基于FlexRay總線飛行控制計(jì)算機(jī)串行接口單元設(shè)計(jì)與研究

李　妍，陳　欣，李春濤

(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京　211106)

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基于FlexRay總線飛行控制計(jì)算機(jī)串行接口單元設(shè)計(jì)與研究

李妍，陳欣，李春濤

(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京211106)

摘要：根據(jù)樣例無人機(jī)飛行控制計(jì)算機(jī)對(duì)串行接口單元的接口資源和內(nèi)部通信能力的需求，研究并完成了基于FlexRay總線串行接口單元的硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)，同時(shí)從時(shí)間調(diào)度、總線余度和非冗余數(shù)據(jù)傳輸三方面設(shè)計(jì)了FlexRay總線的通信協(xié)議和余度管理機(jī)制;串行接口單元采用FPGA為處理器，通過串行接口實(shí)現(xiàn)了外部設(shè)備與飛行控制計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)通信，并按照FlexRay總線的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了串行接口單元和CPU單元間信息的可靠傳輸，總線負(fù)載小于20%;測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性和實(shí)用性，符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，可滿足樣例無人飛行控制計(jì)算機(jī)串行數(shù)據(jù)通信需求。

關(guān)鍵詞：飛行控制計(jì)算機(jī)；串行接口單元；FlexRay總線；通信協(xié)議；余度管理

0引言

飛行控制系統(tǒng)是無人機(jī)的重要組成部分，其核心飛行控制計(jì)算機(jī)的性能直接影響無人機(jī)任務(wù)完成的優(yōu)劣，可靠性決定了無人機(jī)的生存能力[1]。

目前，國(guó)內(nèi)基于CAN總線的分布式飛行控制計(jì)算機(jī)[2]已經(jīng)成功應(yīng)用于型號(hào)無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)中。該飛行控制計(jì)算機(jī)由中央處理單元(central process unit，CPU單元)、模擬量接口單元(analog input and output unit，AIO單元)、開關(guān)量接口單元(digital input and output unit，DIO單元)和串行接口單元(serial input and output unit，SIO單元)四部分組成，如圖1所示。CPU單元是飛行控制計(jì)算機(jī)的核心單元，通過CAN總線接收各接口單元的上行數(shù)據(jù)，經(jīng)控制律解算后，將控制指令再下傳至各接口單元。各個(gè)單元可以互不干擾的完成任務(wù)，提高飛行控制系統(tǒng)的工作效率。

圖1　基于CAN總線的飛行控制計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)圖

串行接口單元作為主要接口單元之一，直接影響飛行控制計(jì)算機(jī)的性能。目前，隨著現(xiàn)代無人機(jī)飛行任務(wù)復(fù)雜程度與功能的增加，串行接口單元的不足逐漸顯現(xiàn)，主要包括以下3點(diǎn)：

1)串行接口單元的主處理器(單片機(jī))逐漸出現(xiàn)性能飽和；

2)內(nèi)部數(shù)據(jù)交換載荷加重，CAN總線負(fù)載率已經(jīng)超過70%，無法滿足更高通信負(fù)荷的要求[3]；

3)連接新型傳感器的串行接口資源與通信能力不足。

針對(duì)以上問題，對(duì)串行接口單元進(jìn)行升級(jí)，采用FPGA代替單片機(jī)作為CPU，F(xiàn)lexRay總線替換CAN[4]總線作為計(jì)算機(jī)內(nèi)部通信總線，擴(kuò)展串行接口資源，在此基礎(chǔ)上展開了基于FlexRay總線[5]的飛行控制計(jì)算機(jī)串行接口單元的設(shè)計(jì)與研究。

1串行接口單元構(gòu)成

基于FlexRay總線的串行接口單元主要包括串行接口模塊、FlexRay通信模塊、FPGA最小系統(tǒng)模塊等。FPGA最小系統(tǒng)模塊完成對(duì)串行接口模塊和FlexRay通信模塊控制與管理、數(shù)據(jù)處理；經(jīng)FlexRay總線實(shí)現(xiàn)與飛行控制計(jì)算機(jī)CPU單元的信息交互；串行接口模塊則完成與外圍設(shè)備的串行數(shù)據(jù)通信。串行接口單元系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　串行接口單元系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

飛行控制計(jì)算機(jī)需多路串行接口同時(shí)工作，且串口數(shù)據(jù)量大，對(duì)串行接口單元的CPU要求較高，采用單片機(jī)作為CPU已經(jīng)不能滿足性能要求。Xilinx公司Virtex 4系列[6]的FPGA芯片內(nèi)嵌PowerPC 405微處理器硬核，運(yùn)算速度可達(dá)400 MHz，且接口資源豐富，可實(shí)現(xiàn)邏輯模塊的定制和簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)處理，串行接口單元設(shè)計(jì)使用的FPGA接口資源不到10%，留有很大的余量方便日后接口單元的功能擴(kuò)展。

串行通信單元的16路標(biāo)準(zhǔn)串行接口資源分配情況如表1所示。

表1　串口資源分配表

FlexRay總線模塊是飛行控制計(jì)算機(jī)內(nèi)部各功能單元信息交互的關(guān)鍵模塊，F(xiàn)lexRay總線代替CAN總線具有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)[7]：高傳輸速率，可達(dá)10 Mbps，遠(yuǎn)高于CAN的1 Mbps；數(shù)據(jù)幀負(fù)載長(zhǎng)度最大為254字節(jié)，遠(yuǎn)大于CAN的8個(gè)字節(jié)；高容錯(cuò)能力，支持多級(jí)別的容錯(cuò)能力；高靈活性，支持靜態(tài)段時(shí)間觸發(fā)和動(dòng)態(tài)段事件觸發(fā)，消息可以冗余或非冗余傳輸，提供大量用戶接口進(jìn)行協(xié)議配置；時(shí)間確定性，靜態(tài)段采用時(shí)分多址機(jī)制；時(shí)鐘同步精度高，可達(dá)1 μs。

四路FlexRay總線通道劃分為不同優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)最高的主通道進(jìn)行正常通信，其余三路備份。當(dāng)主通道發(fā)故障時(shí)，可按照優(yōu)先級(jí)切換至其他通道。每個(gè)通道電路分為兩部分，一是通信控制器電路，包含F(xiàn)lexRay協(xié)議棧和狀態(tài)機(jī)，并為微控制器提供接口；二是總線收發(fā)電路，主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)控制器和總線通道之間的物理層接口，為總線提供差分信號(hào)。因此，采用微處理器(FPGA)+通信控制器(MFR4310)[8]+總線驅(qū)動(dòng)器(TJA1080)[9]的硬件架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)FlexRay總線模塊。

串行接口單元的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)，如表2所示。

表2　串行接口單元的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

串行接口單元設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是接口通信可靠性和降低總線負(fù)載率，采用總線余度和非冗余數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，保證總線的可靠性，并使總線負(fù)載率小于20%。

2串行接口單元軟件

2.1軟件結(jié)構(gòu)

串行接口單元軟件實(shí)時(shí)準(zhǔn)確接收傳感器和測(cè)試設(shè)備的串行數(shù)據(jù)并解碼，由FlexRay總線上傳至飛行控制計(jì)算機(jī)CPU單元；FlexRay總線接收CPU單元下傳的指令和數(shù)據(jù)，經(jīng)串行接口發(fā)送至各個(gè)外部設(shè)備。串行接口單元集數(shù)據(jù)采集、通信控制于一體，軟件設(shè)計(jì)劃分為以下4個(gè)部分：

1) 串口驅(qū)動(dòng)模塊，主要完成各類檢測(cè)設(shè)備及傳感器的指令和數(shù)據(jù)的收發(fā)。

2) FlexRay驅(qū)動(dòng)模塊，完成FlexRay通信控制器和總線協(xié)議狀態(tài)的配置、FlexRay各類型中斷分配與中斷處理，實(shí)現(xiàn)FlexRay總線的基本通信功能；

3) 調(diào)度管理模塊，是系統(tǒng)軟件的核心，完成系統(tǒng)各模塊的初始化，啟動(dòng)并統(tǒng)一調(diào)度其他模塊，維持系統(tǒng)正常工作。

2.2串口驅(qū)動(dòng)模塊

串口驅(qū)動(dòng)模塊軟件主要包括初始化程序、數(shù)據(jù)收/發(fā)子程序和中斷處理程序。

串口初始化程序設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)幀格式、緩沖區(qū)大小等，完成中斷開關(guān)、中斷優(yōu)先級(jí)分配以及掛接中斷服務(wù)子程序等中斷的初始化工作。

串行接口共16路，采用422/232方式通信，最大數(shù)據(jù)量為64字節(jié)(如表2所示)，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)堵塞和碰撞，因此設(shè)計(jì)了20 ms、40 ms、50 ms等多種串口數(shù)據(jù)更新周期，減輕數(shù)據(jù)擁堵，保證鏈路通暢。為防止各類型數(shù)據(jù)在同一存儲(chǔ)區(qū)的混亂，分別為每個(gè)串口設(shè)計(jì)了獨(dú)立緩沖區(qū)，采用“先入先出”機(jī)制對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖。串口收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，為減少收發(fā)延時(shí)和數(shù)據(jù)截?cái)?，設(shè)計(jì)了獨(dú)立緩沖區(qū)為256字節(jié)，緩沖串行接口數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)斷幀的拼接，可以有效降低64字節(jié)數(shù)據(jù)收發(fā)的誤碼率。各串口數(shù)據(jù)幀設(shè)計(jì)不同的幀頭來區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)類型，根據(jù)數(shù)據(jù)類型存放到相應(yīng)緩沖區(qū)中，同時(shí)數(shù)據(jù)頭尾添加幀頭和校驗(yàn)位來檢查數(shù)據(jù)的完整性和正確性，保證了串口數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖4　FlexRay驅(qū)動(dòng)模塊軟件流程圖

串口驅(qū)動(dòng)模塊采用中斷方式收發(fā)數(shù)據(jù)：發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先調(diào)用發(fā)送子程序，將數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)，同時(shí)打開串口發(fā)送中斷，然后中斷服務(wù)子程序?qū)⒕彌_區(qū)數(shù)據(jù)發(fā)出，發(fā)送完畢則禁止發(fā)送中斷，退出中斷服務(wù)子程序。當(dāng)接收數(shù)據(jù)時(shí)，觸發(fā)接收中斷，中斷服務(wù)子程序?qū)⒔邮盏臄?shù)據(jù)存入軟件緩沖區(qū)，然后接收子程序?qū)?shù)據(jù)從軟件緩沖區(qū)取出供應(yīng)用程序使用。串口模塊軟件流程如圖3所示。

圖3　串口收發(fā)數(shù)據(jù)軟件流程圖

2.3FlexRay驅(qū)動(dòng)模塊

FlexRay驅(qū)動(dòng)模塊主要完成通信前的FlexRay通信模塊的初始化，軟件主要分為FlexRay的初始化和中斷處理兩部分。FlexRay的初始化，完成通信控制器的硬件初始化和通信控制協(xié)議的初始化；FlexRay通信以中斷方式運(yùn)行，中斷機(jī)制是基于通信周期的時(shí)間觸發(fā)，中斷處理函數(shù)則完成所有數(shù)據(jù)的收發(fā)任務(wù)。

FlexRay驅(qū)動(dòng)模塊初始化依次完成以下操作：系統(tǒng)上電，初始化通信控制器，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入默認(rèn)配置狀態(tài)；配置消息緩沖區(qū)和FlexRay部分協(xié)議參數(shù)，如冷啟動(dòng)次數(shù)等，使節(jié)點(diǎn)進(jìn)入配置狀態(tài)；初始化FlexRay中斷和定時(shí)器，并利用喚醒標(biāo)志符完成節(jié)點(diǎn)喚醒，使節(jié)點(diǎn)處于就緒狀態(tài)；當(dāng)收到啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的啟動(dòng)幀時(shí)，節(jié)點(diǎn)則被激活，激活狀態(tài)的結(jié)束標(biāo)志著FlexRay初始化完成，節(jié)點(diǎn)加入FlexRay通信簇；使能FlexRay通信中斷，啟動(dòng)FlexRay通信模塊。FlexRay驅(qū)動(dòng)模塊軟件流程如圖4所示。

2.4調(diào)度管理模塊

調(diào)度管理程序是提供給用戶的應(yīng)用層接口，協(xié)調(diào)、調(diào)度系統(tǒng)各個(gè)模塊正常工作和相互配合。系統(tǒng)上電后完成硬件和FlexRay協(xié)議狀態(tài)的初始化，開放中斷，啟動(dòng)系統(tǒng)，循環(huán)檢測(cè)串口數(shù)據(jù)是否更新，一旦更新則進(jìn)行對(duì)應(yīng)通道串口數(shù)據(jù)的收發(fā)，并交由后臺(tái)完成FlexRay總線數(shù)據(jù)上/下傳。調(diào)度管理程序維持系統(tǒng)正常運(yùn)行，一旦系統(tǒng)故障則復(fù)位并終止運(yùn)行。

3FlexRay通信協(xié)議及余度管理設(shè)計(jì)

3.1FlexRay時(shí)間調(diào)度

統(tǒng)計(jì)總線內(nèi)部數(shù)據(jù)流，有效數(shù)據(jù)最大達(dá)64字節(jié)/幀，各功能板信號(hào)的更新周期共有20 ms，40 ms和50 ms三種。CAN數(shù)據(jù)幀的負(fù)載段長(zhǎng)度為8個(gè)字節(jié)，若總線傳輸64字節(jié)的串口數(shù)據(jù)需要8個(gè)數(shù)據(jù)幀拼接，總線數(shù)據(jù)傳輸可靠性較低。而FlexRay負(fù)載段長(zhǎng)度最大可軟件配置為254字節(jié)，為提高傳輸效率，配置FlexRay負(fù)載段長(zhǎng)度為64字節(jié)，以10 Mbps的傳輸速率計(jì)算，發(fā)送一個(gè)完整數(shù)據(jù)幀需57.6 μs，為了兼容日后飛行數(shù)據(jù)的增加，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間留有一定的余量，配置靜態(tài)時(shí)隙為200 μs。統(tǒng)計(jì)各接口單元的交互數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型共24種，因此軟件配置30個(gè)靜態(tài)時(shí)隙，靜態(tài)段長(zhǎng)度為200 μs×30=6 ms，動(dòng)態(tài)段采用標(biāo)準(zhǔn)配置，占用22個(gè)微時(shí)隙，每個(gè)微時(shí)隙長(zhǎng)度為80 μs。設(shè)置符號(hào)窗口長(zhǎng)度為14 μs。網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間用來進(jìn)行相位校正和頻率校正[10]。因此，由靜態(tài)段、動(dòng)態(tài)段、符號(hào)窗口和網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間四部分組成的FlexRay通信周期設(shè)置為10 ms，以確保單個(gè)通信周期內(nèi)完成所有類型數(shù)據(jù)的一次傳輸，極大地提高了總線傳輸效率和實(shí)時(shí)性能，時(shí)間調(diào)度與時(shí)隙分配如圖5所示。

圖5　FlexRay時(shí)間調(diào)度與時(shí)隙分配圖

3.2FlexRay總線余度

時(shí)隙1~5用檢測(cè)FlexRay總線工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)四通道FlexRay總線余度管理。FlexRay總線故障檢測(cè)基于“請(qǐng)求/應(yīng)答”機(jī)制，如圖6所示，即CPU單元節(jié)點(diǎn)在靜態(tài)時(shí)隙1發(fā)送狀態(tài)檢測(cè)幀，并開始周期計(jì)數(shù)，其余節(jié)點(diǎn)在該時(shí)隙接收，若接收成功則返回狀態(tài)應(yīng)答幀，CPU單元在收到狀態(tài)應(yīng)答幀后，清除對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的周期計(jì)數(shù)，一旦計(jì)數(shù)超限，則判定該節(jié)點(diǎn)與CPU單元節(jié)點(diǎn)連接故障。判定4個(gè)節(jié)點(diǎn)均故障時(shí)，則認(rèn)為總線通道故障。由于硬件設(shè)計(jì)了四路FlexRay總線通道，利用一條主通道完成所有通信任務(wù)，其余三條為備份通道。備份通道的協(xié)議配置與主通道一致，且備份優(yōu)先級(jí)固定。當(dāng)總線故障時(shí)按照總線優(yōu)先級(jí)進(jìn)行切換，若判斷為主通道故障，則記錄故障并切換至備份通道工作，一旦主通道故障恢復(fù)則作為備份通道工作。若備份通道故障則切換至優(yōu)先級(jí)較低的總線工作并記錄故障狀態(tài)，備份通道故障恢復(fù)后不再使用。

圖6　FlexRay總線故障檢測(cè)圖

3.3FlexRay非冗余傳輸

為滿足通信的實(shí)時(shí)性要求，配置的通信周期為10 ms，則靜態(tài)時(shí)隙存在各功能單元信息冗余傳輸。以總線數(shù)據(jù)發(fā)送為例，若當(dāng)前通信周期該時(shí)隙數(shù)據(jù)沒有更新，則會(huì)重復(fù)發(fā)送上一拍的數(shù)據(jù)幀，CPU單元會(huì)對(duì)該數(shù)據(jù)幀重復(fù)解算多次，增加了CPU的占用率。串行接口單元是所有功能單元中數(shù)據(jù)量最大的，占總線數(shù)據(jù)流的80%，信息的冗余傳輸也直接增加了FlexRay總線負(fù)擔(dān)。因此，在通信協(xié)議中設(shè)計(jì)了FlexRay總線數(shù)據(jù)非冗余傳輸這一關(guān)鍵技術(shù)，來解決數(shù)據(jù)重復(fù)發(fā)送的問題。

兩種FlexRay總線數(shù)據(jù)非冗余傳輸方案如下：方案一是在數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后立即清空和釋放緩沖區(qū)；方案二則是屏蔽相關(guān)時(shí)隙的數(shù)據(jù)收發(fā)中斷。根據(jù)FlexRay通信機(jī)制，即便清除緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，總線上仍會(huì)傳輸數(shù)據(jù)空幀，無法有效的隔絕總線數(shù)據(jù)的冗余發(fā)送，也無法降低總線負(fù)載率和CPU占用率，而上述問題均可在方案二中得到解決，故采用方案二。FlexRay數(shù)據(jù)收發(fā)中斷是以通信周期為基準(zhǔn)，按照靜態(tài)時(shí)隙時(shí)間觸發(fā)，因此設(shè)計(jì)在每個(gè)通信周期最開始完成時(shí)隙有效性判斷，即判定哪些時(shí)隙的數(shù)據(jù)沒有更新，當(dāng)前通信周期內(nèi)不需傳輸該時(shí)隙數(shù)據(jù)，然后關(guān)閉對(duì)應(yīng)時(shí)隙的收發(fā)中斷，實(shí)現(xiàn)總線數(shù)據(jù)非冗余傳輸。

FlexRay模塊自帶絕對(duì)時(shí)鐘T1，將其配置為循環(huán)計(jì)數(shù)模式，T1以FlexRay通信周期和宏節(jié)拍(Microtick)為時(shí)基，定時(shí)器產(chǎn)生溢出中斷并執(zhí)行相應(yīng)的處理函數(shù)。在每個(gè)通信周期的開始產(chǎn)生定時(shí)器溢出中斷，在定時(shí)器中斷中對(duì)更新的時(shí)隙進(jìn)行有效性判斷，通過寄存器MBCCSRn的MBIE位使能或禁能分配給對(duì)應(yīng)時(shí)隙的發(fā)送類型消息緩沖區(qū)，以此實(shí)現(xiàn)方案二。

定時(shí)器T1中斷在每個(gè)通信周期的開始產(chǎn)生，而靜態(tài)時(shí)隙1用作狀態(tài)檢測(cè)幀的發(fā)送，其周期與通信周期相同，也在每個(gè)通信周期開始產(chǎn)生，為避免定時(shí)器中斷和時(shí)隙中斷發(fā)送沖突，將定時(shí)器中斷偏移至靜態(tài)時(shí)隙1中，如圖7所示，確保定時(shí)器中斷服務(wù)函數(shù)有效執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)FlexRay總線數(shù)據(jù)非冗余傳輸。

圖7　靜態(tài)時(shí)隙1結(jié)構(gòu)

4通信測(cè)試與結(jié)果分析

4.1串行接口測(cè)試

為滿足總體設(shè)計(jì)指標(biāo)，模擬實(shí)際串口數(shù)據(jù)收發(fā)，以10 ms為周期，波特率為115 200 bps，測(cè)試數(shù)據(jù)量為64字節(jié)，分別采用232和422兩種串口標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行串口收發(fā)測(cè)試。通過串口助手向串行接口單元發(fā)送數(shù)據(jù)，接收后再轉(zhuǎn)發(fā)至串口助手顯示，測(cè)試4小時(shí)，16路串口均無數(shù)據(jù)幀的丟失和錯(cuò)誤，符合設(shè)計(jì)需求，滿足飛行控制計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確的通信要求。其中串口1的測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3　串口收發(fā)測(cè)試結(jié)果

4.2FlexRay總線測(cè)試

依據(jù)FlexRay通信協(xié)議，連接CPU單元和串行接口單元進(jìn)行通信測(cè)試，通信周期為10 ms，靜態(tài)時(shí)隙為200 μs，時(shí)隙數(shù)為30，負(fù)載段長(zhǎng)度為64字節(jié)，從總線上監(jiān)測(cè)輸出波形。

圖8　FlexRay總線波形

FlexRay總線波形如圖8(a)所示，可見通信周期為10 ms，圖8(b)所示為一個(gè)周期時(shí)隙輸出波形，時(shí)隙2、7、10上傳SIO單元數(shù)據(jù)至CPU單元，時(shí)隙13下傳CPU單元數(shù)據(jù)至SIO單元。由圖8(b)可知，時(shí)隙2與時(shí)隙7相差1 ms，時(shí)隙7與時(shí)隙10相差600 μs，時(shí)隙10與時(shí)隙13相差600 us，與預(yù)設(shè)值一致，可知FlexRay模塊設(shè)計(jì)正確。

FlexRay總線連續(xù)通信4小時(shí)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表4所示，丟幀、錯(cuò)幀計(jì)數(shù)均為0，表明了FlexRay總線通信的可靠性，符合飛行控制計(jì)算機(jī)總線通信的要求。

表4　SIO單元與CPU單元通信測(cè)試結(jié)果

FlexRay總線傳輸一幀數(shù)據(jù)需62.5 μs，傳輸效率為(單個(gè)靜態(tài)時(shí)隙內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間÷靜態(tài)時(shí)隙長(zhǎng)度)×100%，即(62.5÷200)×100%=31.25%，按照設(shè)計(jì)的通信協(xié)議計(jì)算總線負(fù)載率為(每個(gè)靜態(tài)時(shí)隙的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間×?xí)r隙數(shù)量)÷通信周期×100%，即(62.5×24)÷10000×100%=15.00%，滿足總線負(fù)載率的設(shè)計(jì)要求。

4.3FlexRay非冗余傳輸方案測(cè)試

FlexRay總線時(shí)隙2、10的數(shù)據(jù)更新頻率為100 Hz，時(shí)隙7、13數(shù)據(jù)的更新頻率為50 Hz，為避免冗余傳輸，每20 ms的周期屏蔽時(shí)隙7和時(shí)隙13的收發(fā)中斷，總線波形如圖9所示。

圖9　FlexRay非冗余通信總線波形圖

如圖9(b)所示為相鄰兩個(gè)通信周期中斷信號(hào)波形，對(duì)比可知，時(shí)隙2與時(shí)隙10間隔1.6 ms，時(shí)隙7、13在對(duì)應(yīng)通信周期內(nèi)中斷屏蔽，在該時(shí)隙無數(shù)據(jù)收發(fā)，與理論預(yù)期一致，可實(shí)現(xiàn)總線非冗余傳輸，進(jìn)一步降低總線負(fù)載。

4.4測(cè)試結(jié)論

串行接口單元的測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)比，如表5所示。

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，串行接口單元的各個(gè)模塊通信正常，通信誤碼率和總線負(fù)載率符合設(shè)計(jì)要求，且FlexRay總線通信協(xié)議設(shè)計(jì)正確，可以滿足飛行控制計(jì)算機(jī)的通信需求。

5結(jié)束語

表5　串行接口單元測(cè)試結(jié)果

針對(duì)基于CAN總線的樣例飛行控制計(jì)算機(jī)串行接口單元處理器性能飽和、外部接口不足、內(nèi)部總線負(fù)載過重的問題，設(shè)計(jì)了基于FlexRay總線的串行接口單元，并從時(shí)間調(diào)度、總線余度和非冗余數(shù)據(jù)傳輸三方面設(shè)計(jì)了FlexRay通信協(xié)議和余度管理機(jī)制，以提高通信可靠性和降低總線負(fù)載率。測(cè)試結(jié)果正確，符合設(shè)計(jì)要求，能夠滿足飛行控制計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)傳輸需求，為以后先進(jìn)飛行控制計(jì)算機(jī)的升級(jí)以及新型總線FlexRay的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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Design and Research on Serial Input and Output Unit of Flight Control Computer Based on FlexRay Bus

Li Yan, Chen Xin, Li Chuntao

(College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing211106, China)

Abstract:According to the requirements of serial communication interface and internal communication capability of the serial input and output unit in the flight control computer of the sample unmanned aerial vehicle (UAV), the schematic and driver software of the serial communication unit based on FlexRay bus are designed, and FlexRay protocols and redundant management are realized in three aspects: slot allocation, bus redundancy and non-redundant data transmission. Using FPGA as the processor, in accordance with the communication protocols of FlexRay bus, the unit completes data transmission between serial communication unit and central processing unit, which realizes real-time communication between external devices and the flight control computer, and ensure the busload less than 20%. The test verifies the correctness and practicability of the design, which can reach the design targets and meet the serial communication demands of the sample UAV flight control computer.

Keywords：flight control computer; serial input and output unit; FlexRay bus; communication protocols; redundant management

文章編號(hào)：1671-4598(2016)02-0094-05

DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.02.026

中圖分類號(hào)：TP273.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：李妍(1991-)，女，江蘇人，碩士研究生，主要從事飛行控制計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方向的研究。李春濤(1975-)，男，山東人，副研究員，主要從事先進(jìn)飛行控制技術(shù)方向的研究。

收稿日期：2015-08-20；修回日期：2015-09-19。

陳欣(1958-)，男，北京人，研究員，主要從事先進(jìn)飛行控制技術(shù)方向的研究。