FlexRay-CAN網(wǎng)關(guān)在火控系統(tǒng)中的應(yīng)用

呂孟恩，韓曉明，張鵬軍

（中北大學(xué) 機電工程學(xué)院，太原030051）

目前武器系統(tǒng)通訊仍然多采用CAN 總線，隨著對武器系統(tǒng)控制速率及精度要求的不斷提高，CAN總線逐漸顯現(xiàn)出不足，如：總線通信速率在系統(tǒng)中某些關(guān)鍵部位無法達(dá)到預(yù)期要求；傳輸模式過于簡單等。FlexRay 總線具有高傳輸效率、故障可容錯等特點，彌補了CAN 總線的不足，于是FlexRay 總線技術(shù)在火炮系統(tǒng)中得到應(yīng)用。FlexRay 總線協(xié)議中數(shù)據(jù)段的長度為254 字節(jié)，而CAN 總線的數(shù)據(jù)段長度為13 字節(jié)，因此當(dāng)火控系統(tǒng)中同時存在CAN 協(xié)議與FlexRay 協(xié)議時，若要實現(xiàn)兩種總線的通信，首先要解決數(shù)據(jù)幀格式不統(tǒng)一的問題。

1 CAN 與FlexRay 幀結(jié)構(gòu)介紹

CAN 總線使用串行通訊方式，支持分布式實時控制，工作方法有多主工作方式、非破壞仲裁技術(shù)和接收濾波3 種。它的數(shù)據(jù)幀分為標(biāo)準(zhǔn)幀和擴展幀，均由7 個位場組成，如圖1所示[1]。

圖1 CAN 2.0B 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀格式Fig.1 CAN 2.0B standard data frame format

幀起始是數(shù)據(jù)幀的起始標(biāo)志，是一個顯性位；仲裁場包含了11 位的識別符和遠(yuǎn)程發(fā)送請求位（RTR），節(jié)點根據(jù)標(biāo)識符的值判斷是否接收該報文；控制場由一個4 位的數(shù)據(jù)長度代碼和2 個顯性保留位組成，DLC 長度可以作為判斷數(shù)據(jù)是否全部接收的依據(jù)；數(shù)據(jù)場中存放的是將要發(fā)送的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)長度最高為8 個字節(jié)，最低可以為0 字節(jié)，由高位到低位依次發(fā)送；CRC 場包含CRC 序列和CRC界定符；應(yīng)答場由應(yīng)答間隙和應(yīng)答界定符組成，應(yīng)答間隙中的ACK 信號可以作為判斷接收器接收到的報文是否有效的依據(jù)，若接收到的報告為 “顯性”，則報文接收成功，若接收到的報告為“隱性”，則報文接收失敗[2]。

FlexRay 總線作為近年發(fā)展迅速的一種事件觸發(fā)類型的新型現(xiàn)場總線技術(shù)，其所具有的高實時性、高確定性、擁有容錯性等優(yōu)點使FlexRay 得到廣泛應(yīng)用。FlexRay 的一個通信周期由4 個部分組成，包含了靜態(tài)段、動態(tài)段、特征符號窗和網(wǎng)絡(luò)空閑時間[3]，其中靜態(tài)段采用時分多路的信息傳輸方式，動態(tài)段采用柔性時分多路復(fù)用訪問方式。靜態(tài)段可以劃分成多個長度相同的靜態(tài)時隙分配給網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點，當(dāng)所分配的時隙到來時該節(jié)點才能對數(shù)據(jù)進行收發(fā)。動態(tài)段則更加靈活的支持事件觸發(fā)。

FlexRay 的數(shù)據(jù)幀由3 個部分組成，即幀頭部分、有效數(shù)據(jù)段和幀尾部分，數(shù)據(jù)幀格式如圖2所示。其中，有效數(shù)據(jù)部分最高由254 個字節(jié)組成。在CRC 校驗中，有效數(shù)據(jù)部分的前6 個字節(jié)設(shè)為碼距，當(dāng)數(shù)據(jù)長度超過248 字節(jié)時，碼距長度減小為4個字節(jié)。

圖2 FlexRay 數(shù)據(jù)幀格式Fig.2 FlexRay data frame format

2 FlexRay-CAN 網(wǎng)關(guān)設(shè)計

FlexRay 總線協(xié)議與CAN 總線協(xié)議為兩種不同的總線協(xié)議，無法直接進行數(shù)據(jù)傳輸。為了解決FlexRay 與CAN 的通信問題，本文設(shè)計了一種基于CAN 協(xié)議和FlexRay 協(xié)議的網(wǎng)關(guān)，通過轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)信息交互調(diào)度。兩種協(xié)議的對比關(guān)系如表1所示。

表1 FlexRay 協(xié)議與CAN 協(xié)議對比關(guān)系表Tab.1 Comparison of FlexRay protocol and CAN protocol

本網(wǎng)關(guān)通過對FlexRay 總線和CAN 總線中的數(shù)據(jù)幀進行拆分，然后再將拆分后的數(shù)據(jù)在網(wǎng)關(guān)中進行重組，按需求發(fā)送至FlexRay 目標(biāo)節(jié)點或者CAN 目標(biāo)節(jié)點，達(dá)到數(shù)據(jù)在兩種總線之間傳輸?shù)哪康模瑢崿F(xiàn)總線之間的互相通信。網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Gateway system structure diagram

網(wǎng)關(guān)核心單元采用16 位微控制器MC9S12XF512，該控制器同時集成了CAN 總線單元和FlexRay 總線單元，其中FlexRay 總線驅(qū)動器選用TJA1080 芯片，該通訊控制器可以實現(xiàn)物理總線與FlexRay 總線之間的通訊。同時，該芯片可以讓FlexRay 網(wǎng)絡(luò)具有差分發(fā)送和差分接收的功能，單通道通訊速率可達(dá)到10 Mbps，極大地提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。CAN 信號收發(fā)器選用TJA1050 芯片，該芯片實現(xiàn)了物理總線與CAN 總線之間的通信，使CAN 總線具備了差動接收和差動發(fā)送的功能。TJA1050 將輸出信號的CAN_H 與CAN_L 進行耦合，增強了信號的抗電磁干擾能力，即使周圍存在較大的電磁輻射，網(wǎng)關(guān)仍具有優(yōu)秀的差動接收能力[4]。

3 FlexRay-CAN 網(wǎng)關(guān)消息轉(zhuǎn)發(fā)原理

CAN 總線與FlexRay 總線屬于兩種不同的總線協(xié)議，所以在設(shè)計兩種總線子網(wǎng)時存在一定差別。當(dāng)信號在兩種網(wǎng)絡(luò)之間的相互傳輸時，網(wǎng)關(guān)首先接收來自目標(biāo)節(jié)點上的數(shù)據(jù)，然后對數(shù)據(jù)進行拆分、緩存和重裝，實現(xiàn)格式的轉(zhuǎn)換。最后，將重裝之后的報文放在另一個總線網(wǎng)絡(luò)中，面向目標(biāo)節(jié)點進行傳輸。FlexRay-CAN 網(wǎng)關(guān)的軟件結(jié)構(gòu)主要由FlexRay信號接收中斷、FlexRay 信號接收循環(huán)隊列、FlexRay信號接收處理任務(wù)、CAN 信號發(fā)送循環(huán)隊列、CAN信號發(fā)送任務(wù)和中斷處理任務(wù)等功能組成，實現(xiàn)消息在不同總線協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換和傳輸。網(wǎng)關(guān)軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 FlexRay-CAN 網(wǎng)關(guān)軟件架構(gòu)Fig.4 FlexRay-CAN gateway software architecture

當(dāng)需要在FlexRay 子網(wǎng)中路由消息時，F(xiàn)lexRay-CAN 網(wǎng)關(guān)生成一個中斷，中斷處理子程序接收要轉(zhuǎn)發(fā)的消息，并將該消息從接收緩沖區(qū)發(fā)送到FlexRay 子網(wǎng)的報文接收隊列中，然后網(wǎng)關(guān)通過在FRtoCAN 網(wǎng)關(guān)路由表中查找需要發(fā)送的FlexRay 報文所映射的信息，將FlexRay 報文接收隊列中的消息發(fā)送至CAN 子網(wǎng)的發(fā)送緩沖區(qū)中。由于FlexRay數(shù)據(jù)段的長度約為CAN 的19 倍，所以在將數(shù)據(jù)從FlexRay 子網(wǎng)傳輸?shù)紺AN 子網(wǎng)時，需要對FlexRay報文進行拆分，將其分割成CAN 子網(wǎng)的目標(biāo)節(jié)點能夠接收的報文格式，該過程采用雙緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)以保證數(shù)據(jù)的完整性[5]。

當(dāng)火炮系統(tǒng)接收FlexRay 報文時，依據(jù)FRtoCAN路由表將報文的數(shù)據(jù)復(fù)制到目標(biāo)節(jié)點，流程如圖5所示。

在一個通信周期的靜態(tài)段發(fā)送報文時，一般用槽標(biāo)號表示FlexRay 報文標(biāo)號。當(dāng)FlexRay 執(zhí)行數(shù)據(jù)接收處理任務(wù)時，為防止信息緩存器中的內(nèi)容在數(shù)據(jù)接收處理的過程中改變，首先需要將信息緩存器進行鎖存，等待接收處理任務(wù)完成之后再將其釋放。由于FlexRay 報文中數(shù)據(jù)量大于CAN 報文的數(shù)據(jù)量，所以將FlexRay 報文存儲在雙緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)中，優(yōu)化CAN 報文的發(fā)送處理任務(wù)[6]。

在雙緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)中，主緩沖區(qū)和從緩沖區(qū)狀態(tài)的切換與所有與雙緩沖區(qū)相關(guān)的CAN 報文發(fā)送都基于2 個條件：一是讀操作在CAN 報文數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的狀態(tài)標(biāo)志位信息，二是狀態(tài)切換使能標(biāo)志位在主從緩沖區(qū)的狀態(tài)信息。緩沖區(qū)中的屬性描述表以及索引號決定了CAN 報文的發(fā)送任務(wù)是否順利完成。CAN 報文發(fā)送任務(wù)流程如圖6所示。

圖5 FlexRay 報文接收任務(wù)流程Fig.5 FlexRay message receiving task flow chart

在雙緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)中，從緩沖區(qū)的寫操作和主緩沖區(qū)的讀操作分別只能發(fā)生在FRtoCAN 網(wǎng)關(guān)處于報文接收處理任務(wù)階段和CAN 報文發(fā)送任務(wù)階段，通過交換主從緩沖區(qū)的基地址可以實現(xiàn)主從緩沖區(qū)狀態(tài)切換。FlexRay-CAN 網(wǎng)關(guān)中存在的制約條件避免了搶占式調(diào)度現(xiàn)象的發(fā)生。該性質(zhì)避免了主從緩沖區(qū)的狀態(tài)切換動作發(fā)生在資源臨界區(qū)或者中斷臨界區(qū)中，從而極大地提高了主從緩沖區(qū)的基地址交換效率[7]。

4 FlexRay-CAN 網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)幀調(diào)度

對于在FlexRay-CAN 網(wǎng)關(guān)中轉(zhuǎn)發(fā)的報文主要分為2 種：一種是“上行數(shù)據(jù)”，指的是將CAN 網(wǎng)絡(luò)中的報文發(fā)送到FlexRay 網(wǎng)絡(luò)中；另一種是“下行數(shù)據(jù)”，指的是將FlexRay 網(wǎng)絡(luò)中報文發(fā)送到CAN 網(wǎng)絡(luò)中。上行數(shù)據(jù)和下行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換方法基本一致，本文主要解決數(shù)據(jù)在發(fā)送時存在的數(shù)據(jù)幀不兼容和消息調(diào)度的問題。

圖6 CAN 報文發(fā)送流程Fig.6 Flow chart of CAN message sending

通過對CAN 數(shù)據(jù)幀和FlexRay 數(shù)據(jù)幀的分析，決定在進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時采用多消息幀打包的方法。在數(shù)據(jù)發(fā)送之前，將CAN 網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)發(fā)送隊列的前M 個有效數(shù)據(jù)幀進行整合，存儲在FlexRay 幀的有效數(shù)據(jù)段內(nèi)，使其轉(zhuǎn)換成符合FlexRay 數(shù)據(jù)幀的格式。CAN 總線的消息幀包括仲裁域、控制域和數(shù)據(jù)域，數(shù)據(jù)長度最大為13 個字節(jié)，而FlexRay 的有效數(shù)據(jù)段為0～254 個字節(jié)，所以M 的取值范圍應(yīng)該為1≤M≤19。

對于消息調(diào)度的轉(zhuǎn)發(fā)，本文采用了多隊列混合優(yōu)先級調(diào)度方式，如圖7所示。在數(shù)據(jù)隊列內(nèi)部采用最早截止期優(yōu)先（earliest deadline first，EDF）算法，每兩個隊列之間采用改進加權(quán)輪轉(zhuǎn)調(diào)度（weighted roundRobin，WRR）算法。

圖7 消息調(diào)度示意圖Fig.7 Message scheduling diagram

CAN 子網(wǎng)所傳輸?shù)南⒅校瑥膶崟r角度考慮可以分為三類：軟實時消息、硬實時消息和非實時消息，依據(jù)這三類分別設(shè)置三個獨立隊列。對三個隊列內(nèi)的CAN 消息采用EDF 算法進行優(yōu)先級調(diào)度排序，以滿足網(wǎng)絡(luò)中消息傳輸?shù)膶崟r性要求[8]。對于三個隊列之間的調(diào)度采用WRR 算法，該算法首先給三個隊列分別賦予不同的權(quán)值，然后再輪巡處理各隊列之間的數(shù)據(jù)。所賦予的權(quán)值大小決定了隊列消息的發(fā)送順序。高權(quán)值會優(yōu)先處理，一般將對實時性要求較高的信息存儲在高權(quán)值的隊列中，因此會導(dǎo)致高權(quán)值隊列一直占用CPU，存儲在低權(quán)值隊列中的非實時性數(shù)據(jù)短時間內(nèi)不能及時發(fā)送，增加了系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，影響數(shù)據(jù)的實時性。為解決系統(tǒng)的實時性和公平性問題，在各隊列之間采用基于閾值的動態(tài)權(quán)值改進加權(quán)輪轉(zhuǎn)調(diào)度（WRR）算法。

在一個循環(huán)周期內(nèi)，動態(tài)權(quán)值對隊列服務(wù)的次數(shù)與權(quán)值相對應(yīng)。Z1、Z2、Z3分別為硬實時隊列權(quán)值、軟實時隊列權(quán)值和非實時隊列權(quán)值，且Z1＞Z2＞Z3，輪轉(zhuǎn)次數(shù)為i，在非實時隊列的緩沖區(qū)中，非實時數(shù)據(jù)所占的比例為K，閾值M 為一個固定百分?jǐn)?shù)，其值小于1。具體算法過程如下：

步驟1初始化賦予Z1=a；Z2=b，Z3=c；a＞b，a、b、c 均為整數(shù)；輪轉(zhuǎn)次數(shù)i=1；

步驟2按數(shù)據(jù)隊列的優(yōu)先級對CAN 報文進行分類，然后送入不同的隊列，在隊列內(nèi)部按照最早截止期優(yōu)先算法進行排序；

步驟3在輪巡過程中有如下規(guī)定：若i≤a，對硬實時隊列的數(shù)據(jù)組包發(fā)送；若i≤b，對軟實時隊列的數(shù)據(jù)組包發(fā)送；若i≤c，對非實時隊列的數(shù)據(jù)包發(fā)送。如果此時K≥M，則c＝c+1，則返回步驟2，且i=i+1，直到i＞a 時，一個完整的輪巡周期結(jié)束，此時返回步驟1。

在初始化時，從硬實時隊列消息的發(fā)送優(yōu)先級方面考慮，令硬實時隊列的權(quán)值大于非實時隊列權(quán)值和軟實時隊列權(quán)值，保證了硬實時隊列的消息優(yōu)先發(fā)送，但由此會導(dǎo)致某一時刻實時隊列發(fā)送的消息較多，非實時隊列中的消息不能及時發(fā)送，數(shù)據(jù)大量聚集，造成消息的阻塞延遲。為了改善這一狀況，將非實時隊列的權(quán)值設(shè)為動態(tài)權(quán)值，根據(jù)當(dāng)前隊列中非實時消息所占的比例，當(dāng)非實時隊列權(quán)值超過設(shè)定值大小時，動態(tài)權(quán)值權(quán)值大小加1。這樣在保證硬實時消息的發(fā)送優(yōu)先級的同時可以改善實時隊列中的消息長時間占用CPU 的情況[9]。

如果三個隊列中同時存在需要被處理的數(shù)據(jù)幀時，在每個隊列中選取前X 個數(shù)據(jù)幀打包發(fā)送；如果數(shù)據(jù)幀數(shù)量小于X，則可以直接發(fā)送；如果某一隊列中沒有數(shù)據(jù)幀，則不對該隊列進行任何處理，直接開始對下一個隊列進行操作。

5 結(jié)語

FlexRay 總線具有數(shù)據(jù)量大、通信速率快等優(yōu)點，在未來應(yīng)用于火炮系統(tǒng)是大勢所趨。本文通過分析CAN 總線與FlexRay 總線的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，對數(shù)據(jù)幀進行拆分重組，設(shè)計了一種可以實現(xiàn)兩者數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的網(wǎng)關(guān)，解決了兩種總線的通信問題，各隊列之間采用基于閾值的動態(tài)權(quán)值改進加權(quán)輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法提高了火炮系統(tǒng)的信號傳輸速率和穩(wěn)定性，對提高火控系統(tǒng)的響應(yīng)速度有著深刻意義。