基于Flexray總線的車(chē)載指揮控制任務(wù)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：文章針對(duì)車(chē)載指揮控制任務(wù)計(jì)算機(jī)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，FlexRay作為通訊總線的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明，此方案具有易擴(kuò)展、集成度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，滿足指揮控制任務(wù)計(jì)算機(jī)的車(chē)載應(yīng)用環(huán)境需求。
關(guān)鍵詞：FlexRaV；總線；車(chē)載應(yīng)用環(huán)境

0 引言
    在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，無(wú)人機(jī)相對(duì)有人機(jī)而言具有低成本、零傷亡、高機(jī)動(dòng)、可重復(fù)使用等諸多優(yōu)勢(shì)，其使用范圍已擴(kuò)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(duì)抗、戰(zhàn)果評(píng)估等；在民用上可用于大地測(cè)量、氣象觀測(cè)、城市環(huán)境監(jiān)測(cè)、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(wú)人機(jī)系統(tǒng)通常由機(jī)載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈和地面站組成。
    地面站是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的中樞，它的主要功能包括：任務(wù)計(jì)劃、飛行控制、信息處理顯示、目標(biāo)檢測(cè)和定位、數(shù)據(jù)記錄等。車(chē)載地面站由于其機(jī)動(dòng)性好、便于快速部署、可迅速到達(dá)任務(wù)區(qū)域附近而受到用戶青睞。但車(chē)載地面站面臨高低溫、高濕、沖擊、振動(dòng)、電磁輻射干擾等惡劣環(huán)境，以及對(duì)其性能、體積、重量、功耗等的苛刻要求，普通的商用計(jì)算機(jī)無(wú)法滿足車(chē)載環(huán)境要求及控制的實(shí)時(shí)性要求。 本文針對(duì)某車(chē)載無(wú)人機(jī)地面站的需求，提出了一種指揮控制計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)方法。

1 系統(tǒng)功能分析
    無(wú)人機(jī)地面站指揮控制計(jì)算機(jī)用于無(wú)人機(jī)的跟蹤和指令控制。它通過(guò)無(wú)線電接收機(jī)接收無(wú)人機(jī)遙感傳送的圖像信號(hào)，經(jīng)圖像處理后送給車(chē)載地面站的駕駛員，同時(shí)由指揮控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像貯存。 車(chē)載地面站的駕駛員可對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行及其任務(wù)的執(zhí)行進(jìn)行監(jiān)視，通過(guò)地面站的指令發(fā)射機(jī)可向無(wú)人機(jī)發(fā)出控制指令，無(wú)人機(jī)接收后按照命令可不斷調(diào)整飛行路線，完成任務(wù)。圖1為車(chē)載無(wú)人機(jī)地面站指揮控制計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)交聯(lián)圖。

    車(chē)載指揮控制計(jì)算機(jī)是車(chē)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(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)組織管理車(chē)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(guò)FlexRay總線與車(chē)載電子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，保障地面站捕獲無(wú)人機(jī)發(fā)回的任務(wù)區(qū)域圖像信號(hào)，及時(shí)將地面站駕駛員的操控指令發(fā)射至無(wú)人機(jī)。其主要功能如下：
    (1)進(jìn)行地面站與車(chē)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(jī)，由指令發(fā)射機(jī)調(diào)制后發(fā)射至無(wú)人機(jī)，同時(shí)將操控指令發(fā)送給記錄器進(jìn)行記錄；
    (3)控制指令發(fā)射機(jī)、圖像接收機(jī)天線伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)，使天線主波瓣對(duì)準(zhǔn)無(wú)人機(jī)以獲得最佳的信號(hào)強(qiáng)度；
    (4)采集圖像接收機(jī)傳送來(lái)的圖像數(shù)據(jù)信號(hào)，并將圖像顯示在車(chē)載顯示器上，同時(shí)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(cè)。

2 車(chē)載指揮控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    隨著車(chē)載計(jì)算機(jī)的體積小型化、功能多元化和操作實(shí)時(shí)化，要求新一代無(wú)人機(jī)地面站指揮控制計(jì)算機(jī)必須是體積小、重量輕、功耗低的、可支持多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的嵌入式計(jì)算機(jī)。根據(jù)指揮控制計(jì)算機(jī)的功能性能要求，可將指揮控制計(jì)算機(jī)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(gè)功能模塊，各功能模塊通過(guò)CPCI總線進(jìn)行通訊。
2．1 處理器模塊
    處理器模塊主要實(shí)現(xiàn)指揮控制計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)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(dá)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(yùn)行的安全性，處理器模塊上設(shè)計(jì)了看門(mén)狗電路和訪問(wèn)超時(shí)計(jì)時(shí)器電路?？撮T(mén)狗計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)設(shè)置和計(jì)時(shí)過(guò)程由獨(dú)立于軟件操作的硬件實(shí)現(xiàn)，而清除計(jì)時(shí)操作由受軟件控制的硬件完成。看門(mén)狗計(jì)時(shí)器電路在維護(hù)使能信號(hào)無(wú)效時(shí)自動(dòng)使能；在維護(hù)使能信號(hào)有效時(shí)自動(dòng)禁止，但此時(shí)可用軟件操作來(lái)使能。當(dāng)看門(mén)狗計(jì)時(shí)器輸出觸發(fā)時(shí)將引起中斷或復(fù)位。訪問(wèn)超時(shí)計(jì)時(shí)器電路用于報(bào)告并恢復(fù)處理器訪問(wèn)計(jì)算機(jī)資源過(guò)程中的總線周期超時(shí)故障。當(dāng)處理器訪問(wèn)周期超過(guò)預(yù)先設(shè)定的門(mén)限時(shí)，即發(fā)生總線周期超時(shí)故障，該電路可產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，同時(shí)結(jié)束當(dāng)前訪問(wèn)操作。
2．2 接口模塊
    接口模塊完成和外圍設(shè)備進(jìn)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(biāo)、鍵盤(pán)等外圍接口設(shè)備，RS422接口用于和指令發(fā)射機(jī)、圖像接收機(jī)等外部系統(tǒng)進(jìn)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堋８鶕?jù)CPCI總線傳輸?shù)闹噶顚?duì)3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(huà)面，輸出LVDS顯示信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)顯示屏。
2．4 通信模塊
    通信模塊主要實(shí)現(xiàn)指揮控制計(jì)算機(jī)與車(chē)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(shí)現(xiàn)指揮控制計(jì)算機(jī)軟硬件的通用化、模塊化，同時(shí)有利于軟件升級(jí)和系統(tǒng)擴(kuò)展，顯著提高軟硬件的可擴(kuò)展性。
    FlexRay是一種新型的高速串行總線標(biāo)準(zhǔn)，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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，負(fù)載率高，提供冗余機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)。FlexRay總線與CAN總線相比具有以下優(yōu)勢(shì)：
    (1)傳輸速率高。單通道可達(dá)10Mbps，雙通道高達(dá)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(dú)運(yùn)行、并行運(yùn)行或冗余運(yùn)行；CAN只有一個(gè)通道，無(wú)冗余。
    (3)支持最大數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)254字節(jié)；CAN總線支持最長(zhǎng)數(shù)據(jù)幀僅8字節(jié)。
    (4)MAC(Media Access Control)層采用TDMA(時(shí)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(jí)的CSMA／CA(沖突避免多路訪問(wèn)方式)，無(wú)法保證通信確定性。
    (5)支持星型、總線型、混合型等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
    FlexRay網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議主要體現(xiàn)在4個(gè)核心機(jī)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(shí)鐘同步，另外控制器主機(jī)接口為實(shí)現(xiàn)這些機(jī)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(gè)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(zhǎng)度、頭部循環(huán)校驗(yàn)CRC位和循環(huán)計(jì)數(shù)位；幀尾部分只含有單個(gè)的數(shù)據(jù)域，即一個(gè)24位的CRC(循環(huán)冗余)校驗(yàn)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(guò)媒體接入控制，CRC校驗(yàn)碼封裝成符合FlexRay協(xié)議的數(shù)據(jù)幀，再經(jīng)過(guò)總線驅(qū)動(dòng)器編碼送到總線上；同樣，總線上的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)總線驅(qū)動(dòng)器解碼，數(shù)據(jù)幀被送到控制器中，通過(guò)幀ID過(guò)濾校驗(yàn)和循環(huán)計(jì)算校驗(yàn)，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(jì)算機(jī)所需的各類(lèi)電源；具有過(guò)流、短路保護(hù)功能，故障排除后輸出自動(dòng)恢復(fù)等功能；具有過(guò)壓保護(hù)功能；具有過(guò)熱保護(hù)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(jì)算機(jī)的軟件設(shè)計(jì)
    指揮控制計(jì)算機(jī)的軟件主要駐留在處理器模塊上，分為系統(tǒng)軟件、實(shí)時(shí)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(jì)算機(jī)工作模式分為4種：實(shí)時(shí)模式、 監(jiān)控模式、在線編程模式、調(diào)試模式。實(shí)時(shí)模式下指揮控制計(jì)算機(jī)在操作系統(tǒng)調(diào)度下運(yùn)行實(shí)時(shí)任務(wù)軟件；監(jiān)控模式下指揮控制計(jì)算機(jī)運(yùn)行監(jiān)控軟件，可啟動(dòng)測(cè)試軟件對(duì)硬件資源逐一進(jìn)行測(cè)試；在線編程模式下指揮控制計(jì)算機(jī)可對(duì)其FLASH存儲(chǔ)器中固化的程序進(jìn)行更新；調(diào)試模式下指揮控制計(jì)算機(jī)可與宿主機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)機(jī)，在調(diào)試代理的支持下進(jìn)行應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)調(diào)試。指揮控制計(jì)算機(jī)工作模式選擇流程及啟動(dòng)過(guò)程見(jiàn)圖3所示。

    實(shí)時(shí)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(pán)記錄管理軟件等功能。軟件的調(diào)度流程見(jiàn)圖4所示。

4 結(jié)束語(yǔ)
    FlexRay是新型的高速總線通信標(biāo)準(zhǔn)，在車(chē)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(kuò)展和功能升級(jí)，滿足車(chē)載應(yīng)用環(huán)境下實(shí)時(shí)性和可靠性的要求。研究表明，基于FlexRay總線能很好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和交換，實(shí)現(xiàn)在高速的情況下進(jìn)行實(shí)時(shí)通信的功能，通訊效果良好。
    本文詳細(xì)地介紹了基于FlexRay總線的車(chē)載指揮控制任務(wù)計(jì)算機(jī)的總體設(shè)計(jì)思想，闡述了系統(tǒng)硬件平臺(tái)中的功能單元的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹了FlexRay總線的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。同時(shí)詳細(xì)介紹了基于VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)，從而解決了車(chē)載應(yīng)用環(huán)境對(duì)多任務(wù)和高實(shí)時(shí)性的需求問(wèn)題。