FlexRay總線在AHEAD彈藥炮控系統(tǒng)中的應(yīng)用

姚新濤，譚爭光，丁 毅，王 鵬

(西北機電工程研究所， 陜西 咸陽 712099)

隨著火炮武器系統(tǒng)信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化程度的不斷提高，信息化、智能化彈藥技術(shù)也得到了長足的發(fā)展。自20世紀(jì)90年代以來，歐美一些國家針對防空高炮武器系統(tǒng)作戰(zhàn)需求，研制出了一種應(yīng)用于中小口徑速射高炮的信息化、低成本AHEAD彈藥，用以攔截末端來襲無人機、巡航導(dǎo)彈、武裝直升機、“蜂群”等目標(biāo)，使高炮武器系統(tǒng)對空作戰(zhàn)效能得到了進一步提升。21世紀(jì)初，該技術(shù)已在國內(nèi)得到突破，且實現(xiàn)了型號產(chǎn)品應(yīng)用。

AHEAD彈作為一種基于火炮武器系統(tǒng)實時控制的信息化彈藥，其實時性要求極高。傳統(tǒng)的CAN總線是一種基于事件觸發(fā)型的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其最高傳輸速率為1Mbit/s，且一般使用過程中，為了達(dá)到一定的節(jié)點數(shù)量、傳輸距離及傳輸可靠性，多數(shù)采取降低傳輸速率使用，嚴(yán)重限制了AHEAD彈對其控制實時性的要求[1]。而FlexRay總線作為一種分布式高速總線網(wǎng)絡(luò)，可大幅度降低火炮探測、跟蹤、解算及炮控裝置之間的數(shù)據(jù)傳輸延時，提高AHEAD彈的彈飛時間控制能力與控制精度，提升武器系統(tǒng)的整體作戰(zhàn)性能[2-5]。

FlexRay總線協(xié)議是繼CAN總線之后，由國際整車廠以及半導(dǎo)體公司聯(lián)合開發(fā)的一種新型總線協(xié)議。該協(xié)議利用2條獨立的物理線路進行通訊，每條物理線路的最大數(shù)據(jù)速率為10 Mbit/s。2條通訊線路既可以用來實現(xiàn)冗余，也可以用2條線路實現(xiàn)不同的消息傳輸。同時，F(xiàn)lexRay總線協(xié)議支持兩種數(shù)據(jù)傳輸方式，即為同步數(shù)據(jù)傳輸方式和異步數(shù)據(jù)傳輸方式。同步數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)時間觸發(fā)通信，滿足系統(tǒng)對可靠性要求；異步數(shù)據(jù)傳輸采用事件驅(qū)動方式通信，允許每個節(jié)點利用全部帶寬[6 -11]。另外，F(xiàn)lexRay總線協(xié)議具有總線型、星型和混合型等多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？蓾M足武器系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性與可靠性。

1 AHEAD彈藥炮控系統(tǒng)原理介紹

高效命中與毀傷(advanced hit efficiency and destruction，AHEAD)表示AHEAD彈在目標(biāo)前方引爆、拋撒子彈藥(預(yù)制破片)，即“超前撒網(wǎng)攔截”的概念。AHEAD彈藥是一種火炮控制的高精度信息化彈藥，利用火炮自身的探測系統(tǒng)、火控計算機等設(shè)備精確解算AHEAD彈的飛行時間，控制彈藥在目標(biāo)前方引爆母彈，利用母彈開倉拋撒的大量子彈丸實現(xiàn)對目標(biāo)的精確攔截。

AHEAD彈藥炮控系統(tǒng)用以實現(xiàn)火炮對信息化彈藥的實時精確控制，主要包括目標(biāo)探測與跟蹤系統(tǒng)(搜索與跟蹤雷達(dá)系統(tǒng)或光電系統(tǒng))、火炮諸元解算裝置(火控計算機求取彈丸飛行時間)、炮口測速與裝定裝置(實現(xiàn)初速測量與引信裝定功能)等3部分。AHEAD彈藥的火炮控制原理如圖1所示。

圖1 AHEAD彈藥控制原理示意圖

在AHEAD彈藥應(yīng)用中，目標(biāo)探測與跟蹤系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對來襲低空目標(biāo)進行實時搜索、截獲與跟蹤，并向火炮諸元解算裝置不間斷、穩(wěn)定可靠地提供高精度的目標(biāo)距離、角度、速度等信息。

火炮諸元解算裝置通過總線網(wǎng)絡(luò)實時接收目標(biāo)搜索與跟蹤系統(tǒng)對于目標(biāo)的距離、角度、速度等信息，結(jié)合當(dāng)前氣象參數(shù)與火炮狀態(tài)數(shù)據(jù)，以AHEAD彈藥射表為基準(zhǔn)，解算平均初速下的當(dāng)發(fā)彈丸飛行時間，并按時序傳輸給炮口測速與裝定裝置。

炮口測速與裝定裝置接收火炮諸元解算裝置解算的平均初速下的彈飛時間，并結(jié)合其實時測量的當(dāng)發(fā)初速，求解修正后的當(dāng)發(fā)彈丸飛行時間，當(dāng)彈丸飛離炮口前實施可編程電子時間引信裝定，控制AHEAD彈藥精確開倉并毀傷目標(biāo)。

2 基于FlexRay總線協(xié)議的AHEAD彈藥炮控系統(tǒng)通信架構(gòu)

AHEAD彈藥炮控系統(tǒng)作為防空高炮武器系統(tǒng)的重要組成部分，具有目標(biāo)探測與跟蹤、彈丸飛行時間解算、炮口初速測量與引信感應(yīng)裝定等功能，其間的數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)交換均以總線形式來完成。AHEAD彈藥炮控系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 AHEAD彈藥炮控系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)框圖

FlexRay總線通信網(wǎng)絡(luò)在防空高炮上組網(wǎng)，通常情況下數(shù)據(jù)傳輸采用總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并按設(shè)定好的時序進行數(shù)據(jù)傳輸，AHEAD彈藥炮控系統(tǒng)中的目標(biāo)探測與跟蹤系統(tǒng)、火炮諸元解算裝置及炮口測速與裝定裝置分別作為FlexRay總線通信網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點存在，每個節(jié)點都包含有FlexRay通信控制器和FlexRay總線控制器，用于實現(xiàn)各節(jié)點之間的信息收發(fā)功能。高炮上的所有信息單元節(jié)點均掛接在FlexRay總線型網(wǎng)絡(luò)上，通過FlexRay總線協(xié)議實現(xiàn)AHEAD彈藥炮控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互。高炮武器系統(tǒng)的FlexRay總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

基于某高炮武器系統(tǒng)的FlexRay總線擬采用時間觸發(fā)型同步傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，F(xiàn)lexRay同步傳輸網(wǎng)絡(luò)在協(xié)議中的靜態(tài)數(shù)據(jù)段傳輸。在靜態(tài)數(shù)據(jù)段中每個節(jié)點的數(shù)據(jù)分配有固定的時隙，各分系統(tǒng)或單體只能在總線預(yù)先配置的固定時隙中訪問總線，實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的接收或發(fā)送。

圖3 FlexRay總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框圖

以AHEAD彈藥炮控系統(tǒng)組網(wǎng)為例進行同步傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，配置“目標(biāo)探測與跟蹤系統(tǒng)”在時隙1發(fā)送數(shù)據(jù)，時隙4、時隙7接收數(shù)據(jù)，“火炮諸元解算裝置”在時隙2發(fā)送數(shù)據(jù)，時隙5、時隙8接收數(shù)據(jù)，“炮口測速與裝定裝置”在時隙3發(fā)送數(shù)據(jù)，時隙6、時隙9接收數(shù)據(jù)，結(jié)合火炮其他分系統(tǒng)及單體，進行周期性的FlexRay總線協(xié)議數(shù)據(jù)通信。

3 FlexRay總線節(jié)點硬軟件設(shè)計

在FlexRay總線節(jié)點設(shè)計中，以炮口測速與裝定裝置的FlexRay總線協(xié)議節(jié)點為例進行硬軟件設(shè)計，其他單元類同。

3.1 FlexRay硬件接口電路設(shè)計

為了滿足AHEAD彈藥對于彈飛時間解算精度與實時性的要求，在炮口測速與裝定裝置中選用高性能的DSP信號處理芯片作為硬件平臺，用于實現(xiàn)彈飛時間修正解算。FlexRay總線采用DSP(處理器)+MFR4310(通信控制器)+TJA1080(總線控制器)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)FlexRay控制總線接口的硬件設(shè)計，其通信結(jié)構(gòu)框圖如圖4。DSP選用高性能16位點定處理器TMS320C6416作為炮口測速與裝定裝置電氣系統(tǒng)的信息處理核心，與FlexRay通信控制器MFR4310之間采用并行總線方式進行硬件連接，實現(xiàn)對FlexRay控制器的初始化及數(shù)據(jù)的輸入輸出，采用FlexRay總線控制器TJA1080作為接口協(xié)議芯片，實現(xiàn)對總線數(shù)據(jù)的實時操作?；贒SP的FlexRay總線接口電路如圖5所示。

圖4 FlexRay通信結(jié)構(gòu)框圖

圖5 FlexRay接口電路設(shè)計原理框圖

電路設(shè)計中，采用TMS320C6416數(shù)字處理器中的EMIFB接口實現(xiàn)與MFR4310的并行數(shù)據(jù)交互，通過DSP的外部中斷來響應(yīng)FlexRay總線數(shù)據(jù)接收指令，并在中斷服務(wù)程序中進行數(shù)據(jù)讀?。焕肊MIFB中的CE2作為通信控制器MFR4310的片選信號，OE、WE分別作為總線數(shù)據(jù)的讀寫控制信號，實現(xiàn)對FlexRay總線數(shù)據(jù)的讀寫時序控制。TJA1080芯片中的TXD、TXEN、RXD分別與MFR4310的TXD_BG1/2、TXEN1/2、RXD_BG1/2進行連接， BGE、EN和STBN引腳需置高，使TJA1080工作在正常工作模式，實現(xiàn)兩者之間的通信。

3.2 基于DSP的 FlexRay總線協(xié)議軟件設(shè)計

基于DSP的FlexRay協(xié)議軟件設(shè)計，首先對DSP進行初始化，完成DSP時鐘、倍頻配置并啟動鎖相環(huán)，DSP外圍設(shè)備配置、中斷及定時器等內(nèi)部外設(shè)配置等；其次，通過DSP對FlexRay通信控制器MFR4310進行初始化設(shè)置，配置MCR寄存器，使能FlexRay通信，配置FlexRay引擎，以及FlexRay消息緩沖器大小設(shè)置等。最后，靜態(tài)數(shù)據(jù)段在指定的時隙內(nèi)進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收均會產(chǎn)生相應(yīng)的中斷指令，觸發(fā)DSP執(zhí)行相應(yīng)的發(fā)送或接收數(shù)據(jù)幀中斷操作，實現(xiàn)FlexRay網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。基于DSP的FlexRay軟件流程如圖6所示。

圖6 基于DSP的FlexRay軟件流程框圖

4 仿真分析

基于以上原理，現(xiàn)通過仿真模型對FlexRay總線與CAN總線的傳輸穩(wěn)定性與可靠性進行分析、比較，證明FlexRay總線在AHEAD彈藥炮控系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性。

4.1 FlexRay總線仿真分析

在AHEAD彈藥炮控系統(tǒng)中，采用FlexRay總線靜態(tài)段的時間觸發(fā)同步傳輸模式，以此為基礎(chǔ)建立消息結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)傳輸仿真模型。

FlexRay總線協(xié)議中，靜態(tài)段的每個時槽由ActionPointOffset(APO)、數(shù)據(jù)幀本體部分和通信空閑CID三部分組成。FlexRay數(shù)據(jù)幀本體部分包括幀頭(Header Segment)，5個字節(jié)；有效數(shù)據(jù)段(payload segment)，0～254字節(jié)；幀尾(trailer segment)，3個字節(jié)。靜態(tài)段消息包括：傳輸起始序列TSS，一般為3～15位；幀起始序列FSS，1位；有效數(shù)據(jù)DATA，n*8位；每個有效數(shù)據(jù)DATA開頭需添加字節(jié)開始序列BSS，2位；幀結(jié)束序列FES，2位。FlexRay靜態(tài)幀消息結(jié)構(gòu)如圖7所示。

假設(shè)FlexRay的傳輸速率下的位時間為τ，傳輸數(shù)據(jù)長度為N個字節(jié)，每個靜態(tài)段時槽消息的傳輸時間為T，根據(jù)FlexRay通信協(xié)議計算靜態(tài)段傳輸時間計算過程為：

T=[2APO+TSS+FSS+(5+N+3)·

(8+BSS)+FES+CID]·τ

取TSS為15位，通信空閑時間段界定符CID為11位，APO位于時槽的開始與結(jié)尾處，代入以上幀序列位數(shù)，有：

T=[2APO+15+1+(5+N+3)·

(8+2)+2+11]·τ

T=(109+10N+2APO)·τ

由以上計算結(jié)果可知，采用FlexRay的靜態(tài)段通信模式，靜態(tài)段中的每一個時槽規(guī)定了相應(yīng)節(jié)點的收發(fā)時序，傳輸時間基本恒定，可有效保證通信的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

圖7 FlexRay靜態(tài)幀消息結(jié)構(gòu)

4.2 CAN總線網(wǎng)絡(luò)仿真分析

CAN總線網(wǎng)絡(luò)采用事件觸發(fā)方式，在總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，各節(jié)點之間根據(jù)其所配置的優(yōu)先級進行數(shù)據(jù)傳輸，同等優(yōu)先級將因爭奪發(fā)送權(quán)而導(dǎo)致總線沖突，低優(yōu)先級的消息將會由于高優(yōu)先級的沖突一直處于阻塞狀態(tài)，致使網(wǎng)絡(luò)傳輸時間不能按預(yù)期完成，影響系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性與穩(wěn)定性。

假設(shè)在實時性系統(tǒng)的CAN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，對于系統(tǒng)的某一信息幀數(shù)據(jù)m，其在最壞傳輸條件下的延時時間，即最壞傳輸時間為TRM，主要包括以下過程：① 信息幀m在總線上的最長占用時間TCM；② 信息m從申請發(fā)送到獲取總線使用權(quán)的等待時間TWM；③ 被正在傳輸中優(yōu)先級低于m的信息阻礙時間TBM；④ 等待優(yōu)先級高于信息m的信息傳輸時間；⑤ 總線上錯誤幀的延遲時間TEM；等。根據(jù)遞推算法計算最壞傳輸時間TRM為：

(1)

式(1)中：h(m)表示優(yōu)先級比m高的信息集;l(m)表示優(yōu)先級比m低的信息集;τbit表示位傳輸時間;Ti表示信息幀m的發(fā)送周期;TJM表示軟件抖動時間;TDM表示被允許的最大傳輸延時。

對于實時性要求較高的系統(tǒng)來說，信息m必須滿足TRM≤TDM-TJM，若TRM>TDM-TJM，表示系統(tǒng)響應(yīng)時間已經(jīng)超過最大等待時間上限，消息m無法調(diào)動成功，存在通信異常風(fēng)險。

5 結(jié)論

本文針對火炮對AHEAD彈藥的控制精度及實時性要求，提出了FlexRay總線的應(yīng)用方案，并對FlexRay總線在炮口測速與裝定裝置上應(yīng)用的硬件接口電路及驅(qū)動軟件進行了原理設(shè)計，并對FlexRay總線與CAN總線在傳輸時間的可靠性與穩(wěn)定性進行了仿真分析。結(jié)果表明，F(xiàn)lexRay總線技術(shù)對于提升AHEAD彈藥炮控系統(tǒng)的可靠性、實時性等方面具有較高的應(yīng)用價值。