基于Flexray總線的車載指揮控制任務(wù)計算機的設(shè)計與實現(xiàn)
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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(wù)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(yīng)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?？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(dāng)看門狗計時器輸出觸發(fā)時將引起中斷或復(fù)位。訪問超時計時器電路用于報告并恢復(fù)處理器訪問計算機資源過程中的總線周期超時故障。當(dāng)處理器訪問周期超過預(yù)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(dāng)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(fù)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(luò)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(luò)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(wù)。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(yīng)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(fù)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(wù)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(wù)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(yīng)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(wù)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。
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