基于FlexRay的武器系統(tǒng)星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

黎玉剛，時昊天，張 鵬，吳必成，史嘉昭，李 平

(1 西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，陜西 西安 710065；2 陸軍裝備部駐西安地區(qū)第七軍代室，陜西 西安 710065)

0 引言

FlexRay作為高速實時傳輸總線,逐漸在車輛、武器裝備等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在武器系統(tǒng)中,信息交聯(lián)復(fù)雜、節(jié)點眾多、電氣特性各異等特點[1],以及武器系統(tǒng)發(fā)射、檢測設(shè)備的接入等工況造成的總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?給FlexRay總線系統(tǒng)設(shè)計帶來了挑戰(zhàn),需要構(gòu)建一種支持多節(jié)點互聯(lián)、各端口信號特性一致的高速實時總線信息交換系統(tǒng)。

總線型FlexRay網(wǎng)絡(luò)具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計難度低、維護(hù)成本低等優(yōu)點,但端節(jié)點需要增加匹配電阻。若采用總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制性,武器系統(tǒng)的遠(yuǎn)端節(jié)點,如彈上節(jié)點,通常存在分離工況,導(dǎo)致系統(tǒng)的阻抗特性難以確定,這給總線的阻抗匹配設(shè)計帶來挑戰(zhàn)。

無源星型網(wǎng)絡(luò)的中心本質(zhì)上為一個焊點,各分支的長度理論上要求盡可能相等,其中某一分支遭遇故障時會對整個網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生物理擾動,甚至崩潰,這給實際的應(yīng)用帶來一定的隱患。典型的武器系統(tǒng)FlexRay網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 FlexRay典型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?Fig.1 Typical FlexRay network topology

文獻(xiàn)[2]搭建了FlexRay總線測控系統(tǒng),提高了測試與控制的實時性。文獻(xiàn)[3]設(shè)計了總線型FlexRay網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳⑦M(jìn)行了應(yīng)用驗證,結(jié)果表明FlexRay在高精度實時控制領(lǐng)域可以充分發(fā)揮其性能。文獻(xiàn)[4]分析了FlexRay在測發(fā)控系統(tǒng)中應(yīng)用的技術(shù)要點,提出了多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計。文獻(xiàn)[5]針對彈上分布式點火需求,設(shè)計了一種星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?解決了分立器件點火控制的問題。在航空航天領(lǐng)域,文獻(xiàn)[6]提出了一種基于FlexRay的無人機(jī)航電系統(tǒng)設(shè)計方法,以總線型FlexRay和以太網(wǎng)混合的傳輸方式,實現(xiàn)了高可靠數(shù)據(jù)和大容量數(shù)據(jù)的傳輸。文獻(xiàn)[7]提出了一種基于FlexRay的運載火箭電氣系統(tǒng)設(shè)計方案,驗證在20 m傳輸距離時,FlexRay總線仍可穩(wěn)定通信。文獻(xiàn)[8] 分析了FlexRay在航天領(lǐng)域應(yīng)用的可行性,并提出了一種基于FPGA+FlexRay的航天總線架構(gòu)處理模式。但在上述研究中,針對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點失效、分離、并入等特殊工況未做考慮,已有的拓?fù)湓O(shè)計方案難以適用彈地一體化總線通信場景。

文中針對武器系統(tǒng)工作特點及總線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計問題,開展FlexRay有源星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計研究,以有源收發(fā)器互聯(lián)方式組成陣列式收發(fā)模塊,并集成一對冷啟動節(jié)點,對各節(jié)點間的信號傳輸一致性、阻抗匹配均衡性、網(wǎng)絡(luò)通信穩(wěn)健性帶來一定的保障。基于搭建的FlexRay Hub星型集線器設(shè)備,開展總線星型網(wǎng)絡(luò)信號仿真對比實驗,完成武器系統(tǒng)半實物信號仿真測試,滿足彈地一體化的信息傳輸需求。

1 星型架構(gòu)設(shè)計

武器系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的典型使用場景如圖2所示,中間部分為基于有源星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的FlexRay Hub星型集線器設(shè)備。

圖2 基于FlexRay的武器系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)典型使用場景Fig.2 Weapon system network typically uses scenarios based on FlexRay bus

FlexRay Hub主要由主控單元、總線冷啟動單元、有源星型收發(fā)陣列、故障監(jiān)測模塊、電源模塊、殼體結(jié)構(gòu)件以及參數(shù)配置軟件等組成?；谠撔切图軜?gòu),用戶可通過網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置軟件進(jìn)行參數(shù)定義,建立符合應(yīng)用需求的總線通信網(wǎng)絡(luò)。該有源星型收發(fā)陣列支持外部節(jié)點數(shù)為20的連接,通過VPX板間連接器連接至外部設(shè)備進(jìn)行信息收發(fā),可通過VPX接口進(jìn)行通信程序燒寫。FlexRay Hub有源星集線器組成如圖3所示。

圖3 Hub系統(tǒng)組成圖Fig.3 Hub system composition

1.1 主控單元

主控單元采用LCR3209型多功能集成電路,片上采用ARM Cortex-R4處理器,該主控單元片上集成了兩路FlexRay協(xié)議控制器,可實現(xiàn)對兩個節(jié)點,共計4個通道的FlexRay總線傳輸控制,可獨立配置為主機(jī)或者從機(jī),支持最大傳輸速率10 Mbit/s。

1.2 總線冷啟動單元

為保證接入FlexRay Hub設(shè)備的各節(jié)點可實現(xiàn)通信熱插拔,設(shè)置開啟兩個固定的冷啟動節(jié)點,組成冷啟動節(jié)點對,在設(shè)備上電時即完成FlexRay網(wǎng)絡(luò)的喚醒及啟動過程[9],兩個冷啟動節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中分別占用時隙1和時隙2發(fā)送節(jié)點信息及同步信號。

在網(wǎng)絡(luò)啟動過程中,節(jié)點1作為主動冷啟動節(jié)點發(fā)起啟動監(jiān)聽,節(jié)點2作為隨動冷啟動節(jié)點,回應(yīng)啟動監(jiān)聽并完成網(wǎng)絡(luò)加盟,總線的喚醒及啟動時序如圖4所示。冷啟動節(jié)點對的設(shè)置保證了Hub在上電啟動后即可獨立的完成網(wǎng)絡(luò)的建立,無需外部節(jié)點的輔助啟動,其他設(shè)備可實現(xiàn)節(jié)點的隨遇加入與斷開,同時保證主網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)不受任何外部干擾。

圖4 總線喚醒及啟動時序Fig.4 Bus wake up and start-up sequence

網(wǎng)絡(luò)啟動完成后,外部的同步節(jié)點通過VPX接口接入總線網(wǎng)絡(luò)后,監(jiān)聽總線上的數(shù)據(jù)并嘗試接收FlexRay數(shù)據(jù)幀,接收到數(shù)據(jù)后發(fā)送自身的同步幀信號,完成自身與總線網(wǎng)絡(luò)的時鐘同步校正。

1.3 有源星型收發(fā)陣列

FlexRay有源星型收發(fā)陣列的組成單元采用NXP公司的TJA1080A芯片,該芯片支持最高10 Mbit/s的收發(fā)速率,各芯片間通過星型內(nèi)部總線TRxD0、TRxD1管腳的相接,形成有源星型收發(fā)陣列,各收發(fā)器的信號發(fā)送接收管腳BP/BM預(yù)留并連接至外部節(jié)點,完成各節(jié)點間通信數(shù)據(jù)的等效轉(zhuǎn)發(fā),其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 收發(fā)陣列結(jié)構(gòu)Fig.5 Transceiver array structure

終端匹配電阻采用分離端接方式,采用兩個高精度47 Ω電阻,中點連接電容,為共模信號提供通路?？偩€收發(fā)器與終端電阻之間連接高速共模扼流圈ACM4532,以有效增強(qiáng)系統(tǒng)EMC性能。

為保證各外部節(jié)點的穩(wěn)定實時通信,如圖1所示的拓?fù)鋬?nèi)需滿足線纜長度約束,以m為單位可用如式(1)、式(2)表示。在降低通信速率至5～2.5 Mbit/s的情況下,網(wǎng)絡(luò)對線纜長度的容忍性可一定程度延長[10],因此應(yīng)盡可能縮短收發(fā)器與接口在板內(nèi)的走線長度。

(1)

max(Lbus,i+Lbus,j)≤24

(2)

收發(fā)器通過TRxD0和TRxD1管腳上的電平判斷是否進(jìn)入星型拓?fù)渑渲谩Ｔ谠撆渲孟?收發(fā)器自適應(yīng)轉(zhuǎn)換至數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)工作狀態(tài),片上ERRN引腳在芯片工作故障時進(jìn)行低電平置位,將各芯片的ERRN引腳電平信號采集,并通過并行信號轉(zhuǎn)串行信號的方式,實現(xiàn)對所有收發(fā)器的故障監(jiān)測功能。其收發(fā)陣列的故障監(jiān)測設(shè)計如圖6所示。其中,并行轉(zhuǎn)串行信號模塊采用CD54HC165芯片,該芯片支持將8路并行信號轉(zhuǎn)換為1路串行信號,可以通過級聯(lián)的方式將兩個及以上的并轉(zhuǎn)串芯片相接,文中通過三級級聯(lián)方式實現(xiàn)24路并行信號至串行信號的轉(zhuǎn)換,再由數(shù)字隔離芯片連接至主控單元,節(jié)省了主控單元對收發(fā)器故障信號監(jiān)測的管腳開支。

圖6 收發(fā)陣列故障監(jiān)測設(shè)計Fig.6 Transceiver array fault monitoring design

1.4 總線信號隔離設(shè)計

在架構(gòu)設(shè)計中,各類信號的有效隔離對總線通信質(zhì)量影響較大,并直接決定著有源星架構(gòu)所連接的各個節(jié)點間傳遞信號的優(yōu)劣。該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)硬件地主要包含:電源地、殼體地、設(shè)備地、總線傳輸?shù)氐?為增強(qiáng)各功能塊的信號傳輸質(zhì)量,各個地間通過隔離模塊等方式進(jìn)行直接或間接隔離。

信號隔離設(shè)計如圖7所示,總線傳輸?shù)嘏c設(shè)備地通過數(shù)字隔離芯片ISO7241將兩個冷啟動節(jié)點的收發(fā)控制信號及故障監(jiān)測信號進(jìn)行隔離,供電采用具有隔離功能的電源模塊,產(chǎn)生兩路完全隔離的電源分別供至主控單元及有源星收發(fā)陣列,3個地分別通過電容與殼體地構(gòu)成高頻回路。有源星型收發(fā)陣列所支持的20路FlexRay傳輸通道通過VPX接口,與外部節(jié)點設(shè)備的總線傳輸?shù)貥?gòu)成連通,傳輸線纜的屏蔽層與殼體地相連接。

圖7 信號隔離設(shè)計Fig.7 Signal isolation design

1.5 軟件協(xié)議設(shè)計

為保證武器系統(tǒng)各節(jié)點能在接入總線時順利加入通信傳輸循環(huán),冷啟動節(jié)點所建立的網(wǎng)絡(luò)需與實際武器系統(tǒng)需求的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)保持一致[11]。冷啟動節(jié)點1和節(jié)點2在啟動后完成通道監(jiān)測數(shù)據(jù)及其他自定義數(shù)據(jù)的發(fā)送,以實現(xiàn)總線的時鐘匹配。此設(shè)計方案可以使得所有外部節(jié)點故障或分離時,網(wǎng)絡(luò)不僅能正常運行,而且支持外部節(jié)點的隨遇并入,通信穩(wěn)定性大幅提高。

2 總線信號仿真

為保證采用該有源星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠有效提升武器系統(tǒng)FlexRay網(wǎng)絡(luò)信號質(zhì)量,對異常或分離/并入節(jié)點具有信號隔離效果。

采用Saber仿真軟件分別對無源星型網(wǎng)絡(luò)和有源星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行信號仿真。其中無源星型網(wǎng)絡(luò)采用6節(jié)點等距連接方式,分支線纜長度1 m,有源星型網(wǎng)絡(luò)采用6節(jié)點不等距連接方式,分支線纜長度分別為5 m和10 m。無緣星型的電氣連接方式及連接拓?fù)淙鐖D8所示。

圖8 無源星型網(wǎng)絡(luò)仿真拓?fù)銯ig.8 Passive star network simulation topology

圖8中,節(jié)點1的電子控制單元ECU發(fā)送信號,經(jīng)過節(jié)點1收發(fā)芯片的發(fā)送,于其它5個節(jié)點的接收端進(jìn)行信號監(jiān)測,得出的無源星型信號仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 無源星型網(wǎng)絡(luò)信號仿真Fig.9 Passive star network signal simulation

基于圖5有源星型收發(fā)陣列架構(gòu)圖,進(jìn)行Saber信號仿真,分別于6個節(jié)點的信號收發(fā)端進(jìn)行監(jiān)測,結(jié)果如圖10所示。

圖10 有源星型網(wǎng)絡(luò)信號仿真Fig.10 Active star network signal simulation

由兩圖對比可知,基于該有源星型架構(gòu)的FlexRay總線拓?fù)淇梢栽鰪?qiáng)型號穩(wěn)定性,相比于無源星型網(wǎng)絡(luò),總線各節(jié)點間電氣獨立性更強(qiáng),信號質(zhì)量對分支線纜的距離影響不敏感,各節(jié)點間接收到的信號質(zhì)量無明顯區(qū)別。

3 集成測試

將文中設(shè)計的FlexRay Hub有源星型系統(tǒng)與示波器構(gòu)成測試系統(tǒng),對掛載四節(jié)點的FlexRay有源星型總線系統(tǒng)的信號進(jìn)行捕捉,實驗采用的主要網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如表1所示。

表1 主要網(wǎng)絡(luò)參數(shù)Table 1 Main network parameters

實驗采用10 ms為通信循環(huán)周期,每個周期包含80個靜態(tài)時隙,不使用動態(tài)時隙,每個靜態(tài)時隙有效負(fù)載為100 bit。外部節(jié)點時隙配置中,初始化1號～9號、14號、15號時隙,每個時隙中包含2個有效字節(jié),其余字節(jié)不填充數(shù)據(jù),其波形如圖11所示,示波器通道1、通道2分別為總線差分信號BP/BM。波形表明,基于該有源星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的FlexRay通信系統(tǒng)可以有效支撐多節(jié)點的數(shù)據(jù)通信。

圖11 通信循環(huán)視角波形圖Fig.11 Waveform diagram in communication cycle scale

在4個節(jié)點正常通信的過程中,對節(jié)點3進(jìn)行通信分離,并觀測其他節(jié)點瞬時的波形變化,波形如圖12所示。在總線系統(tǒng)正常運行的過程中,將節(jié)點3接入總線網(wǎng)絡(luò)中,觀測其信號波形,如圖13所示。

圖12 節(jié)點分離瞬間總線信號Fig.12 Node separation instantaneous bus signal

圖13 節(jié)點加入總線網(wǎng)絡(luò)信號圖Fig.13 The signal diagram when the node joins the bus network

由圖12可知,基于該有源星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的FlexRay通信系統(tǒng)在部分節(jié)點熱插拔方式退出總線網(wǎng)絡(luò)時,可以保證網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點的信號不受干擾。由圖13可知,在網(wǎng)絡(luò)正常通信過程中,其他同步節(jié)點可以任意加入網(wǎng)絡(luò)中,快速完成時鐘及信息的同步,并正常參與總線通信循環(huán)。

4 結(jié)論

文中設(shè)計了一種基于FlexRay總線的武器系統(tǒng)有源星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),構(gòu)建了有源星型收發(fā)器陣列,搭建了FlexRay Hub星型集線器設(shè)備,設(shè)備內(nèi)集成兩個總線協(xié)議控制器作為冷啟動節(jié)點,并完成軟硬件實現(xiàn)?；谠撔切图軜?gòu),開展了節(jié)點數(shù)為6的信號仿真對比實驗和節(jié)點數(shù)為4的半實物通信實驗,結(jié)果表明該星型架構(gòu)極大的降低了武器系統(tǒng)FlexRay通信網(wǎng)絡(luò)的電氣系統(tǒng)設(shè)計難度,相較于總線型、無源星型網(wǎng)絡(luò),提升了節(jié)點分離、并入等特殊工況下總線網(wǎng)絡(luò)信號的穩(wěn)定性。