基于Flexray總線(xiàn)的車(chē)載指揮控制任務(wù)計算機的設計與實(shí)現

摘要：文章針對車(chē)載指揮控制任務(wù)計算機的特殊需求，提出了一種以PowerPC處理器為控制核心，以CPCI總線(xiàn)作為系統背板總線(xiàn)，FlexRay作為通訊總線(xiàn)的系統設計方案。經(jīng)過(guò)試驗證明，此方案具有易擴展、集成度高、實(shí)時(shí)性強等優(yōu)點(diǎn)，滿(mǎn)足指揮控制任務(wù)計算機的車(chē)載應用環(huán)境需求。
關(guān)鍵詞：FlexRaV；總線(xiàn)；車(chē)載應用環(huán)境

0 引言
在現代戰爭中，無(wú)人機相對有人機而言具有低成本、零傷亡、高機動(dòng)、可重復使用等諸多優(yōu)勢，其使用范圍已擴展到軍事、民用等領(lǐng)域。在軍事上可用于偵察、監視、通信中繼、電子對抗、戰果評估等；在民用上可用于大地測量、氣象觀(guān)測、城市環(huán)境監測、地球資源勘探、森林防火、核污染生化污染區的取樣與監控等。無(wú)人機系統通常由機載系統、數據鏈和地面站組成。
地面站是無(wú)人機系統的中樞，它的主要功能包括：任務(wù)計劃、飛行控制、信息處理顯示、目標檢測和定位、數據記錄等。車(chē)載地面站由于其機動(dòng)性好、便于快速部署、可迅速到達任務(wù)區域附近而受到用戶(hù)青睞。但車(chē)載地面站面臨高低溫、高濕、沖擊、振動(dòng)、電磁輻射干擾等惡劣環(huán)境，以及對其性能、體積、重量、功耗等的苛刻要求，普通的商用計算機無(wú)法滿(mǎn)足車(chē)載環(huán)境要求及控制的實(shí)時(shí)性要求。 本文針對某車(chē)載無(wú)人機地面站的需求，提出了一種指揮控制計算機設計方案及實(shí)現方法。

1 系統功能分析
無(wú)人機地面站指揮控制計算機用于無(wú)人機的跟蹤和指令控制。它通過(guò)無(wú)線(xiàn)電接收機接收無(wú)人機遙感傳送的圖像信號，經(jīng)圖像處理后送給車(chē)載地面站的駕駛員，同時(shí)由指揮控制計算機進(jìn)行圖像貯存。 車(chē)載地面站的駕駛員可對無(wú)人機的飛行及其任務(wù)的執行進(jìn)行監視，通過(guò)地面站的指令發(fā)射機可向無(wú)人機發(fā)出控制指令，無(wú)人機接收后按照命令可不斷調整飛行路線(xiàn)，完成任務(wù)。圖1為車(chē)載無(wú)人機地面站指揮控制計算機的系統交聯(lián)圖。

車(chē)載指揮控制計算機是車(chē)載地面站的核心，是系統正常有序工作的重要控制部件。指揮控制計算機負責組織管理車(chē)載地面站內部設備，使地面站內各設備能夠有序協(xié)調工作，并通過(guò)FlexRay總線(xiàn)與車(chē)載電子系統進(jìn)行數據交換，保障地面站捕獲無(wú)人機發(fā)回的任務(wù)區域圖像信號，及時(shí)將地面站駕駛員的操控指令發(fā)射至無(wú)人機。其主要功能如下：
(1)進(jìn)行地面站與車(chē)載電子系統之間的信息交換；
(2)采集駕駛員發(fā)出的操控指令，并將指令傳送至指令發(fā)射機，由指令發(fā)射機調制后發(fā)射至無(wú)人機，同時(shí)將操控指令發(fā)送給記錄器進(jìn)行記錄；
(3)控制指令發(fā)射機、圖像接收機天線(xiàn)伺服系統轉動(dòng)，使天線(xiàn)主波瓣對準無(wú)人機以獲得最佳的信號強度；
(4)采集圖像接收機傳送來(lái)的圖像數據信號，并將圖像顯示在車(chē)載顯示器上，同時(shí)將圖像記錄在記錄器上；
(5)控制地面站內各設備的自檢和周期性監測。

2 車(chē)載指揮控制計算機系統結構設計
隨著(zhù)車(chē)載計算機的體積小型化、功能多元化和操作實(shí)時(shí)化，要求新一代無(wú)人機地面站指揮控制計算機必須是體積小、重量輕、功耗低的、可支持多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統的嵌入式計算機。根據指揮控制計算機的功能性能要求，可將指揮控制計算機劃分為處理器模塊、接口模塊、顯示模塊、通信模塊、電源模塊等5個(gè)功能模塊，各功能模塊通過(guò)CPCI總線(xiàn)進(jìn)行通訊。
2．1 處理器模塊
處理器模塊主要實(shí)現指揮控制計算機的內部資源管理、接口控制、任務(wù)軟件執行等功能。指揮控制計算機處理器模塊選用目前應用廣泛的PowerPC系列處理器中的PowerPC8548，該處理器功耗低、集成度高，內部集成有串口、計數器、中斷控制器、以太網(wǎng)接口、PCI橋等功能電路，單片性能達到了2310MIPS，縮小了系統體積，減輕了重量，降低了功耗。
為了保障系統運行的安全性，處理器模塊上設計了看門(mén)狗電路和訪(fǎng)問(wèn)超時(shí)計時(shí)器電路?？撮T(mén)狗計時(shí)器的計時(shí)設置和計時(shí)過(guò)程由獨立于軟件操作的硬件實(shí)現，而清除計時(shí)操作由受軟件控制的硬件完成?？撮T(mén)狗計時(shí)器電路在維護使能信號無(wú)效時(shí)自動(dòng)使能；在維護使能信號有效時(shí)自動(dòng)禁止，但此時(shí)可用軟件操作來(lái)使能。當看門(mén)狗計時(shí)器輸出觸發(fā)時(shí)將引起中斷或復位。訪(fǎng)問(wèn)超時(shí)計時(shí)器電路用于報告并恢復處理器訪(fǎng)問(wèn)計算機資源過(guò)程中的總線(xiàn)周期超時(shí)故障。當處理器訪(fǎng)問(wèn)周期超過(guò)預先設定的門(mén)限時(shí)，即發(fā)生總線(xiàn)周期超時(shí)故障，該電路可產(chǎn)生中斷請求，同時(shí)結束當前訪(fǎng)問(wèn)操作。
2．2 接口模塊
接口模塊完成和外圍設備進(jìn)行通訊并完成數據交換的功能。接口設備包括USB接口，用于控制鼠標、鍵盤(pán)等外圍接口設備，RS422接口用于和指令發(fā)射機、圖像接收機等外部系統進(jìn)行交聯(lián)。
2．3 顯示模塊
顯示模塊主要完成復合視頻的解碼、切換、疊加、壓縮及傳輸的功能。根據CPCI總線(xiàn)傳輸的指令對3路輸入視頻的其中之一疊加軌跡，并將疊加軌跡后的視頻與其它視頻壓縮后傳輸至FlexRay總線(xiàn)上；接收CPCI傳輸的指令和數據，生成儀表和參數等畫(huà)面，輸出LVDS顯示信號來(lái)驅動(dòng)顯示屏。
2．4 通信模塊
通信模塊主要實(shí)現指揮控制計算機與車(chē)載電子系統之間的數據交換。以FlexRay總線(xiàn)作為互連和數據傳送的方式，這樣既有利于實(shí)現指揮控制計算機軟硬件的通用化、模塊化，同時(shí)有利于軟件升級和系統擴展，顯著(zhù)提高軟硬件的可擴展性。
FlexRay是一種新型的高速串行總線(xiàn)標準，與傳統的CAN總線(xiàn)相比，FlexRay在通信速率、確定性、可靠性等多方面都有著(zhù)更為優(yōu)越的性能，具有靈活的使用方式，支持多種網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，負載率高，提供冗余機制的優(yōu)點(diǎn)。FlexRay總線(xiàn)與CAN總線(xiàn)相比具有以下優(yōu)勢：
(1)傳輸速率高。單通道可達10Mbps，雙通道高達20Mbps；CAN總線(xiàn)傳輸速率最高僅1 Mbps。
(2)支持雙通道。雙通道可單獨運行、并行運行或冗余運行；CAN只有一個(gè)通道，無(wú)冗余。
(3)支持最大數據幀長(cháng)254字節；CAN總線(xiàn)支持最長(cháng)數據幀僅8字節。
(4)MAC(Media Access Control)層采用TDMA(時(shí)分多路)方式，數據通信具有確定性；而CAN總線(xiàn)采用帶優(yōu)先級的CSMA／CA(沖突避免多路訪(fǎng)問(wèn)方式)，無(wú)法保證通信確定性。
(5)支持星型、總線(xiàn)型、混合型等多種拓撲結構。
FlexRay網(wǎng)絡(luò )通訊協(xié)議主要體現在4個(gè)核心機制上：編碼與解碼、數據幀與特征符處理、媒體接入控制和時(shí)鐘同步，另外控制器主機接口為實(shí)現這些機制提供數據傳輸服務(wù)。FlexRay數據幀由幀頭部分、有效數據部分、幀尾部分組成。幀頭部分由5個(gè)字節組成，包括保留位、數據指示位、空幀指示位、同步幀指示位、幀ID、有效數據長(cháng)度、頭部循環(huán)校驗CRC位和循環(huán)計數位；幀尾部分只含有單個(gè)的數據域，即一個(gè)24位的CRC(循環(huán)冗余)校驗碼。
主處理器把要發(fā)送到總線(xiàn)上的數據存入發(fā)送FlexRay消息緩沖器中，通過(guò)媒體接入控制，CRC校驗碼封裝成符合FlexRay協(xié)議的數據幀，再經(jīng)過(guò)總線(xiàn)驅動(dòng)器編碼送到總線(xiàn)上；同樣，總線(xiàn)上的數據經(jīng)過(guò)總線(xiàn)驅動(dòng)器解碼，數據幀被送到控制器中，通過(guò)幀ID過(guò)濾校驗和循環(huán)計算校驗，存入相應的消息緩沖器中。
2．5 電源模塊
電源模塊將供電系統提供的直流28V供電變換成計算機所需的各類(lèi)電源；具有過(guò)流、短路保護功能，故障排除后輸出自動(dòng)恢復等功能；具有過(guò)壓保護功能；具有過(guò)熱保護功能。電源電壓監控：此外電源模塊還具有在線(xiàn)監控功能。28V輸入電壓和+15V、-15V、+5V輸出電壓監控。

3 指揮控制計算機的軟件設計
指揮控制計算機的軟件主要駐留在處理器模塊上，分為系統軟件、實(shí)時(shí)任務(wù)軟件、地面支持軟件三部分。軟件功能結構如圖2所示。

指揮控制計算機工作模式分為4種：實(shí)時(shí)模式、 監控模式、在線(xiàn)編程模式、調試模式。實(shí)時(shí)模式下指揮控制計算機在操作系統調度下運行實(shí)時(shí)任務(wù)軟件；監控模式下指揮控制計算機運行監控軟件，可啟動(dòng)測試軟件對硬件資源逐一進(jìn)行測試；在線(xiàn)編程模式下指揮控制計算機可對其FLASH存儲器中固化的程序進(jìn)行更新；調試模式下指揮控制計算機可與宿主機通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)機，在調試代理的支持下進(jìn)行應用軟件的開(kāi)發(fā)調試。指揮控制計算機工作模式選擇流程及啟動(dòng)過(guò)程見(jiàn)圖3所示。

實(shí)時(shí)任務(wù)執行軟件包括通訊管理軟件、數據通訊管理軟件、天線(xiàn)伺服系統模擬輸入／輸出管理、圖像數據處理軟件和FLASH電子盤(pán)記錄管理軟件等功能。軟件的調度流程見(jiàn)圖4所示。

4 結束語(yǔ)
FlexRay是新型的高速總線(xiàn)通信標準，在車(chē)載系統中采用FlexRay作為通訊總線(xiàn)的解決方案，既提升了通訊帶寬和傳輸效率，又有易于系統擴展和功能升級，滿(mǎn)足車(chē)載應用環(huán)境下實(shí)時(shí)性和可靠性的要求。研究表明，基于FlexRay總線(xiàn)能很好地實(shí)現數據的傳輸和交換，實(shí)現在高速的情況下進(jìn)行實(shí)時(shí)通信的功能，通訊效果良好。
本文詳細地介紹了基于FlexRay總線(xiàn)的車(chē)載指揮控制任務(wù)計算機的總體設計思想，闡述了系統硬件平臺中的功能單元的設計，重點(diǎn)介紹了FlexRay總線(xiàn)的設計難點(diǎn)。同時(shí)詳細介紹了基于VxWorks實(shí)時(shí)操作系統的軟件架構設計，從而解決了車(chē)載應用環(huán)境對多任務(wù)和高實(shí)時(shí)性的需求問(wèn)題。