李　妍，陳　欣，李春濤

(南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，南京　211106)

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基于FlexRay總線飛行控制計算機串行接口單元設(shè)計與研究

李妍，陳欣，李春濤

(南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，南京211106)

摘要：根據(jù)樣例無人機飛行控制計算機對串行接口單元的接口資源和內(nèi)部通信能力的需求，研究并完成了基于FlexRay總線串行接口單元的硬件設(shè)計和軟件開發(fā)，同時從時間調(diào)度、總線余度和非冗余數(shù)據(jù)傳輸三方面設(shè)計了FlexRay總線的通信協(xié)議和余度管理機制;串行接口單元采用FPGA為處理器，通過串行接口實現(xiàn)了外部設(shè)備與飛行控制計算機的實時通信，并按照FlexRay總線的通信協(xié)議，實現(xiàn)了串行接口單元和CPU單元間信息的可靠傳輸，總線負載小于20%;測試結(jié)果驗證了設(shè)計的正確性和實用性，符合設(shè)計指標，可滿足樣例無人飛行控制計算機串行數(shù)據(jù)通信需求。

關(guān)鍵詞：飛行控制計算機；串行接口單元；FlexRay總線；通信協(xié)議；余度管理

0引言

飛行控制系統(tǒng)是無人機的重要組成部分，其核心飛行控制計算機的性能直接影響無人機任務(wù)完成的優(yōu)劣，可靠性決定了無人機的生存能力[1]。

目前，國內(nèi)基于CAN總線的分布式飛行控制計算機[2]已經(jīng)成功應(yīng)用于型號無人機的飛行控制系統(tǒng)中。該飛行控制計算機由中央處理單元(central process unit，CPU單元)、模擬量接口單元(analog input and output unit，AIO單元)、開關(guān)量接口單元(digital input and output unit，DIO單元)和串行接口單元(serial input and output unit，SIO單元)四部分組成，如圖1所示。CPU單元是飛行控制計算機的核心單元，通過CAN總線接收各接口單元的上行數(shù)據(jù)，經(jīng)控制律解算后，將控制指令再下傳至各接口單元。各個單元可以互不干擾的完成任務(wù)，提高飛行控制系統(tǒng)的工作效率。

圖1　基于CAN總線的飛行控制計算機結(jié)構(gòu)圖

串行接口單元作為主要接口單元之一，直接影響飛行控制計算機的性能。目前，隨著現(xiàn)代無人機飛行任務(wù)復(fù)雜程度與功能的增加，串行接口單元的不足逐漸顯現(xiàn)，主要包括以下3點：

1)串行接口單元的主處理器(單片機)逐漸出現(xiàn)性能飽和；

2)內(nèi)部數(shù)據(jù)交換載荷加重，CAN總線負載率已經(jīng)超過70%，無法滿足更高通信負荷的要求[3]；

3)連接新型傳感器的串行接口資源與通信能力不足。

針對以上問題，對串行接口單元進行升級，采用FPGA代替單片機作為CPU，F(xiàn)lexRay總線替換CAN[4]總線作為計算機內(nèi)部通信總線，擴展串行接口資源，在此基礎(chǔ)上展開了基于FlexRay總線[5]的飛行控制計算機串行接口單元的設(shè)計與研究。

1串行接口單元構(gòu)成

基于FlexRay總線的串行接口單元主要包括串行接口模塊、FlexRay通信模塊、FPGA最小系統(tǒng)模塊等。FPGA最小系統(tǒng)模塊完成對串行接口模塊和FlexRay通信模塊控制與管理、數(shù)據(jù)處理；經(jīng)FlexRay總線實現(xiàn)與飛行控制計算機CPU單元的信息交互；串行接口模塊則完成與外圍設(shè)備的串行數(shù)據(jù)通信。串行接口單元系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　串行接口單元系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

飛行控制計算機需多路串行接口同時工作，且串口數(shù)據(jù)量大，對串行接口單元的CPU要求較高，采用單片機作為CPU已經(jīng)不能滿足性能要求。Xilinx公司Virtex 4系列[6]的FPGA芯片內(nèi)嵌PowerPC 405微處理器硬核，運算速度可達400 MHz，且接口資源豐富，可實現(xiàn)邏輯模塊的定制和簡單數(shù)據(jù)處理，串行接口單元設(shè)計使用的FPGA接口資源不到10%，留有很大的余量方便日后接口單元的功能擴展。

串行通信單元的16路標準串行接口資源分配情況如表1所示。

表1　串口資源分配表

FlexRay總線模塊是飛行控制計算機內(nèi)部各功能單元信息交互的關(guān)鍵模塊，F(xiàn)lexRay總線代替CAN總線具有以下技術(shù)優(yōu)勢[7]：高傳輸速率，可達10 Mbps，遠高于CAN的1 Mbps；數(shù)據(jù)幀負載長度最大為254字節(jié)，遠大于CAN的8個字節(jié)；高容錯能力，支持多級別的容錯能力；高靈活性，支持靜態(tài)段時間觸發(fā)和動態(tài)段事件觸發(fā)，消息可以冗余或非冗余傳輸，提供大量用戶接口進行協(xié)議配置；時間確定性，靜態(tài)段采用時分多址機制；時鐘同步精度高，可達1 μs。

四路FlexRay總線通道劃分為不同優(yōu)先級，優(yōu)先級最高的主通道進行正常通信，其余三路備份。當主通道發(fā)故障時，可按照優(yōu)先級切換至其他通道。每個通道電路分為兩部分，一是通信控制器電路，包含F(xiàn)lexRay協(xié)議棧和狀態(tài)機，并為微控制器提供接口；二是總線收發(fā)電路，主要負責實現(xiàn)控制器和總線通道之間的物理層接口，為總線提供差分信號。因此，采用微處理器(FPGA)+通信控制器(MFR4310)[8]+總線驅(qū)動器(TJA1080)[9]的硬件架構(gòu)來實現(xiàn)FlexRay總線模塊。

串行接口單元的主要設(shè)計指標，如表2所示。

表2　串行接口單元的主要設(shè)計指標

串行接口單元設(shè)計的關(guān)鍵是接口通信可靠性和降低總線負載率，采用總線余度和非冗余數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，保證總線的可靠性，并使總線負載率小于20%。

2串行接口單元軟件

2.1軟件結(jié)構(gòu)

串行接口單元軟件實時準確接收傳感器和測試設(shè)備的串行數(shù)據(jù)并解碼，由FlexRay總線上傳至飛行控制計算機CPU單元；FlexRay總線接收CPU單元下傳的指令和數(shù)據(jù)，經(jīng)串行接口發(fā)送至各個外部設(shè)備。串行接口單元集數(shù)據(jù)采集、通信控制于一體，軟件設(shè)計劃分為以下4個部分：

1) 串口驅(qū)動模塊，主要完成各類檢測設(shè)備及傳感器的指令和數(shù)據(jù)的收發(fā)。

2) FlexRay驅(qū)動模塊，完成FlexRay通信控制器和總線協(xié)議狀態(tài)的配置、FlexRay各類型中斷分配與中斷處理，實現(xiàn)FlexRay總線的基本通信功能；

3) 調(diào)度管理模塊，是系統(tǒng)軟件的核心，完成系統(tǒng)各模塊的初始化，啟動并統(tǒng)一調(diào)度其他模塊，維持系統(tǒng)正常工作。

2.2串口驅(qū)動模塊

串口驅(qū)動模塊軟件主要包括初始化程序、數(shù)據(jù)收/發(fā)子程序和中斷處理程序。

串口初始化程序設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)幀格式、緩沖區(qū)大小等，完成中斷開關(guān)、中斷優(yōu)先級分配以及掛接中斷服務(wù)子程序等中斷的初始化工作。

串行接口共16路，采用422/232方式通信，最大數(shù)據(jù)量為64字節(jié)(如表2所示)，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)堵塞和碰撞，因此設(shè)計了20 ms、40 ms、50 ms等多種串口數(shù)據(jù)更新周期，減輕數(shù)據(jù)擁堵，保證鏈路通暢。為防止各類型數(shù)據(jù)在同一存儲區(qū)的混亂，分別為每個串口設(shè)計了獨立緩沖區(qū)，采用“先入先出”機制對數(shù)據(jù)進行緩沖。串口收發(fā)數(shù)據(jù)時，為減少收發(fā)延時和數(shù)據(jù)截斷，設(shè)計了獨立緩沖區(qū)為256字節(jié)，緩沖串行接口數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)斷幀的拼接，可以有效降低64字節(jié)數(shù)據(jù)收發(fā)的誤碼率。各串口數(shù)據(jù)幀設(shè)計不同的幀頭來區(qū)分數(shù)據(jù)類型，根據(jù)數(shù)據(jù)類型存放到相應(yīng)緩沖區(qū)中，同時數(shù)據(jù)頭尾添加幀頭和校驗位來檢查數(shù)據(jù)的完整性和正確性，保證了串口數(shù)據(jù)的準確性。

圖4　FlexRay驅(qū)動模塊軟件流程圖

串口驅(qū)動模塊采用中斷方式收發(fā)數(shù)據(jù)：發(fā)送數(shù)據(jù)時，先調(diào)用發(fā)送子程序，將數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)，同時打開串口發(fā)送中斷，然后中斷服務(wù)子程序?qū)⒕彌_區(qū)數(shù)據(jù)發(fā)出，發(fā)送完畢則禁止發(fā)送中斷，退出中斷服務(wù)子程序。當接收數(shù)據(jù)時，觸發(fā)接收中斷，中斷服務(wù)子程序?qū)⒔邮盏臄?shù)據(jù)存入軟件緩沖區(qū)，然后接收子程序?qū)?shù)據(jù)從軟件緩沖區(qū)取出供應(yīng)用程序使用。串口模塊軟件流程如圖3所示。

圖3　串口收發(fā)數(shù)據(jù)軟件流程圖

2.3FlexRay驅(qū)動模塊

FlexRay驅(qū)動模塊主要完成通信前的FlexRay通信模塊的初始化，軟件主要分為FlexRay的初始化和中斷處理兩部分。FlexRay的初始化，完成通信控制器的硬件初始化和通信控制協(xié)議的初始化；FlexRay通信以中斷方式運行，中斷機制是基于通信周期的時間觸發(fā)，中斷處理函數(shù)則完成所有數(shù)據(jù)的收發(fā)任務(wù)。

FlexRay驅(qū)動模塊初始化依次完成以下操作：系統(tǒng)上電，初始化通信控制器，節(jié)點進入默認配置狀態(tài)；配置消息緩沖區(qū)和FlexRay部分協(xié)議參數(shù)，如冷啟動次數(shù)等，使節(jié)點進入配置狀態(tài)；初始化FlexRay中斷和定時器，并利用喚醒標志符完成節(jié)點喚醒，使節(jié)點處于就緒狀態(tài)；當收到啟動節(jié)點發(fā)送的啟動幀時，節(jié)點則被激活，激活狀態(tài)的結(jié)束標志著FlexRay初始化完成，節(jié)點加入FlexRay通信簇；使能FlexRay通信中斷，啟動FlexRay通信模塊。FlexRay驅(qū)動模塊軟件流程如圖4所示。

2.4調(diào)度管理模塊

調(diào)度管理程序是提供給用戶的應(yīng)用層接口，協(xié)調(diào)、調(diào)度系統(tǒng)各個模塊正常工作和相互配合。系統(tǒng)上電后完成硬件和FlexRay協(xié)議狀態(tài)的初始化，開放中斷，啟動系統(tǒng)，循環(huán)檢測串口數(shù)據(jù)是否更新，一旦更新則進行對應(yīng)通道串口數(shù)據(jù)的收發(fā)，并交由后臺完成FlexRay總線數(shù)據(jù)上/下傳。調(diào)度管理程序維持系統(tǒng)正常運行，一旦系統(tǒng)故障則復(fù)位并終止運行。

3FlexRay通信協(xié)議及余度管理設(shè)計

3.1FlexRay時間調(diào)度

統(tǒng)計總線內(nèi)部數(shù)據(jù)流，有效數(shù)據(jù)最大達64字節(jié)/幀，各功能板信號的更新周期共有20 ms，40 ms和50 ms三種。CAN數(shù)據(jù)幀的負載段長度為8個字節(jié)，若總線傳輸64字節(jié)的串口數(shù)據(jù)需要8個數(shù)據(jù)幀拼接，總線數(shù)據(jù)傳輸可靠性較低。而FlexRay負載段長度最大可軟件配置為254字節(jié)，為提高傳輸效率，配置FlexRay負載段長度為64字節(jié)，以10 Mbps的傳輸速率計算，發(fā)送一個完整數(shù)據(jù)幀需57.6 μs，為了兼容日后飛行數(shù)據(jù)的增加，數(shù)據(jù)傳輸時間留有一定的余量，配置靜態(tài)時隙為200 μs。統(tǒng)計各接口單元的交互數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型共24種，因此軟件配置30個靜態(tài)時隙，靜態(tài)段長度為200 μs×30=6 ms，動態(tài)段采用標準配置，占用22個微時隙，每個微時隙長度為80 μs。設(shè)置符號窗口長度為14 μs。網(wǎng)絡(luò)空閑時間用來進行相位校正和頻率校正[10]。因此，由靜態(tài)段、動態(tài)段、符號窗口和網(wǎng)絡(luò)空閑時間四部分組成的FlexRay通信周期設(shè)置為10 ms，以確保單個通信周期內(nèi)完成所有類型數(shù)據(jù)的一次傳輸，極大地提高了總線傳輸效率和實時性能，時間調(diào)度與時隙分配如圖5所示。

圖5　FlexRay時間調(diào)度與時隙分配圖

3.2FlexRay總線余度

時隙1~5用檢測FlexRay總線工作狀態(tài)，實現(xiàn)四通道FlexRay總線余度管理。FlexRay總線故障檢測基于“請求/應(yīng)答”機制，如圖6所示，即CPU單元節(jié)點在靜態(tài)時隙1發(fā)送狀態(tài)檢測幀，并開始周期計數(shù)，其余節(jié)點在該時隙接收，若接收成功則返回狀態(tài)應(yīng)答幀，CPU單元在收到狀態(tài)應(yīng)答幀后，清除對應(yīng)節(jié)點的周期計數(shù)，一旦計數(shù)超限，則判定該節(jié)點與CPU單元節(jié)點連接故障。判定4個節(jié)點均故障時，則認為總線通道故障。由于硬件設(shè)計了四路FlexRay總線通道，利用一條主通道完成所有通信任務(wù)，其余三條為備份通道。備份通道的協(xié)議配置與主通道一致，且備份優(yōu)先級固定。當總線故障時按照總線優(yōu)先級進行切換，若判斷為主通道故障，則記錄故障并切換至備份通道工作，一旦主通道故障恢復(fù)則作為備份通道工作。若備份通道故障則切換至優(yōu)先級較低的總線工作并記錄故障狀態(tài)，備份通道故障恢復(fù)后不再使用。

圖6　FlexRay總線故障檢測圖

3.3FlexRay非冗余傳輸

為滿足通信的實時性要求，配置的通信周期為10 ms，則靜態(tài)時隙存在各功能單元信息冗余傳輸。以總線數(shù)據(jù)發(fā)送為例，若當前通信周期該時隙數(shù)據(jù)沒有更新，則會重復(fù)發(fā)送上一拍的數(shù)據(jù)幀，CPU單元會對該數(shù)據(jù)幀重復(fù)解算多次，增加了CPU的占用率。串行接口單元是所有功能單元中數(shù)據(jù)量最大的，占總線數(shù)據(jù)流的80%，信息的冗余傳輸也直接增加了FlexRay總線負擔。因此，在通信協(xié)議中設(shè)計了FlexRay總線數(shù)據(jù)非冗余傳輸這一關(guān)鍵技術(shù)，來解決數(shù)據(jù)重復(fù)發(fā)送的問題。

兩種FlexRay總線數(shù)據(jù)非冗余傳輸方案如下：方案一是在數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后立即清空和釋放緩沖區(qū)；方案二則是屏蔽相關(guān)時隙的數(shù)據(jù)收發(fā)中斷。根據(jù)FlexRay通信機制，即便清除緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，總線上仍會傳輸數(shù)據(jù)空幀，無法有效的隔絕總線數(shù)據(jù)的冗余發(fā)送，也無法降低總線負載率和CPU占用率，而上述問題均可在方案二中得到解決，故采用方案二。FlexRay數(shù)據(jù)收發(fā)中斷是以通信周期為基準，按照靜態(tài)時隙時間觸發(fā)，因此設(shè)計在每個通信周期最開始完成時隙有效性判斷，即判定哪些時隙的數(shù)據(jù)沒有更新，當前通信周期內(nèi)不需傳輸該時隙數(shù)據(jù)，然后關(guān)閉對應(yīng)時隙的收發(fā)中斷，實現(xiàn)總線數(shù)據(jù)非冗余傳輸。

FlexRay模塊自帶絕對時鐘T1，將其配置為循環(huán)計數(shù)模式，T1以FlexRay通信周期和宏節(jié)拍(Microtick)為時基，定時器產(chǎn)生溢出中斷并執(zhí)行相應(yīng)的處理函數(shù)。在每個通信周期的開始產(chǎn)生定時器溢出中斷，在定時器中斷中對更新的時隙進行有效性判斷，通過寄存器MBCCSRn的MBIE位使能或禁能分配給對應(yīng)時隙的發(fā)送類型消息緩沖區(qū)，以此實現(xiàn)方案二。

定時器T1中斷在每個通信周期的開始產(chǎn)生，而靜態(tài)時隙1用作狀態(tài)檢測幀的發(fā)送，其周期與通信周期相同，也在每個通信周期開始產(chǎn)生，為避免定時器中斷和時隙中斷發(fā)送沖突，將定時器中斷偏移至靜態(tài)時隙1中，如圖7所示，確保定時器中斷服務(wù)函數(shù)有效執(zhí)行，實現(xiàn)FlexRay總線數(shù)據(jù)非冗余傳輸。

圖7　靜態(tài)時隙1結(jié)構(gòu)

4通信測試與結(jié)果分析

4.1串行接口測試

為滿足總體設(shè)計指標，模擬實際串口數(shù)據(jù)收發(fā)，以10 ms為周期，波特率為115 200 bps，測試數(shù)據(jù)量為64字節(jié)，分別采用232和422兩種串口標準，進行串口收發(fā)測試。通過串口助手向串行接口單元發(fā)送數(shù)據(jù)，接收后再轉(zhuǎn)發(fā)至串口助手顯示，測試4小時，16路串口均無數(shù)據(jù)幀的丟失和錯誤，符合設(shè)計需求，滿足飛行控制計算機實時和準確的通信要求。其中串口1的測試結(jié)果如表3所示。

表3　串口收發(fā)測試結(jié)果

4.2FlexRay總線測試

依據(jù)FlexRay通信協(xié)議，連接CPU單元和串行接口單元進行通信測試，通信周期為10 ms，靜態(tài)時隙為200 μs，時隙數(shù)為30，負載段長度為64字節(jié)，從總線上監(jiān)測輸出波形。

圖8　FlexRay總線波形

FlexRay總線波形如圖8(a)所示，可見通信周期為10 ms，圖8(b)所示為一個周期時隙輸出波形，時隙2、7、10上傳SIO單元數(shù)據(jù)至CPU單元，時隙13下傳CPU單元數(shù)據(jù)至SIO單元。由圖8(b)可知，時隙2與時隙7相差1 ms，時隙7與時隙10相差600 μs，時隙10與時隙13相差600 us，與預(yù)設(shè)值一致，可知FlexRay模塊設(shè)計正確。

FlexRay總線連續(xù)通信4小時進行測試，測試結(jié)果如表4所示，丟幀、錯幀計數(shù)均為0，表明了FlexRay總線通信的可靠性，符合飛行控制計算機總線通信的要求。

表4　SIO單元與CPU單元通信測試結(jié)果

FlexRay總線傳輸一幀數(shù)據(jù)需62.5 μs，傳輸效率為(單個靜態(tài)時隙內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸時間÷靜態(tài)時隙長度)×100%，即(62.5÷200)×100%=31.25%，按照設(shè)計的通信協(xié)議計算總線負載率為(每個靜態(tài)時隙的數(shù)據(jù)傳輸時間×?xí)r隙數(shù)量)÷通信周期×100%，即(62.5×24)÷10000×100%=15.00%，滿足總線負載率的設(shè)計要求。

4.3FlexRay非冗余傳輸方案測試

FlexRay總線時隙2、10的數(shù)據(jù)更新頻率為100 Hz，時隙7、13數(shù)據(jù)的更新頻率為50 Hz，為避免冗余傳輸，每20 ms的周期屏蔽時隙7和時隙13的收發(fā)中斷，總線波形如圖9所示。

圖9　FlexRay非冗余通信總線波形圖

如圖9(b)所示為相鄰兩個通信周期中斷信號波形，對比可知，時隙2與時隙10間隔1.6 ms，時隙7、13在對應(yīng)通信周期內(nèi)中斷屏蔽，在該時隙無數(shù)據(jù)收發(fā)，與理論預(yù)期一致，可實現(xiàn)總線非冗余傳輸，進一步降低總線負載。

4.4測試結(jié)論

串行接口單元的測試結(jié)果與設(shè)計指標對比，如表5所示。

以上實驗結(jié)果表明，串行接口單元的各個模塊通信正常，通信誤碼率和總線負載率符合設(shè)計要求，且FlexRay總線通信協(xié)議設(shè)計正確，可以滿足飛行控制計算機的通信需求。

5結(jié)束語

表5　串行接口單元測試結(jié)果

針對基于CAN總線的樣例飛行控制計算機串行接口單元處理器性能飽和、外部接口不足、內(nèi)部總線負載過重的問題，設(shè)計了基于FlexRay總線的串行接口單元，并從時間調(diào)度、總線余度和非冗余數(shù)據(jù)傳輸三方面設(shè)計了FlexRay通信協(xié)議和余度管理機制，以提高通信可靠性和降低總線負載率。測試結(jié)果正確，符合設(shè)計要求，能夠滿足飛行控制計算機數(shù)據(jù)傳輸需求，為以后先進飛行控制計算機的升級以及新型總線FlexRay的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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Design and Research on Serial Input and Output Unit of Flight Control Computer Based on FlexRay Bus

Li Yan, Chen Xin, Li Chuntao

(College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing211106, China)

Abstract:According to the requirements of serial communication interface and internal communication capability of the serial input and output unit in the flight control computer of the sample unmanned aerial vehicle (UAV), the schematic and driver software of the serial communication unit based on FlexRay bus are designed, and FlexRay protocols and redundant management are realized in three aspects: slot allocation, bus redundancy and non-redundant data transmission. Using FPGA as the processor, in accordance with the communication protocols of FlexRay bus, the unit completes data transmission between serial communication unit and central processing unit, which realizes real-time communication between external devices and the flight control computer, and ensure the busload less than 20%. The test verifies the correctness and practicability of the design, which can reach the design targets and meet the serial communication demands of the sample UAV flight control computer.

Keywords：flight control computer; serial input and output unit; FlexRay bus; communication protocols; redundant management

文章編號：1671-4598(2016)02-0094-05

DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.02.026

中圖分類號：TP273.5

文獻標識碼：A

作者簡介：李妍(1991-)，女，江蘇人，碩士研究生，主要從事飛行控制計算機設(shè)計方向的研究。李春濤(1975-)，男，山東人，副研究員，主要從事先進飛行控制技術(shù)方向的研究。

收稿日期：2015-08-20；修回日期：2015-09-19。

陳欣(1958-)，男，北京人，研究員，主要從事先進飛行控制技術(shù)方向的研究。