]基于Flexray總線的車載指揮控制任務計算機的設計與實現(xiàn)

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)部設備，使地面站內(nèi)各設備能夠有序協(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?？撮T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備進行通訊并完成數(shù)據(jù)交換的功能。接口設備包括USB接口，用于控制鼠標、鍵盤等外圍接口設備，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。