李歡麗，李 平，張 楊，時(shí)昊天，馮文韜，吳馨遠(yuǎn)

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，西安 710065)

0 引言

隨著武器裝備信息化、智能化程度不斷提高,原來大量使用的RS422、CAN、1553B等總線傳輸帶寬已逐漸不能滿足系統(tǒng)的傳輸需求。 而FlexRay總線的最大傳輸速率為20 Mbps[1-3],且有較高的可靠性[4-5];同時(shí),具有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種訪問機(jī)制,使用靈活,實(shí)時(shí)性高[6],因此逐步在武器裝備中得到應(yīng)用。文獻(xiàn)[7]從高碼率、高可靠性及高實(shí)時(shí)性方面分析了FlexRay總線可適用于運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng),并基于FlexRay總線設(shè)計(jì)了運(yùn)載火箭火箭總線網(wǎng)絡(luò)。文獻(xiàn)[8-9]使用FlexRay總線開展了無人機(jī)飛控系統(tǒng)研究,設(shè)計(jì)FlexRay總線通信節(jié)點(diǎn),并對(duì)FlexRay總線通信性能進(jìn)行測試,其通信速率、通信效率、實(shí)時(shí)性等方面都較CAN總線具有優(yōu)越性。而FlexRay總線的應(yīng)用也隨之帶來了大量的測試需求。目前,傳統(tǒng)測試較多采用Vector公司研發(fā)的CANoe進(jìn)行總線測試,可模擬節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收發(fā);文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了一種基于CPCI架構(gòu)的FlexRay總線仿真測試系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了從協(xié)議層面進(jìn)行多節(jié)點(diǎn)不同速率、不同拓?fù)涞目偩€網(wǎng)絡(luò)仿真、節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)收發(fā)等功能。文中從工程實(shí)踐角度,在協(xié)議層測試的基礎(chǔ)上,提出了總線協(xié)議層+物理層多層級(jí)測試方法,并設(shè)計(jì)了一種集協(xié)議層、物理層測試于一體的FlexRay總線測試系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)從物理層測試對(duì)總線的傳輸品質(zhì)、從協(xié)議層對(duì)總線的數(shù)據(jù)傳輸性能的測試。

1 測試方法

協(xié)議層+物理層多層級(jí)測試方法主要由傳統(tǒng)的FlexRay總線協(xié)議層測試[11]與文中提出的物理層測試相結(jié)合,如圖1所示。

圖1 協(xié)議層+物理層多層級(jí)測試方法Fig.1 Protocol level+physical level multilevel test method

1.1 協(xié)議層測試方法

協(xié)議層測試主要功能為模擬發(fā)控、飛控、慣導(dǎo)等電子部件的FlexRay總線節(jié)點(diǎn)通信,按照規(guī)定流程及協(xié)議收發(fā)數(shù)據(jù),并且可作為監(jiān)測節(jié)點(diǎn),對(duì)FlexRay總線數(shù)據(jù)采集記錄及存儲(chǔ),為測試提供數(shù)據(jù)支撐,協(xié)議層測試原理圖見圖2所示,R0與R1為FlexRay總線的匹配負(fù)載。

圖2 協(xié)議層測試方法原理圖Fig.2 Schematic diagram for protocol level test method

1.2 物理層測試方法

物理層測試主要功能為通過產(chǎn)生方波、正弦波等模擬量激勵(lì)信號(hào),注入被測FlexRay傳輸介質(zhì)(如雙絞線),利用示波器采集注入信號(hào)與特定節(jié)點(diǎn)的輸出信號(hào),計(jì)算得出傳輸介質(zhì)的傳輸損耗、傳輸延遲等參數(shù),從而評(píng)估被測傳輸介質(zhì)的傳輸品質(zhì),物理層測試原理圖見圖3所示,R0與R1為FlexRay總線的匹配負(fù)載,R為被測傳輸介質(zhì)的等效阻抗。

圖3 物理層測試方法原理圖Fig.3 Schematic diagram for physical level test method

2 硬件設(shè)計(jì)

FlexRay總線測試系統(tǒng)主要由主控單元、總線收發(fā)及模擬信號(hào)激勵(lì)單元組成。

2.1 主控單元

主控單元選用標(biāo)準(zhǔn)的工控計(jì)算機(jī),通過PCIe接口與總線收發(fā)及模擬信號(hào)激勵(lì)單元相連接,在主控單元上完成測試數(shù)據(jù)的輸入、顯示、存儲(chǔ)等功能。

2.2 總線收發(fā)及模擬信號(hào)激勵(lì)單元

總線收發(fā)及模擬信號(hào)激勵(lì)單元用于實(shí)現(xiàn)總線協(xié)議層數(shù)據(jù)的收發(fā)及激勵(lì)信號(hào)的生成,由FPGA模塊、時(shí)鐘模塊、存儲(chǔ)模塊、FlexRay總線收發(fā)模塊、信號(hào)生成與調(diào)理模塊、電源模塊、對(duì)外接口等組成。

總線收發(fā)及模擬信號(hào)激勵(lì)單元硬件框圖見圖4所示。

圖4 硬件框圖Fig.4 Hardware block diagram

2.2.1 FPGA模塊

為實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)處理,FPGA模塊采用Xilinx K7系列的XC7K325T-2FFG676I芯片作為處理核心。其采用28 nm工藝,可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的性能功耗比和最大的設(shè)計(jì)靈活性,具有高達(dá)326 080個(gè)邏輯單元以及速率最高可達(dá)12.5 Gbps的收發(fā)器。為實(shí)現(xiàn)上電后的準(zhǔn)確配置,采用主動(dòng)串行加載方式,使用MT25QL256做配置存儲(chǔ),總線選用SPI×4模式,總線速率為50 Mbps,可提高FPGA加載速度。

2.2.2 存儲(chǔ)模塊

存儲(chǔ)模塊采用MT41J256M16HA,單片內(nèi)存容量是512 MB,工作頻率為800 MHz,設(shè)計(jì)兩片構(gòu)成1 GB存儲(chǔ)容量。

2.2.3 FlexRay總線收發(fā)模塊

FlexRay總線收發(fā)模塊作為FlexRay總線節(jié)點(diǎn),模擬節(jié)點(diǎn)通訊功能,按照規(guī)定流程和協(xié)議收發(fā)數(shù)據(jù),測試總線工作狀態(tài)。也可配置為監(jiān)測節(jié)點(diǎn),對(duì)總線數(shù)據(jù)進(jìn)行采集記錄,并可對(duì)數(shù)據(jù)幀添加時(shí)標(biāo)。FlexRay總線收發(fā)模塊采用總線控制器+隔離器+總線收發(fā)器架構(gòu),其中總線控制器采用NXP公司的MFR4310芯片,該芯片符合FlexRay通信系統(tǒng)協(xié)議規(guī)范V2.1A,可配置為2.5 Mbps、5 Mbps、8 Mbps和10 Mbps通信速率。總線收發(fā)器采用TJA1083,TJA1083支持FlexRay物理層V3.0.1標(biāo)準(zhǔn)。隔離器采用ADUM1402,實(shí)現(xiàn)收發(fā)器與控制器間的電氣隔離,避免外部干擾損壞內(nèi)部芯片。

2.2.4 信號(hào)生成與調(diào)理模塊

對(duì)物理層的測試需要向傳輸介質(zhì)注入特定的信號(hào),利用信號(hào)生成與調(diào)理模塊可向傳輸介質(zhì)注入正弦波、方波、三角波三類信號(hào),結(jié)合示波器可對(duì)傳輸品質(zhì)進(jìn)行有效測量和評(píng)估。

信號(hào)生成與調(diào)理模塊主要包含波形發(fā)生器和調(diào)理電路,采用ADI公司的AD9833芯片。該芯片是一款低功耗、可編程波形發(fā)生器,能產(chǎn)生正弦波、三角波和方波,在頻率激勵(lì)和波形發(fā)生場景中有廣泛的應(yīng)用。

調(diào)理電路主要采用ADA4891運(yùn)放+TLP0401可編程電阻器,用于實(shí)現(xiàn)最高10 MHz的信號(hào)調(diào)理,并且通過TLP0401可編程電阻器來調(diào)整輸出端運(yùn)放放大倍數(shù)從而達(dá)到輸出幅值可控的要求。

2.2.5 供配電

FlexRay總線測試系統(tǒng)輸入電源為220 V、50 Hz的市電,經(jīng)過電源模塊將PCIe所需的供電進(jìn)行轉(zhuǎn)換,提供各部分模塊所需的電壓和電流,根據(jù)FPGA模塊、FlexRay總線收發(fā)模塊、信號(hào)生成與調(diào)理模塊等主要模塊進(jìn)行功率統(tǒng)計(jì),并按照電源轉(zhuǎn)換效率為80%計(jì)算,所需功率為15 W。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件分為上位機(jī)軟件與下位機(jī)軟件,其中上位機(jī)軟件運(yùn)行于windows7平臺(tái),下位機(jī)軟件運(yùn)行于FPGA中,二者通過PCIe總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。軟件架構(gòu)圖見圖5所示。

圖5 軟件架構(gòu)圖Fig.5 Software architecture

3.1 上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件包括Windows驅(qū)動(dòng)程序、主控軟件,主控軟件通過PCIe配置FlexRay總線工作模式、工作速率,模擬信號(hào)幅值、頻率等參數(shù)。參數(shù)配置軟件界面見圖6所示,激勵(lì)信號(hào)參數(shù)配置軟件界面設(shè)計(jì)見圖7所示。

圖6 FlexRay參數(shù)配置軟件界面設(shè)計(jì)Fig.6 Interface design for FlexRay parameter configuration software

圖7 激勵(lì)信號(hào)參數(shù)配置軟件界面設(shè)計(jì)Fig.7 Interface design for excitation signal parameter configuration software

3.2 下位機(jī)軟件

下位機(jī)軟件主要由FPGA實(shí)現(xiàn),FPGA總共設(shè)計(jì)了LocalBus、SPI、PCIe、AXI總線、BIT 5個(gè)軟件模塊,用于實(shí)現(xiàn)與主控單元、各子模塊的信息交互。各個(gè)模塊的信息交互見圖8所示。

圖8 下位機(jī)軟件模塊信息交互圖Fig.8 Information for software module of slave computers

其中LocalBus軟件模塊用于實(shí)現(xiàn)地址線、數(shù)據(jù)線、控制線控制,完成與MFR4310的數(shù)據(jù)交互;SPI軟件模塊用于連接AD9833,主控單元對(duì)AD9833和數(shù)字電位器的操作指令由FPGA轉(zhuǎn)換成SPI總線時(shí)序?qū)ζ溥M(jìn)行控制;PCIe軟件模塊用于與主控單元進(jìn)行信息交互,主控單元下發(fā)的指令和數(shù)據(jù)經(jīng)PCIe軟件模塊傳遞給FPGA模塊,同時(shí)FPGA模塊將需要顯示和記錄的數(shù)據(jù)通過PCIe軟件模塊上傳給主控單元;AXI軟件模塊在FPGA內(nèi)部起到中間橋梁的作用,通過AXI接口把板卡上的各設(shè)備映射到不同的地址空間,實(shí)現(xiàn)主控單元端驅(qū)動(dòng)訪問板卡上的設(shè)備快速便捷。

4 測試驗(yàn)證

將設(shè)計(jì)的FlexRay總線測試系統(tǒng)、被測試的FlexRay總線通訊節(jié)點(diǎn)與示波器構(gòu)成集成測試驗(yàn)證系統(tǒng),對(duì)FlexRay總線測試系統(tǒng)的物理層及協(xié)議層測試功能進(jìn)行測試驗(yàn)證。

物理層測試控制界面見圖9所示,可針對(duì)相應(yīng)通道配置輸出波形類型(正弦波或方波)、輸出模式(單次輸出或連續(xù)輸出)、輸出電壓以及輸出頻率等參數(shù)。設(shè)置輸出波形為正弦波、輸出電壓為1 V條件下,測試傳輸介質(zhì)所輸出信號(hào)的品質(zhì)。

圖9 模擬量測試控制界面Fig.9 Test control interface for analog signal

用示波器采集FlexRay測試系統(tǒng)輸出的信號(hào)與FlexRay節(jié)點(diǎn)測試點(diǎn)的信號(hào),如圖10所示,黃色曲線表示FlexRay測試系統(tǒng)輸出的信號(hào),綠色曲線表示FlexRay節(jié)點(diǎn)測試點(diǎn)的信號(hào)?？梢钥闯?測試點(diǎn)輸出信號(hào)的延遲時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)偏差為172.45 ns,表明所測試的FlexRay總線的傳輸介質(zhì)延遲時(shí)間在百ns級(jí),滿足信號(hào)的傳輸要求,因此該傳輸介質(zhì)可正常傳輸FlexRay信號(hào)。

圖10 物理層測試結(jié)果Fig.10 Physical level test results

協(xié)議層測試,通過在FlexRay總線測試系統(tǒng)的控制軟件上完成總線參數(shù)配置、控制芯片參數(shù)配置、消息配置等內(nèi)容后,通過運(yùn)行控制軟件驗(yàn)證了控制流程、協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)的正確性;其在示波器上采集輸出的FlexRay信號(hào)特性的正確性,電壓的峰-峰值為4.56 V,如圖11所示。

5 結(jié)論

文中提出了總線協(xié)議層+物理層多層級(jí)測試方法,并設(shè)計(jì)了一種集協(xié)議層、物理層測試于一體的FlexRay總線測試系統(tǒng),極大的提高了FlexRay總線的測試覆蓋性,測試結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠完成FlexRay總線的多種指標(biāo)測試,對(duì)武器裝備的研制起到了積極的支撐作用。