劉思遠(yuǎn) 楊芳 汪小潔 劉勝利 李國軍 袁春柱

（1 航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）（2 北京系統(tǒng)工程研究所，北京 100101）

1 引言

國內(nèi)外星上電子技術(shù)發(fā)展的趨勢表明，基于串行總線的分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已經(jīng)成為星上電子系統(tǒng)的主流架構(gòu)。鑒于CAN 總線具有可靠性高、實(shí)時性好、抗干擾能力強(qiáng)、通信方式靈活、組網(wǎng)簡單等優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)外均已將其引入星載電子系統(tǒng)，甚至大量小衛(wèi)星已經(jīng)將CAN 總線作為星上骨干網(wǎng)絡(luò)來完成星上設(shè)備間的信息傳遞［1-2］。

但隨著小衛(wèi)星任務(wù)復(fù)雜度及性能的不斷提高，星上電子系統(tǒng)對總線通信的實(shí)時性和可靠性都提出了更高的要求，從實(shí)時性和可靠性方面分析，目前基于星載CAN 總線星載網(wǎng)絡(luò)還存在如下問題：

（1）CAN 總線網(wǎng)絡(luò)是基于事件觸發(fā)型的總線，而且是基于優(yōu)先級調(diào)度的總線搶占模式，事件觸發(fā)和優(yōu)先級搶占雖然增強(qiáng)了總線訪問的靈活性，但是存在的最大問題是信息傳遞延遲的不確定性；

（2）CAN 總線傳輸碼速率較低（小于1Mbit／s），且現(xiàn)有星上電子系統(tǒng)中所采用的輪詢應(yīng)答式通信模式在很大程度上浪費(fèi)了CAN 總線的有效帶寬。

這就使得現(xiàn)有的CAN 總線網(wǎng)絡(luò)及總線訪問方式逐漸不能滿足小衛(wèi)星星上綜合電子系統(tǒng)信息傳遞需求。

為此，本文提出將新一代實(shí)時、高可靠車載時間觸發(fā)型總線FlexRay［3］引入小衛(wèi)星星上電子系統(tǒng)，首先對其星載應(yīng)用的適應(yīng)性進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上給出網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并初步對通信協(xié)議進(jìn)行了設(shè)計，為其星載應(yīng)用提供技術(shù)參考。

2 FlexRay總線及星載應(yīng)用特性分析

FlexRay是多家知名汽車制造商（寶馬、博世、戴姆勒、通用汽車、大眾等）和芯片制造商（飛思卡爾半導(dǎo)體、NXP半導(dǎo)體／飛利浦等），針對新一代汽車電子的實(shí)時控制及容錯需求而研發(fā)的新一代總線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，且已經(jīng)在一些新款汽車（奧迪A6／A8、寶馬X5／7系／5系、勞斯萊斯等）中得到推廣應(yīng)用［4］。該總線繼承了CAN 總線的優(yōu)點(diǎn)，同時克服了CAN 總線在傳輸實(shí)時性、可靠性等方面的不足。其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾方面［5-7］：

（1）碼速率高：最高達(dá)到10 Mbit／s，是CAN 總線碼速率的10倍；

（2）實(shí)時性好：支持時間觸發(fā)（time triggered，TT）和事件觸發(fā)（event triggered，ET）兩種模式，可確保消息在指定時間段傳遞；

（3）可靠性高：采用先進(jìn)的雙總線容錯機(jī)制，確保通信可靠性；

（4）靈活性強(qiáng)：支持多主通信，且支持多種拓?fù)湫问剑?/p>

（5）時間同步精度高：具有網(wǎng)絡(luò)時間同步機(jī)制，同步精度達(dá)到幾微秒量級。

2．1 總線訪問機(jī)制分析

FlexRay總線支持時間觸發(fā)和事件觸發(fā)兩種總線訪問機(jī)制，總線訪問設(shè)計為循環(huán)進(jìn)行的通信周期，同時將每個通信周期劃分出靜態(tài)段（static segment）、動 態(tài) 段（dynamic segment）、符 號 窗 口 段（symbol window）和網(wǎng)絡(luò)空閑段（NIT），如圖1 所示。靜態(tài)段支持時分復(fù)用（TDMA）的時間觸發(fā)總線訪問方式，即靜態(tài)段由多個時長相等的靜態(tài)時隙（static slot）組成，應(yīng)用中可根據(jù)需要將時隙分配給多個通信節(jié)點(diǎn)，每個時隙在同一時刻只允許一個節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，因此不僅確保了消息傳遞的實(shí)時性，同時可以確切地知道哪個節(jié)點(diǎn)的哪條消息在什么時間傳輸。另外，為了提高總線帶寬的利用和通信的靈活性，F(xiàn)lexRay 總線在動態(tài)段支持柔性時分多址（FTDMA）的事件觸發(fā)總線訪問，即動態(tài)段由多個小時隙（minislot）構(gòu)成，通信節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)需要在某個小時隙內(nèi)訪問總線，且小時隙的時間長度可以根據(jù)總線訪問的需要進(jìn)行擴(kuò)展。應(yīng)用中可以根據(jù)實(shí)際需要對通信周期、靜態(tài)部分、動態(tài)部分的時間長度進(jìn)行配置，還可以對靜態(tài)部分和動態(tài)部分內(nèi)時隙的長度進(jìn)行配置。

圖1 FlexRay總線訪問機(jī)制示意圖Fig．1 Bus access mechanism of FlexRay

在現(xiàn)有的基于CAN 總線的分布式星上電子系統(tǒng)中，主通信節(jié)點(diǎn)（如星務(wù)主機(jī)）通過CAN 總線與其它通信節(jié)點(diǎn)（如下位機(jī)）進(jìn)行信息傳遞的主要模式，是通過周期性的數(shù)據(jù)輪詢采集和指令發(fā)送，而由于通信節(jié)點(diǎn)應(yīng)答時間的不確定性，一方面導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)通信起止時間不能嚴(yán)格確定，另一方面也導(dǎo)致后續(xù)節(jié)點(diǎn)通信的時序順延，很難滿足對時序和實(shí)時性要求苛刻的閉環(huán)控制場合。FlexRay的周期性通信模式，不僅可以很好地滿足分布式星上系統(tǒng)周期性消息傳遞的特點(diǎn)，更重要的是利用其時間觸發(fā)的總線訪問機(jī)制可以變現(xiàn)有的星上消息輪詢通信方式為消息訂閱通信方式，即可以根據(jù)星上綜合管理與控制信息傳遞需要為星上各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)事先分配好通信時隙。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，星上各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)事先分配好的時隙有序地進(jìn)行信息交互，可以確保信息傳遞的實(shí)時性，這對實(shí)現(xiàn)基于總線的閉環(huán)控制非常有利。

2．2 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)分析

在總線訪問的靜態(tài)段和動態(tài)段，均可以傳遞FlexRay總線的通信幀，其幀結(jié)構(gòu)包括三部分，分別是幀頭段、載荷數(shù)據(jù)段和尾段，如圖2所示。幀頭部分包括：保留位（reserved bit）；有效負(fù)荷段前言指示（payload preamble indicator），用于指示可選字段是否包含在傳送幀的有效數(shù)據(jù)中。在靜態(tài)幀中，該位會在有效數(shù)據(jù)開始端指示網(wǎng)絡(luò)管理向量的存在，在動態(tài)幀中，該位會在有效數(shù)據(jù)開始端指示消息ID；空幀指示（null frame indicator），用于指明數(shù)據(jù)幀是否為空；同步幀指示（sync frame indicator），用于指示該幀是否同步；起始幀指示（startup frame indicator），用于指示幀是否啟動幀；幀ID（frame ID），指明通信過程中分配到每個節(jié)點(diǎn)的ID；有效數(shù)據(jù)長度（Payload length），用于指明有效數(shù)據(jù)段的長；頭部CRC（header CRC），表明同步幀指示器和起始幀指示器的CRC 計算值以及由主機(jī)計算的幀ID 和幀長度；循環(huán)計數(shù)（cycle count），指明在幀傳輸時間內(nèi)傳輸幀的節(jié)點(diǎn)的周期計數(shù)。有效負(fù)荷部分的數(shù)據(jù)可以是0～254byte，幀尾部為一個24位的CRC校驗，用于校驗有效載荷數(shù)據(jù)的正確性。

圖2 FlexRay總線幀格式示意圖Fig．2 FlexRay frame format

分析FlexRay 總線的幀格可以看出，F(xiàn)lexRay總線幀格式在一定程度上繼承了CAN 總線的幀格式，但同時又進(jìn)行了一定的提升。

FlexRay總線每幀可以傳遞更長的有效載荷數(shù)據(jù)（最大254byte），一方面可以大幅提高總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，另一方面也避免了現(xiàn)有星載CAN 總線在傳遞大于8byte的數(shù)據(jù)包時需要采取分幀／組幀處理。另外，F(xiàn)lexRay總線采取了相對于CAN 更為嚴(yán)格的錯誤檢測，即分別對幀頭和數(shù)據(jù)進(jìn)行了CRC校驗，可有效甄別錯誤幀，這點(diǎn)對星載應(yīng)用是非常有利的，可以大幅提高信息傳遞的可信性，更好地避免因為數(shù)據(jù)傳輸錯誤導(dǎo)致的系統(tǒng)錯誤甚至災(zāi)難。

2．3 容錯特性分析

FlexRay總線設(shè)計上具有兩個通道，兩個通道既可以單獨(dú)傳輸，也可以作為冗余備份來提高通信的可靠性。每個FlexRay 節(jié)點(diǎn)都包括一個控制器和一個驅(qū)動器部件。控制器部件包括一個主機(jī)處理器和一個通信控制器，如圖3所示。驅(qū)動器部件通常包括總線驅(qū)動器（BD）和總線監(jiān)控器（BG），總線驅(qū)動器將通信控制器與總線相連接，總線監(jiān)控器監(jiān)視接入總線的連接。

總線監(jiān)控器只允許通信控制器在指定的時隙中傳輸數(shù)據(jù)，并激活總線驅(qū)動器。當(dāng)某個節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障而不能正常地收發(fā)數(shù)據(jù)或未在指定時隙發(fā)送數(shù)據(jù)時，總線監(jiān)控器會將通信控制器和總線斷開，從而不會影響到其他節(jié)點(diǎn)的工作。在雙通道系統(tǒng)中是通過冗余備份的方法來實(shí)現(xiàn)容錯的，即兩個通道上傳輸相同的信息。當(dāng)一個通道出現(xiàn)故障而無法正常工作時，另一個通道上的數(shù)據(jù)就可以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，而不會因為某一個通道上的數(shù)據(jù)丟失影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，相比現(xiàn)有星載CAN 總線，RlexRay總線在容錯性能上有所提升，更加適合星上高可靠網(wǎng)絡(luò)通信的需求。

2．4 網(wǎng)絡(luò)時間同步分析

對于支持時間觸發(fā)總線訪問機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)間的時間同步尤為重要，目的是保證網(wǎng)絡(luò)上全部節(jié)點(diǎn)的時間差在一定的范圍內(nèi)。FlexRay總線協(xié)議使用分布式的時鐘同步機(jī)制，在FlexRay總線網(wǎng)絡(luò)上沒有絕對的全局時間或參考時間，網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)的本地時間（local time）均是由節(jié)點(diǎn)自身的時鐘獲得，所有節(jié)點(diǎn)都通過觀察其它節(jié)點(diǎn)傳送的同步幀將自己的時間與網(wǎng)絡(luò)全局時間（global time）進(jìn)行同步，因此都有一個自己認(rèn)為的全局時間，即全局時間存在于每個節(jié)點(diǎn)的“心”中。FlexRay總線節(jié)點(diǎn)的時間同步主要采取兩種途徑，分別是頻率校正（rate correction）和相位校正（offset correction），其過程如圖4所示。節(jié)點(diǎn)可根據(jù)對網(wǎng)絡(luò)上同步幀的觀察獲得本地時間與網(wǎng)絡(luò)時間的偏差，然后，一方面通過動態(tài)調(diào)整通信周期的時間長度確保與整個網(wǎng)絡(luò)通信周期相同，即頻率校正；另一方面通過在通信周期的網(wǎng)絡(luò)空閑時間段插入微時間片（macrotick）來調(diào)整通信周期長度，即相位校正。目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)間的時間同步誤差小于網(wǎng)絡(luò)通信允許的偏差內(nèi)，通常為一到幾微秒。星載網(wǎng)絡(luò)信息的時間同步對后期載荷數(shù)據(jù)處理尤為重要，尤其是對高分辨率遙感衛(wèi)星，時間同步精度直接影響圖像定位精度，因此，利用FlexRay總線的網(wǎng)絡(luò)時間同步機(jī)制可以更好的實(shí)現(xiàn)高精度的網(wǎng)絡(luò)信息同步。

圖3 FlexRay總線節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖Fig．3 Node structure of FlexRay bus

圖4 FlexRay總線時間同步方法Fig．4 Clock synchronization mechanism of FlexRay bus

3 基于FlexRay總線的星載網(wǎng)絡(luò)設(shè)計思路

FlexRay總線支持多種總線拓?fù)湫问?，包括總線型拓?fù)洹⒂性葱切屯負(fù)浜蜔o源星型拓?fù)?，還可以采用這幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成混合型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)間最大網(wǎng)絡(luò)長度為24m。另外，F(xiàn)lexRay總線設(shè)計上具有兩個通道，兩個通道既可以單獨(dú)傳輸，也可以作為冗余備份來提高通信的可靠性。鑒于星上電子系統(tǒng)對節(jié)點(diǎn)間信息傳遞的可靠性要求很高，同時考慮設(shè)備連接的簡潔性，本文給出的基于FlexRay總線的星上分布式架構(gòu)，在設(shè)計上采用雙冗余總線型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，與CAN 總線相同，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。其中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以是星上計算機(jī)、下位機(jī)等設(shè)備，也可以是敏感器、執(zhí)行器等部件。采用基于FlexRay總線的星上分布式網(wǎng)絡(luò)，通過事先設(shè)計靜態(tài)調(diào)度表，在數(shù)據(jù)通信模式上可以變現(xiàn)有的消息輪詢通信方式為消息訂閱通信方式，即事先約定好每個通信節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)時間段，總線上的各個通信節(jié)點(diǎn)，可以根據(jù)事先分配好的時間段來有選擇地接收所需要的信息。

圖5 基于FlexRay總線的分布式星上網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig．5 Distribution network structure based on FlexRay bus for on-board application

星上網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的信息傳遞以周期性信息交互為主（如遙測信息采集），同時也有突發(fā)性的信息傳遞（如遙控指令、上注數(shù)據(jù)等）。針對星上信息傳遞特點(diǎn)，結(jié)合FlexRay總線訪問機(jī)制，應(yīng)用中可以將周期通信的數(shù)據(jù)傳遞配置在FlexRay 總線通信周期的靜態(tài)段，以確保信息傳遞的實(shí)時性和時序的穩(wěn)定性，另外，將突發(fā)性信息傳遞配置在動態(tài)段，以充分利用總線帶寬。對于星上周期性交互的信息傳遞，設(shè)計中在FlexRay總線通信周期的靜態(tài)段（static segment）劃分出靜態(tài)時隙（static slot），為相應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)分配固定的時隙，靜態(tài)時隙長度主要由通信幀的最大長度決定，由于在通信周期內(nèi)靜態(tài)時隙的長度必須相等，因此通信幀長度設(shè)置將直接影響著總線利用率，需要根據(jù)實(shí)際節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收發(fā)情況進(jìn)行優(yōu)化處理。FlexRay總線通信幀長度的確定需要考慮多個因素，包括節(jié)點(diǎn)數(shù)目、每個節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包長度、通信頻率等。設(shè)網(wǎng)絡(luò)上有3個通信節(jié)點(diǎn)，則節(jié)點(diǎn)時隙分配示意圖如圖6所示。

圖6 基于FlexRay總線的節(jié)點(diǎn)時隙分配示意圖Fig．6 Time slot distribution of FlexRay bus nodes for on-board application

另外，基于FlexRay總線的星上網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，還需要根據(jù)衛(wèi)星系統(tǒng)信息交互周期的需求進(jìn)行FlexRay總線通信周期的設(shè)計，由于FlexRay總線協(xié)議規(guī)定的通信周期T最大為16ms，如果星上信息交互周期小于T，則可以直接配置通信周期；如果信息交互周期大于T（如1s），則可以對FlexRay總線的通信周期進(jìn)行整數(shù)倍的擴(kuò)展以滿足通信需求。另外，對于節(jié)點(diǎn)通信周期不等的應(yīng)用場合，在時隙分配時可以通過周期匹配處理來滿足需求。假設(shè)節(jié)點(diǎn)A 的通信周期與FlexRay 總線的通信周期（T）相等，節(jié)點(diǎn)B 的通信周期為FlexRay總線的通信周期2倍（2T），節(jié)點(diǎn)C的信周期為FlexRay總線的通信周期4倍（4T），則周期擴(kuò)展方法如圖7所示。

FlexRay總線的單幀可傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)為0～254byte，因此，基于FlexRay總線的星上數(shù)據(jù)通信每個數(shù)據(jù)包的有效數(shù)據(jù)長度設(shè)計為均小于254byte，這樣可以避免分包組包的過程。初步考慮可以采用如圖8所示的應(yīng)用層通信協(xié)議，幀ID 的11bit表示發(fā)送幀所占時隙編號，同一個節(jié)點(diǎn)在一個通信周期內(nèi)，如果需要在多個時隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，則需要在發(fā)送時配置多個幀ID。在有效數(shù)據(jù)域中，設(shè)置前2位字節(jié)為數(shù)據(jù)包類型，最后1位字節(jié)為累加和，中間為要傳輸?shù)挠杏脭?shù)據(jù)信息，但須確保有效數(shù)據(jù)域的數(shù)據(jù)長度為偶數(shù)個字節(jié)。

圖7 FlexRay總線通信周期擴(kuò)展示意圖Fig．7 Communication cycle extend of FlexRay bus for on-board application

圖8 FlexRay總線通信應(yīng)用協(xié)議設(shè)計Fig．7 Communication protocol design of FlexRay bus for on-board application

接收節(jié)點(diǎn)可以通過設(shè)置幀ID 濾波、通道ID 濾波、消息ID 等來接收所需要的節(jié)點(diǎn)信息，屏蔽不相關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)。

FlexRay總線節(jié)點(diǎn)的硬件實(shí)現(xiàn)方案主要有兩種形式：一種是采用集成FlexRay協(xié)議處理模塊的微處理器＋總線驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)，另一種是采用微處理器＋獨(dú)立的FlexRay協(xié)議處理通信控制器＋總線驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)。目前常用的集成FlexRay協(xié)議處理模塊的微處理器有Freescale公司生產(chǎn)的 MC9S12XF512 和MPC5561／MPC5567芯片、NXP公司生產(chǎn)的SJA2510芯片；獨(dú)立的FlexRay協(xié)議處理通信控制器有Freescale公司生產(chǎn)的MFR4300、MFR4310等［8］；物理層總線驅(qū)動器以NXP 公司生產(chǎn)的TJA1080為主［9］。鑒于星載網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)根據(jù)功能的不同其硬件架構(gòu)和性能需求通常差異較大，處理器的配置通常也要根據(jù)需求而定，且要求適應(yīng)空間輻照環(huán)境，如現(xiàn)有型號通常選用X86、8031、TSC695、AT697、BM3803等型號處理器，因此，星載FlexRay總線節(jié)點(diǎn)的硬件實(shí)現(xiàn)，不宜采用FlexRay協(xié)議處理模塊和微處理器集成在一起的方案，故建議采用上述第二種方案來實(shí)現(xiàn)星上網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

4 結(jié)論

本文主要結(jié)合星載應(yīng)用，對FlexRay總線的特性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明FlexRay 總線在傳輸速率、實(shí)時性、容錯性、同步性、靈活性等方面都優(yōu)于現(xiàn)有的CAN 總線。采用基于FlexRay總線的星載網(wǎng)絡(luò)，一方面可以確保節(jié)點(diǎn)間信息傳遞的實(shí)時性，即可以通過總線信息調(diào)度設(shè)計準(zhǔn)確的預(yù)測信息傳遞的時刻和時間長度，為基于總線的閉環(huán)實(shí)時控制奠定基礎(chǔ)；另一方面，由于FlexRay總線傳輸碼速率可達(dá)到10Mbit／s，也可大幅提高信息傳遞的速率和通信容量，滿足未來復(fù)雜任務(wù)衛(wèi)星系統(tǒng)信息傳遞需求。因此，該總線理論上是非常適合于未來小衛(wèi)星星載應(yīng)用的，但從工程應(yīng)用角度考慮，要想真正將該總線應(yīng)用到衛(wèi)星系統(tǒng)中，還需進(jìn)一步開展協(xié)議的細(xì)化設(shè)計和測試驗證，從空間環(huán)境適應(yīng)性角度考慮，還需要針對實(shí)現(xiàn)該總線協(xié)議的控制芯片開展一系列空間環(huán)境試驗。

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