基于Flexray总线的车载指挥控制任务计算机

　　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

　　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桥等功能威廉希尔官方网站 ，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威廉希尔官方网站 和访问超时计时器威廉希尔官方网站 。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。看门狗计时器威廉希尔官方网站 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。访问超时计时器威廉希尔官方网站 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，该威廉希尔官方网站 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。