黎玉剛，時(shí)昊天，張 鵬，吳必成，史嘉昭，李 平

(1 西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，陜西 西安 710065；2 陸軍裝備部駐西安地區(qū)第七軍代室，陜西 西安 710065)

0 引言

FlexRay作為高速實(shí)時(shí)傳輸總線,逐漸在車(chē)輛、武器裝備等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在武器系統(tǒng)中,信息交聯(lián)復(fù)雜、節(jié)點(diǎn)眾多、電氣特性各異等特點(diǎn)[1],以及武器系統(tǒng)發(fā)射、檢測(cè)設(shè)備的接入等工況造成的總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?給FlexRay總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn),需要構(gòu)建一種支持多節(jié)點(diǎn)互聯(lián)、各端口信號(hào)特性一致的高速實(shí)時(shí)總線信息交換系統(tǒng)。

總線型FlexRay網(wǎng)絡(luò)具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)難度低、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn),但端節(jié)點(diǎn)需要增加匹配電阻。若采用總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制性,武器系統(tǒng)的遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn),如彈上節(jié)點(diǎn),通常存在分離工況,導(dǎo)致系統(tǒng)的阻抗特性難以確定,這給總線的阻抗匹配設(shè)計(jì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。

無(wú)源星型網(wǎng)絡(luò)的中心本質(zhì)上為一個(gè)焊點(diǎn),各分支的長(zhǎng)度理論上要求盡可能相等,其中某一分支遭遇故障時(shí)會(huì)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生物理擾動(dòng),甚至崩潰,這給實(shí)際的應(yīng)用帶來(lái)一定的隱患。典型的武器系統(tǒng)FlexRay網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 FlexRay典型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?Fig.1 Typical FlexRay network topology

文獻(xiàn)[2]搭建了FlexRay總線測(cè)控系統(tǒng),提高了測(cè)試與控制的實(shí)時(shí)性。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了總線型FlexRay網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳⑦M(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證,結(jié)果表明FlexRay在高精度實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域可以充分發(fā)揮其性能。文獻(xiàn)[4]分析了FlexRay在測(cè)發(fā)控系統(tǒng)中應(yīng)用的技術(shù)要點(diǎn),提出了多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[5]針對(duì)彈上分布式點(diǎn)火需求,設(shè)計(jì)了一種星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?解決了分立器件點(diǎn)火控制的問(wèn)題。在航空航天領(lǐng)域,文獻(xiàn)[6]提出了一種基于FlexRay的無(wú)人機(jī)航電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,以總線型FlexRay和以太網(wǎng)混合的傳輸方式,實(shí)現(xiàn)了高可靠數(shù)據(jù)和大容量數(shù)據(jù)的傳輸。文獻(xiàn)[7]提出了一種基于FlexRay的運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,驗(yàn)證在20 m傳輸距離時(shí),FlexRay總線仍可穩(wěn)定通信。文獻(xiàn)[8] 分析了FlexRay在航天領(lǐng)域應(yīng)用的可行性,并提出了一種基于FPGA+FlexRay的航天總線架構(gòu)處理模式。但在上述研究中,針對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)失效、分離、并入等特殊工況未做考慮,已有的拓?fù)湓O(shè)計(jì)方案難以適用彈地一體化總線通信場(chǎng)景。

文中針對(duì)武器系統(tǒng)工作特點(diǎn)及總線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題,開(kāi)展FlexRay有源星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)研究,以有源收發(fā)器互聯(lián)方式組成陣列式收發(fā)模塊,并集成一對(duì)冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn),對(duì)各節(jié)點(diǎn)間的信號(hào)傳輸一致性、阻抗匹配均衡性、網(wǎng)絡(luò)通信穩(wěn)健性帶來(lái)一定的保障?；诖罱ǖ腇lexRay Hub星型集線器設(shè)備,開(kāi)展總線星型網(wǎng)絡(luò)信號(hào)仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn),完成武器系統(tǒng)半實(shí)物信號(hào)仿真測(cè)試,滿足彈地一體化的信息傳輸需求。

1 星型架構(gòu)設(shè)計(jì)

武器系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的典型使用場(chǎng)景如圖2所示,中間部分為基于有源星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的FlexRay Hub星型集線器設(shè)備。

圖2 基于FlexRay的武器系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)典型使用場(chǎng)景Fig.2 Weapon system network typically uses scenarios based on FlexRay bus

FlexRay Hub主要由主控單元、總線冷啟動(dòng)單元、有源星型收發(fā)陣列、故障監(jiān)測(cè)模塊、電源模塊、殼體結(jié)構(gòu)件以及參數(shù)配置軟件等組成?；谠撔切图軜?gòu),用戶可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置軟件進(jìn)行參數(shù)定義,建立符合應(yīng)用需求的總線通信網(wǎng)絡(luò)。該有源星型收發(fā)陣列支持外部節(jié)點(diǎn)數(shù)為20的連接,通過(guò)VPX板間連接器連接至外部設(shè)備進(jìn)行信息收發(fā),可通過(guò)VPX接口進(jìn)行通信程序燒寫(xiě)。FlexRay Hub有源星集線器組成如圖3所示。

圖3 Hub系統(tǒng)組成圖Fig.3 Hub system composition

1.1 主控單元

主控單元采用LCR3209型多功能集成電路,片上采用ARM Cortex-R4處理器,該主控單元片上集成了兩路FlexRay協(xié)議控制器,可實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)節(jié)點(diǎn),共計(jì)4個(gè)通道的FlexRay總線傳輸控制,可獨(dú)立配置為主機(jī)或者從機(jī),支持最大傳輸速率10 Mbit/s。

1.2 總線冷啟動(dòng)單元

為保證接入FlexRay Hub設(shè)備的各節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)通信熱插拔,設(shè)置開(kāi)啟兩個(gè)固定的冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn),組成冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)對(duì),在設(shè)備上電時(shí)即完成FlexRay網(wǎng)絡(luò)的喚醒及啟動(dòng)過(guò)程[9],兩個(gè)冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中分別占用時(shí)隙1和時(shí)隙2發(fā)送節(jié)點(diǎn)信息及同步信號(hào)。

在網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)過(guò)程中,節(jié)點(diǎn)1作為主動(dòng)冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)起啟動(dòng)監(jiān)聽(tīng),節(jié)點(diǎn)2作為隨動(dòng)冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn),回應(yīng)啟動(dòng)監(jiān)聽(tīng)并完成網(wǎng)絡(luò)加盟,總線的喚醒及啟動(dòng)時(shí)序如圖4所示。冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)對(duì)的設(shè)置保證了Hub在上電啟動(dòng)后即可獨(dú)立的完成網(wǎng)絡(luò)的建立,無(wú)需外部節(jié)點(diǎn)的輔助啟動(dòng),其他設(shè)備可實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的隨遇加入與斷開(kāi),同時(shí)保證主網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)不受任何外部干擾。

圖4 總線喚醒及啟動(dòng)時(shí)序Fig.4 Bus wake up and start-up sequence

網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)完成后,外部的同步節(jié)點(diǎn)通過(guò)VPX接口接入總線網(wǎng)絡(luò)后,監(jiān)聽(tīng)總線上的數(shù)據(jù)并嘗試接收FlexRay數(shù)據(jù)幀,接收到數(shù)據(jù)后發(fā)送自身的同步幀信號(hào),完成自身與總線網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步校正。

1.3 有源星型收發(fā)陣列

FlexRay有源星型收發(fā)陣列的組成單元采用NXP公司的TJA1080A芯片,該芯片支持最高10 Mbit/s的收發(fā)速率,各芯片間通過(guò)星型內(nèi)部總線TRxD0、TRxD1管腳的相接,形成有源星型收發(fā)陣列,各收發(fā)器的信號(hào)發(fā)送接收管腳BP/BM預(yù)留并連接至外部節(jié)點(diǎn),完成各節(jié)點(diǎn)間通信數(shù)據(jù)的等效轉(zhuǎn)發(fā),其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 收發(fā)陣列結(jié)構(gòu)Fig.5 Transceiver array structure

終端匹配電阻采用分離端接方式,采用兩個(gè)高精度47 Ω電阻,中點(diǎn)連接電容,為共模信號(hào)提供通路?？偩€收發(fā)器與終端電阻之間連接高速共模扼流圈ACM4532,以有效增強(qiáng)系統(tǒng)EMC性能。

為保證各外部節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定實(shí)時(shí)通信,如圖1所示的拓?fù)鋬?nèi)需滿足線纜長(zhǎng)度約束,以m為單位可用如式(1)、式(2)表示。在降低通信速率至5～2.5 Mbit/s的情況下,網(wǎng)絡(luò)對(duì)線纜長(zhǎng)度的容忍性可一定程度延長(zhǎng)[10],因此應(yīng)盡可能縮短收發(fā)器與接口在板內(nèi)的走線長(zhǎng)度。

(1)

max(Lbus,i+Lbus,j)≤24

(2)

收發(fā)器通過(guò)TRxD0和TRxD1管腳上的電平判斷是否進(jìn)入星型拓?fù)渑渲?。在該配置?收發(fā)器自適應(yīng)轉(zhuǎn)換至數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)工作狀態(tài),片上ERRN引腳在芯片工作故障時(shí)進(jìn)行低電平置位,將各芯片的ERRN引腳電平信號(hào)采集,并通過(guò)并行信號(hào)轉(zhuǎn)串行信號(hào)的方式,實(shí)現(xiàn)對(duì)所有收發(fā)器的故障監(jiān)測(cè)功能。其收發(fā)陣列的故障監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)如圖6所示。其中,并行轉(zhuǎn)串行信號(hào)模塊采用CD54HC165芯片,該芯片支持將8路并行信號(hào)轉(zhuǎn)換為1路串行信號(hào),可以通過(guò)級(jí)聯(lián)的方式將兩個(gè)及以上的并轉(zhuǎn)串芯片相接,文中通過(guò)三級(jí)級(jí)聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)24路并行信號(hào)至串行信號(hào)的轉(zhuǎn)換,再由數(shù)字隔離芯片連接至主控單元,節(jié)省了主控單元對(duì)收發(fā)器故障信號(hào)監(jiān)測(cè)的管腳開(kāi)支。

圖6 收發(fā)陣列故障監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)Fig.6 Transceiver array fault monitoring design

1.4 總線信號(hào)隔離設(shè)計(jì)

在架構(gòu)設(shè)計(jì)中,各類(lèi)信號(hào)的有效隔離對(duì)總線通信質(zhì)量影響較大,并直接決定著有源星架構(gòu)所連接的各個(gè)節(jié)點(diǎn)間傳遞信號(hào)的優(yōu)劣。該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)硬件地主要包含:電源地、殼體地、設(shè)備地、總線傳輸?shù)氐?為增強(qiáng)各功能塊的信號(hào)傳輸質(zhì)量,各個(gè)地間通過(guò)隔離模塊等方式進(jìn)行直接或間接隔離。

信號(hào)隔離設(shè)計(jì)如圖7所示,總線傳輸?shù)嘏c設(shè)備地通過(guò)數(shù)字隔離芯片ISO7241將兩個(gè)冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)的收發(fā)控制信號(hào)及故障監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行隔離,供電采用具有隔離功能的電源模塊,產(chǎn)生兩路完全隔離的電源分別供至主控單元及有源星收發(fā)陣列,3個(gè)地分別通過(guò)電容與殼體地構(gòu)成高頻回路。有源星型收發(fā)陣列所支持的20路FlexRay傳輸通道通過(guò)VPX接口,與外部節(jié)點(diǎn)設(shè)備的總線傳輸?shù)貥?gòu)成連通,傳輸線纜的屏蔽層與殼體地相連接。

圖7 信號(hào)隔離設(shè)計(jì)Fig.7 Signal isolation design

1.5 軟件協(xié)議設(shè)計(jì)

為保證武器系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)能在接入總線時(shí)順利加入通信傳輸循環(huán),冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)所建立的網(wǎng)絡(luò)需與實(shí)際武器系統(tǒng)需求的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)保持一致[11]。冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2在啟動(dòng)后完成通道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及其他自定義數(shù)據(jù)的發(fā)送,以實(shí)現(xiàn)總線的時(shí)鐘匹配。此設(shè)計(jì)方案可以使得所有外部節(jié)點(diǎn)故障或分離時(shí),網(wǎng)絡(luò)不僅能正常運(yùn)行,而且支持外部節(jié)點(diǎn)的隨遇并入,通信穩(wěn)定性大幅提高。

2 總線信號(hào)仿真

為保證采用該有源星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠有效提升武器系統(tǒng)FlexRay網(wǎng)絡(luò)信號(hào)質(zhì)量,對(duì)異常或分離/并入節(jié)點(diǎn)具有信號(hào)隔離效果。

采用Saber仿真軟件分別對(duì)無(wú)源星型網(wǎng)絡(luò)和有源星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行信號(hào)仿真。其中無(wú)源星型網(wǎng)絡(luò)采用6節(jié)點(diǎn)等距連接方式,分支線纜長(zhǎng)度1 m,有源星型網(wǎng)絡(luò)采用6節(jié)點(diǎn)不等距連接方式,分支線纜長(zhǎng)度分別為5 m和10 m。無(wú)緣星型的電氣連接方式及連接拓?fù)淙鐖D8所示。

圖8 無(wú)源星型網(wǎng)絡(luò)仿真拓?fù)銯ig.8 Passive star network simulation topology

圖8中,節(jié)點(diǎn)1的電子控制單元ECU發(fā)送信號(hào),經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)1收發(fā)芯片的發(fā)送,于其它5個(gè)節(jié)點(diǎn)的接收端進(jìn)行信號(hào)監(jiān)測(cè),得出的無(wú)源星型信號(hào)仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 無(wú)源星型網(wǎng)絡(luò)信號(hào)仿真Fig.9 Passive star network signal simulation

基于圖5有源星型收發(fā)陣列架構(gòu)圖,進(jìn)行Saber信號(hào)仿真,分別于6個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)收發(fā)端進(jìn)行監(jiān)測(cè),結(jié)果如圖10所示。

圖10 有源星型網(wǎng)絡(luò)信號(hào)仿真Fig.10 Active star network signal simulation

由兩圖對(duì)比可知,基于該有源星型架構(gòu)的FlexRay總線拓?fù)淇梢栽鰪?qiáng)型號(hào)穩(wěn)定性,相比于無(wú)源星型網(wǎng)絡(luò),總線各節(jié)點(diǎn)間電氣獨(dú)立性更強(qiáng),信號(hào)質(zhì)量對(duì)分支線纜的距離影響不敏感,各節(jié)點(diǎn)間接收到的信號(hào)質(zhì)量無(wú)明顯區(qū)別。

3 集成測(cè)試

將文中設(shè)計(jì)的FlexRay Hub有源星型系統(tǒng)與示波器構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng),對(duì)掛載四節(jié)點(diǎn)的FlexRay有源星型總線系統(tǒng)的信號(hào)進(jìn)行捕捉,實(shí)驗(yàn)采用的主要網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如表1所示。

表1 主要網(wǎng)絡(luò)參數(shù)Table 1 Main network parameters

實(shí)驗(yàn)采用10 ms為通信循環(huán)周期,每個(gè)周期包含80個(gè)靜態(tài)時(shí)隙,不使用動(dòng)態(tài)時(shí)隙,每個(gè)靜態(tài)時(shí)隙有效負(fù)載為100 bit。外部節(jié)點(diǎn)時(shí)隙配置中,初始化1號(hào)～9號(hào)、14號(hào)、15號(hào)時(shí)隙,每個(gè)時(shí)隙中包含2個(gè)有效字節(jié),其余字節(jié)不填充數(shù)據(jù),其波形如圖11所示,示波器通道1、通道2分別為總線差分信號(hào)BP/BM。波形表明,基于該有源星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的FlexRay通信系統(tǒng)可以有效支撐多節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信。

圖11 通信循環(huán)視角波形圖Fig.11 Waveform diagram in communication cycle scale

在4個(gè)節(jié)點(diǎn)正常通信的過(guò)程中,對(duì)節(jié)點(diǎn)3進(jìn)行通信分離,并觀測(cè)其他節(jié)點(diǎn)瞬時(shí)的波形變化,波形如圖12所示。在總線系統(tǒng)正常運(yùn)行的過(guò)程中,將節(jié)點(diǎn)3接入總線網(wǎng)絡(luò)中,觀測(cè)其信號(hào)波形,如圖13所示。

圖12 節(jié)點(diǎn)分離瞬間總線信號(hào)Fig.12 Node separation instantaneous bus signal

圖13 節(jié)點(diǎn)加入總線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)圖Fig.13 The signal diagram when the node joins the bus network

由圖12可知,基于該有源星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的FlexRay通信系統(tǒng)在部分節(jié)點(diǎn)熱插拔方式退出總線網(wǎng)絡(luò)時(shí),可以保證網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的信號(hào)不受干擾。由圖13可知,在網(wǎng)絡(luò)正常通信過(guò)程中,其他同步節(jié)點(diǎn)可以任意加入網(wǎng)絡(luò)中,快速完成時(shí)鐘及信息的同步,并正常參與總線通信循環(huán)。

4 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)了一種基于FlexRay總線的武器系統(tǒng)有源星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),構(gòu)建了有源星型收發(fā)器陣列,搭建了FlexRay Hub星型集線器設(shè)備,設(shè)備內(nèi)集成兩個(gè)總線協(xié)議控制器作為冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn),并完成軟硬件實(shí)現(xiàn)。基于該星型架構(gòu),開(kāi)展了節(jié)點(diǎn)數(shù)為6的信號(hào)仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)和節(jié)點(diǎn)數(shù)為4的半實(shí)物通信實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明該星型架構(gòu)極大的降低了武器系統(tǒng)FlexRay通信網(wǎng)絡(luò)的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度,相較于總線型、無(wú)源星型網(wǎng)絡(luò),提升了節(jié)點(diǎn)分離、并入等特殊工況下總線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的穩(wěn)定性。