基于FlexRay的武器系統星型網絡架構設計

黎玉剛，時昊天，張 鵬，吳必成，史嘉昭，李 平

(1 西安現代控制技術研究所，陜西 西安 710065；2 陸軍裝備部駐西安地區第七軍代室，陜西 西安 710065)

0 引言

FlexRay作為高速實時傳輸總線,逐漸在車輛、武器裝備等領域得到廣泛應用。在武器系統中,信息交聯復雜、節點眾多、電氣特性各異等特點[1],以及武器系統發射、檢測設備的接入等工況造成的總線網絡拓撲變化,給FlexRay總線系統設計帶來了挑戰,需要構建一種支持多節點互聯、各端口信號特性一致的高速實時總線信息交換系統。

總線型FlexRay網絡具有拓撲結構簡單、設計難度低、維護成本低等優點,但端節點需要增加匹配電阻。若采用總線型網絡拓撲,由于機械結構的限制性,武器系統的遠端節點,如彈上節點,通常存在分離工況,導致系統的阻抗特性難以確定,這給總線的阻抗匹配設計帶來挑戰。

無源星型網絡的中心本質上為一個焊點,各分支的長度理論上要求盡可能相等,其中某一分支遭遇故障時會對整個網絡的產生物理擾動,甚至崩潰,這給實際的應用帶來一定的隱患。典型的武器系統FlexRay網絡拓撲如圖1所示。

圖1 FlexRay典型網絡拓撲 Fig.1 Typical FlexRay network topology

文獻[2]搭建了FlexRay總線測控系統,提高了測試與控制的實時性。文獻[3]設計了總線型FlexRay網絡拓撲并進行了應用驗證,結果表明FlexRay在高精度實時控制領域可以充分發揮其性能。文獻[4]分析了FlexRay在測發控系統中應用的技術要點,提出了多種網絡拓撲結構設計。文獻[5]針對彈上分布式點火需求,設計了一種星型網絡拓撲,解決了分立器件點火控制的問題。在航空航天領域,文獻[6]提出了一種基于FlexRay的無人機航電系統設計方法,以總線型FlexRay和以太網混合的傳輸方式,實現了高可靠數據和大容量數據的傳輸。文獻[7]提出了一種基于FlexRay的運載火箭電氣系統設計方案,驗證在20 m傳輸距離時,FlexRay總線仍可穩定通信。文獻[8] 分析了FlexRay在航天領域應用的可行性,并提出了一種基于FPGA+FlexRay的航天總線架構處理模式。但在上述研究中,針對網絡節點失效、分離、并入等特殊工況未做考慮,已有的拓撲設計方案難以適用彈地一體化總線通信場景。

文中針對武器系統工作特點及總線網絡架構設計問題,開展FlexRay有源星型網絡架構設計研究,以有源收發器互聯方式組成陣列式收發模塊,并集成一對冷啟動節點,對各節點間的信號傳輸一致性、阻抗匹配均衡性、網絡通信穩健性帶來一定的保障。基于搭建的FlexRay Hub星型集線器設備,開展總線星型網絡信號仿真對比實驗,完成武器系統半實物信號仿真測試,滿足彈地一體化的信息傳輸需求。

1 星型架構設計

武器系統總線網絡架構的典型使用場景如圖2所示,中間部分為基于有源星型網絡架構的FlexRay Hub星型集線器設備。

圖2 基于FlexRay的武器系統網絡典型使用場景Fig.2 Weapon system network typically uses scenarios based on FlexRay bus

FlexRay Hub主要由主控單元、總線冷啟動單元、有源星型收發陣列、故障監測模塊、電源模塊、殼體結構件以及參數配置軟件等組成。基于該星型架構,用戶可通過網絡參數配置軟件進行參數定義,建立符合應用需求的總線通信網絡。該有源星型收發陣列支持外部節點數為20的連接,通過VPX板間連接器連接至外部設備進行信息收發,可通過VPX接口進行通信程序燒寫。FlexRay Hub有源星集線器組成如圖3所示。

圖3 Hub系統組成圖Fig.3 Hub system composition

1.1 主控單元

主控單元采用LCR3209型多功能集成電路,片上采用ARM Cortex-R4處理器,該主控單元片上集成了兩路FlexRay協議控制器,可實現對兩個節點,共計4個通道的FlexRay總線傳輸控制,可獨立配置為主機或者從機,支持最大傳輸速率10 Mbit/s。

1.2 總線冷啟動單元

為保證接入FlexRay Hub設備的各節點可實現通信熱插拔,設置開啟兩個固定的冷啟動節點,組成冷啟動節點對,在設備上電時即完成FlexRay網絡的喚醒及啟動過程[9],兩個冷啟動節點在網絡中分別占用時隙1和時隙2發送節點信息及同步信號。

在網絡啟動過程中,節點1作為主動冷啟動節點發起啟動監聽,節點2作為隨動冷啟動節點,回應啟動監聽并完成網絡加盟,總線的喚醒及啟動時序如圖4所示。冷啟動節點對的設置保證了Hub在上電啟動后即可獨立的完成網絡的建立,無需外部節點的輔助啟動,其他設備可實現節點的隨遇加入與斷開,同時保證主網絡的工作狀態不受任何外部干擾。

圖4 總線喚醒及啟動時序Fig.4 Bus wake up and start-up sequence

網絡啟動完成后,外部的同步節點通過VPX接口接入總線網絡后,監聽總線上的數據并嘗試接收FlexRay數據幀,接收到數據后發送自身的同步幀信號,完成自身與總線網絡的時鐘同步校正。

1.3 有源星型收發陣列

FlexRay有源星型收發陣列的組成單元采用NXP公司的TJA1080A芯片,該芯片支持最高10 Mbit/s的收發速率,各芯片間通過星型內部總線TRxD0、TRxD1管腳的相接,形成有源星型收發陣列,各收發器的信號發送接收管腳BP/BM預留并連接至外部節點,完成各節點間通信數據的等效轉發,其結構如圖5所示。

圖5 收發陣列結構Fig.5 Transceiver array structure

終端匹配電阻采用分離端接方式,采用兩個高精度47 Ω電阻,中點連接電容,為共模信號提供通路。總線收發器與終端電阻之間連接高速共模扼流圈ACM4532,以有效增強系統EMC性能。

為保證各外部節點的穩定實時通信,如圖1所示的拓撲內需滿足線纜長度約束,以m為單位可用如式(1)、式(2)表示。在降低通信速率至5～2.5 Mbit/s的情況下,網絡對線纜長度的容忍性可一定程度延長[10],因此應盡可能縮短收發器與接口在板內的走線長度。

(1)

max(Lbus,i+Lbus,j)≤24

(2)

收發器通過TRxD0和TRxD1管腳上的電平判斷是否進入星型拓撲配置。在該配置下,收發器自適應轉換至數據轉發工作狀態,片上ERRN引腳在芯片工作故障時進行低電平置位,將各芯片的ERRN引腳電平信號采集,并通過并行信號轉串行信號的方式,實現對所有收發器的故障監測功能。其收發陣列的故障監測設計如圖6所示。其中,并行轉串行信號模塊采用CD54HC165芯片,該芯片支持將8路并行信號轉換為1路串行信號,可以通過級聯的方式將兩個及以上的并轉串芯片相接,文中通過三級級聯方式實現24路并行信號至串行信號的轉換,再由數字隔離芯片連接至主控單元,節省了主控單元對收發器故障信號監測的管腳開支。

圖6 收發陣列故障監測設計Fig.6 Transceiver array fault monitoring design

1.4 總線信號隔離設計

在架構設計中,各類信號的有效隔離對總線通信質量影響較大,并直接決定著有源星架構所連接的各個節點間傳遞信號的優劣。該網絡架構硬件地主要包含:電源地、殼體地、設備地、總線傳輸地等,為增強各功能塊的信號傳輸質量,各個地間通過隔離模塊等方式進行直接或間接隔離。

信號隔離設計如圖7所示,總線傳輸地與設備地通過數字隔離芯片ISO7241將兩個冷啟動節點的收發控制信號及故障監測信號進行隔離,供電采用具有隔離功能的電源模塊,產生兩路完全隔離的電源分別供至主控單元及有源星收發陣列,3個地分別通過電容與殼體地構成高頻回路。有源星型收發陣列所支持的20路FlexRay傳輸通道通過VPX接口,與外部節點設備的總線傳輸地構成連通,傳輸線纜的屏蔽層與殼體地相連接。

圖7 信號隔離設計Fig.7 Signal isolation design

1.5 軟件協議設計

為保證武器系統各節點能在接入總線時順利加入通信傳輸循環,冷啟動節點所建立的網絡需與實際武器系統需求的網絡參數保持一致[11]。冷啟動節點1和節點2在啟動后完成通道監測數據及其他自定義數據的發送,以實現總線的時鐘匹配。此設計方案可以使得所有外部節點故障或分離時,網絡不僅能正常運行,而且支持外部節點的隨遇并入,通信穩定性大幅提高。

2 總線信號仿真

為保證采用該有源星型網絡架構能夠有效提升武器系統FlexRay網絡信號質量,對異常或分離/并入節點具有信號隔離效果。

采用Saber仿真軟件分別對無源星型網絡和有源星型網絡架構進行信號仿真。其中無源星型網絡采用6節點等距連接方式,分支線纜長度1 m,有源星型網絡采用6節點不等距連接方式,分支線纜長度分別為5 m和10 m。無緣星型的電氣連接方式及連接拓撲如圖8所示。

圖8 無源星型網絡仿真拓撲Fig.8 Passive star network simulation topology

圖8中,節點1的電子控制單元ECU發送信號,經過節點1收發芯片的發送,于其它5個節點的接收端進行信號監測,得出的無源星型信號仿真結果如圖9所示。

圖9 無源星型網絡信號仿真Fig.9 Passive star network signal simulation

基于圖5有源星型收發陣列架構圖,進行Saber信號仿真,分別于6個節點的信號收發端進行監測,結果如圖10所示。

圖10 有源星型網絡信號仿真Fig.10 Active star network signal simulation

由兩圖對比可知,基于該有源星型架構的FlexRay總線拓撲可以增強型號穩定性,相比于無源星型網絡,總線各節點間電氣獨立性更強,信號質量對分支線纜的距離影響不敏感,各節點間接收到的信號質量無明顯區別。

3 集成測試

將文中設計的FlexRay Hub有源星型系統與示波器構成測試系統,對掛載四節點的FlexRay有源星型總線系統的信號進行捕捉,實驗采用的主要網絡參數如表1所示。

表1 主要網絡參數Table 1 Main network parameters

實驗采用10 ms為通信循環周期,每個周期包含80個靜態時隙,不使用動態時隙,每個靜態時隙有效負載為100 bit。外部節點時隙配置中,初始化1號～9號、14號、15號時隙,每個時隙中包含2個有效字節,其余字節不填充數據,其波形如圖11所示,示波器通道1、通道2分別為總線差分信號BP/BM。波形表明,基于該有源星型網絡架構的FlexRay通信系統可以有效支撐多節點的數據通信。

圖11 通信循環視角波形圖Fig.11 Waveform diagram in communication cycle scale

在4個節點正常通信的過程中,對節點3進行通信分離,并觀測其他節點瞬時的波形變化,波形如圖12所示。在總線系統正常運行的過程中,將節點3接入總線網絡中,觀測其信號波形,如圖13所示。

圖12 節點分離瞬間總線信號Fig.12 Node separation instantaneous bus signal

圖13 節點加入總線網絡信號圖Fig.13 The signal diagram when the node joins the bus network

由圖12可知,基于該有源星型網絡架構的FlexRay通信系統在部分節點熱插拔方式退出總線網絡時,可以保證網絡中其他節點的信號不受干擾。由圖13可知,在網絡正常通信過程中,其他同步節點可以任意加入網絡中,快速完成時鐘及信息的同步,并正常參與總線通信循環。

4 結論

文中設計了一種基于FlexRay總線的武器系統有源星型網絡架構,構建了有源星型收發器陣列,搭建了FlexRay Hub星型集線器設備,設備內集成兩個總線協議控制器作為冷啟動節點,并完成軟硬件實現。基于該星型架構,開展了節點數為6的信號仿真對比實驗和節點數為4的半實物通信實驗,結果表明該星型架構極大的降低了武器系統FlexRay通信網絡的電氣系統設計難度,相較于總線型、無源星型網絡,提升了節點分離、并入等特殊工況下總線網絡信號的穩定性。