基于FlexRay总线的火炮随动节点设计

顾震宇，巫亚强，李红丽，周 杨

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

随着火炮技术的日益复杂，对随动系统的数据传输速率及稳定性要求越来越高。由于传统总线技术对信息的采集、传递效率低，逐渐不能适应复杂武器系统的通信要求。因此，设计基于高速FlexRay总线技术的火炮随动系统，有助于提高系统实时性、可靠性和快速反应能力。

FlexRay是新一代现场总线接口标准，利用两条独立的物理线路进行通信，每个通信信道可提供1～10 Mbps的确定数据传输速率，双通道传输同一数据时可实现硬件冗余，提高系统可靠性，传输不同数据时最大可达到20 Mbps[1]。

FlexRay总线采用了时间触发和事件触发的双触发通信方式。采用时间触发通信时，先生成网络时间报表，通过报表安排，各节点能预先掌握将要进行通信的时槽，接收器提前知道报文的到达时间。因此，报文在总线上的时间可以预测，对总线的访问具有确定性。而事件触发部分与CAN总线相同，是基于优先级的，用来处理突发事件消息的响应工作，提高系统实时特性[1]。

设计基于FlexRay总线技术的随动系统，可改善消息响应速度，确保消息准确到达相应节点，从而提升武器系统整体性能。

1 仿真模型

目前随动系统中大量应用CAN总线技术，由于物理特性的局限，其传输速度及稳定性逐渐下降，以下通过建模分析CAN总线和FlexRay总线的稳定特性，证明FlexRay作为下一代通信总线的可行性。

FlexRay帧结构包含静态段和动态段两部分，其中静态段为主要通信方式，基于时分多址技术。消息长度包含：传输开始序列TSS，一般为3～15位；帧开始序列FSS，1位；帧结束序列FES，2位；每个字节为8位，但字节开头需要添加2位的字节开始序列BSS，所以一共是10位；td为发送和接收过程中存在一个传播时间延时，大约为2～3位[2]。静态段消息结构如图1所示。

根据静态段消息结构构建模型，设置FlexRay静态段消息传输时间为CF，在数据帧中数据场的长度为Sm，位时间为τbit。

其静态段传输时间计算公式为[3]：

CF=[TSS+FSS+FES+td+(8+Sm)·

(8+2)]·τbit

带入限定范围内帧序列位数，得到：

CF=[10+1+2+td+(8+Sm)·(8+2)]·τbit

CF=(93+td+10·Sm)·τbit

CAN通信采用事件触发方式，根据各节点分配的优先级状况，会出现总线竞争关系，即同消息等级因争夺发送权而冲突，此时，低优先级消息必须等待延时结束，而随着高优先级信息增多，低优先级消息阻塞现象更为严重。

作为与实时性密切相关的系统，确切掌握消息的最坏响应时间是确保系统正常运行的前提，CAN响应时间从通信事件开始到目标节点为止，包括收发节点内部处理时间，从节点到控制器的时间，总线仲裁时间，和控制器传入节点的时间。用到的参数定义如下：

Tm为启动通信的时间间隔；Jm为由事件发生到消息开始送入独立通信控制器的时间最大变化量；Cm为在总线上传送消息m所需时间(要考虑位填充值)；Dm为由应用决定的传送消息m允许的时限；Rm为传送消息m时最坏等待时间。

Rm由两部分组成：一个是低优先级m在总线上传输造成的阻塞Bm，一个是高优先级m在总线上竞争控制权造成的干扰Im。当这两部分取最大值时就构成了Rm的最坏等待时间。其中，lp(m)为比消息m优先级低的消息集合；hp(m)为比消息m优先级高的消息集合。以下利用递推公式得出CAN总线消息最坏响应时间[4]：

Rm=Bm+Im

(1)

Bm=max(Cl)l∈lp(m)

(2)

Im=∑((Rm+Jk+τ)/Tk)·Ckk∈hp(m)

(3)

(4)

通过FlexRay静态段和CAN通信传输时长公式的对比可以发现，FlexRay静态段消息传输不存在冲突，响应时间基本恒定，存在的抖动现象较小，在保持了系统响应实时性的同时，不影响系统稳定性。而CAN总线消息传输需要竞争，通过递推公式可以看出，随着传送消息的增加，高优先级消息m数量增大，高优先级信息的竞争增强，响应时间随逻辑时间成上升趋势，若为了满足系统实时性需要，必须降低单位时间通信量，保持总线负载率不超过30%左右。

2 基于FlexRay的随动系统通信结构

基于FlexRay的随动系统基本结构如图2所示，炮长任务终端向总线上传递射击主令，由火控计算机进行接收，并通过捷联惯导装置传输的定向角、姿态角和本炮坐标位置，结合随动系统反馈的状态信息和误差信号计算出火炮实时掉转指令，控制随动系统进行调炮。

FlexRay接口适配器是随动系统与各节点联系的纽带。节点是一种带有FlexRay控制器的接口，能进行数据采集和处理，并具有信息收发功能。所有节点均挂接在FlexRay总线网络上，通过接口适配器接入系统内部，进行调炮指令接收，完成对随动系统的控制，进而实现火炮的调炮指令，见图3。

3 节点设计

FlexRay随动节点选取MC9S12XF系列单片机，它是Freescale公司研发的高性能单片机，总线速度可达50MHz，外围时钟可达40MHz，具备片上纠错能力，使节点设计可靠性得到提升[5]。由于单片机集成总线控制器功能，外围只需加入一个收发器即可。总线收发器选用Freescale公司的TJA1080，该模块主要由状态机、信号路由器、输入/输出管理模块、收发模块以及发送器组成。

3.1 接口电路设计

当MC9S12XF512单片机向总线上发送数据时，先将数据传送到TJAl080上，由收发器把嵌入于CPU的总线控制器的逻辑电平转换成抗干扰能力强的差分电平，经滤波和电阻匹配发往FlexRay总线网络；接收时，FlexRay总线网络信息经阻抗匹配和滤波，发送到收发器的BP与BM端口，收发器接收到总线的信号后，转换成逻辑电平，送入集成于CPU中的FlexRay总线控制器，完成接收过程，见图4。

3.2 软件设计

MC9S12XF512初始化设置后，读取寄存器。一旦初始化成功，给定收发寄存器地址值，然后设置单片机内各个寄存器地址，进行正常的总线数据读写。MC9S12XF512利用自带FlexRay控制器判断当前是否有数据读写。其中数据读功能是通过判断是否有挂起的硬件中断实现的。当MC9S12XF512收到数据时，先关中断，检测到中断程序后，数据信息写入相应寄存器，再进行数据处理。在无数据收发情况下，MC9S12XF512定期发送测试命令确定系统是否工作正常。也可以根据需要，将单片机转入睡眠状态，节省网络资源。

利用MC9S12XF512单片机实现随动系统通信的软件流程如图5所示。

4 结束语

随着火炮系统的快速发展，FlexRay总线将逐渐成为取代CAN总线的新一代高速总线通信技术，应用于火炮武器系统当中，使控制系统在速度、稳定及可靠性方面得到提升。本文从理论数学模型出发，分析了FlexRay总线稳定性优势，并以MC9S12XF512单片机为核心设计了基于FlexRay的随动系统接口电路，提高和改善了随动系统的实时可靠性能。

[1] 丁天宝，王刚.基于FlexRay的新型复杂武器总线体系[J].火炮发射与控制学报，2011(3):60-62.

DING Tian-bao,WANG Gang.Bus system of a new complex weapon based on FlexRay[J].Journal of Gun Launch & Control,2011(3):60-62.(in Chinese)

[2] FlexRay consortium.FlexRay communication system protocol specification,version 2.1 revision A[S] 2005.

[3] YE Qiong-song,FRANCOISE SIMONOT-LION.Evaluating quality of service and behavioral reliability of steer-by-wire systems[J].IEEE Emerging Technologies and Factory Automation,2003(1):193-200.

[4] IAN BROSTER,ALAN BURNS,Probabilistic analysis of CAN with faults[J].IEEE Real-Time Systems Symposium,2002(23):269-278.

[5] Freescale Semiconductor Inc.MC9S12XF512 Reference Manua[EB/OL].(2010-05-18).Http://www.freescale.com.