FlexRay總線在模塊化通信導(dǎo)航識別系統(tǒng)中的應(yīng)用*

孫文杰，詹 鵬，曾利平

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

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FlexRay總線在模塊化通信導(dǎo)航識別系統(tǒng)中的應(yīng)用*

孫文杰**，詹 鵬，曾利平

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

針對新型模塊化通信導(dǎo)航識別(MCNI)系統(tǒng)對高質(zhì)量數(shù)據(jù)通信的實(shí)際需求，從總線速率、實(shí)時(shí)性、可靠性、可擴(kuò)展性等方面分析了現(xiàn)有幾型總線存在的適配性問題，提出將新一代FlexRay總線技術(shù)應(yīng)用到MCNI系統(tǒng)中，構(gòu)建了基于雙通道冗余拓?fù)錁?gòu)型的全新的MCNI系統(tǒng)總線架構(gòu)，并給出了總線時(shí)隙分配和硬件框圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明FlexRay總線傳輸速率可達(dá)10 Mb/s，能在重負(fù)荷情況下為MCNI系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)可靠的信息交互，可為其他模塊化傳感器系統(tǒng)總線設(shè)計(jì)提供借鑒。

模塊化通信導(dǎo)航識別系統(tǒng)；FlexRay總線；雙通道冗余拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1 引 言

隨著航空電子技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)載通信導(dǎo)航識別(Communication Navigation Identification,CNI)系統(tǒng)已進(jìn)入綜合化、模塊化時(shí)代。由于模塊化CNI(Modular CNI,MCNI)系統(tǒng)采用了基于模塊級資源綜合的系統(tǒng)架構(gòu)，因此與以前的聯(lián)合式CNI架構(gòu)相比，MCNI系統(tǒng)對系統(tǒng)總線的傳輸速率、實(shí)時(shí)性、可靠性與可擴(kuò)展性等要求更高。

近幾年，業(yè)內(nèi)對綜合化航電系統(tǒng)總線相關(guān)技術(shù)的研究已陸續(xù)開展：文獻(xiàn)[1]提出了以CAN (Control Area Network)作為模塊化航電系統(tǒng)控制總線的解決方案；文獻(xiàn)[2]探討了將AS5643總線作為綜合化航電系統(tǒng)總線時(shí)傳輸方法的優(yōu)化問題；文獻(xiàn)[3]提出了基于串行RapidIO技術(shù)的嵌入式互連結(jié)構(gòu)框架。然而，上述研究工作主要圍繞的是航電系統(tǒng)頂層應(yīng)用，針對MCNI系統(tǒng)專用總線的研究目前仍是空白，而將CAN、AS5643和RapidIO總線應(yīng)用在MCNI系統(tǒng)中仍存在諸多問題。如何選擇和設(shè)計(jì)一型滿足MCNI系統(tǒng)特定需求的系統(tǒng)總線已成為業(yè)內(nèi)亟待解決的技術(shù)難點(diǎn)。

為此，本文在對幾型主流總線與MCNI系統(tǒng)適配性進(jìn)行分析比對的基礎(chǔ)上，提出將FlexRay總線技術(shù)引入MCNI系統(tǒng)總線的設(shè)計(jì)中，構(gòu)建出了一種新型的MCNI系統(tǒng)總線架構(gòu)。

2 MCNI系統(tǒng)總線設(shè)計(jì)

2.1 MCNI系統(tǒng)總線選型

目前，在綜合化航電領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)總線主要包括CAN總線、AS5643總線、RapidIO總線。除此之外，F(xiàn)lexRay總線作為CAN總線的升級替代，近幾年也在航空電子系統(tǒng)中開始應(yīng)用：文獻(xiàn)[4]描述了基于FlexRay技術(shù)的飛控計(jì)算機(jī)總線設(shè)計(jì)方法；文獻(xiàn)[5]討論了在數(shù)字化機(jī)載音頻處理設(shè)備采用了FlexRay總線技術(shù)面臨的幾個(gè)關(guān)鍵問題。

表1對CAN總線、AS5643總線、RapidIO總線、FlexRay總線與MCNI系統(tǒng)的匹配性進(jìn)行了比對。

表1 幾型總線性能對比

Tab.1 The performance contrast of buses

總線傳輸帶寬/(Mb·s-1)可靠性時(shí)效性可擴(kuò)展性經(jīng)濟(jì)性技術(shù)復(fù)雜性MCNI系統(tǒng)要求≥4支持總線冗余確定延時(shí)≤100μs支持10個(gè)以上節(jié)點(diǎn)的接入COST產(chǎn)品適中CAN≤1不支持不支持支持是底AS5643≥100支持支持支持否高RapidIO≥1250不支持支持支持是高FlexRay≥10支持支持支持是適中

從表1可以看出：CAN總線的傳輸帶寬不滿足MCNI系統(tǒng)要求；AS5643總線源于民用的IEEE-1394總線，為滿足MCNI系統(tǒng)高可靠性和確定性要求需要對原協(xié)議和硬件進(jìn)行深度改進(jìn)，開發(fā)成本過高且硬件體積較大；RapidIO總線是一種基于交換的高速嵌入式總線，本身并不支持MCNI系統(tǒng)要求的總線冗余機(jī)制，需要應(yīng)用層專門設(shè)計(jì)，技術(shù)復(fù)雜度非常高;而FlexRay總線具有較高的傳輸速率，在采用冗余架構(gòu)通信時(shí)，每條總線可提供10 Mb/s的傳輸帶寬，是CAN總線的10倍。同時(shí)，F(xiàn)lexRay總線具有容錯(cuò)和時(shí)分復(fù)用功能，可有效保證MCNI系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、可預(yù)測性和實(shí)時(shí)性,其支持的最大接入節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)64個(gè)，開發(fā)費(fèi)用及芯片產(chǎn)品價(jià)格也非常低廉，非常適合作為MCNI系統(tǒng)的系統(tǒng)總線。

2.2 MCNI系統(tǒng)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在MCNI系統(tǒng)總線設(shè)計(jì)中采用了FlexRay總線技術(shù)并對系統(tǒng)內(nèi)部的控制總線和數(shù)據(jù)總線進(jìn)行了綜合化設(shè)計(jì)，在一個(gè)FlexRay系統(tǒng)總線上(含A、B兩個(gè)通道)既實(shí)現(xiàn)突發(fā)性的控制指令傳輸又要完成傳感器周期數(shù)據(jù)和音頻信號的實(shí)時(shí)傳遞?；贔lexRay總線的MCNI系統(tǒng)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 MCNI系統(tǒng)總線拓?fù)?/p>

Fig.1 MCNI system bus topology

MCNI系統(tǒng)A、B總線采用了無源的總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為提高系統(tǒng)總線運(yùn)行的可靠性，兩條總線以雙通道冗余模式運(yùn)行。其中，A總線是系統(tǒng)主總線，B總線是系統(tǒng)備用總線，當(dāng)A總線出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)通過B總線實(shí)現(xiàn)信息的交互。

系統(tǒng)內(nèi)部各功能模塊以節(jié)點(diǎn)方式同時(shí)接入A、B總線。節(jié)點(diǎn)1是系統(tǒng)的主控制節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)解析上級航電系統(tǒng)的控制指令并分發(fā)到對應(yīng)的其他節(jié)點(diǎn)，同時(shí)采集其他節(jié)點(diǎn)的健康狀態(tài)和周期數(shù)據(jù)進(jìn)而上報(bào)航電。節(jié)點(diǎn)2～7為MCNI系統(tǒng)內(nèi)部的功能子節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)解析并執(zhí)行與本節(jié)點(diǎn)功能相關(guān)的控制指令，按要求向節(jié)點(diǎn)1發(fā)送狀態(tài)信息和周期數(shù)據(jù)。

2.3 總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

MCNI系統(tǒng)FlexRay總線A、B的傳輸速率均設(shè)定為10 Mb/s，由于MCNI系統(tǒng)各傳感器及系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)以50 ms為周期傳輸數(shù)據(jù)，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性將總線通信周期設(shè)定為2 ms，其中1.8 ms的靜態(tài)部分用于傳輸靜態(tài)報(bào)文，0.02 ms的特征符窗口用于發(fā)送喚醒和避免沖突特征符，0.18 ms的網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間用于進(jìn)行分布式時(shí)鐘同步。

MCNI系統(tǒng)FlexRay總線靜態(tài)時(shí)隙配置情況見表2。

表2 MCNI系統(tǒng)FlexRay總線靜態(tài)時(shí)隙配置情況

Tab.2 Static slot configrations of MCNI system FlexRay bus

時(shí)隙ID使用情況發(fā)送ECU1●A2●B3●G4●G5●C6●G7●D8●G9●C10●D11●E12●F13●G14●A15●B16●G17●G18●G19●A20○B(yǎng)21○E22○F23○G24○G25☆時(shí)隙ID使用情況發(fā)送ECU26☆27☆28●A29●B30●G31●G32●C33●G34●D35●G36☆37☆38☆39☆40☆41☆42●A43●B44●G45●G46☆47☆48☆49☆50☆注:●為完全利用;○為部分利用;☆為空閑。

為避免總線上出現(xiàn)消息競爭以提升總線運(yùn)行的可靠性，將MCNI系統(tǒng)總線劃分為50個(gè)靜態(tài)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙分配給某一消息ID，總線上的消息全部在靜態(tài)部分采用時(shí)分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)時(shí)序傳輸。靜態(tài)幀有效數(shù)據(jù)長度為16 B，靜態(tài)時(shí)隙長度為0.036 ms(考慮了幀頭部、CRC 校驗(yàn)、傳輸起始序列、幀起始序列、字節(jié)起始序列、幀結(jié)束序列及偏移量等因素)。

2.4 總線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

FlexRay總線節(jié)點(diǎn)有3種架構(gòu)：微處理器+通信控制器+總線驅(qū)動器、微處理器+總線驅(qū)動器以及微處理器。在MCNI系統(tǒng)總線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)選用了微處理器+通信控制器+總線驅(qū)動器架構(gòu)。節(jié)點(diǎn)硬件框圖如圖2所示。

圖2 FlexRay總線節(jié)點(diǎn)硬件框圖

Fig.2 Block diagram of FlexRay bus node hardware

為減少模塊內(nèi)部CPU的數(shù)量，對MCNI系統(tǒng)功能子板的數(shù)據(jù)處理CPU進(jìn)行了功能擴(kuò)展。該CPU除負(fù)責(zé)處理與某一傳感器功能相關(guān)的數(shù)據(jù)外還負(fù)責(zé)初始化FlexRay通信控制器，接收或發(fā)送FlexRay總線數(shù)據(jù)。接口子板的通信控制器對總線數(shù)據(jù)按照FlexRay協(xié)議要求進(jìn)行處理?？偩€收發(fā)器完成數(shù)字邏輯信號與物理電平信號之間進(jìn)行轉(zhuǎn)化，發(fā)送時(shí)將來自通信控制器的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼并發(fā)送到總線上，接收時(shí)將總線數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼后上傳給通信控制器。MCNI系統(tǒng)總線節(jié)點(diǎn)芯片選型見表3。

表3 MCNI系統(tǒng)FlexRay總線節(jié)點(diǎn)硬件組成Tab.3 Hardware components of MCNI system FlexRay bus node

3 仿真驗(yàn)證

按照某型高級教練機(jī)MCNI系統(tǒng)的實(shí)際構(gòu)型，在運(yùn)行Windows XP操作系統(tǒng)的 PC上采用DaVinci Network Designer軟件建立了系統(tǒng)的FlexRay網(wǎng)絡(luò)模型，并將建好的FlexRay網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)入CANoe軟件中進(jìn)行仿真測試(由于該型機(jī)MCNI系統(tǒng)總線的A通道與B通道為備份冗余關(guān)系，實(shí)驗(yàn)只涵蓋總線的A通道)。網(wǎng)絡(luò)中共7個(gè)傳感器功能節(jié)點(diǎn)和1個(gè)總線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)對總線上幀數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)刻、傳輸通道、幀ID、數(shù)據(jù)載荷具體內(nèi)容、總線循環(huán)周期等數(shù)據(jù)進(jìn)行了捕獲，對總線上不同ID靜態(tài)數(shù)據(jù)幀的數(shù)量、頻率、靜態(tài)幀有效載荷等數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。通道ID和幀統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見圖3，總線監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖4。

圖3 通道ID和幀統(tǒng)計(jì)圖

Fig.3 Channel ID and frame statistics

Fig.4 Bus monitoring and statistics

4 結(jié)束語

現(xiàn)有的MCNI系統(tǒng)大多采用CAN作為系統(tǒng)的主總線，存在帶寬不足、傳輸時(shí)延不確定、可靠性不高等問題，而支持冗余構(gòu)型的FlexRay總線不僅成本低、傳輸速率快，而且實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可擴(kuò)展性好，很好地滿足了MCNI系統(tǒng)的各項(xiàng)需求。目前，基于FlexRay總線構(gòu)建的MCNI系統(tǒng)已在實(shí)際工程中得到應(yīng)用，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠?？偩€網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)型和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法對其他模塊化傳感器系統(tǒng)的總線設(shè)計(jì)也有一定的參考價(jià)值。今后可在總線負(fù)荷智能均衡、總線故障判決及自動切換等方面開展進(jìn)一步的研究。

[1] 楊斌,李阜東.CAN總線在航空模塊化綜合系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電訊技術(shù)，2009,49(5)：43-48. YANG Bin,LI Fudong.Application of CAN bus in modular integrated avionics systems[J].Telecommunication Engineering,2009,49(5)：43-48.(in Chinese)

[2] 詹鵬,張振剛.AS5643總線優(yōu)化傳輸方法研究[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2015(2)：571-573. ZHAN Peng，ZHANG Zhengang.Research on optimization transmission method of AS5643 bus[J].Computer Measurement & Control,2015(2)：571-573.(in Chinese)

[3] 鄧豹,趙小冬.基于串行RapidIO的嵌入式互連研究[J].航空計(jì)算技術(shù)，2008(5)：123-126. DENG Bao,ZHAO Xiaodong.Research of the embedded interconnection frame based on serial RapidIO technology[J].Aeronautical Computing Technique,2008(5)：123-126.(in Chinese)

[4] 章勇.基于FlexRay飛行控制計(jì)算機(jī)總線設(shè)計(jì)與研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2013. ZHANG Yong.Design and research on FlexRay bus munication for flight control computer[D].Nanjing:Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2013.(in Chinese)

[5] 李鋒.機(jī)載數(shù)字音頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2013. LI Feng.Design and application of aircraft intercommunication system[D].Chengdu:University of Electronic Science and Technology of China,2013.(in Chinese)

孫文杰(1971—)，男，河北景縣人，高級工程師，主要研究方向?yàn)榫C合化航空電子；

SUN Wenjie was born in Jingxian,Hebei Province,in 1971.He is now a senior engineer.His research concerns integrated avionics system.

Email:sun_no1@sina.com

詹 鵬(1982—)，男，重慶人，工程師，主要研究方向?yàn)榫C合化航空電子；

ZHAN Peng was born in Chongqing,in 1982.He is now an engineer.His research concerns integrated avionics system.

曾利平(1975—)，男，四川內(nèi)江人，工程師，主要研究方向?yàn)榫C合化航空電子。

ZENG Liping was born in Neijiang,Sichuan Province,in 1975.He is now an engineer.His research concerns integrated avionics system.

Application of FlexRay Bus in Modular Communication Navigation and Identification System

SUN Wenjie,ZHAN Peng,ZENG Liping

(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

According to the requirement of high data communication quality for novel modular communication navigation and identification (MCNI)system,the suitability problem existing in several kinds of bus is analyzed from the aspect of bus speed,real-time characteristic,reliability and expansibility.New generation of FlexRay bus technology is applied in MCNI system,a novel MCNI system bus architecture based on double channel is constructed,and the bus time distribution and hardware diagram is given in this paper.Experiment result shows the transmission speed of the FlexRay bus is up to 10 Mb/s.This strongpoint can support real-time and reliability information communication for MCNI under heavy traffic load.The technology proposed in this paper can be used in modular sensor system bus design for reference.

modular CNI system；FlexRay bus；redundancy architecture

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.07.016

孫文杰，詹鵬，曾利平.FlexRay總線在模塊化通信導(dǎo)航識別系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電訊技術(shù)，2016,56(7):804-807.[SUN Wenjie,ZHAN Peng,ZENG Liping.Application of FlexRay bus in modular communication navigation and identification system[J].Telecommunication Engineering,2016,56(7):804-807.]

2015-11-20；

2016-04-12 Received date:2015-11-20；Revised date：2016-04-12

TN802

A

1001-893X(2016)07-0804-04

**通信作者：sun_no1@sina.com Corresponding author：sun_no1@sina.com