基于Flexray總線的車載指揮控制任務計算機的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：文章針對車載指揮控制任務計算機的特殊需求，提出了一種以PowerPC處理器為控制核心，以CPCI總線作為系統(tǒng)背板總線，F(xiàn)lexRay作為通訊總線的系統(tǒng)設(shè)計方案。經(jīng)過試驗證明，此方案具有易擴展、集成度高、實時性強等優(yōu)點，滿足指揮控制任務計算機的車載應用環(huán)境需求。
關(guān)鍵詞：FlexRaV；總線；車載應用環(huán)境

0 引言
在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，無人機相對有人機而言具有低成本、零傷亡、高機動、可重復使用等諸多優(yōu)勢，其使用范圍已擴展到軍事、民用等領(lǐng)域。在軍事上可用于偵察、監(jiān)視、通信中繼、電子對抗、戰(zhàn)果評估等；在民用上可用于大地測量、氣象觀測、城市環(huán)境監(jiān)測、地球資源勘探、森林防火、核污染生化污染區(qū)的取樣與監(jiān)控等。無人機系統(tǒng)通常由機載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈和地面站組成。
地面站是無人機系統(tǒng)的中樞，它的主要功能包括：任務計劃、飛行控制、信息處理顯示、目標檢測和定位、數(shù)據(jù)記錄等。車載地面站由于其機動性好、便于快速部署、可迅速到達任務區(qū)域附近而受到用戶青睞。但車載地面站面臨高低溫、高濕、沖擊、振動、電磁輻射干擾等惡劣環(huán)境，以及對其性能、體積、重量、功耗等的苛刻要求，普通的商用計算機無法滿足車載環(huán)境要求及控制的實時性要求。 本文針對某車載無人機地面站的需求，提出了一種指揮控制計算機設(shè)計方案及實現(xiàn)方法。

1 系統(tǒng)功能分析
無人機地面站指揮控制計算機用于無人機的跟蹤和指令控制。它通過無線電接收機接收無人機遙感傳送的圖像信號，經(jīng)圖像處理后送給車載地面站的駕駛員，同時由指揮控制計算機進行圖像貯存。 車載地面站的駕駛員可對無人機的飛行及其任務的執(zhí)行進行監(jiān)視，通過地面站的指令發(fā)射機可向無人機發(fā)出控制指令，無人機接收后按照命令可不斷調(diào)整飛行路線，完成任務。圖1為車載無人機地面站指揮控制計算機的系統(tǒng)交聯(lián)圖。

車載指揮控制計算機是車載地面站的核心，是系統(tǒng)正常有序工作的重要控制部件。指揮控制計算機負責組織管理車載地面站內(nèi)部設(shè)備，使地面站內(nèi)各設(shè)備能夠有序協(xié)調(diào)工作，并通過FlexRay總線與車載電子系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，保障地面站捕獲無人機發(fā)回的任務區(qū)域圖像信號，及時將地面站駕駛員的操控指令發(fā)射至無人機。其主要功能如下：
(1)進行地面站與車載電子系統(tǒng)之間的信息交換；
(2)采集駕駛員發(fā)出的操控指令，并將指令傳送至指令發(fā)射機，由指令發(fā)射機調(diào)制后發(fā)射至無人機，同時將操控指令發(fā)送給記錄器進行記錄；
(3)控制指令發(fā)射機、圖像接收機天線伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)動，使天線主波瓣對準無人機以獲得最佳的信號強度；
(4)采集圖像接收機傳送來的圖像數(shù)據(jù)信號，并將圖像顯示在車載顯示器上，同時將圖像記錄在記錄器上；
(5)控制地面站內(nèi)各設(shè)備的自檢和周期性監(jiān)測。

2 車載指揮控制計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
隨著車載計算機的體積小型化、功能多元化和操作實時化，要求新一代無人機地面站指揮控制計算機必須是體積小、重量輕、功耗低的、可支持多任務實時操作系統(tǒng)的嵌入式計算機。根據(jù)指揮控制計算機的功能性能要求，可將指揮控制計算機劃分為處理器模塊、接口模塊、顯示模塊、通信模塊、電源模塊等5個功能模塊，各功能模塊通過CPCI總線進行通訊。
2．1 處理器模塊
處理器模塊主要實現(xiàn)指揮控制計算機的內(nèi)部資源管理、接口控制、任務軟件執(zhí)行等功能。指揮控制計算機處理器模塊選用目前應用廣泛的PowerPC系列處理器中的PowerPC8548，該處理器功耗低、集成度高，內(nèi)部集成有串口、計數(shù)器、中斷控制器、以太網(wǎng)接口、PCI橋等功能電路，單片性能達到了2310MIPS，縮小了系統(tǒng)體積，減輕了重量，降低了功耗。
為了保障系統(tǒng)運行的安全性，處理器模塊上設(shè)計了看門狗電路和訪問超時計時器電路?？撮T狗計時器的計時設(shè)置和計時過程由獨立于軟件操作的硬件實現(xiàn)，而清除計時操作由受軟件控制的硬件完成。看門狗計時器電路在維護使能信號無效時自動使能；在維護使能信號有效時自動禁止，但此時可用軟件操作來使能。當看門狗計時器輸出觸發(fā)時將引起中斷或復位。訪問超時計時器電路用于報告并恢復處理器訪問計算機資源過程中的總線周期超時故障。當處理器訪問周期超過預先設(shè)定的門限時，即發(fā)生總線周期超時故障，該電路可產(chǎn)生中斷請求，同時結(jié)束當前訪問操作。
2．2 接口模塊
接口模塊完成和外圍設(shè)備進行通訊并完成數(shù)據(jù)交換的功能。接口設(shè)備包括USB接口，用于控制鼠標、鍵盤等外圍接口設(shè)備，RS422接口用于和指令發(fā)射機、圖像接收機等外部系統(tǒng)進行交聯(lián)。
2．3 顯示模塊
顯示模塊主要完成復合視頻的解碼、切換、疊加、壓縮及傳輸?shù)墓δ?。根?jù)CPCI總線傳輸?shù)闹噶顚?路輸入視頻的其中之一疊加軌跡，并將疊加軌跡后的視頻與其它視頻壓縮后傳輸至FlexRay總線上；接收CPCI傳輸?shù)闹噶詈蛿?shù)據(jù)，生成儀表和參數(shù)等畫面，輸出LVDS顯示信號來驅(qū)動顯示屏。
2．4 通信模塊
通信模塊主要實現(xiàn)指揮控制計算機與車載電子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。以FlexRay總線作為互連和數(shù)據(jù)傳送的方式，這樣既有利于實現(xiàn)指揮控制計算機軟硬件的通用化、模塊化，同時有利于軟件升級和系統(tǒng)擴展，顯著提高軟硬件的可擴展性。
FlexRay是一種新型的高速串行總線標準，與傳統(tǒng)的CAN總線相比，F(xiàn)lexRay在通信速率、確定性、可靠性等多方面都有著更為優(yōu)越的性能，具有靈活的使用方式，支持多種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，負載率高，提供冗余機制的優(yōu)點。FlexRay總線與CAN總線相比具有以下優(yōu)勢：
(1)傳輸速率高。單通道可達10Mbps，雙通道高達20Mbps；CAN總線傳輸速率最高僅1 Mbps。
(2)支持雙通道。雙通道可單獨運行、并行運行或冗余運行；CAN只有一個通道，無冗余。
(3)支持最大數(shù)據(jù)幀長254字節(jié)；CAN總線支持最長數(shù)據(jù)幀僅8字節(jié)。
(4)MAC(Media Access Control)層采用TDMA(時分多路)方式，數(shù)據(jù)通信具有確定性；而CAN總線采用帶優(yōu)先級的CSMA／CA(沖突避免多路訪問方式)，無法保證通信確定性。
(5)支持星型、總線型、混合型等多種拓撲結(jié)構(gòu)。
FlexRay網(wǎng)絡通訊協(xié)議主要體現(xiàn)在4個核心機制上：編碼與解碼、數(shù)據(jù)幀與特征符處理、媒體接入控制和時鐘同步，另外控制器主機接口為實現(xiàn)這些機制提供數(shù)據(jù)傳輸服務。FlexRay數(shù)據(jù)幀由幀頭部分、有效數(shù)據(jù)部分、幀尾部分組成。幀頭部分由5個字節(jié)組成，包括保留位、數(shù)據(jù)指示位、空幀指示位、同步幀指示位、幀ID、有效數(shù)據(jù)長度、頭部循環(huán)校驗CRC位和循環(huán)計數(shù)位；幀尾部分只含有單個的數(shù)據(jù)域，即一個24位的CRC(循環(huán)冗余)校驗碼。
主處理器把要發(fā)送到總線上的數(shù)據(jù)存入發(fā)送FlexRay消息緩沖器中，通過媒體接入控制，CRC校驗碼封裝成符合FlexRay協(xié)議的數(shù)據(jù)幀，再經(jīng)過總線驅(qū)動器編碼送到總線上；同樣，總線上的數(shù)據(jù)經(jīng)過總線驅(qū)動器解碼，數(shù)據(jù)幀被送到控制器中，通過幀ID過濾校驗和循環(huán)計算校驗，存入相應的消息緩沖器中。
2．5 電源模塊
電源模塊將供電系統(tǒng)提供的直流28V供電變換成計算機所需的各類電源；具有過流、短路保護功能，故障排除后輸出自動恢復等功能；具有過壓保護功能；具有過熱保護功能。電源電壓監(jiān)控：此外電源模塊還具有在線監(jiān)控功能。28V輸入電壓和+15V、-15V、+5V輸出電壓監(jiān)控。

3 指揮控制計算機的軟件設(shè)計
指揮控制計算機的軟件主要駐留在處理器模塊上，分為系統(tǒng)軟件、實時任務軟件、地面支持軟件三部分。軟件功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

指揮控制計算機工作模式分為4種：實時模式、 監(jiān)控模式、在線編程模式、調(diào)試模式。實時模式下指揮控制計算機在操作系統(tǒng)調(diào)度下運行實時任務軟件；監(jiān)控模式下指揮控制計算機運行監(jiān)控軟件，可啟動測試軟件對硬件資源逐一進行測試；在線編程模式下指揮控制計算機可對其FLASH存儲器中固化的程序進行更新；調(diào)試模式下指揮控制計算機可與宿主機通過以太網(wǎng)進行聯(lián)機，在調(diào)試代理的支持下進行應用軟件的開發(fā)調(diào)試。指揮控制計算機工作模式選擇流程及啟動過程見圖3所示。

實時任務執(zhí)行軟件包括通訊管理軟件、數(shù)據(jù)通訊管理軟件、天線伺服系統(tǒng)模擬輸入／輸出管理、圖像數(shù)據(jù)處理軟件和FLASH電子盤記錄管理軟件等功能。軟件的調(diào)度流程見圖4所示。

4 結(jié)束語
FlexRay是新型的高速總線通信標準，在車載系統(tǒng)中采用FlexRay作為通訊總線的解決方案，既提升了通訊帶寬和傳輸效率，又有易于系統(tǒng)擴展和功能升級，滿足車載應用環(huán)境下實時性和可靠性的要求。研究表明，基于FlexRay總線能很好地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和交換，實現(xiàn)在高速的情況下進行實時通信的功能，通訊效果良好。
本文詳細地介紹了基于FlexRay總線的車載指揮控制任務計算機的總體設(shè)計思想，闡述了系統(tǒng)硬件平臺中的功能單元的設(shè)計，重點介紹了FlexRay總線的設(shè)計難點。同時詳細介紹了基于VxWorks實時操作系統(tǒng)的軟件架構(gòu)設(shè)計，從而解決了車載應用環(huán)境對多任務和高實時性的需求問題。