FlexRay總線在AHEAD彈藥炮控系統(tǒng)中的應(yīng)用

姚新濤，譚爭(zhēng)光，丁 毅，王 鵬

(西北機(jī)電工程研究所， 陜西 咸陽(yáng) 712099)

隨著火炮武器系統(tǒng)信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化程度的不斷提高，信息化、智能化彈藥技術(shù)也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，歐美一些國(guó)家針對(duì)防空高炮武器系統(tǒng)作戰(zhàn)需求，研制出了一種應(yīng)用于中小口徑速射高炮的信息化、低成本AHEAD彈藥，用以攔截末端來(lái)襲無(wú)人機(jī)、巡航導(dǎo)彈、武裝直升機(jī)、“蜂群”等目標(biāo)，使高炮武器系統(tǒng)對(duì)空作戰(zhàn)效能得到了進(jìn)一步提升。21世紀(jì)初，該技術(shù)已在國(guó)內(nèi)得到突破，且實(shí)現(xiàn)了型號(hào)產(chǎn)品應(yīng)用。

AHEAD彈作為一種基于火炮武器系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制的信息化彈藥，其實(shí)時(shí)性要求極高。傳統(tǒng)的CAN總線是一種基于事件觸發(fā)型的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其最高傳輸速率為1Mbit/s，且一般使用過(guò)程中，為了達(dá)到一定的節(jié)點(diǎn)數(shù)量、傳輸距離及傳輸可靠性，多數(shù)采取降低傳輸速率使用，嚴(yán)重限制了AHEAD彈對(duì)其控制實(shí)時(shí)性的要求[1]。而FlexRay總線作為一種分布式高速總線網(wǎng)絡(luò)，可大幅度降低火炮探測(cè)、跟蹤、解算及炮控裝置之間的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)，提高AHEAD彈的彈飛時(shí)間控制能力與控制精度，提升武器系統(tǒng)的整體作戰(zhàn)性能[2-5]。

FlexRay總線協(xié)議是繼CAN總線之后，由國(guó)際整車(chē)廠以及半導(dǎo)體公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的一種新型總線協(xié)議。該協(xié)議利用2條獨(dú)立的物理線路進(jìn)行通訊，每條物理線路的最大數(shù)據(jù)速率為10 Mbit/s。2條通訊線路既可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)冗余，也可以用2條線路實(shí)現(xiàn)不同的消息傳輸。同時(shí)，F(xiàn)lexRay總線協(xié)議支持兩種數(shù)據(jù)傳輸方式，即為同步數(shù)據(jù)傳輸方式和異步數(shù)據(jù)傳輸方式。同步數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)時(shí)間觸發(fā)通信，滿足系統(tǒng)對(duì)可靠性要求；異步數(shù)據(jù)傳輸采用事件驅(qū)動(dòng)方式通信，允許每個(gè)節(jié)點(diǎn)利用全部帶寬[6 -11]。另外，F(xiàn)lexRay總線協(xié)議具有總線型、星型和混合型等多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。可滿足武器系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性與可靠性。

1 AHEAD彈藥炮控系統(tǒng)原理介紹

高效命中與毀傷(advanced hit efficiency and destruction，AHEAD)表示AHEAD彈在目標(biāo)前方引爆、拋撒子彈藥(預(yù)制破片)，即“超前撒網(wǎng)攔截”的概念。AHEAD彈藥是一種火炮控制的高精度信息化彈藥，利用火炮自身的探測(cè)系統(tǒng)、火控計(jì)算機(jī)等設(shè)備精確解算AHEAD彈的飛行時(shí)間，控制彈藥在目標(biāo)前方引爆母彈，利用母彈開(kāi)倉(cāng)拋撒的大量子彈丸實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精確攔截。

AHEAD彈藥炮控系統(tǒng)用以實(shí)現(xiàn)火炮對(duì)信息化彈藥的實(shí)時(shí)精確控制，主要包括目標(biāo)探測(cè)與跟蹤系統(tǒng)(搜索與跟蹤雷達(dá)系統(tǒng)或光電系統(tǒng))、火炮諸元解算裝置(火控計(jì)算機(jī)求取彈丸飛行時(shí)間)、炮口測(cè)速與裝定裝置(實(shí)現(xiàn)初速測(cè)量與引信裝定功能)等3部分。AHEAD彈藥的火炮控制原理如圖1所示。

圖1 AHEAD彈藥控制原理示意圖

在AHEAD彈藥應(yīng)用中，目標(biāo)探測(cè)與跟蹤系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)來(lái)襲低空目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)搜索、截獲與跟蹤，并向火炮諸元解算裝置不間斷、穩(wěn)定可靠地提供高精度的目標(biāo)距離、角度、速度等信息。

火炮諸元解算裝置通過(guò)總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)接收目標(biāo)搜索與跟蹤系統(tǒng)對(duì)于目標(biāo)的距離、角度、速度等信息，結(jié)合當(dāng)前氣象參數(shù)與火炮狀態(tài)數(shù)據(jù)，以AHEAD彈藥射表為基準(zhǔn)，解算平均初速下的當(dāng)發(fā)彈丸飛行時(shí)間，并按時(shí)序傳輸給炮口測(cè)速與裝定裝置。

炮口測(cè)速與裝定裝置接收火炮諸元解算裝置解算的平均初速下的彈飛時(shí)間，并結(jié)合其實(shí)時(shí)測(cè)量的當(dāng)發(fā)初速，求解修正后的當(dāng)發(fā)彈丸飛行時(shí)間，當(dāng)彈丸飛離炮口前實(shí)施可編程電子時(shí)間引信裝定，控制AHEAD彈藥精確開(kāi)倉(cāng)并毀傷目標(biāo)。

2 基于FlexRay總線協(xié)議的AHEAD彈藥炮控系統(tǒng)通信架構(gòu)

AHEAD彈藥炮控系統(tǒng)作為防空高炮武器系統(tǒng)的重要組成部分，具有目標(biāo)探測(cè)與跟蹤、彈丸飛行時(shí)間解算、炮口初速測(cè)量與引信感應(yīng)裝定等功能，其間的數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)交換均以總線形式來(lái)完成。AHEAD彈藥炮控系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 AHEAD彈藥炮控系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)框圖

FlexRay總線通信網(wǎng)絡(luò)在防空高炮上組網(wǎng)，通常情況下數(shù)據(jù)傳輸采用總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并按設(shè)定好的時(shí)序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，AHEAD彈藥炮控系統(tǒng)中的目標(biāo)探測(cè)與跟蹤系統(tǒng)、火炮諸元解算裝置及炮口測(cè)速與裝定裝置分別作為FlexRay總線通信網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)存在，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都包含有FlexRay通信控制器和FlexRay總線控制器，用于實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間的信息收發(fā)功能。高炮上的所有信息單元節(jié)點(diǎn)均掛接在FlexRay總線型網(wǎng)絡(luò)上，通過(guò)FlexRay總線協(xié)議實(shí)現(xiàn)AHEAD彈藥炮控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互。高炮武器系統(tǒng)的FlexRay總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

基于某高炮武器系統(tǒng)的FlexRay總線擬采用時(shí)間觸發(fā)型同步傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，F(xiàn)lexRay同步傳輸網(wǎng)絡(luò)在協(xié)議中的靜態(tài)數(shù)據(jù)段傳輸。在靜態(tài)數(shù)據(jù)段中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分配有固定的時(shí)隙，各分系統(tǒng)或單體只能在總線預(yù)先配置的固定時(shí)隙中訪問(wèn)總線，實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的接收或發(fā)送。

圖3 FlexRay總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框圖

以AHEAD彈藥炮控系統(tǒng)組網(wǎng)為例進(jìn)行同步傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，配置“目標(biāo)探測(cè)與跟蹤系統(tǒng)”在時(shí)隙1發(fā)送數(shù)據(jù)，時(shí)隙4、時(shí)隙7接收數(shù)據(jù)，“火炮諸元解算裝置”在時(shí)隙2發(fā)送數(shù)據(jù)，時(shí)隙5、時(shí)隙8接收數(shù)據(jù)，“炮口測(cè)速與裝定裝置”在時(shí)隙3發(fā)送數(shù)據(jù)，時(shí)隙6、時(shí)隙9接收數(shù)據(jù)，結(jié)合火炮其他分系統(tǒng)及單體，進(jìn)行周期性的FlexRay總線協(xié)議數(shù)據(jù)通信。

3 FlexRay總線節(jié)點(diǎn)硬軟件設(shè)計(jì)

在FlexRay總線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，以炮口測(cè)速與裝定裝置的FlexRay總線協(xié)議節(jié)點(diǎn)為例進(jìn)行硬軟件設(shè)計(jì)，其他單元類(lèi)同。

3.1 FlexRay硬件接口電路設(shè)計(jì)

為了滿足AHEAD彈藥對(duì)于彈飛時(shí)間解算精度與實(shí)時(shí)性的要求，在炮口測(cè)速與裝定裝置中選用高性能的DSP信號(hào)處理芯片作為硬件平臺(tái)，用于實(shí)現(xiàn)彈飛時(shí)間修正解算。FlexRay總線采用DSP(處理器)+MFR4310(通信控制器)+TJA1080(總線控制器)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)FlexRay控制總線接口的硬件設(shè)計(jì)，其通信結(jié)構(gòu)框圖如圖4。DSP選用高性能16位點(diǎn)定處理器TMS320C6416作為炮口測(cè)速與裝定裝置電氣系統(tǒng)的信息處理核心，與FlexRay通信控制器MFR4310之間采用并行總線方式進(jìn)行硬件連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)FlexRay控制器的初始化及數(shù)據(jù)的輸入輸出，采用FlexRay總線控制器TJA1080作為接口協(xié)議芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)總線數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)操作。基于DSP的FlexRay總線接口電路如圖5所示。

圖4 FlexRay通信結(jié)構(gòu)框圖

圖5 FlexRay接口電路設(shè)計(jì)原理框圖

電路設(shè)計(jì)中，采用TMS320C6416數(shù)字處理器中的EMIFB接口實(shí)現(xiàn)與MFR4310的并行數(shù)據(jù)交互，通過(guò)DSP的外部中斷來(lái)響應(yīng)FlexRay總線數(shù)據(jù)接收指令，并在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取；利用EMIFB中的CE2作為通信控制器MFR4310的片選信號(hào)，OE、WE分別作為總線數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)FlexRay總線數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)時(shí)序控制。TJA1080芯片中的TXD、TXEN、RXD分別與MFR4310的TXD_BG1/2、TXEN1/2、RXD_BG1/2進(jìn)行連接， BGE、EN和STBN引腳需置高，使TJA1080工作在正常工作模式，實(shí)現(xiàn)兩者之間的通信。

3.2 基于DSP的 FlexRay總線協(xié)議軟件設(shè)計(jì)

基于DSP的FlexRay協(xié)議軟件設(shè)計(jì)，首先對(duì)DSP進(jìn)行初始化，完成DSP時(shí)鐘、倍頻配置并啟動(dòng)鎖相環(huán)，DSP外圍設(shè)備配置、中斷及定時(shí)器等內(nèi)部外設(shè)配置等；其次，通過(guò)DSP對(duì)FlexRay通信控制器MFR4310進(jìn)行初始化設(shè)置，配置MCR寄存器，使能FlexRay通信，配置FlexRay引擎，以及FlexRay消息緩沖器大小設(shè)置等。最后，靜態(tài)數(shù)據(jù)段在指定的時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收均會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的中斷指令，觸發(fā)DSP執(zhí)行相應(yīng)的發(fā)送或接收數(shù)據(jù)幀中斷操作，實(shí)現(xiàn)FlexRay網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。基于DSP的FlexRay軟件流程如圖6所示。

圖6 基于DSP的FlexRay軟件流程框圖

4 仿真分析

基于以上原理，現(xiàn)通過(guò)仿真模型對(duì)FlexRay總線與CAN總線的傳輸穩(wěn)定性與可靠性進(jìn)行分析、比較，證明FlexRay總線在AHEAD彈藥炮控系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性。

4.1 FlexRay總線仿真分析

在AHEAD彈藥炮控系統(tǒng)中，采用FlexRay總線靜態(tài)段的時(shí)間觸發(fā)同步傳輸模式，以此為基礎(chǔ)建立消息結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)傳輸仿真模型。

FlexRay總線協(xié)議中，靜態(tài)段的每個(gè)時(shí)槽由ActionPointOffset(APO)、數(shù)據(jù)幀本體部分和通信空閑CID三部分組成。FlexRay數(shù)據(jù)幀本體部分包括幀頭(Header Segment)，5個(gè)字節(jié)；有效數(shù)據(jù)段(payload segment)，0～254字節(jié)；幀尾(trailer segment)，3個(gè)字節(jié)。靜態(tài)段消息包括：傳輸起始序列TSS，一般為3～15位；幀起始序列FSS，1位；有效數(shù)據(jù)DATA，n*8位；每個(gè)有效數(shù)據(jù)DATA開(kāi)頭需添加字節(jié)開(kāi)始序列BSS，2位；幀結(jié)束序列FES，2位。FlexRay靜態(tài)幀消息結(jié)構(gòu)如圖7所示。

假設(shè)FlexRay的傳輸速率下的位時(shí)間為τ，傳輸數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為N個(gè)字節(jié)，每個(gè)靜態(tài)段時(shí)槽消息的傳輸時(shí)間為T(mén)，根據(jù)FlexRay通信協(xié)議計(jì)算靜態(tài)段傳輸時(shí)間計(jì)算過(guò)程為：

T=[2APO+TSS+FSS+(5+N+3)·

(8+BSS)+FES+CID]·τ

取TSS為15位，通信空閑時(shí)間段界定符CID為11位，APO位于時(shí)槽的開(kāi)始與結(jié)尾處，代入以上幀序列位數(shù)，有：

T=[2APO+15+1+(5+N+3)·

(8+2)+2+11]·τ

T=(109+10N+2APO)·τ

由以上計(jì)算結(jié)果可知，采用FlexRay的靜態(tài)段通信模式，靜態(tài)段中的每一個(gè)時(shí)槽規(guī)定了相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的收發(fā)時(shí)序，傳輸時(shí)間基本恒定，可有效保證通信的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

圖7 FlexRay靜態(tài)幀消息結(jié)構(gòu)

4.2 CAN總線網(wǎng)絡(luò)仿真分析

CAN總線網(wǎng)絡(luò)采用事件觸發(fā)方式，在總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，各節(jié)點(diǎn)之間根據(jù)其所配置的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同等優(yōu)先級(jí)將因爭(zhēng)奪發(fā)送權(quán)而導(dǎo)致總線沖突，低優(yōu)先級(jí)的消息將會(huì)由于高優(yōu)先級(jí)的沖突一直處于阻塞狀態(tài)，致使網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間不能按預(yù)期完成，影響系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與穩(wěn)定性。

假設(shè)在實(shí)時(shí)性系統(tǒng)的CAN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，對(duì)于系統(tǒng)的某一信息幀數(shù)據(jù)m，其在最壞傳輸條件下的延時(shí)時(shí)間，即最壞傳輸時(shí)間為T(mén)RM，主要包括以下過(guò)程：① 信息幀m在總線上的最長(zhǎng)占用時(shí)間TCM；② 信息m從申請(qǐng)發(fā)送到獲取總線使用權(quán)的等待時(shí)間TWM；③ 被正在傳輸中優(yōu)先級(jí)低于m的信息阻礙時(shí)間TBM；④ 等待優(yōu)先級(jí)高于信息m的信息傳輸時(shí)間；⑤ 總線上錯(cuò)誤幀的延遲時(shí)間TEM；等。根據(jù)遞推算法計(jì)算最壞傳輸時(shí)間TRM為：

(1)

式(1)中：h(m)表示優(yōu)先級(jí)比m高的信息集;l(m)表示優(yōu)先級(jí)比m低的信息集;τbit表示位傳輸時(shí)間;Ti表示信息幀m的發(fā)送周期;TJM表示軟件抖動(dòng)時(shí)間;TDM表示被允許的最大傳輸延時(shí)。

對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，信息m必須滿足TRM≤TDM-TJM，若TRM>TDM-TJM，表示系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間已經(jīng)超過(guò)最大等待時(shí)間上限，消息m無(wú)法調(diào)動(dòng)成功，存在通信異常風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論

本文針對(duì)火炮對(duì)AHEAD彈藥的控制精度及實(shí)時(shí)性要求，提出了FlexRay總線的應(yīng)用方案，并對(duì)FlexRay總線在炮口測(cè)速與裝定裝置上應(yīng)用的硬件接口電路及驅(qū)動(dòng)軟件進(jìn)行了原理設(shè)計(jì)，并對(duì)FlexRay總線與CAN總線在傳輸時(shí)間的可靠性與穩(wěn)定性進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，F(xiàn)lexRay總線技術(shù)對(duì)于提升AHEAD彈藥炮控系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性等方面具有較高的應(yīng)用價(jià)值。