jù)更新率的最小公倍數(shù)200 ms為周期，對(duì)飛行控制計(jì)算機(jī)FlexRay總線(xiàn)數(shù)據(jù)流進(jìn)行分析。上行數(shù)據(jù)中傳感器數(shù)據(jù)以及遙控?cái)?shù)據(jù)更新率統(tǒng)計(jì)如表1所列。

表1 上行數(shù)據(jù)更新率

可計(jì)算出在 100 ms內(nèi)的數(shù)據(jù)流量為 981字節(jié)。200 ms內(nèi)FlexRay總線(xiàn)上，上行數(shù)據(jù)總流量還包括每幀的幀頭（5字節(jié)）和幀尾（3字節(jié)）。由于FlexRay發(fā)送周期為5 ms，靜態(tài)段分為60個(gè)時(shí)隙，使用其中4個(gè)時(shí)隙分別發(fā)送GPS數(shù)據(jù)、高度/空速計(jì)數(shù)據(jù)、慣性傳感器數(shù)據(jù)以及測(cè)控?cái)?shù)據(jù)。故在200 ms中，上行數(shù)據(jù)的總流量為981+（5+3）× 4×40=2 261字節(jié)。

下行數(shù)據(jù)按現(xiàn)有飛行控制計(jì)算機(jī)遙測(cè)協(xié)議，將數(shù)據(jù)分為5個(gè)遙測(cè)幀，每一幀的數(shù)據(jù)量及更新率如表2所列。

表2 下行數(shù)據(jù)更新率

200 ms內(nèi)的數(shù)據(jù)流量36×5=180字節(jié)，將幀頭與幀尾計(jì)算在內(nèi)，下行數(shù)據(jù)的總流量為180+5×40=380字節(jié)。

FlexRay的通信速率為10 Mb/s，即在200 ms內(nèi)可以提供250 000字節(jié)的傳輸能力，遠(yuǎn)大于飛行控制計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)流量需求，故FlexRay總線(xiàn)的帶寬是滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的。

3.2 通信實(shí)時(shí)性分析

飛行控制計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求較為嚴(yán)格，因此對(duì)數(shù)據(jù)總線(xiàn)通信的實(shí)時(shí)性提出了更高的要求。FlexRay在總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)方式上，提供了時(shí)間觸發(fā)和事件觸發(fā)兩種傳輸方式［2］。靜態(tài)段采用時(shí)分多址（TDMA）技術(shù)，將發(fā)送周期分成若干個(gè)相等的時(shí)隙，不同時(shí)隙發(fā)送的數(shù)據(jù)幀占據(jù)其對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)地址。在動(dòng)態(tài)段采用柔性時(shí)分多址（FTDMA）技術(shù)，當(dāng)沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，發(fā)送周期為間隔相等的動(dòng)態(tài)段最小時(shí)隙，當(dāng)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，發(fā)送周期被分成若干個(gè)長(zhǎng)度不等的時(shí)隙。本文對(duì)靜態(tài)段與動(dòng)態(tài)段的發(fā)送延遲時(shí)間分別進(jìn)行了分析。

FlexRay消息幀由幀頭、有效數(shù)據(jù)和幀尾3部分組成，F(xiàn)lexRay消息幀格式如圖3所示。幀頭部分共由5個(gè)字節(jié)組成，包括保留位、有效數(shù)據(jù)指示位、空幀指示位、同步幀指示位、啟動(dòng)幀指示位、幀ID、有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、頭部循環(huán)校驗(yàn)CRC和周期計(jì)數(shù)。有效數(shù)據(jù)部分可由0～254個(gè)字節(jié)組成。幀尾部分只含有單個(gè)的數(shù)據(jù)域，即一個(gè)24位的CRC［3］。

圖3 FlexRay消息幀格式

靜態(tài)段傳輸方式是基于時(shí)間觸發(fā)的，需要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀被安排在每個(gè)周期中約定好的時(shí)隙定時(shí)發(fā)送，故靜態(tài)段數(shù)據(jù)幀的發(fā)送時(shí)間是確定的。因此，靜態(tài)段數(shù)據(jù)幀從占據(jù)數(shù)據(jù)總線(xiàn)到被指定節(jié)點(diǎn)接收的延遲只與數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度有關(guān)，可得其計(jì)算公式為［4］：

Td=TSS+FSS+Header+PayloadDATA（8+BSS）+ FES+Tailer

=TSS+FSS+510+Pl×10+FES+310

=TSS+FSS+FES+Pl×10+80

其中，TSS為傳輸開(kāi)始序列，通常取7位；FSS為幀開(kāi)始序列，通常取1位；FES為幀結(jié)尾序列，通常取2位。在數(shù)據(jù)幀的每個(gè)字節(jié)前面都添加了2位的字節(jié)開(kāi)始序列BSS，所以每個(gè)字節(jié)實(shí)際上占了10位。在10 Mb/s的傳輸速率下，每位的傳輸時(shí)間為0.1 μs。當(dāng)有效數(shù)據(jù)為滿(mǎn)負(fù)載發(fā)送時(shí)，延時(shí)時(shí)間大約為263 μs。由于控制律的解算周期為10 ms，遠(yuǎn)大于FlexRay靜態(tài)段延遲時(shí)間，故FlexRay靜態(tài)段數(shù)據(jù)幀的發(fā)送接收是滿(mǎn)足飛行控制計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)性要求的。

動(dòng)態(tài)段的傳輸方式是基于事件觸發(fā)的，時(shí)隙是動(dòng)態(tài)分配的。當(dāng)動(dòng)態(tài)段空閑時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)按照時(shí)隙號(hào)從小到大的順序判斷當(dāng)前時(shí)隙號(hào)和待發(fā)的幀ID號(hào)是否相同；若相同則發(fā)送該幀，發(fā)送完畢后時(shí)隙號(hào)加1；若不相同，則等待一個(gè)最小時(shí)隙后時(shí)隙號(hào)加1。由此可見(jiàn)，在動(dòng)態(tài)段時(shí)隙的個(gè)數(shù)與長(zhǎng)度跟發(fā)送的數(shù)據(jù)幀數(shù)量與長(zhǎng)度是密切相關(guān)的。

由于在動(dòng)態(tài)段數(shù)據(jù)幀的發(fā)送時(shí)間是不確定的，故在計(jì)算動(dòng)態(tài)段數(shù)據(jù)幀發(fā)送延遲時(shí)，需考慮4個(gè)方面的影響：相同ID號(hào)且優(yōu)先級(jí)高的幀搶占發(fā)送，會(huì)使當(dāng)前幀延遲一個(gè)發(fā)送周期發(fā)送；動(dòng)態(tài)段同周期中幀ID號(hào)較小的幀優(yōu)先發(fā)送會(huì)產(chǎn)生延遲；當(dāng)前幀發(fā)送前動(dòng)態(tài)段空閑的最小時(shí)隙也會(huì)產(chǎn)生延遲；當(dāng)前幀自身傳輸?shù)臅r(shí)間。

在飛行控制計(jì)算機(jī)中非定時(shí)發(fā)送的數(shù)據(jù)可以在動(dòng)態(tài)段進(jìn)行發(fā)送，在設(shè)計(jì)通信協(xié)議的時(shí)候需要注意盡量不要存在ID號(hào)相同的幀，以減少同ID號(hào)幀之間優(yōu)先級(jí)搶占帶來(lái)的發(fā)送延遲。

3.3 發(fā)送時(shí)隙安排

在飛行控制計(jì)算機(jī)中上行、下行數(shù)據(jù)都是按固定時(shí)間定時(shí)發(fā)送的，故在設(shè)計(jì)FlexRay通信協(xié)議時(shí)可暫時(shí)只使用靜態(tài)段進(jìn)行發(fā)送。

由于FlexRay總線(xiàn)上靜態(tài)段的數(shù)據(jù)都是安排在固定的時(shí)隙發(fā)送，故只要設(shè)計(jì)的時(shí)隙滿(mǎn)足最長(zhǎng)的一幀數(shù)據(jù)發(fā)送，總線(xiàn)上就不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)流過(guò)載和擁堵的狀況。根據(jù)3.1節(jié)對(duì)上、下行數(shù)據(jù)流的統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)量最大的一幀為GPS數(shù)據(jù)，共占用56字節(jié)，因此，在本系統(tǒng)中靜態(tài)段的數(shù)據(jù)負(fù)載設(shè)計(jì)為64字節(jié)。當(dāng)傳輸速率為10 Mb/s時(shí)，考慮到位流信號(hào)（如TSS、FSS、BSS、FES段）及閑置時(shí)間，傳輸時(shí)間約為72 μs［5］。故取靜態(tài)時(shí)隙大小為100 μs，每個(gè)時(shí)隙可以傳輸一幀數(shù)據(jù)，靜態(tài)時(shí)隙個(gè)數(shù)為30個(gè)，每個(gè)通信周期只用到前11個(gè)靜態(tài)時(shí)隙，其余19個(gè)時(shí)隙做備用；動(dòng)態(tài)段占用了22個(gè)微時(shí)隙；符號(hào)窗口設(shè)為14 μs；網(wǎng)絡(luò)閑置時(shí)間長(zhǎng)度為整個(gè)發(fā)送周期減去靜態(tài)段和符號(hào)窗口后剩下的長(zhǎng)度，用來(lái)進(jìn)行相位校正和頻率校正。具體的節(jié)點(diǎn)通信時(shí)隙安排如表3所列。

表3 通信節(jié)點(diǎn)時(shí)隙安排

核心板在時(shí)隙1向傳感器板發(fā)送狀態(tài)檢測(cè)幀，傳感器板在時(shí)隙2向核心板發(fā)送返回狀態(tài)幀。當(dāng)總線(xiàn)上節(jié)點(diǎn)增加時(shí)，核心板會(huì)向每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送狀態(tài)檢測(cè)幀，其余每個(gè)節(jié)點(diǎn)在接收后都會(huì)在固定的時(shí)隙向核心板發(fā)送返回狀態(tài)幀，以保證該通信周期開(kāi)始時(shí)總線(xiàn)上的所有節(jié)點(diǎn)都處于正常工作狀態(tài)。

4 測(cè)試驗(yàn)證

最后對(duì)設(shè)計(jì)的FlexRay總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信測(cè)試驗(yàn)證。把該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)為冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)上電初始化后，經(jīng)過(guò)FlexRay總線(xiàn)配置、準(zhǔn)備、冷啟動(dòng)偵聽(tīng)等相關(guān)協(xié)議狀態(tài)，該節(jié)點(diǎn)會(huì)向總線(xiàn)發(fā)出10個(gè)啟動(dòng)幀來(lái)啟動(dòng)FlexRay集群，至此，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的FlexRay總線(xiàn)準(zhǔn)備完畢。把該系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)與已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的基于C8051F120的FlexRay總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)進(jìn)行FlexRay集群通信測(cè)試。在該集群系統(tǒng)內(nèi)，基于C8051F120的 FlexRay總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)和基于 MPC5644A的FlexRay總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)均設(shè)為最簡(jiǎn)單的兩個(gè)時(shí)隙通信模式，即一個(gè)時(shí)隙收、一個(gè)時(shí)隙發(fā)，系統(tǒng)僅用靜態(tài)段發(fā)送數(shù)據(jù)。系統(tǒng)參數(shù)：通信周期大小設(shè)為5 ms，靜態(tài)段大小設(shè)為50 μs，其他系統(tǒng)參數(shù)（如動(dòng)態(tài)段、負(fù)載段的長(zhǎng)度，通信速率等）兩個(gè)節(jié)點(diǎn)均設(shè)置為一樣，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都對(duì)接收到的數(shù)據(jù)幀數(shù)、丟幀數(shù)和發(fā)生錯(cuò)誤幀數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。MPC5644A節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口將通信結(jié)果輸出到PC機(jī)上以供觀(guān)測(cè)，同時(shí)也可以通過(guò)示波器直接觀(guān)測(cè)總線(xiàn)波形進(jìn)行監(jiān)控。FlexRay集群通信總線(xiàn)上的波形如圖4所示。

經(jīng)過(guò)12小時(shí)連續(xù)通信測(cè)試（6小時(shí)常溫和6小時(shí)-45℃的低溫），低溫6小時(shí)通信結(jié)果如表4所列。從表中可以看出，丟幀數(shù)和錯(cuò)誤計(jì)數(shù)都為0，表明節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)正確，滿(mǎn)足內(nèi)部總線(xiàn)對(duì)誤碼率的指標(biāo)要求，同時(shí)也驗(yàn)證了FlexRay總線(xiàn)在不同溫度環(huán)境下高速率通信的可靠性和安全性。

表4 測(cè)試結(jié)果

圖4 FlexRay集群通信總線(xiàn)波形圖

結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種基于FlexRay總線(xiàn)結(jié)構(gòu)的飛行控制計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)的思想，便于調(diào)試和維護(hù)且具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性。當(dāng)選用性能更優(yōu)的傳感器時(shí)，只需對(duì)傳感器模塊進(jìn)行改動(dòng)。同時(shí)，F(xiàn)lexRay總線(xiàn)的高帶寬特性為多余度飛行控制計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)提供了便利條件。

［1］Freescale Semiconductor.MPC5644A Reference Manual.Rev. 6，2012.

［2］徐志俊.FlexRay總線(xiàn)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用展望［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2008，21（5）.

［3］張利.基于總線(xiàn)占用率的FlexRay消息時(shí)隙分配方法研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2012，23（6）.

［4］莊江麗.FlexRay網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)滯性分析［J］.機(jī)械與電子，2012（9）.

［5］章勇.基于FlexRay飛行控制計(jì)算機(jī)總線(xiàn)技術(shù)設(shè)計(jì)與研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2012.

劉彧（碩士研究生），主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)飛行控制。

Flight Control Computer Based on FlexRay Bus

Liu Yu，Cao Dong，Lü Xunhong
（College of Automation Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

Aiming at the difficulties of extension and upgrading in the classic flight control computer，the paper introducs the FlexRay bus technology.The flight control computer is divided into several modules which connect each other using FlexRay bus，and it can provide a bus interface of multi machine communication.The article completes the flight control computer hardware design and the FlexRay bus protocol design.Its performance，volume，power consumption and cost all meet current engineering demand.

flight control computer；FlexRay bus；MPC5644A；bus protocol

TN919；TP399

A

薛士然

2014-10-14）