基于Flexray总线的车载指挥控制任务计算机的设计与实现

摘要：文章针对车载指挥控制任务计算机的特殊需求，提出了一种以PowerPC处理器为控制核心，以CPCI总线作为系统背板总线，FlexRay作为通讯总线的系统设计方案。经过试验证明，此方案具有易扩展、集成度高、实时性强等优点，满足指挥控制任务计算机的车载应用环境需求。
关键词：FlexRaV；总线；车载应用环境

0 引言
    在现代战争中，无人机相对有人机而言具有低成本、零伤亡、高机动、可重复使用等诸多优势，其使用范围已扩展到军事、民用等领域。在军事上可用于侦察、监视、通信中继、电子对抗、战果评估等；在民用上可用于大地测量、气象观测、城市环境监测、地球资源勘探、森林防火、核污染生化污染区的取样与监控等。无人机系统通常由机载系统、数据链和地面站组成。
    地面站是无人机系统的中枢，它的主要功能包括：任务计划、飞行控制、信息处理显示、目标检测和定位、数据记录等。车载地面站由于其机动性好、便于快速部署、可迅速到达任务区域附近而受到用户青睐。但车载地面站面临高低温、高湿、冲击、振动、电磁辐射干扰等恶劣环境，以及对其性能、体积、重量、功耗等的苛刻要求，普通的商用计算机无法满足车载环境要求及控制的实时性要求。 本文针对某车载无人机地面站的需求，提出了一种指挥控制计算机设计方案及实现方法。

1 系统功能分析
    无人机地面站指挥控制计算机用于无人机的跟踪和指令控制。它通过无线电接收机接收无人机遥感传送的图像信号，经图像处理后送给车载地面站的驾驶员，同时由指挥控制计算机进行图像贮存。 车载地面站的驾驶员可对无人机的飞行及其任务的执行进行监视，通过地面站的指令发射机可向无人机发出控制指令，无人机接收后按照命令可不断调整飞行路线，完成任务。图1为车载无人机地面站指挥控制计算机的系统交联图。

    车载指挥控制计算机是车载地面站的核心，是系统正常有序工作的重要控制部件。指挥控制计算机负责组织管理车载地面站内部设备，使地面站内各设备能够有序协调工作，并通过FlexRay总线与车载电子系统进行数据交换，保障地面站捕获无人机发回的任务区域图像信号，及时将地面站驾驶员的操控指令发射至无人机。其主要功能如下：
    (1)进行地面站与车载电子系统之间的信息交换；
    (2)采集驾驶员发出的操控指令，并将指令传送至指令发射机，由指令发射机调制后发射至无人机，同时将操控指令发送给记录器进行记录；
    (3)控制指令发射机、图像接收机天线伺服系统转动，使天线主波瓣对准无人机以获得最佳的信号强度；
    (4)采集图像接收机传送来的图像数据信号，并将图像显示在车载显示器上，同时将图像记录在记录器上；
    (5)控制地面站内各设备的自检和周期性监测。

2 车载指挥控制计算机系统结构设计
    随着车载计算机的体积小型化、功能多元化和操作实时化，要求新一代无人机地面站指挥控制计算机必须是体积小、重量轻、功耗低的、可支持多任务实时操作系统的嵌入式计算机。根据指挥控制计算机的功能性能要求，可将指挥控制计算机划分为处理器模块、接口模块、显示模块、通信模块、电源模块等5个功能模块，各功能模块通过CPCI总线进行通讯。
2．1 处理器模块
    处理器模块主要实现指挥控制计算机的内部资源管理、接口控制、任务软件执行等功能。指挥控制计算机处理器模块选用目前应用广泛的PowerPC系列处理器中的PowerPC8548，该处理器功耗低、集成度高，内部集成有串口、计数器、中断控制器、以太网接口、PCI桥等功能电路，单片性能达到了2310MIPS，缩小了系统体积，减轻了重量，降低了功耗。
    为了保障系统运行的安全性，处理器模块上设计了看门狗电路和访问超时计时器电路。看门狗计时器的计时设置和计时过程由独立于软件操作的硬件实现，而清除计时操作由受软件控制的硬件完成。看门狗计时器电路在维护使能信号无效时自动使能；在维护使能信号有效时自动禁止，但此时可用软件操作来使能。当看门狗计时器输出触发时将引起中断或复位。访问超时计时器电路用于报告并恢复处理器访问计算机资源过程中的总线周期超时故障。当处理器访问周期超过预先设定的门限时，即发生总线周期超时故障，该电路可产生中断请求，同时结束当前访问操作。
2．2 接口模块
    接口模块完成和外围设备进行通讯并完成数据交换的功能。接口设备包括USB接口，用于控制鼠标、键盘等外围接口设备，RS422接口用于和指令发射机、图像接收机等外部系统进行交联。
2．3 显示模块
    显示模块主要完成复合视频的解码、切换、叠加、压缩及传输的功能。根据CPCI总线传输的指令对3路输入视频的其中之一叠加轨迹，并将叠加轨迹后的视频与其它视频压缩后传输至FlexRay总线上；接收CPCI传输的指令和数据，生成仪表和参数等画面，输出LVDS显示信号来驱动显示屏。
2．4 通信模块
    通信模块主要实现指挥控制计算机与车载电子系统之间的数据交换。以FlexRay总线作为互连和数据传送的方式，这样既有利于实现指挥控制计算机软硬件的通用化、模块化，同时有利于软件升级和系统扩展，显著提高软硬件的可扩展性。
    FlexRay是一种新型的高速串行总线标准，与传统的CAN总线相比，FlexRay在通信速率、确定性、可靠性等多方面都有着更为优越的性能，具有灵活的使用方式，支持多种网络拓扑结构，负载率高，提供冗余机制的优点。FlexRay总线与CAN总线相比具有以下优势：
    (1)传输速率高。单通道可达10Mbps，双通道高达20Mbps；CAN总线传输速率最高仅1 Mbps。
    (2)支持双通道。双通道可单独运行、并行运行或冗余运行；CAN只有一个通道，无冗余。
    (3)支持最大数据帧长254字节；CAN总线支持最长数据帧仅8字节。
    (4)MAC(Media Access Control)层采用TDMA(时分多路)方式，数据通信具有确定性；而CAN总线采用带优先级的CSMA／CA(冲突避免多路访问方式)，无法保证通信确定性。
    (5)支持星型、总线型、混合型等多种拓扑结构。
    FlexRay网络通讯协议主要体现在4个核心机制上：编码与解码、数据帧与特征符处理、媒体接入控制和时钟同步，另外控制器主机接口为实现这些机制提供数据传输服务。FlexRay数据帧由帧头部分、有效数据部分、帧尾部分组成。帧头部分由5个字节组成，包括保留位、数据指示位、空帧指示位、同步帧指示位、帧ID、有效数据长度、头部循环校验CRC位和循环计数位；帧尾部分只含有单个的数据域，即一个24位的CRC(循环冗余)校验码。
    主处理器把要发送到总线上的数据存入发送FlexRay消息缓冲器中，通过媒体接入控制，CRC校验码封装成符合FlexRay协议的数据帧，再经过总线驱动器编码送到总线上；同样，总线上的数据经过总线驱动器解码，数据帧被送到控制器中，通过帧ID过滤校验和循环计算校验，存入相应的消息缓冲器中。
2．5 电源模块
    电源模块将供电系统提供的直流28V供电变换成计算机所需的各类电源；具有过流、短路保护功能，故障排除后输出自动恢复等功能；具有过压保护功能；具有过热保护功能。电源电压监控：此外电源模块还具有在线监控功能。28V输入电压和+15V、-15V、+5V输出电压监控。

3 指挥控制计算机的软件设计
    指挥控制计算机的软件主要驻留在处理器模块上，分为系统软件、实时任务软件、地面支持软件三部分。软件功能结构如图2所示。

    指挥控制计算机工作模式分为4种：实时模式、 监控模式、在线编程模式、调试模式。实时模式下指挥控制计算机在操作系统调度下运行实时任务软件；监控模式下指挥控制计算机运行监控软件，可启动测试软件对硬件资源逐一进行测试；在线编程模式下指挥控制计算机可对其FLASH存储器中固化的程序进行更新；调试模式下指挥控制计算机可与宿主机通过以太网进行联机，在调试代理的支持下进行应用软件的开发调试。指挥控制计算机工作模式选择流程及启动过程见图3所示。

    实时任务执行软件包括通讯管理软件、数据通讯管理软件、天线伺服系统模拟输入／输出管理、图像数据处理软件和FLASH电子盘记录管理软件等功能。软件的调度流程见图4所示。

4 结束语
    FlexRay是新型的高速总线通信标准，在车载系统中采用FlexRay作为通讯总线的解决方案，既提升了通讯带宽和传输效率，又有易于系统扩展和功能升级，满足车载应用环境下实时性和可靠性的要求。研究表明，基于FlexRay总线能很好地实现数据的传输和交换，实现在高速的情况下进行实时通信的功能，通讯效果良好。
    本文详细地介绍了基于FlexRay总线的车载指挥控制任务计算机的总体设计思想，阐述了系统硬件平台中的功能单元的设计，重点介绍了FlexRay总线的设计难点。同时详细介绍了基于VxWorks实时操作系统的软件架构设计，从而解决了车载应用环境对多任务和高实时性的需求问题。