顧震宇，巫亞強，李紅麗，周 楊

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

隨著火炮技術的日益復雜，對隨動系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率及穩(wěn)定性要求越來越高。由于傳統(tǒng)總線技術對信息的采集、傳遞效率低，逐漸不能適應復雜武器系統(tǒng)的通信要求。因此，設計基于高速FlexRay總線技術的火炮隨動系統(tǒng)，有助于提高系統(tǒng)實時性、可靠性和快速反應能力。

FlexRay是新一代現(xiàn)場總線接口標準，利用兩條獨立的物理線路進行通信，每個通信信道可提供1～10 Mbps的確定數(shù)據(jù)傳輸速率，雙通道傳輸同一數(shù)據(jù)時可實現(xiàn)硬件冗余，提高系統(tǒng)可靠性，傳輸不同數(shù)據(jù)時最大可達到20 Mbps[1]。

FlexRay總線采用了時間觸發(fā)和事件觸發(fā)的雙觸發(fā)通信方式。采用時間觸發(fā)通信時，先生成網(wǎng)絡時間報表，通過報表安排，各節(jié)點能預先掌握將要進行通信的時槽，接收器提前知道報文的到達時間。因此，報文在總線上的時間可以預測，對總線的訪問具有確定性。而事件觸發(fā)部分與CAN總線相同，是基于優(yōu)先級的，用來處理突發(fā)事件消息的響應工作，提高系統(tǒng)實時特性[1]。

設計基于FlexRay總線技術的隨動系統(tǒng)，可改善消息響應速度，確保消息準確到達相應節(jié)點，從而提升武器系統(tǒng)整體性能。

1 仿真模型

目前隨動系統(tǒng)中大量應用CAN總線技術，由于物理特性的局限，其傳輸速度及穩(wěn)定性逐漸下降，以下通過建模分析CAN總線和FlexRay總線的穩(wěn)定特性，證明FlexRay作為下一代通信總線的可行性。

FlexRay幀結構包含靜態(tài)段和動態(tài)段兩部分，其中靜態(tài)段為主要通信方式，基于時分多址技術。消息長度包含：傳輸開始序列TSS，一般為3～15位；幀開始序列FSS，1位；幀結束序列FES，2位；每個字節(jié)為8位，但字節(jié)開頭需要添加2位的字節(jié)開始序列BSS，所以一共是10位；td為發(fā)送和接收過程中存在一個傳播時間延時，大約為2～3位[2]。靜態(tài)段消息結構如圖1所示。

根據(jù)靜態(tài)段消息結構構建模型，設置FlexRay靜態(tài)段消息傳輸時間為CF，在數(shù)據(jù)幀中數(shù)據(jù)場的長度為Sm，位時間為τbit。

其靜態(tài)段傳輸時間計算公式為[3]：

CF=[TSS+FSS+FES+td+(8+Sm)·

(8+2)]·τbit

帶入限定范圍內(nèi)幀序列位數(shù)，得到：

CF=[10+1+2+td+(8+Sm)·(8+2)]·τbit

CF=(93+td+10·Sm)·τbit

CAN通信采用事件觸發(fā)方式，根據(jù)各節(jié)點分配的優(yōu)先級狀況，會出現(xiàn)總線競爭關系，即同消息等級因爭奪發(fā)送權而沖突，此時，低優(yōu)先級消息必須等待延時結束，而隨著高優(yōu)先級信息增多，低優(yōu)先級消息阻塞現(xiàn)象更為嚴重。

作為與實時性密切相關的系統(tǒng)，確切掌握消息的最壞響應時間是確保系統(tǒng)正常運行的前提，CAN響應時間從通信事件開始到目標節(jié)點為止，包括收發(fā)節(jié)點內(nèi)部處理時間，從節(jié)點到控制器的時間，總線仲裁時間，和控制器傳入節(jié)點的時間。用到的參數(shù)定義如下：

Tm為啟動通信的時間間隔；Jm為由事件發(fā)生到消息開始送入獨立通信控制器的時間最大變化量；Cm為在總線上傳送消息m所需時間(要考慮位填充值)；Dm為由應用決定的傳送消息m允許的時限；Rm為傳送消息m時最壞等待時間。

Rm由兩部分組成：一個是低優(yōu)先級m在總線上傳輸造成的阻塞Bm，一個是高優(yōu)先級m在總線上競爭控制權造成的干擾Im。當這兩部分取最大值時就構成了Rm的最壞等待時間。其中，lp(m)為比消息m優(yōu)先級低的消息集合；hp(m)為比消息m優(yōu)先級高的消息集合。以下利用遞推公式得出CAN總線消息最壞響應時間[4]：

Rm=Bm+Im

(1)

Bm=max(Cl)l∈lp(m)

(2)

Im=∑((Rm+Jk+τ)/Tk)·Ckk∈hp(m)

(3)

(4)

通過FlexRay靜態(tài)段和CAN通信傳輸時長公式的對比可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)lexRay靜態(tài)段消息傳輸不存在沖突，響應時間基本恒定，存在的抖動現(xiàn)象較小，在保持了系統(tǒng)響應實時性的同時，不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。而CAN總線消息傳輸需要競爭，通過遞推公式可以看出，隨著傳送消息的增加，高優(yōu)先級消息m數(shù)量增大，高優(yōu)先級信息的競爭增強，響應時間隨邏輯時間成上升趨勢，若為了滿足系統(tǒng)實時性需要，必須降低單位時間通信量，保持總線負載率不超過30%左右。

2 基于FlexRay的隨動系統(tǒng)通信結構

基于FlexRay的隨動系統(tǒng)基本結構如圖2所示，炮長任務終端向總線上傳遞射擊主令，由火控計算機進行接收，并通過捷聯(lián)慣導裝置傳輸?shù)亩ㄏ蚪?、姿態(tài)角和本炮坐標位置，結合隨動系統(tǒng)反饋的狀態(tài)信息和誤差信號計算出火炮實時掉轉指令，控制隨動系統(tǒng)進行調(diào)炮。

FlexRay接口適配器是隨動系統(tǒng)與各節(jié)點聯(lián)系的紐帶。節(jié)點是一種帶有FlexRay控制器的接口，能進行數(shù)據(jù)采集和處理，并具有信息收發(fā)功能。所有節(jié)點均掛接在FlexRay總線網(wǎng)絡上，通過接口適配器接入系統(tǒng)內(nèi)部，進行調(diào)炮指令接收，完成對隨動系統(tǒng)的控制，進而實現(xiàn)火炮的調(diào)炮指令，見圖3。

3 節(jié)點設計

FlexRay隨動節(jié)點選取MC9S12XF系列單片機，它是Freescale公司研發(fā)的高性能單片機，總線速度可達50MHz，外圍時鐘可達40MHz，具備片上糾錯能力，使節(jié)點設計可靠性得到提升[5]。由于單片機集成總線控制器功能，外圍只需加入一個收發(fā)器即可。總線收發(fā)器選用Freescale公司的TJA1080，該模塊主要由狀態(tài)機、信號路由器、輸入/輸出管理模塊、收發(fā)模塊以及發(fā)送器組成。

3.1 接口電路設計

當MC9S12XF512單片機向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)時，先將數(shù)據(jù)傳送到TJAl080上，由收發(fā)器把嵌入于CPU的總線控制器的邏輯電平轉換成抗干擾能力強的差分電平，經(jīng)濾波和電阻匹配發(fā)往FlexRay總線網(wǎng)絡；接收時，F(xiàn)lexRay總線網(wǎng)絡信息經(jīng)阻抗匹配和濾波，發(fā)送到收發(fā)器的BP與BM端口，收發(fā)器接收到總線的信號后，轉換成邏輯電平，送入集成于CPU中的FlexRay總線控制器，完成接收過程，見圖4。

3.2 軟件設計

MC9S12XF512初始化設置后，讀取寄存器。一旦初始化成功，給定收發(fā)寄存器地址值，然后設置單片機內(nèi)各個寄存器地址，進行正常的總線數(shù)據(jù)讀寫。MC9S12XF512利用自帶FlexRay控制器判斷當前是否有數(shù)據(jù)讀寫。其中數(shù)據(jù)讀功能是通過判斷是否有掛起的硬件中斷實現(xiàn)的。當MC9S12XF512收到數(shù)據(jù)時，先關中斷，檢測到中斷程序后，數(shù)據(jù)信息寫入相應寄存器，再進行數(shù)據(jù)處理。在無數(shù)據(jù)收發(fā)情況下，MC9S12XF512定期發(fā)送測試命令確定系統(tǒng)是否工作正常。也可以根據(jù)需要，將單片機轉入睡眠狀態(tài)，節(jié)省網(wǎng)絡資源。

利用MC9S12XF512單片機實現(xiàn)隨動系統(tǒng)通信的軟件流程如圖5所示。

4 結束語

隨著火炮系統(tǒng)的快速發(fā)展，F(xiàn)lexRay總線將逐漸成為取代CAN總線的新一代高速總線通信技術，應用于火炮武器系統(tǒng)當中，使控制系統(tǒng)在速度、穩(wěn)定及可靠性方面得到提升。本文從理論數(shù)學模型出發(fā)，分析了FlexRay總線穩(wěn)定性優(yōu)勢，并以MC9S12XF512單片機為核心設計了基于FlexRay的隨動系統(tǒng)接口電路，提高和改善了隨動系統(tǒng)的實時可靠性能。

[1] 丁天寶，王剛.基于FlexRay的新型復雜武器總線體系[J].火炮發(fā)射與控制學報，2011(3):60-62.

DING Tian-bao,WANG Gang.Bus system of a new complex weapon based on FlexRay[J].Journal of Gun Launch & Control,2011(3):60-62.(in Chinese)

[2] FlexRay consortium.FlexRay communication system protocol specification,version 2.1 revision A[S] 2005.

[3] YE Qiong-song,FRANCOISE SIMONOT-LION.Evaluating quality of service and behavioral reliability of steer-by-wire systems[J].IEEE Emerging Technologies and Factory Automation,2003(1):193-200.

[4] IAN BROSTER,ALAN BURNS,Probabilistic analysis of CAN with faults[J].IEEE Real-Time Systems Symposium,2002(23):269-278.

[5] Freescale Semiconductor Inc.MC9S12XF512 Reference Manua[EB/OL].(2010-05-18).Http://www.freescale.com.