無人車載以太網(wǎng)技術(shù)研究

陳俊賢，黃振峰，楊壯濤，文善賢，劉兆沛

(1.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004; 2. 清華大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，北京 100084)

0 引言

無人車是感知報探測和指揮遙控、任務(wù)載荷等于一體的大型無人裝備，是機(jī)械化、信息化、智能化高度融合的地面無人平臺。無人車的發(fā)展根據(jù)智能感知系統(tǒng)的加入變成了半自主式和自主式作戰(zhàn)平臺。無人車的自主行駛模式下不僅能在復(fù)雜的戰(zhàn)場形勢下完成預(yù)警探測，還能控制底盤進(jìn)行自主導(dǎo)航行駛，完成一些任務(wù)巡邏，躲避障礙物，在任務(wù)載荷方面也能實現(xiàn)自主化，能對打擊目標(biāo)進(jìn)行自動搜索和識別，并進(jìn)行火力打擊。隨著無人車系統(tǒng)的集成度增加，根據(jù)通信要求適當(dāng)增加其鏈路，可以看出未來無人戰(zhàn)車遙控數(shù)據(jù)鏈的發(fā)展趨向于智能化、多用途、低功耗、自主協(xié)同等方面發(fā)展，隨之帶來的無人戰(zhàn)車遙控數(shù)據(jù)鏈方面要向?qū)拵Щ?biāo)準(zhǔn)化、更強(qiáng)抗干擾能力方向和互聯(lián)互通互操作方向發(fā)展。無人車功能的逐漸擴(kuò)大，對通信帶寬和質(zhì)量有著很高的要求，加上無人車作戰(zhàn)環(huán)境惡劣，車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性提高也將是個重大課題。網(wǎng)絡(luò)可靠性主要包括路徑連通可靠性和信息傳輸可靠性，依靠硬件層和軟件層的設(shè)計來實現(xiàn)。

傳統(tǒng)的以太網(wǎng)采用事件觸發(fā)消息，在一些實時數(shù)據(jù)傳輸過程中會造成鏈路沖突，影響通信質(zhì)量。時間觸發(fā)以太網(wǎng)(TTE,time-triggered ethernet)的出現(xiàn)較好地解決了這種沖突。TTE是由通信任務(wù)調(diào)度表驅(qū)動，可以避免網(wǎng)絡(luò)流量擁堵并具有確定的延遲，使遙測監(jiān)控系統(tǒng)接收遙測數(shù)據(jù)并解析具有一定的實時性。從以太網(wǎng)的誕生到現(xiàn)在的大量商用以太網(wǎng)市場，可以體現(xiàn)出以太網(wǎng)技術(shù)的成熟，TTE正是在這種傳統(tǒng)以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上迅速發(fā)展起來。國外的TTTech公司已經(jīng)開發(fā)出帶有TTE通信架構(gòu)的產(chǎn)品。TTE采用的是一種時間觸發(fā)通信機(jī)制，其原理是在全局統(tǒng)一的時鐘下，通信節(jié)點按照分配好的時刻進(jìn)行消息傳輸，這種方式具有強(qiáng)實時性、嚴(yán)格確定性、高可靠等特點，相比較傳統(tǒng)以太網(wǎng)的事件觸發(fā)機(jī)制，能有效防止鏈路競爭造成數(shù)據(jù)沖突。無人車網(wǎng)絡(luò)基于TTE設(shè)計了車載網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，此系統(tǒng)全局采用一個同步時鐘，系統(tǒng)內(nèi)的各個設(shè)備按照全局時鐘的時刻發(fā)送數(shù)據(jù)，在鏈路選擇上可以避免沖突。

1 無人車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡(luò)大多數(shù)都是采用CAN總線、LIN總線、FlexRay總線、TTP總線和MOST總線等，它們都有相應(yīng)的優(yōu)缺點，但都有個共同點——帶寬普遍不高(第三代技術(shù)MOST150傳輸速率150Mbit/s)。無人車的通信數(shù)據(jù)帶寬需求比不上商用汽車，但隨著無人車技術(shù)的逐漸發(fā)展完善，整車各個子系統(tǒng)功能的拓展，車上各類傳感器的數(shù)量急劇增加，導(dǎo)致整個車載網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)量大增，再結(jié)合無人車自主行駛所需的經(jīng)過處理的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，可以得出車載網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求已經(jīng)是傳統(tǒng)總線式網(wǎng)絡(luò)難以滿足的結(jié)論。并且，無人車系統(tǒng)復(fù)雜度的提高和其功能高度集成化，在可靠性方面，總線通信方式比不上以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。以太網(wǎng)的技術(shù)成熟為傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡(luò)的這些問題提供了一種解決方案。在無人車的網(wǎng)絡(luò)中，地面控制站需要實時監(jiān)測無人車的狀態(tài)，因此通信任務(wù)實時性必須得到保證。TTE基于傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展起來，其區(qū)別就是TTE支持時間觸發(fā)和事件觸發(fā)兩種通信方式，前者保證數(shù)據(jù)通信實時性，后者保證帶寬高利用率。在無人車TTE網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)里，核心在于TTE交換機(jī)板卡和TTE端節(jié)點板卡的設(shè)計，根據(jù)整個通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的需求對板卡功能進(jìn)行軟件和硬件開發(fā)。

無人車網(wǎng)絡(luò)在可靠性方面采用三余度時間觸發(fā)通信架構(gòu)，一條通信鏈路斷開，其他兩條鏈路也能替換工作，三條通信鏈路全斷開，整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)才會進(jìn)入癱瘓狀態(tài)。TTE通信系統(tǒng)共用一個全局時鐘，系統(tǒng)中的設(shè)備按照固定時刻發(fā)送一些任務(wù)數(shù)據(jù)到目的設(shè)備，這種協(xié)作時分多址方法擴(kuò)展了標(biāo)準(zhǔn)交換以太網(wǎng)協(xié)議，確保傳輸具有嚴(yán)格實時要求的消息，保證了設(shè)備間的高可靠性通信。全局時鐘的同步統(tǒng)一采用主從同步的方式，把TTE網(wǎng)絡(luò)里面的TTE交換機(jī)作為主節(jié)點，采用時間觸發(fā)通信方式的設(shè)備作為從節(jié)點，以一個主節(jié)點向其他從節(jié)點同時發(fā)送同步數(shù)據(jù)幀，從節(jié)點根據(jù)接收到的幀解析和傳輸延時修正本地時鐘，從而實現(xiàn)全局時鐘同步，程序簡單且精度較高。

從數(shù)據(jù)流來看，無人車的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用主網(wǎng)與子網(wǎng)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，很大程度地集成了整個車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)里面各個設(shè)備的通信需求，且能保證高質(zhì)量通信服務(wù)。傳統(tǒng)總線式的車載網(wǎng)絡(luò)難以適用于高速通信的大數(shù)據(jù)量傳輸，但是從整個車載網(wǎng)絡(luò)的工作境況來說，總線可以像LIN總線作為CAN總線的補(bǔ)充成為高速通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的擴(kuò)展。主網(wǎng)采用千兆帶寬的TTE，具有以太網(wǎng)接口的設(shè)備進(jìn)行連接，支持圖像數(shù)據(jù)和感知數(shù)據(jù)的高速穩(wěn)定傳輸；子網(wǎng)采用CAN、TTP等通信總線，實現(xiàn)低速、低成本、高質(zhì)量的通信。

車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用一種類似樹形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是對星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的拓展，并在保證通信高可靠性的情況下采用三余度通信架構(gòu)。整個通信網(wǎng)絡(luò)以交換機(jī)為中心，交換機(jī)的各端口連接其他各個系統(tǒng)的通信設(shè)備，從而實現(xiàn)各設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信，完成對無人車的行駛控制、任務(wù)控制和狀態(tài)監(jiān)測。

1.1 通信系統(tǒng)的建立

現(xiàn)代智能無人車從整車系統(tǒng)來劃分有：底盤控制系統(tǒng)、能源控制系統(tǒng)、任務(wù)載荷系統(tǒng)、感知規(guī)劃系統(tǒng)、慣導(dǎo)系統(tǒng)等子系統(tǒng)；從車上系統(tǒng)放置位置劃分有上裝系統(tǒng)和車控系統(tǒng)以及一些輔助系統(tǒng)。無人車的系統(tǒng)采用三余度設(shè)計，主要是為了保證一些重要的子系統(tǒng)功能，底盤控制系統(tǒng)和能源控制系統(tǒng)的通信需求必須得到保障，所以在其系統(tǒng)的鏈路和設(shè)備進(jìn)行冗余備份。在主要的通信鏈路上，除了連接TTE端節(jié)點設(shè)備，還連接有其他設(shè)備系統(tǒng)，主要包括感知規(guī)劃系統(tǒng)和全景相機(jī)。由于各個系統(tǒng)在車上物理分布比較零散，采用一個交換機(jī)來進(jìn)行拓?fù)溥B接會導(dǎo)致線纜較多，各個子系統(tǒng)需要的線纜也比較多，會提高設(shè)備通信維護(hù)的困難程度，所以采用了交換機(jī)連接交換機(jī)的雙星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)不僅解決了分布式設(shè)備線纜多的問題，還能極大地提高各個系統(tǒng)集成度。為了適應(yīng)車上布局合理，兩臺交換機(jī)分別放置在上裝控制箱體上和車身箱體里面，用一條網(wǎng)線連接兩個交換機(jī)，通過滑環(huán)的通信線纜大量縮減，選用高質(zhì)量的網(wǎng)線，這樣滑環(huán)的旋轉(zhuǎn)對通信質(zhì)量影響將會減少。無人車整體通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計如圖1所示。車體里面的各個系統(tǒng)設(shè)備主要作用是控制整個無人車的行駛，上裝的各個系統(tǒng)是圍繞任務(wù)載荷系統(tǒng)而分布在上裝箱體的各個位置，針對交換機(jī)所在的位置及其功能，下文對這兩個交換機(jī)稱為上裝交換機(jī)和車控交換機(jī)。

圖1 三余度車載網(wǎng)絡(luò)

1.2 通信鏈路

在交換機(jī)的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，每個子系統(tǒng)的主控制節(jié)點通過千兆以太網(wǎng)連接到時間觸發(fā)交換機(jī)。實現(xiàn)無人車整體功能有3個子系統(tǒng)：底盤控制系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)和任務(wù)載荷系統(tǒng)。子系統(tǒng)中連入TTE網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備稱為系統(tǒng)的主節(jié)點控制板，其遙測數(shù)據(jù)通信方式都是采用時間觸發(fā)的方式。車控交換機(jī)連接的設(shè)備有底盤控制主節(jié)點、能源控制主節(jié)點、感知工控機(jī)和全景相機(jī)工控機(jī)，其中后兩者在其他交換機(jī)通信鏈路的余度上未有連接；上裝交換機(jī)連接的設(shè)備有任務(wù)載荷計算機(jī)控制板、任務(wù)感知工控機(jī)和電臺通信系統(tǒng)。兩個交換機(jī)通過一條網(wǎng)線進(jìn)行連接，TTE的主要結(jié)構(gòu)完全建立。在這些連接中還有些細(xì)節(jié)問題，全景相機(jī)工控機(jī)和電臺通信系統(tǒng)的網(wǎng)口帶寬是100 Mbps，需要在交換機(jī)的軟件設(shè)計層面考慮其配置問題。TTE時間觸發(fā)以太網(wǎng)實現(xiàn)高速高帶寬通信，以子網(wǎng)主節(jié)點控制板的收發(fā)數(shù)據(jù)來說明控制地面站對無人車的控制與狀態(tài)監(jiān)測。控制地面站通過電臺發(fā)送數(shù)據(jù)到TTE網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)，把數(shù)據(jù)送到相應(yīng)的主節(jié)點控制板，控制板根據(jù)協(xié)議解析把不同的控制指令通過串口總線分發(fā)到相應(yīng)子網(wǎng)控制板，實現(xiàn)對無人車的一些指令控制；子網(wǎng)主節(jié)點控制板接收來自其系統(tǒng)內(nèi)各個設(shè)備的反饋狀態(tài)數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)封裝成以太網(wǎng)幀傳輸?shù)秸麄€通信網(wǎng)絡(luò)的上位機(jī)。如圖2所示，圖中交換機(jī)、底盤控制主節(jié)點、能源控制主節(jié)點和任務(wù)計算機(jī)這些設(shè)備都是研發(fā)的PCB板卡，對其進(jìn)行軟硬件設(shè)計，其他的設(shè)備計算機(jī)或者工控機(jī)，具有固定的網(wǎng)口，能進(jìn)行以太網(wǎng)通信。

圖2 星型以太網(wǎng)連接圖

作為具有重要戰(zhàn)略意義的無人車，對無人車的控制和監(jiān)測就尤為重要。電臺是一個遠(yuǎn)程地面站與整個通信網(wǎng)絡(luò)建立連接的橋梁，地面站作為一個控制臺，可以對底盤控制主節(jié)點和能源控制主節(jié)點、任務(wù)計算機(jī)進(jìn)行遙控指令，也可以收到3個主節(jié)點反饋回來的各種設(shè)備狀態(tài)。全景相機(jī)捕捉到的視頻數(shù)據(jù)通過車體交換機(jī)和上裝交換機(jī)傳輸給電臺，進(jìn)而給到控制地面站，顯示的圖像能讓地面站操作人員直觀的感受到無人車附近的環(huán)境，可以對無人車的越障有所幫助。無人車除了具備遙控功能，還應(yīng)該具有自主行駛、自主任務(wù)打擊等功能。感知規(guī)劃系統(tǒng)通過車控交換機(jī)與底盤控制主節(jié)點進(jìn)行通信，可以實現(xiàn)無人車自主行駛；任務(wù)感知決策系統(tǒng)通過上裝交換機(jī)與任務(wù)計算機(jī)進(jìn)行通信，可以實現(xiàn)任務(wù)自主打擊。這些自主功能的開發(fā)還需要人工智能的技術(shù)來進(jìn)行完善。由于采用的是TTE總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，每條鏈路的數(shù)據(jù)交換都不存在干擾，在交換機(jī)內(nèi)部都是獨立的通道連接和緩存設(shè)計，還能兼容標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)，此TTE車載網(wǎng)絡(luò)能實現(xiàn)分布式系統(tǒng)之間的各種通信需求。

1.3 子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

子系統(tǒng)有底盤控制系統(tǒng)、能源控制系統(tǒng)和任務(wù)載荷系統(tǒng)三大系統(tǒng)，這3個系統(tǒng)相對獨立，并且都有一個主控制板與其系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行通信控制，也就是說地面站可以通過主控制板對其通信子網(wǎng)來完成各種任務(wù)功能的控制。底盤控制系統(tǒng)(如圖3所示)包含有端節(jié)點底盤主控制板、輪轂電機(jī)驅(qū)動控制器、懸掛控制驅(qū)動器和剎車裝置控制器，其中的底盤主控制板通過TTP總線和串口與其他的控制板進(jìn)行通信，在功能設(shè)計上能實現(xiàn)對無人車的閉環(huán)控制。能源控制系統(tǒng)(如圖4所示)包含有端節(jié)點能源主控制板、電池控制器、發(fā)動機(jī)控制器和發(fā)電機(jī)控制器，能源主控制板通過TTP總線和串口與能源系統(tǒng)的其他的控制板進(jìn)行通信，通過此通信網(wǎng)絡(luò)可以對能源管理的安全保障機(jī)制實現(xiàn)閉環(huán)控制。任務(wù)載荷系統(tǒng)主要是對武器系統(tǒng)和偵察系統(tǒng)的控制。

圖3 底盤控制系統(tǒng)

圖4 能源控制系統(tǒng)

2 時間觸發(fā)交換機(jī)及軟件設(shè)計

時間觸發(fā)通信交換機(jī)作為車載網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換模塊，用于實現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)和網(wǎng)絡(luò)交換，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。時間觸發(fā)通信交換機(jī)板卡采用5 V直流供電，核心處理器采用FPGA芯片XC7A200T，具有215 360個邏輯單元，676個用戶I/O口，并含有封裝好的8路吉比特低功耗收發(fā)器(GTP,gigabit transceiver with low power)模塊(最高通信速率6.6 Gbps)，設(shè)計外圍接口電路可用于連接8路小體積可插拔(SFP,small form-factor pluggable)模塊。GPIO接口是為了便于測試交換機(jī)的時間同步精度。串行通信接口是為了進(jìn)行板卡管理和配置，以及讀取參數(shù)等。SDcard接口用于記錄交換機(jī)運(yùn)行過程中的一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)，可為系統(tǒng)調(diào)試優(yōu)化提供參考。PCB模塊圖如圖5所示。

圖5 交換機(jī)PCB模塊圖

主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1)通信速率：1 Gbps；

2)誤碼率：小于10，置信度99.9%；

3)吞吐量：950 Mbps；

4)端口數(shù)量：8個；

5)時間同步精度：70 ns；

6)延遲抖動：40 ns。

時間觸發(fā)交換機(jī)是根據(jù)時間觸發(fā)以太網(wǎng)的通信要求設(shè)計的，所以跟傳統(tǒng)的以太網(wǎng)交換機(jī)在結(jié)構(gòu)上存在很大的區(qū)別。時間觸發(fā)以太網(wǎng)協(xié)議 AS6802 中規(guī)定，時間觸發(fā)以太網(wǎng)交換機(jī)的任務(wù)調(diào)度需要支持3種類型的數(shù)據(jù)流量，主要包括：時間觸發(fā)(TT,time-triggerd)流量、速率限制(RC,rate-constrained)流量和盡力而為(BE,best-effort)流量。其中BE流量在此設(shè)計的TTE交換機(jī)里面為傳統(tǒng)以太網(wǎng)流量，RC流量的作用體現(xiàn)在軟件所設(shè)置的最小幀間隔來控制端口發(fā)送速率。

為了滿足無人車上各個設(shè)備之間的通信要求，設(shè)計開發(fā)了交換機(jī)的FPGA工程。此車上TTE交換機(jī)屬于二層交換機(jī)，交換機(jī)數(shù)據(jù)分發(fā)工作根據(jù)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀里面的目的MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。交換機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計包含五大模塊：交換邏輯鏈路模塊、數(shù)據(jù)緩存矩陣模塊、MAC地址表模塊、時間同步控制模塊和MAC層模塊。交換邏輯鏈路模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)通道的連接；數(shù)據(jù)緩存矩陣模塊負(fù)責(zé)鏈路通道選擇時的數(shù)據(jù)緩存；MAC地址表模塊負(fù)責(zé)記錄MAC地址與端口的對應(yīng)關(guān)系；時間同步控制模塊完成主節(jié)點和其他從節(jié)點的時間同步功能；MAC層模塊完成物理層的數(shù)據(jù)收發(fā)，可以細(xì)分成MAC層的發(fā)送模塊和接收模塊。具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 交換機(jī)程序模塊設(shè)計圖

1)每個端口完成數(shù)據(jù)包的收發(fā)、解析以及查詢目的MAC等功能。從其他端節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)通過光口模塊轉(zhuǎn)換成符合PHY芯片通信的數(shù)據(jù)格式(即圖中的rxc、rxd、rxdv)，也就是以太網(wǎng)幀格式的數(shù)據(jù)。MAC層的接收模塊對整個以太網(wǎng)幀進(jìn)行解幀接收，把目的MAC地址、源MAC地址和類型接收存儲起來，根據(jù)協(xié)議類型進(jìn)行MAC地址表的學(xué)習(xí)和查詢。把以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀輸送到混合數(shù)據(jù)調(diào)度矩陣緩存模塊，相應(yīng)地把該以太網(wǎng)幀的目的端口號、協(xié)議類型、數(shù)據(jù)長度和存儲起始地址這些描述參數(shù)存儲在數(shù)據(jù)描述符緩存模塊。數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送控制模塊根據(jù)描述符的信息，按照TT幀、ET幀和廣播幀把數(shù)據(jù)發(fā)送到MAC層。MAC層發(fā)送模塊把數(shù)據(jù)輸出到光口模塊，光口模塊把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成光通信的數(shù)據(jù)位流輸送到其他的端節(jié)點。

2)對于ET數(shù)據(jù)幀，在輸入端采用RAM的結(jié)構(gòu)進(jìn)行存儲，并用描述符的方式存儲其起始地址和長度，在調(diào)度層進(jìn)而用再加個幀類型把它與TT幀、廣播幀進(jìn)行區(qū)分，相應(yīng)地在RAM塊劃分出單獨的一片地址來存儲3種不同類型的幀。

對于TT數(shù)據(jù)幀，離線調(diào)度已經(jīng)處理了資源競爭問題，同一時刻不會有來自不同輸入端口的TT數(shù)據(jù)幀寫入同一端口輸出；為了減少TT幀在交換機(jī)里停留的時間，在MAC層與處理層做跨時鐘域處理，采用異步時鐘雙端口RAM來進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。

對于時間同步數(shù)據(jù)幀，它是由交換機(jī)本地計時產(chǎn)生的特定格式的幀，只向相鄰的交換機(jī)節(jié)點或端節(jié)點發(fā)送，不需要進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)處理，所以直接將其輸送MAC層發(fā)送模塊的緩存模塊。

3)根據(jù)端口數(shù)量確定了混合調(diào)度矩陣是一個集成的6×6的RAM塊矩陣，每個RAM塊的地址劃分成3種地址，分別用來存儲TT幀、ET幀和廣播幀，在配合描述符緩存模塊就能把數(shù)據(jù)從相應(yīng)的RAM塊進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

3 時間觸發(fā)端節(jié)點板卡及軟件設(shè)計

時間觸發(fā)板卡作為車載網(wǎng)絡(luò)端節(jié)點的通信接口，實現(xiàn)車載系統(tǒng)的各模塊之間相互通信，采用千兆網(wǎng)絡(luò)通信可以在保證高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r，有效防御雷電、電磁干擾和電磁沖擊等問題，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

時間觸發(fā)通信板卡供電24 V，采用DSP+FPGA的架構(gòu)，其中DSP采用的是TI公司的F28377D芯片，F(xiàn)PGA采用的Xilinx公司Spartan6系列的XC6SLX16芯片，該芯片有14 579個邏輯單元、最大576 kB的BRAM、232個用戶I/O口。其PCB模塊圖如圖7所示。板卡有兩種通信部分：以太網(wǎng)和串口部分。根據(jù)以太網(wǎng)協(xié)議的要求，一個設(shè)備只有唯一的一個MAC地址，板卡上只設(shè)置一個網(wǎng)口，采用的是Realtek瑞昱推出的一款高集成的網(wǎng)絡(luò)接收PHY芯片。此板卡結(jié)構(gòu)是用于各個子系統(tǒng)的通用架構(gòu)，根據(jù)子系統(tǒng)通信設(shè)備數(shù)量最多的端節(jié)點，此板卡具備有8路串口通道和兩路CAN通道。引出GPIO接口便于測試板卡的時間同步精度。JTAG分為DSP和FPGA電路。串行通信接口是為了與其他子網(wǎng)里面的設(shè)備進(jìn)行通信和配置。

圖7 端節(jié)點PCB模塊圖

主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1)通信速率：1 Gbps；

2)誤碼率：小于10，置信度99.9%；

3)三余度設(shè)計；

4)通信接口：8路串口、2路CAN、1個以太網(wǎng)接口；

5)時間同步精度：70 ns。

圖8 DSP+FPGA程序設(shè)計架構(gòu)

FPGA+DSP的系統(tǒng)架構(gòu)(圖8)的優(yōu)點就是：DSP支持多種復(fù)雜算術(shù)運(yùn)算，用來做控制算法；FPGA并行結(jié)構(gòu)能使數(shù)據(jù)快速輸出，用來做通信。FPGA和DSP之間的數(shù)據(jù)交互依靠DSP的外部存儲器接口(EMIF，external memory interface)，這種芯片間的數(shù)據(jù)通信方式相比于采用SPI通信極大地提高了DSP和FPGA交互的數(shù)據(jù)量。以太網(wǎng)接收數(shù)據(jù)存儲在FPGA的RAM里面，然后通過DSP的EMIF將數(shù)據(jù)發(fā)送至DSP，經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)字信號處理，將結(jié)果通過EMIF發(fā)送至FPGA，最后的控制指令通過串口發(fā)送到其他設(shè)備。相反，其他設(shè)備的數(shù)據(jù)可以通過串口發(fā)送到FPGA，F(xiàn)PGA快速處理給到DSP，DSP把處理過后的數(shù)據(jù)再通過EMIF發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA通過以太網(wǎng)發(fā)送到上位機(jī)。根據(jù)以太網(wǎng)通信機(jī)制，在FPGA的以太網(wǎng)處理模塊需要添加ARP協(xié)議和IP協(xié)議的處理程序，端節(jié)點就能通過交換機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

4 測試及分析

4.1 交換機(jī)吞吐量測試結(jié)果

用一個時間觸發(fā)交換機(jī)板卡，兩臺電腦通連接到交換機(jī)進(jìn)行吞吐量測試，測試軟件采用的是windows系統(tǒng)CMD指令窗口的插件iperf3，其測試原理是一臺客戶端PC以最長幀長度和最短幀開銷向服務(wù)器端PC發(fā)送盡可能多的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，測試服務(wù)器端在測試的時間內(nèi)能接收到的最多以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀。每臺 PC 既可以當(dāng)服務(wù)端又當(dāng)客戶端，服務(wù)端測試端口由電腦自動分配，端口號為55 725，測試時間是10 s，測試軟件的發(fā)包速率是1 Gbit/s，發(fā)送 UDP 格式的數(shù)據(jù)包。經(jīng)測試，通信帶寬性能如表1所示。可以從表中看出交換機(jī)的設(shè)計基本上滿足千兆通信要求。

表1 交換機(jī)iperf3帶寬測試結(jié)果

4.2 端節(jié)點通信測試

端節(jié)點板卡的通信測試主要分為三部分：時間同步測試、串口測試和以太網(wǎng)測試。3個子系統(tǒng)主控制節(jié)點分別連接到TTE交換機(jī)，每個節(jié)點和交換機(jī)中設(shè)定每1 ms 通過一個I/O端口輸出持續(xù)時間為500 μs 的高電平(圖9)，觀察相鄰高電平下降沿之間的時間差，通過對時間差的計算可以得出同步精度。時間同步測試結(jié)果如圖10所示，圖中的一次同步偏差為56 ns。做十組測試，一組十次，從測量結(jié)果來看，同步偏差的幅值最大值為120 ns，平均幅值是61 ns，符合設(shè)計要求。

圖9 定時輸出高電平

圖10 時間同步精度測試結(jié)果

以太網(wǎng)部分的測試采用接收和發(fā)送分開測試的方法。板卡發(fā)送測試，板卡發(fā)出符合以太網(wǎng)協(xié)議的數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀里面的數(shù)據(jù)賦上初始值，在通過一臺電腦的wireshark工具進(jìn)行抓包查看；板卡接收測試，電腦通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手給板卡發(fā)送符合協(xié)議以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，板卡最后能通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)解析，會使板卡上的LED燈信號翻轉(zhuǎn)。串口通信也是發(fā)送和接收分開進(jìn)行測試，發(fā)送采用初值賦值方法檢驗數(shù)據(jù)，接收用電腦的串口調(diào)試助手進(jìn)行測試，DSP支持在線仿真，可以通過仿真看到串口助手發(fā)送來的數(shù)據(jù)，驗證數(shù)據(jù)解析的正確性。

4.3 無人車整體通信網(wǎng)絡(luò)測試

此網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由三大系統(tǒng)組成，三大系統(tǒng)里面的通信設(shè)備較多，所以在通信測試方面，先讓子網(wǎng)系統(tǒng)里面的主控制板與其他的設(shè)備進(jìn)行通信調(diào)試，逐個打通通信鏈路，最后做一個總體的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)通信測試。以太網(wǎng)部分就以交換機(jī)為中心，每個系統(tǒng)的主控制板都能通過交換機(jī)與地面控制站進(jìn)行通信，從而實現(xiàn)了無人車遙控通信鏈路。任務(wù)計算機(jī)通過交換機(jī)與任務(wù)感知工控機(jī)進(jìn)行通信能實現(xiàn)無人車自主任務(wù)打擊功能；底盤控制主節(jié)點通過交換機(jī)與感知規(guī)劃工控機(jī)通信能實現(xiàn)無人車自主行駛功能。在所有的子系統(tǒng)聯(lián)調(diào)完畢之后，對整個無人車通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行調(diào)試。最后的上位機(jī)控制監(jiān)測界面如圖11所示，其中括圖像傳輸，可以看出整個無人車通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是可行可靠的。

圖11 上位機(jī)遙控監(jiān)測界面

5 結(jié)束語

整個通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計驗證過程：在理論分析可行并設(shè)計關(guān)鍵PCB板卡軟硬件之后，從初期的系統(tǒng)中各個端節(jié)點聯(lián)調(diào)到端節(jié)點控制板與子網(wǎng)系統(tǒng)的各個設(shè)備的部分聯(lián)調(diào)，最后實現(xiàn)整車通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的聯(lián)調(diào)，此車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已經(jīng)運(yùn)用到無人車并驗證了其可行性。隨著無人車的功能向著多樣化方向發(fā)展，安裝在車上的功能設(shè)備和傳感器會越來越多，無人車的性能保障除了硬件方面，通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計也將會起到重要作用，此無人車所設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以作為一個重要參考。