FlexRay總線在導(dǎo)彈測(cè)發(fā)控系統(tǒng)中的應(yīng)用*

雷峰成，趙明，程鵬

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

0 引言

隨著防空武器系統(tǒng)的多樣化發(fā)展，承載導(dǎo)彈發(fā)射的平臺(tái)出現(xiàn)了多樣性和空間布局靈活性的特點(diǎn)，需要發(fā)展能在不同平臺(tái)下完成導(dǎo)彈發(fā)射控制的測(cè)發(fā)控系統(tǒng)。

近些年，導(dǎo)彈測(cè)發(fā)控系統(tǒng)開始采用分布式控制方式，即測(cè)發(fā)控系統(tǒng)各組成部分均采用微系統(tǒng)設(shè)計(jì)，各部分間通過通訊總線進(jìn)行指令和信息的傳遞。在測(cè)發(fā)控系統(tǒng)中探索應(yīng)用CAN總線、1 553 B總線和FlexRay總線構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)。

在目前流行的各種總線中，F(xiàn)lexRay總線具有高速率、高可靠性和高實(shí)時(shí)性的性能優(yōu)勢(shì)。FlexRay總線自身的特點(diǎn)決定了其適合應(yīng)用于實(shí)時(shí)控制和安全性要求高的實(shí)時(shí)同步控制領(lǐng)域[1-2]。

1 FlexRay總線

FlexRay總線最初由BMW公司和Daimlerchrysler公司基于BMW公司的ByteFlight總線共同開發(fā)，后來又由FlexRay聯(lián)盟將其標(biāo)準(zhǔn)化，使之成為新一代的車載網(wǎng)絡(luò)通信總線，并建立一種可檢測(cè)的、可靠的、高速通訊體系[3-4]，適用于未來汽車上各種設(shè)備的控制。它的出現(xiàn)解決了現(xiàn)階段汽車控制總線中總線協(xié)議容錯(cuò)性差和傳輸速率低的缺點(diǎn)。

FlexRay總線是一種適合應(yīng)用于實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域的通訊總線，其具有如下顯著特點(diǎn)：

(1) 高數(shù)據(jù)率

FlexRay總線帶寬不受協(xié)議機(jī)制的限制，可在單通道支持10 Mbit/s的速率。當(dāng)采用雙通道冗余系統(tǒng)時(shí)，最高可達(dá)20 Mbit/s的速率。

(2) 高可靠性

FlexRay總線采用2個(gè)通信通道來提高通信任務(wù)的任務(wù)可靠度。并且FlexRay總線通過確定性故障容錯(cuò)協(xié)議支持不同級(jí)別和不同方式的容錯(cuò)(包括單通道容錯(cuò)和雙通道容錯(cuò))，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

(3) 高實(shí)時(shí)性

FlexRay總線采用建立在通信周期、循環(huán)基礎(chǔ)上的時(shí)分多路數(shù)據(jù)傳輸方式，即提供了時(shí)間觸發(fā)和事件觸發(fā)2種傳輸方式，周期性數(shù)據(jù)在通信周期中擁有固定的位置，確保報(bào)文到達(dá)的時(shí)效性。

(4) 高精度總線同步時(shí)鐘

FlexRay總線網(wǎng)絡(luò)中存在一個(gè)總體時(shí)鐘，同時(shí)每一個(gè)控制節(jié)點(diǎn)存在一個(gè)局部時(shí)鐘。FlexRay協(xié)議制定了特定的時(shí)鐘同步控制算法，保證總線網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)控制節(jié)點(diǎn)的局部時(shí)鐘與總體時(shí)鐘同步。同步精確度為0.5～10 μs(通常為1～2 μs)。

(5) 靈活性

FlexRay總線支持總線型、星型、星型級(jí)聯(lián)型和混合型等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有靈活的總線拓?fù)浣M成方式；支持時(shí)間觸發(fā)和事件觸發(fā)通信方式；支持報(bào)文的冗余和非冗余傳輸方式；支持通過配置參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整和擴(kuò)展[5-8]。

2 FlexRay總線適用性分析

2.1 數(shù)據(jù)傳輸率

分布式的測(cè)發(fā)控系統(tǒng)由任務(wù)中心管理機(jī)、多個(gè)控制執(zhí)行單元、多個(gè)程控電源單元、總線監(jiān)控單元和符合總線協(xié)議掛在總線上的其他設(shè)備組成，總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，且數(shù)據(jù)具有多樣性。以某測(cè)發(fā)控系統(tǒng)總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為例,主要包括任務(wù)中心管理機(jī)與16個(gè)單元的非周期性的控制命令和應(yīng)答、周期性監(jiān)測(cè)命令和應(yīng)答。數(shù)據(jù)量達(dá)到6 Mbit/s。

FlexRay總線具有單通道10 Mbit/s的速率，不使用雙冗余的情況下，雙通道通訊速率達(dá)到20 Mbit/s，在導(dǎo)彈測(cè)發(fā)控系統(tǒng)中采用雙冗余的模式，單通道的數(shù)據(jù)傳輸率即可滿足導(dǎo)彈測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的信息交互傳輸要求。

2.2 可靠性

測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信要求具備高可靠性，要求既能夠適應(yīng)野戰(zhàn)環(huán)境下的高低溫變化、載車振動(dòng)等比較苛刻的自然環(huán)境，又能在復(fù)雜電磁干擾環(huán)境下正常工作。

一方面，F(xiàn)lexRay總線在物理層設(shè)計(jì)了雙冗余熱備份通道來提高通信任務(wù)的可靠性。另一方面，每個(gè)FlexRay總線節(jié)點(diǎn)中的總線監(jiān)控器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前總線的工作狀態(tài)，當(dāng)本節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障而不能正常工作時(shí)，總線監(jiān)控器會(huì)將通信控制器與總線斷開，從而將故障節(jié)點(diǎn)與總線網(wǎng)絡(luò)隔離，不影響總線上其他節(jié)點(diǎn)的工作，提高整個(gè)總線網(wǎng)絡(luò)工作可靠度。

2.3 實(shí)時(shí)控制

測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的控制時(shí)序需要嚴(yán)格的通信實(shí)時(shí)性，通訊精確度要求達(dá)到ms級(jí)，以確保導(dǎo)彈發(fā)射控制時(shí)序的精準(zhǔn)。

FlexRay協(xié)議支持時(shí)間觸發(fā)和事件觸發(fā)總線訪問方式。協(xié)議把一個(gè)通信分為靜態(tài)段和動(dòng)態(tài)段，靜態(tài)段采用時(shí)分復(fù)用(TDMA)的時(shí)間觸發(fā)訪問方式，傳輸信息被分配在確定的靜態(tài)時(shí)隙，在此期間靜態(tài)段可以唯一訪問總線，從而傳輸信息在總線上的時(shí)間是確定的。動(dòng)態(tài)段則采用靈活時(shí)分多址(FTDMA)的事件觸發(fā)總線訪問。這樣既保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，又充分利用了總線的帶寬[9-10]。

2.4 時(shí)間同步

測(cè)發(fā)控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)通訊過程中既使用靜態(tài)段又使用動(dòng)態(tài)段進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。所有總線節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘必須同步，并且最大偏差必須在限定范圍內(nèi)。

整個(gè)FlexRay總線網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)總體時(shí)鐘，每一個(gè)控制節(jié)點(diǎn)有一個(gè)局部時(shí)鐘，F(xiàn)lexRay協(xié)議同時(shí)實(shí)施相位對(duì)準(zhǔn)和頻率對(duì)準(zhǔn)，使網(wǎng)絡(luò)中每一節(jié)點(diǎn)的局部時(shí)鐘與總體時(shí)鐘同步。

FlexRay總線同步精確度為0.5～10 μs(通常為1～2 μs)。FlexRay總線時(shí)間同步機(jī)制使得導(dǎo)彈測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的信息同步性要求得到滿足[11-13]。

3 基于FlexRay總線的測(cè)發(fā)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1 總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

FlexRay總線主要存在4種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別為：星型、總線型、星型級(jí)聯(lián)型和混合型，如圖1～4所示。

在星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，單個(gè)FlexRay節(jié)點(diǎn)可以支持2個(gè)通道，因而可以實(shí)現(xiàn)單通道和雙通道2種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。與總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于：

(1) 在接收端和發(fā)送端之間提供點(diǎn)到點(diǎn)連接，能有效提高傳輸速率和延長(zhǎng)傳輸距離；

(2) 具有錯(cuò)誤分離功能，只有出現(xiàn)故障的節(jié)點(diǎn)本身受到影響，其他總線節(jié)點(diǎn)正常工作。

而星型級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)和混合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中存在信息返回時(shí)間和不同星之間存在不對(duì)稱傳播延遲時(shí)間的問題[14-15]。

在測(cè)發(fā)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用星型雙冗余的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。系統(tǒng)中使用了StarA和StarB 2個(gè)星型中繼器，分別組成2個(gè)雙冗余的通訊通道，每個(gè)總線節(jié)點(diǎn)同時(shí)接到2個(gè)星型中繼器上。當(dāng)其中任何一個(gè)控制執(zhí)行單元或其他單元出現(xiàn)故障，不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)其他彈位的導(dǎo)彈發(fā)射功能，極大地提高了導(dǎo)彈測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的任務(wù)可靠度。

3.2 通訊機(jī)制

在測(cè)發(fā)控系統(tǒng)中任務(wù)中心管理機(jī)與總線中其他節(jié)點(diǎn)存在兩類通訊命令的交互：非周期性命令和周期性命令。命令傳輸利用通信循環(huán)中的靜態(tài)段和動(dòng)態(tài)段傳輸，其中利用靜態(tài)段傳輸周期性指令，利用動(dòng)態(tài)段傳輸非周期性指令，如圖5所示。

3.3 FlexRay總線實(shí)現(xiàn)

3.3.1 總線節(jié)點(diǎn)及接口設(shè)計(jì)

FlexRay總線節(jié)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)FlexRay通信網(wǎng)絡(luò)的基本單元，是總線信息收發(fā)和管理的主要執(zhí)行單元。一般由主機(jī)處理器、通訊控制器、總線驅(qū)動(dòng)器和可選的總線監(jiān)控器組成，如圖6所示。主機(jī)處理器產(chǎn)生和接收數(shù)據(jù)，并通過通訊控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和接收?？偩€驅(qū)動(dòng)器連接著通訊控制器和總線，負(fù)責(zé)在總線上產(chǎn)生符合協(xié)議要求的電平信號(hào)。

在接口電路設(shè)計(jì)中總線驅(qū)動(dòng)器采用NXP的TJA1080A，高速共模濾波器采用TDK的ACM3225。

(1) 連接器

FlexRay總線電纜由電纜和連接器組成，其中連接器由插頭和插座構(gòu)成，插頭選用FLR2-10J4HN-01，插座選用FLR2-10J4HA-01，如圖7所示。

具有如下特點(diǎn)：

1) 插頭采用高可靠的抗震動(dòng)沖擊連接機(jī)構(gòu)

由于測(cè)發(fā)控系統(tǒng)應(yīng)用于戰(zhàn)車平臺(tái)，工作時(shí)會(huì)存在長(zhǎng)期高強(qiáng)度振動(dòng)及沖擊，為保證插頭插座對(duì)插后的可靠連接，設(shè)計(jì)了高可靠的抗震動(dòng)沖擊防松脫連接機(jī)構(gòu)。當(dāng)插頭插座連接時(shí)，防松脫齒的角度小，易于連接；當(dāng)插頭插座分離時(shí)，反向角度大，分離力大，防止松脫。

2) 插頭連接螺帽防擺動(dòng)設(shè)計(jì)

由于連接器尺寸小，當(dāng)連接導(dǎo)線較長(zhǎng)時(shí)，插頭中間花鍵殼體會(huì)隨尾部線纜擺動(dòng)，因此在連接螺帽和花鍵殼體間設(shè)計(jì)添加了尾部金屬連接件進(jìn)行填充，該結(jié)構(gòu)可有效避免花鍵殼體隨尾部線纜擺動(dòng)，從而保護(hù)中心接觸件的可靠接觸。

3) 優(yōu)良的抗電磁屏蔽性能

1）顧客滿意度對(duì)醫(yī)藥B2C平臺(tái)顧客忠誠(chéng)度的影響值為0.77。本研究進(jìn)一步證實(shí)了在醫(yī)藥B2C購物環(huán)境下，顧客滿意度仍然是實(shí)現(xiàn)顧客忠誠(chéng)的必要條件。

考慮到戰(zhàn)場(chǎng)惡劣復(fù)雜的電磁環(huán)境，且所傳輸信號(hào)易受到干擾，因此在插頭插座對(duì)插位置加裝了屏蔽接地簧，以保證頭座對(duì)插后的電磁連續(xù)性。除了插頭插座對(duì)插位置外還在插頭尾部附件內(nèi)設(shè)計(jì)了電纜屏蔽層連接結(jié)構(gòu)，加緊屏蔽的線夾及線纜夾均采用銅合金鍍金，導(dǎo)電性能好。使用時(shí)電纜屏蔽層被夾在線夾和線纜夾之間，實(shí)現(xiàn)了360°可靠屏蔽。

4) 電纜防轉(zhuǎn)及防拖拽設(shè)計(jì)

由于連接器較小，所接電纜又較長(zhǎng)，為保證電纜在拖拽時(shí)不會(huì)出現(xiàn)縮針和絕緣體脫出等問題，設(shè)計(jì)有專用線纜夾。當(dāng)擰緊附件時(shí)，內(nèi)部線纜夾受到尾附件斜面擠壓而向內(nèi)變形，可壓緊線纜的屏蔽層及外護(hù)皮，從而固定線纜；當(dāng)尾部線纜受力時(shí)，會(huì)將力首先傳導(dǎo)給線纜外護(hù)皮，保護(hù)內(nèi)部接觸件。

5) 防水密封功能

插座內(nèi)部設(shè)計(jì)有界面封嚴(yán)體，可確保插頭與插座對(duì)插到位后，插頭花鍵殼體可將插座插合面的界面封嚴(yán)體壓縮，從而實(shí)現(xiàn)界面密封。

(2) 總線抗干擾和信號(hào)完整性設(shè)計(jì)

測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的FlexRay總線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)均包含A，B 2個(gè)通信通道，測(cè)發(fā)控系統(tǒng)總線電纜網(wǎng)絡(luò)存在A，B 2條總線。每條總線采用差分方式，包括總線+(BP)、總線-(BM)和總線地。在電纜設(shè)計(jì)中采用以下措施提高信號(hào)傳輸?shù)耐暾裕?/p>

1) 差分信號(hào)線采用雙絞屏蔽處理，且屏蔽層與連接器外殼連接，并且在10 MHz條件下的差模阻抗值為100 Ω；

2) 在星型中繼器端和節(jié)點(diǎn)的差分信號(hào)線BP和BM之間分別接入終端匹配電阻，電阻阻值為100 Ω,減少傳輸過程信號(hào)反射和其他干擾現(xiàn)象；

3) 根據(jù)不同節(jié)點(diǎn)的布局位置，統(tǒng)一設(shè)計(jì)相同長(zhǎng)度的電纜，減少節(jié)點(diǎn)間傳輸時(shí)間的不同，解決信號(hào)傳輸?shù)牟粚?duì)稱問題。

4 FlexRay總線在測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

FlexRay總線的應(yīng)用，使得測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的性能和任務(wù)可靠度獲得較大的提升，具體如下：

(1) 通過FlexRay總線應(yīng)用，減少了任務(wù)中心管理機(jī)與各個(gè)執(zhí)行單元之間電氣信號(hào)的數(shù)量，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度和耦合度；

(2) FlexRay協(xié)議在物理層實(shí)現(xiàn)了雙冗余熱備份功能，不需要測(cè)發(fā)控應(yīng)用軟件進(jìn)行雙冗余熱備份操作邏輯的實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)化了發(fā)控軟件控制邏輯，減少了代碼量，同時(shí)提高了測(cè)發(fā)控系統(tǒng)通訊的任務(wù)可靠度；

(3) FlexRay總線的高速數(shù)據(jù)傳輸率，有力的提高了測(cè)發(fā)控系統(tǒng)內(nèi)部信息交換的實(shí)時(shí)性；

(4) FlexRay總線的同步時(shí)鐘，確保測(cè)發(fā)控系統(tǒng)內(nèi)部總線上各節(jié)點(diǎn)執(zhí)行命令的時(shí)序協(xié)調(diào)性；

(5) FlexRay總線的應(yīng)用使得測(cè)發(fā)控系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性和兼容性，根據(jù)武器系統(tǒng)的不同需求可以在測(cè)發(fā)控系統(tǒng)內(nèi)部總線掛接各種符合內(nèi)部總線協(xié)議的設(shè)備，如：發(fā)射架控制設(shè)備和定位定向設(shè)備等，有利于武器系統(tǒng)的擴(kuò)展。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)導(dǎo)彈測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了一種基于FlexRay總線的導(dǎo)彈測(cè)發(fā)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，通過對(duì)總線特點(diǎn)及其適用性的分析，表明FlexRay總線適用于導(dǎo)彈測(cè)發(fā)控系統(tǒng)，能夠提供高可靠性、高實(shí)時(shí)性的通訊網(wǎng)絡(luò)。