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)

摘要：文章針對車載指揮控制任務(wù)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，FlexRay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(wù)計算機的車載應(yīng)用環(huán)境需求。
關(guān)鍵詞：FlexRaV；總線；車載應(yīng)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(fù)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(wù)計劃、飛行控制、信息處理顯示、目標(biāo)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(dá)任務(wù)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(wù)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(wù)。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(fù)責(zé)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(wù)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(zhǔn)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(wù)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(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(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(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(biāo)、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堋８鶕?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(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(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?fù)浣Y(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。

4 結(jié)束語
    FlexRay是新型的高速總線通信標(biāo)準(zhǔn)，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(yīng)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(xì)地介紹了基于FlexRay總線的車載指揮控制任務(wù)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(xì)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(yīng)用環(huán)境對多任務(wù)和高實時性的需求問題。