基于FlexRay總線設計的彈上分布式點火控制系統(tǒng)

黃豐保，安德宇，張春曉

(中國空空導彈研究院，河南洛陽 471009)

0 引言

能源系統(tǒng)是空空導彈工作的動力源，而導彈工作方式的特殊性決定了所用能源大部分采用一次性使用的熱電池，需在使用前點火進行激活。隨著新一代遠程空空導彈的研制，彈上點火控制系統(tǒng)還承擔了發(fā)動機點火控制、供電控制等功能，時序越來越復雜，且能量單元隨著用電部件位置不同而呈分布式布局，給當前使用集中式點火控制方式帶來了新的挑戰(zhàn)[1]。

FlexRay是一種基于時間觸發(fā)和柔性時間觸發(fā)機制的現(xiàn)場總線，通過通信周期循環(huán)的方式傳輸信息。該總線最初是由BMW聯(lián)合其他公司開發(fā)的，隨后被FlexRay聯(lián)盟將其標準化,解決了汽車控制總線中總線協(xié)議容錯型差和傳輸速率低的缺點[2]。

FlexRay總線作為針對車載線控領域高可靠性要求而設計的新一代總線通訊協(xié)議[3]，面向的是眾多車內線控操作(如點火控制、剎車控制、安全氣囊等)，這些領域對安全性和可靠性都有較嚴格的要求，因此，F(xiàn)lexRay總線協(xié)議從設計上對可靠性進行了較深入的考慮。較為適合應用于實時控制和安全性要求高的實時同步控制領域。不僅能大大簡化通訊系統(tǒng)線路和架構，還可以提供較高數(shù)據(jù)傳輸速率和高穩(wěn)定性、可靠性，代表了現(xiàn)代總線通訊的發(fā)展方向[4-5]。

FlexRay技術的優(yōu)點滿足了航空產品對可靠性和安全性要求極高的需求，因此，國內外學者對該技術在航空電子產品上的應用進行了廣泛的研究。文獻[6]開展了將FlexRay應用于航空安全傳感系統(tǒng)的工作。文獻[7]探討了航空環(huán)境下，使用FlexRay傳輸協(xié)議代替RS485的方案，并給出了仿真結果。文獻[8]將FlexRay技術應用于航電系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的實時反應速度和系統(tǒng)可靠性。文獻[9]研究了將FlexRay的實時網(wǎng)絡技術應用與汽車和航空工業(yè)，并對兩者的實施方法進行了對比研究。還有學者將FlexRay技術應用其他諸如汽車、機器人等領域，取得了豐碩的成果[10-13]。

為解決導彈分布式點火帶來的安全性和可靠性問題，文中采用具有高可靠性的FlexRay總線技術結合導彈特殊點火方式，設計數(shù)字化的彈上點火控制系統(tǒng)，進一步提高點火系統(tǒng)的安全性和可靠性。

1 分布式點火系統(tǒng)方案

1.1 FlexRay總線拓撲結構

目前，國際主流遠程空空導彈的氣動布局基本相似，導彈跟隨系統(tǒng)位于導彈尾部，導引探測系統(tǒng)位于導彈前端[14]，且這兩個部件因承擔了重要的功能，所需用電功率也較多，為兼顧其他部件的用電需求和導彈飛行控制系統(tǒng)用電的穩(wěn)定性，能源系統(tǒng)往往設置在這兩個系統(tǒng)的中間位置，因此，從結構上可以將能源系統(tǒng)視為星型分布。

FlexRay總線常用的網(wǎng)絡拓撲結構有多種，如點對點連接、星型連接(包含無源和有源兩種方式)、總線型、星型級聯(lián)型、混合型和雙通道拓撲等[15]。

綜合考慮用電部件的氣動布局位置和各總線拓撲結構的優(yōu)缺點，采用星型拓撲結構。為減小控制電路負擔，系統(tǒng)采用一個星型中繼器ActiveStar，所有總線節(jié)點都與該中繼器連接，每個節(jié)點都有發(fā)送器和接收器，從電氣上保持彼此獨立，保障任何節(jié)點出現(xiàn)故障時，不會影響整個系統(tǒng)其他節(jié)點的正常工作。星型拓撲結構示意圖如圖1所示。

圖1 星型拓撲結構示意圖

采用上述網(wǎng)絡拓撲結構后，每個節(jié)點僅承擔該節(jié)點所在位置供電單元的點火控制功能，并完成點火信息和供電信息的采集和發(fā)送，從而完成分布式點火控制功能。

1.2 電路工作原理

依據(jù)前述設計思想，該點火控制方案工作原理如下：采用微控制器MC9S12XF512MLM作為控制電路的核心處理器，實現(xiàn)FlexRay總線、構件內部總線以及彈載電源系統(tǒng)時序控制、點火邏輯控制的管理；與上位機(模擬飛控組件功能)之間的通信采用BDM接口，可實現(xiàn)在線調試及軟件燒寫；與其他獨立點火部件之間的接口采用雙路FlexRay總線收發(fā)器TJA1080A實現(xiàn)；外圍電路實現(xiàn)AD信號調理采集、數(shù)據(jù)記錄、處理器復位、時鐘信號處理等功能。

考慮到載機與電源之間的數(shù)據(jù)傳輸存在信號電平高、干擾較強的問題，需要設計隔離濾波電路完成信號的接收；供電采用電路中統(tǒng)一的+5 V電源；通過單片機內部自帶的模數(shù)轉換器(ADC)采集所需電壓，實現(xiàn)電壓比較及電路自檢功能；通過標準的JTAG接口進行PCB測試和片上調試。圖2所示為處理器與FlexRay總線之間數(shù)據(jù)流通示意圖。

圖2 處理器與FlexRay總線之間數(shù)據(jù)流通示意圖

1.3 核心控制芯片選擇

MC9S12XF512MLM是飛思卡爾推出的內建單/雙通道FlexRay V2.1的新系列16位車用微控制器，以16位CISC架構為基礎，具有豐富的內核和基于XGATE架構的協(xié)處理器，可提供100 MIPS的額外處理能力，使用PLL鎖相環(huán)實現(xiàn)EMC的優(yōu)化；帶錯誤檢測的PWM模塊，支持多種協(xié)議，如CAN、LIN和SPI協(xié)議；采用增強型周期中斷定時器，具有8個獨立的中斷和觸發(fā)輸出[16]。

目前，導彈能源系統(tǒng)所承擔的功能主要是對一次性火工品完成點火控制和供電控制功能，使用的信號量不多，對處理器的功能要求較少，但對可靠性要求極高，鑒于MC9S12XF512MLM在車載網(wǎng)絡系統(tǒng)中的優(yōu)異表現(xiàn)，該芯片能夠滿足彈上電源控制系統(tǒng)的需求。

1.4 微控制器處理電路

MC9S12XF512MLM具有的功耗小、驅動能力強的優(yōu)點，使得該方案可采用統(tǒng)一的供電電源，減少了電源二次轉換帶來的損耗，同時提高了整個系統(tǒng)的抗干擾能力，微控制器外圍電路具體設計如圖3所示。

圖3 處理器外圍工作電路原理

1.5 數(shù)據(jù)通信傳輸設計

FlexRay總線將一個通信周期分為靜態(tài)部分、動態(tài)部分、網(wǎng)絡空閑時間3部分。靜態(tài)部分使用TDMA方法，用于發(fā)送需要經(jīng)常性發(fā)送的重要性高的數(shù)據(jù)，其時長也占據(jù)通信周期的大部分[17]；動態(tài)部分用于發(fā)送使用頻率不確定、相對不重要的數(shù)據(jù)。FlexRay數(shù)據(jù)幀格式由幀頭段、有效負載數(shù)據(jù)段和幀尾3個部分組成，幀頭包括5個字節(jié)；有效負載數(shù)據(jù)段可以包括0～254個字節(jié)的數(shù)據(jù)，且為偶數(shù)個數(shù)據(jù)字節(jié)；幀尾只有一個數(shù)據(jù)字段，即24位的幀CRC[18-19]。

根據(jù)FlexRay總線通信特點，總線驅動器采用NXP的TJA1080A總線收發(fā)器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。該收發(fā)器主要用于1～10 Mbit/s的通信系統(tǒng)，能在FlexRay網(wǎng)絡的物理總線和協(xié)議控制器間提供先進的接口，適用于有源星型收發(fā)器或節(jié)點收發(fā)器。TJA1080A將作為有源星型網(wǎng)絡的一個分支的操作模式，既滿足系統(tǒng)設計可靠性和安全性的指標，也為后期提高產品性能留有足夠的設計裕量。雙路總線收發(fā)器外圍電路如圖4所示。

圖4 總線收發(fā)器TJA1080A及外圍電路

1.6 終端控制

由于點火部件均為火工品，且點火瞬間需要的電流遠遠高于工作電流，因此，總線通信指令到達終端后，需要對信號進行處理放大，以便能夠驅動控制開關，從而完成終端點火控制功能的實現(xiàn)。

終端控制電路采用經(jīng)典的功率放大電路驅動點火控制開關完成，控制開關可采用三極管或大功率MOSFET實現(xiàn)；為提高點火可靠性，采用控制時序、點火指令、時序條件等條件形成互鎖模式，確保開關可靠關斷/閉合[20]。

1.7 軟件設計

為提高點火控制系統(tǒng)的可靠性，對硬件電路和軟件做了相應的簡化。軟件開發(fā)環(huán)境為飛思卡爾推出的Freescale CodeWarrior 5.0(CW 5.0)，可驗證多個軟件項目，從而提高軟件可靠性。在設計過程中，通過以下措施來提高軟件系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性：

1)結合點火控制系統(tǒng)需求和FlexRay數(shù)據(jù)幀格式，設計滿足多種通信模式和大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式，兼顧后期的開發(fā)需求。

2)系統(tǒng)上電后，對寄存器、堆棧、常用指令等進行檢查，確保軟件工作正常，然后對FlexRay模塊進行初始化，再對協(xié)議初始化。

3)對于關鍵變量采用冗余設計，如點火指令，從持續(xù)時間、脈沖個數(shù)等多個角度進行身份認證，合法后再進行處理。

4)對關鍵的輸出信號，采用多條指令控制，邏輯上形成互鎖，使硬件電路能自主區(qū)別指令與干擾信號。

5)對關鍵的點火指令，用程序絕對定位語句將該段指令分配到Flash的一個指定區(qū)域，區(qū)域前面填充為NOP或者設計捕獲程序，使程序跑飛時不會跳到關鍵語句上。

通過以上軟件設計，結合有冗余設計的硬件電路，在開發(fā)環(huán)境中對系統(tǒng)進行程序走查，逐步分析驗證，以保證軟件可靠性。

2 仿真及驗證

點火控制系統(tǒng)要求對5 ms以內的干擾噪聲具有良好的抗干擾性，為驗證點火控制系統(tǒng)設計的有效性，模擬發(fā)送3種干擾指令，以驗證系統(tǒng)的抗干擾性能:

1)第一種噪聲，持續(xù)時間15 ms，幅值≤3 V；

2)第二種噪聲，持續(xù)時間4 ms，幅值4.5 V；

3)第三種噪聲，持續(xù)時間3 ms，幅值5 V;

4)正常指令后，再各增加一個干擾噪聲。

根據(jù)以上參數(shù)，仿真測試結果如圖5所示。

圖5 點火系統(tǒng)受干擾情況下的輸出響應

分析以上4種干擾情況下的仿真結果，系統(tǒng)具有良好的抗干擾性能，且系統(tǒng)響應時間不變，滿足了整體的性能要求。

3 結論

針對導彈點火部件的分散化控制需求，設計了彈上分布式點火控制系統(tǒng)，經(jīng)過分析和仿真實驗測試，設計電路是有效可行的，能夠滿足彈上分布式點火控制可靠性和實時性的要求，同時簡化了彈上電氣系統(tǒng)，拓展了導彈能源系統(tǒng)任務接口。