趙 君，趙 剛，李侖升，許亞星

(航空工業(yè)計(jì)算所，陜西 西安 710065)

0 引 言

隨著特種車輛機(jī)電技術(shù)性能提升需求的不斷提高，機(jī)電綜合化技術(shù)在非任務(wù)系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛，其主要特征為物理綜合、信息綜合與能量綜合。新的特種車輛平臺已廣泛采用了基于CAN總線或FlexRay總線的機(jī)電綜合管理系統(tǒng)架構(gòu)，技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)得到了跨代飛躍[1]。但是，針對現(xiàn)役老型號車載平臺的能力提升也是現(xiàn)階段裝備發(fā)展的一個(gè)重要工作方向，其中通過在現(xiàn)有平臺中增加非任務(wù)系統(tǒng)控制管理設(shè)備，改造信息網(wǎng)絡(luò)，增加傳感與作動部件，從而降低平臺對戰(zhàn)勤人員非戰(zhàn)斗任務(wù)的占用，可以有效提升現(xiàn)有裝備的技戰(zhàn)術(shù)水平[1]。

FlexRay總線是一種采用高速串行通信模式、兼容事件觸發(fā)的時(shí)間觸發(fā)型總線[2]，并具有實(shí)時(shí)性高、有效帶寬高、容錯(cuò)能力強(qiáng)等諸多優(yōu)勢，已成為特種車輛平臺系統(tǒng)的首選網(wǎng)絡(luò)通信方案，該總線具備柔性時(shí)分多址通信能力，可有效避免傳統(tǒng)CAN總線應(yīng)用中的沖突競爭問題，是未來特種車輛平臺機(jī)電綜合管理系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展方向[2-4]。

本文針對現(xiàn)役裝備車輛平臺基于FlexRay總線的機(jī)電綜合化能力提升需求，設(shè)計(jì)一種兼容多種接口的信息交互單元，滿足傳統(tǒng)裝備模擬量、離散量、RS422等數(shù)據(jù)信息與車載FlexRay總線網(wǎng)絡(luò)的交互，目標(biāo)是降低裝備非任務(wù)重量，提升機(jī)電綜合管理性能，為有效提升老型號裝備戰(zhàn)斗力提供有效的解決措施。

1 工作原理與技術(shù)要求

針對某型裝備能力提升，提出一種基于信息交互單元應(yīng)用模式，如圖1所示。在本系統(tǒng)中，信息交互單元隸屬于顯控系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

(1)系統(tǒng)需要在上電后1 s內(nèi)完成啟動與初始化配置；

(2)將接收到的顯控裝置發(fā)送的控制指令，由RS422接口轉(zhuǎn)為FlexRay總線，并按照規(guī)定時(shí)序發(fā)送至綜管單元；

(3)將接收到的綜管單元采集的遙測信息，自身健康狀態(tài)等信息，由FlexRay總線轉(zhuǎn)換為RS422接口在顯控裝置顯示；

(4)將接收到的顯控裝置發(fā)送的配電指令，由RS422接口轉(zhuǎn)為CAN總線信息，轉(zhuǎn)發(fā)至配電裝置，并將配電裝置的健康狀態(tài)信息，系統(tǒng)配置狀態(tài)，由CAN總線轉(zhuǎn)為RS422接口信息在顯控裝置顯示；

(5)將接收到的顯控裝置發(fā)送的液壓控制指令，轉(zhuǎn)發(fā)至液壓控制器，并將控制健康狀態(tài)信息，系統(tǒng)工作狀態(tài)，通過與液壓控制器交聯(lián)的RS422接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透傳；

(6)采集新增溫度與壓力傳感器狀態(tài)，提供傳感器供電與采集4 mA～20 mA電流信號，具備傳感器過載保護(hù)能力；

(7)控制新增封閉活門、交輸活門、電磁閥等部件，具備過載保護(hù)能力。

圖1 信息交互單元典型應(yīng)用

針對以上需求，梳理出本系統(tǒng)中信息交互單元技術(shù)要求如下：

(1)應(yīng)至少具備1路FlexRay總線，1路CAN總線，2路RS422接口；

(2)應(yīng)具備至少6路4 mA～20 mA采集接口，分辨率不低于16 bit，數(shù)據(jù)更新率不低于1 kSPS；

(3)應(yīng)具備至少6路傳感器供電能力，支持過載保護(hù)，可獨(dú)立配電，供電電壓15 V±0.1 V，紋波小于100 mV；

(4)應(yīng)具備至少8路27 V/開功率驅(qū)動能力，支持過載保護(hù)，可獨(dú)立控制；

(5)支持針對RS422接口的波特率檢測，通信波特率誤差應(yīng)小于2%，具備針對RS422接收電壓的電壓檢測能力；

(6)具備故障信息本地記錄能力。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

為提升內(nèi)外場測試性與維護(hù)性能力，提高故障診斷與隔離能力，同時(shí)兼容靈活擴(kuò)展與可配置性，根據(jù)綜合化與模塊化設(shè)計(jì)原則進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)，共設(shè)計(jì)了3類模塊實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)信息交互單元功能，分別為核心處理模塊(central processing moudle，CPM)、接口功能模塊(input & output module，IOM)與電源模塊(power supply module，PSM)，圖2為適配FlexRay總線系統(tǒng)的信息交互單元架構(gòu)。

2.2 核心處理模塊(CPM)設(shè)計(jì)

核心處理模塊，簡稱CPM，主要完成信息交互單元的控制管理任務(wù)，基于SPI總線接口與硬線實(shí)現(xiàn)與各功能模塊的數(shù)據(jù)交互與控制管理功能。該模塊主要由CPU最小系統(tǒng)與通用FlexRay總線通信單元組成(1.2節(jié))其架構(gòu)如圖3所示。本設(shè)計(jì)中選擇ARM+FPGA架構(gòu)作為核心處理模塊最小系統(tǒng)，其中ARM處理器選擇STM32F407，F(xiàn)PGA選擇Artix-7 A7 XC7A35。

圖2 基于FlexRay總線的信息交互單元架構(gòu)

圖3 信息交互單元CPM模塊架構(gòu)

圖3中，最小系統(tǒng)主要包括ARM處理器、FPGA、存儲器、電源、時(shí)鐘、調(diào)試接口等，具備微控制器監(jiān)控、硬件初始化、操作系統(tǒng)引導(dǎo)、故障數(shù)據(jù)記錄、功能調(diào)試、軟件加載等基本功能，并通過SPI接口與硬線交聯(lián)其它功能模塊，實(shí)現(xiàn)控制管理功能，其中核心處理模塊作為SPI主設(shè)備。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)帶寬擴(kuò)展、控制解耦，并防止故障蔓延，核心處理模塊具備8路SPI接口，可為功能模塊配置獨(dú)立的SPI接口。

在CPM模塊中獨(dú)立設(shè)計(jì)了基于FPGA控制的FlexRay總線、CAN總線與RS422通信接口，ARM通過FSMC接口訪問CAN總線與FlexRay總線協(xié)議芯片，RS422采用IP核實(shí)現(xiàn)。針對消息聯(lián)動需求，可以在FPGA中設(shè)計(jì)觸發(fā)源，無需ARM應(yīng)用軟件參與實(shí)現(xiàn)基于配置表的消息透傳轉(zhuǎn)發(fā)，從而提升系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)能力[5,6]。

2.3 接口功能模塊(IOM)設(shè)計(jì)

信息交互單元中除CPM模塊外均可認(rèn)為是接口功能模塊(IOM)，主要用于是應(yīng)用不同場景的接口交聯(lián)需求，具有兩種架構(gòu)形態(tài)：一種模態(tài)是基于FPGA的智能架構(gòu)；第二種是無處理器的非智能架構(gòu)，其中非智能架構(gòu)通常采用硬線完成接口采集與控制，本文主要介紹基于FPGA智能架構(gòu)的接口功能模塊設(shè)計(jì)，如圖4所示。

圖4 信息交互單元IOM模塊架構(gòu)

IOM模塊和CPM模塊之間通過SPI接口與硬線連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信與控制管理。該模塊主要實(shí)現(xiàn)傳感器供電，溫度壓力傳感器信號采集以及作動部件功率驅(qū)動控制，完成輸入模擬量的處理功能，通過差分濾波器與儀表運(yùn)放將4 mA～20 mA模擬信號處理成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號由模數(shù)轉(zhuǎn)換器件完成數(shù)據(jù)采集。模塊使用AD7606完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，該器件單片支持8通道同步采集，最高支持200 kSPS，分辨率可達(dá)16 bit，具備模擬輸入箝位保護(hù)，模擬緩沖器輸入阻抗高達(dá)1M歐姆，具備二階抗混疊低通濾波器，支持基于數(shù)字濾波器的過采樣應(yīng)用需求，接口方式靈活，基于該芯片及其配置可以方便地構(gòu)建各種機(jī)電類產(chǎn)品的模擬量接口采集電路，具有很好的靈活性與可擴(kuò)展性。

此外，接口功能模塊具備功率驅(qū)動功能，基于TPS2492設(shè)計(jì)的功率驅(qū)動電路，可以通過配置采樣電阻與充電電容實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)與短路保護(hù)，具備反時(shí)限保護(hù)特征，可以有效地保護(hù)負(fù)載與信息交互單元產(chǎn)品本身。同時(shí)，基于TPS2492設(shè)計(jì)了超控電路，可以通過硬線實(shí)現(xiàn)安全態(tài)的超越控制，有效地提升了系統(tǒng)安全性。

2.4 電源模塊(PSM)設(shè)計(jì)

PSM主要完成正常、應(yīng)急電源切換處理、濾波、浪涌抑制、預(yù)處理及DC/DC轉(zhuǎn)換，為處理板和接口處理板提供對應(yīng)電源供電，PSM模塊架構(gòu)如圖5所示[5]。

圖5 信息交互單元PSM模塊架構(gòu)

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 信息交互單元軟件運(yùn)行機(jī)理

信息交互單元軟件配置項(xiàng)包括CPM_ARM應(yīng)用軟件(運(yùn)行于ARM處理器)、CPM_FPGA邏輯(主FPGA)、IOM_FPGA邏輯(從FPGA)，配置項(xiàng)間相互協(xié)同為各種數(shù)據(jù)提供控制管理功能，如FlexRay與CAN總線之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、FlexRay總線與RS422接口之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及模擬量數(shù)據(jù)與總線數(shù)據(jù)間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等，同時(shí)信息交互提供基于配置表的簡單邏輯處理能力。信息交互單元軟件將不同ICD的輸入數(shù)據(jù)去除其接口屬性，將數(shù)據(jù)負(fù)載進(jìn)行參數(shù)化分解與存儲，然后基于配置表規(guī)劃的信息流路徑與實(shí)時(shí)性要求將參數(shù)二次封裝為滿足系統(tǒng)ICD要求的數(shù)據(jù)包傳輸至目標(biāo)設(shè)備。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與傳輸功能主要由4個(gè)軟件功能模塊組成，分別是數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、管理維護(hù)模塊，其運(yùn)行架構(gòu)如圖6所示。

圖6 信息交互單元軟件數(shù)據(jù)處理原理

圖6中，數(shù)據(jù)采集模塊主要用于對輸入數(shù)據(jù)的采集，主要由4個(gè)數(shù)據(jù)采集引擎構(gòu)成，基于管理維護(hù)模塊傳遞的地址映射、ICD與工作模式等配置參數(shù)，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)參數(shù)的解耦操作，數(shù)據(jù)采集引擎的能力受信息交互單元硬件資源約束，因此軟件中需要設(shè)計(jì)安全邊界，防止發(fā)生數(shù)組越界，參數(shù)范圍越界等導(dǎo)致系統(tǒng)異常崩潰故障，從而對系統(tǒng)和人員安全性造成不良影響。

數(shù)據(jù)處理模塊主要用于對分解出的各種參數(shù)完成邏輯處理，包括算術(shù)邏輯與時(shí)序邏輯。管理維護(hù)模塊將邏輯處理配置表傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊，當(dāng)參數(shù)非法時(shí)數(shù)據(jù)處理模塊具備故障記錄與告警能力。

數(shù)據(jù)發(fā)送模塊管理維護(hù)模塊傳遞來的地址映射、ICD以及工作模式等配置信息，數(shù)據(jù)處理模塊輸出的參數(shù)與邏輯關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝、邏輯關(guān)聯(lián)與時(shí)序配置，最終將信息轉(zhuǎn)化為電氣接口所需的電平信號完成接口驅(qū)動。

管理維護(hù)模塊主要完成配置表信息接收、解析、配置參數(shù)二次分配，故障記錄，BIT(PUBIT/PBIT/MBIT)，人機(jī)交互等功能，最終為數(shù)據(jù)采集/處理/發(fā)送模塊提供工作所需的配置信息。

3.2 FlexRay總線驅(qū)動軟件設(shè)計(jì)

CPM模塊通過配置可以實(shí)現(xiàn)針對RS422接口、CAN總線接口與FlexRay總線接口的通信數(shù)據(jù)交互，其中與顯控裝置的FlexRay總線通信接口驅(qū)動軟件設(shè)計(jì)是關(guān)鍵技術(shù)之一。本文針對MFR4310設(shè)計(jì)了基于協(xié)議操作控制接口(protocol operation control，POC)的驅(qū)動軟件，將對POC的寄存器操作命令封裝成驅(qū)動軟件中間件，可以降低系統(tǒng)開發(fā)難度，實(shí)現(xiàn)基于用戶功能需求的FlexRay協(xié)議配置、喚醒與傳輸?shù)瓤刂乒δ堋?/p>

驅(qū)動軟件主要包括接口時(shí)序控制、初始化、服務(wù)層3個(gè)功能模塊。時(shí)序控制模塊完成針對MFR4310的物理層接口操作，建立FPGA對MFR4310的數(shù)據(jù)操作能力；初始化模塊主要完成基于維護(hù)管理模塊配置信息的POC相關(guān)寄存器配置；服務(wù)層模塊完成與數(shù)據(jù)發(fā)送模塊的邏輯與數(shù)據(jù)鏈接[7,8]。

驅(qū)動軟件包括Open、Close、Send與Receive這4個(gè)功能接口，Open基于配置信息完成初始化操作，中斷管理，Close完成關(guān)閉中斷和復(fù)位，Send完成發(fā)送數(shù)據(jù)地址映射，Receive完成接收數(shù)據(jù)地址映射與狀態(tài)信息回讀。

管理維護(hù)模塊軟件基于配置表信息，調(diào)用FlexRay總線驅(qū)動軟件完成MFR4310內(nèi)部接收FIFO緩存、獨(dú)立消息緩存與接收映射緩存的相關(guān)配置。其中，獨(dú)立消息緩存用于配置靜態(tài)段收發(fā)數(shù)據(jù)幀，而接收映射緩存用于執(zhí)行接收任務(wù)，接收FIFO用來配置沒有分配接收消息的數(shù)據(jù)幀，通常用于動態(tài)段的數(shù)據(jù)操作。

3.3 RS422波特率測量軟件設(shè)計(jì)

針對技術(shù)要求中對RS422接口進(jìn)行波特率檢測的需求，進(jìn)行波特率誤差檢測軟件設(shè)計(jì)。將RS422接口接收信號經(jīng)驅(qū)動器完成電平轉(zhuǎn)換后，由FPGA采集并分析波特率誤差，設(shè)計(jì)包括電平狀態(tài)寄存器、波特率閾值配置寄存器(單bit)、單bit脈寬FIFO(深度128)以及FIFO狀態(tài)寄存器。

其中，兩個(gè)波特率單bit閾值寄存器，用于配置任一波特率下的1 bit數(shù)據(jù)所對應(yīng)的時(shí)間長度，例如當(dāng)預(yù)期波特率為115200 bps時(shí)，1 bit數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間約為8 μs，則波特率上限寄存器配置13 μs，下限寄存器配置5 μs，當(dāng)接口捕獲信號脈寬為5 μs

3.4 模擬量采集軟件設(shè)計(jì)

模擬量采集接口是由2片AD7606構(gòu)成的16通道模擬量輸入接口，其中2片AD7606的片選與啟動轉(zhuǎn)換控制端共用。模擬量采集功能主要由FPGA實(shí)現(xiàn)，包括模擬量電壓存儲寄存器、最大值寄存器、最小值寄存器、模式選擇寄存器、采樣率配置寄存器、啟動與停止寄存器。

通過維護(hù)管理軟件模塊可以實(shí)現(xiàn)工作參數(shù)配置，主要包括采樣模式寄存器選擇AD7606工作狀態(tài)(是否過采樣)、采樣率配置寄存器，選擇系統(tǒng)所需的采集速率(范圍1 kHz～200 kHz，步進(jìn)1 kHz，精度1 Hz)。數(shù)據(jù)采集模塊軟件配置啟動與停止寄存器，使能采集后，2片AD7606同步開始采集數(shù)據(jù)，每一個(gè)通道具有3個(gè)寄存器，分別是最大值、最小值、實(shí)時(shí)值，可以通過數(shù)據(jù)采集模塊軟件訪問相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲寄存器，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理模塊軟件提供有效數(shù)據(jù)。

4 總線通信調(diào)度優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 數(shù)據(jù)流能力需求分析

信息交互單元是系統(tǒng)信息通信路徑的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其有效帶寬余量是系統(tǒng)可擴(kuò)展性的重要指標(biāo)。FlexRay總線中，每個(gè)靜態(tài)段的數(shù)據(jù)幀長度可以配置為0～254字節(jié)，根據(jù)以往型號通信ICD要求，信息交互單元控制類指令數(shù)據(jù)幀長度小于等于64字節(jié)，采集類數(shù)據(jù)幀長度一般小于128字節(jié)，因此本系統(tǒng)中信息交互單元長度選擇64字節(jié)，可以在滿足傳輸要求的前提下，能有效提升數(shù)據(jù)幀利用率[9,10]。

本文設(shè)計(jì)信息交互單元數(shù)據(jù)流周期包括10 ms、20 ms、50 ms和100 ms，通信幀更新統(tǒng)計(jì)見表1，共計(jì)23幀。選擇5 ms作為基準(zhǔn)通信周期，考慮降額設(shè)計(jì)需求保證所有數(shù)據(jù)在基準(zhǔn)周期的整數(shù)倍內(nèi)傳輸完畢，定義2個(gè)最大更新周期公倍數(shù)200 ms作為系統(tǒng)通信周期。由于系統(tǒng)總線通信周期為10 Mbps，一個(gè)靜態(tài)段64字節(jié)的耗時(shí)約為93 μs，因此考慮降額設(shè)計(jì)后選取靜態(tài)時(shí)隙為100 μs[7-9]。

表1 信息交互單元典型工況數(shù)據(jù)幀統(tǒng)計(jì)

本文中信息交互單元的通信機(jī)制全部采用靜態(tài)段時(shí)間觸發(fā)模式，不采用應(yīng)用軟件時(shí)間調(diào)度方式，可以最大程度保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與確定性。根據(jù)表1數(shù)據(jù)流量統(tǒng)計(jì)，將所有數(shù)據(jù)幀配置在23個(gè)靜態(tài)時(shí)隙中，如圖7所示。

圖7 信息交互單元時(shí)隙分配

4.2 時(shí)隙優(yōu)化控制

本文中信息交互單元采用圖7中方案時(shí)存在冗余數(shù)據(jù)發(fā)送缺陷，主要表現(xiàn)為信息交互單元采用5 ms基準(zhǔn)周期通信，所有更新周期大于5 ms的數(shù)據(jù)都按照基準(zhǔn)周期重復(fù)冗余發(fā)送，例如100 ms周期發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，在100 ms內(nèi)被重復(fù)發(fā)送19次，因此圖7方案導(dǎo)致總線有效帶寬降低，不利于系統(tǒng)擴(kuò)展。

針對帶寬浪費(fèi)問題，本文基于MFR4310協(xié)議處理器開展時(shí)隙優(yōu)化控制。該處理器具備兩種時(shí)鐘，其中T1為絕對時(shí)鐘，T2為可配置時(shí)鐘(絕對/相對)。T1與T2均可以配置為循環(huán)模式，時(shí)鐘溢出可觸發(fā)可屏蔽中斷，定時(shí)器配置關(guān)系如式(1)與式(2)所示，T1采用總線周期和宏節(jié)拍作為時(shí)基，其中宏節(jié)拍與微節(jié)拍相對應(yīng)。微節(jié)拍是總線協(xié)議棧中最小時(shí)間單位，其與晶振周期量級相同，宏節(jié)拍是N個(gè)微節(jié)拍組成的一個(gè)宏觀時(shí)間，總線中每個(gè)通信周期都是由M個(gè)宏節(jié)拍組成，因此每個(gè)通信周期宏節(jié)拍的范圍最大是M，通信周期數(shù)值量化范圍是0～63[10,11]

CCYC&TI1CYCMSK=TI1CYCVAL&TI1CYCMSK

(1)

CMT&TI1MTMSK=TI1MTVAL&TI1MTMSK

(2)

式中：CCYC和CMT為周期計(jì)與宏節(jié)拍計(jì)數(shù)器，TI1CYCVAL與TI1MTVAL為定時(shí)器T1配置溢出參數(shù)，TI1CYCMSK與TI1MTMSK為掩碼參數(shù)。

本文信息交互單元的時(shí)間調(diào)度優(yōu)化方案中，將T1的配置溢出參數(shù)設(shè)置為0，掩碼參數(shù)也配置為0，此時(shí)每個(gè)通信周期起始就觸發(fā)定時(shí)器T1中斷，實(shí)現(xiàn)5 ms中斷一次，在定時(shí)器中斷中對表1中的4種周期時(shí)隙進(jìn)行動態(tài)使能與禁止，優(yōu)化后的時(shí)序關(guān)系如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后的通信時(shí)序關(guān)系

圖8中，方格代表基準(zhǔn)周期計(jì)數(shù)，方格中的數(shù)字10、20、50、100代表表1中4種周期通信任務(wù)，例如編號0方格，表示該周期內(nèi)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀為10 ms、20 ms、50 ms與100 ms周期任務(wù)數(shù)據(jù)，方格20表示該周期內(nèi)發(fā)送10 ms與50 ms周期任務(wù)數(shù)據(jù)，通過每個(gè)5 ms基準(zhǔn)周期配置不同通信任務(wù)周期數(shù)據(jù)的使能與禁止實(shí)現(xiàn)動態(tài)時(shí)隙優(yōu)化控制，可有效降低總線負(fù)載冗余數(shù)據(jù)，提升帶寬利用率[12]。

5 測試驗(yàn)證與分析

針對基于信息交互單元的老型號裝備升級后平臺開展測試分析，結(jié)果見表2。

表2 測試驗(yàn)證與分析結(jié)果

針對基于信息交互單元FlexRay總線與CAN總線樣機(jī)，測試對比數(shù)據(jù)見表3。其中，在FlexRay樣機(jī)平臺，通過合理規(guī)劃FlexRay總線周期調(diào)度，采用時(shí)隙優(yōu)化控制技術(shù)，降低數(shù)據(jù)通信周期中的冗余消息發(fā)送，可以有效地降低總線負(fù)載，提升通信效率[11,12]。

為進(jìn)一步驗(yàn)證該平臺的通用性，基于FlexRay總線的信息交互單元，構(gòu)建出半物理仿真環(huán)境，選擇環(huán)控系統(tǒng)中的輔助冷卻系統(tǒng)作為典型應(yīng)用場景。輔助冷卻系統(tǒng)由沖壓空氣單元、蒸發(fā)循環(huán)制冷單元、液體冷卻回路3部分構(gòu)成。其中沖壓空氣單元由沖壓空氣作動器、沖壓空氣出口抽氣風(fēng)扇、出口單向活門等部件組成；蒸發(fā)制冷單元由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、電子膨脹活門、冷凝器、回?zé)崞鞯炔考M成；液體冷卻回路由液體散熱器、發(fā)熱元件(電子設(shè)備艙、大功率電子設(shè)備)、泵組件等組成，測試架構(gòu)如圖9所示，其中環(huán)控輔助冷卻系統(tǒng)半物理仿真設(shè)備主要用于運(yùn)行輔助冷卻系統(tǒng)物理域模型，驅(qū)動板卡產(chǎn)生激勵(lì)與接收控制指令；實(shí)時(shí)仿真機(jī)運(yùn)行嵌入式綜合處理軟件，模擬分布式控制架構(gòu)；信息交互單元實(shí)物是系統(tǒng)控制算法與輔助冷卻系統(tǒng)物理域信息的橋梁，作為遠(yuǎn)程測控終端完成信號采集、指令轉(zhuǎn)發(fā)與數(shù)據(jù)傳輸。

表3 CAN總線樣機(jī)與FlexRay總線樣機(jī)對比

圖9 輔助冷卻系統(tǒng)典型工況半物理仿真架構(gòu)

系統(tǒng)測試動態(tài)監(jiān)控界面如圖10所示。其中，信息交互單元主要功能為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)發(fā)送、管理維護(hù)，實(shí)現(xiàn)環(huán)控輔助冷卻系統(tǒng)半物理仿真設(shè)備與綜合控制軟件之間的數(shù)據(jù)交互。在本典型測試應(yīng)用中，信息交互單元最小控制周期5 ms，啟動時(shí)間小于300 ms，滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求，數(shù)據(jù)負(fù)載占用率最高12.7%，采用時(shí)隙優(yōu)化控制技術(shù)后，負(fù)載占用率降低至7.1%，降低冗余信息帶寬占用，有效提升了系統(tǒng)余量。

圖10 信息交互單元的輔助冷卻系統(tǒng)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)

6 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)車載平臺機(jī)電綜合化性能提升需求，設(shè)計(jì)了基于FlexRay總線的信息交互單元，以模塊化思想構(gòu)建了基于SPI總線的信息交互單元架構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)了各功能模塊的軟硬件設(shè)計(jì)與研制。計(jì)算分析與測試驗(yàn)證結(jié)果表明，適配FlexRay總線的信息交互單元可以滿足裝備改造及性能提升要求，相比于傳統(tǒng)車載機(jī)電架構(gòu)，基于信息交互單元的升級方案大幅提升了系統(tǒng)的可靠性與實(shí)時(shí)性，并有效提升了整機(jī)級輕量化與模塊化水平，該方案為特種車輛平臺的性能提升提供了有效解決措施。