黎玉刚，时昊天，张 鹏，吴必成，史嘉昭，李 平
(1 西安现代控制技术研究所，陕西 西安 710065；
2 陆军装备部驻西安地区第七军代室，陕西 西安 710065)
FlexRay作为高速实时传输总线,逐渐在车辆、武器装备等领域得到广泛应用。在武器系统中,信息交联复杂、节点众多、电气特性各异等特点[1],以及武器系统发射、检测设备的接入等工况造成的总线网络拓扑变化,给FlexRay总线系统设计带来了挑战,需要构建一种支持多节点互联、各端口信号特性一致的高速实时总线信息交换系统。
总线型FlexRay网络具有拓扑结构简单、设计难度低、维护成本低等优点,但端节点需要增加匹配电阻。若采用总线型网络拓扑,由于机械结构的限制性,武器系统的远端节点,如弹上节点,通常存在分离工况,导致系统的阻抗特性难以确定,这给总线的阻抗匹配设计带来挑战。
无源星型网络的中心本质上为一个焊点,各分支的长度理论上要求尽可能相等,其中某一分支遭遇故障时会对整个网络的产生物理扰动,甚至崩溃,这给实际的应用带来一定的隐患。典型的武器系统FlexRay网络拓扑如图1所示。
图1 FlexRay典型网络拓扑 Fig.1 Typical FlexRay network topology
文献[2]搭建了FlexRay总线测控系统,提高了测试与控制的实时性。文献[3]设计了总线型FlexRay网络拓扑并进行了应用验证,结果表明FlexRay在高精度实时控制领域可以充分发挥其性能。文献[4]分析了FlexRay在测发控系统中应用的技术要点,提出了多种网络拓扑结构设计。文献[5]针对弹上分布式点火需求,设计了一种星型网络拓扑,解决了分立器件点火控制的问题。在航空航天领域,文献[6]提出了一种基于FlexRay的无人机航电系统设计方法,以总线型FlexRay和以太网混合的传输方式,实现了高可靠数据和大容量数据的传输。文献[7]提出了一种基于FlexRay的运载火箭电气系统设计方案,验证在20 m传输距离时,FlexRay总线仍可稳定通信。文献[8] 分析了FlexRay在航天领域应用的可行性,并提出了一种基于FPGA+FlexRay的航天总线架构处理模式。但在上述研究中,针对网络节点失效、分离、并入等特殊工况未做考虑,已有的拓扑设计方案难以适用弹地一体化总线通信场景。
文中针对武器系统工作特点及总线网络架构设计问题,开展FlexRay有源星型网络架构设计研究,以有源收发器互联方式组成阵列式收发模块,并集成一对冷启动节点,对各节点间的信号传输一致性、阻抗匹配均衡性、网络通信稳健性带来一定的保障。基于搭建的FlexRay Hub星型集线器设备,开展总线星型网络信号仿真对比实验,完成武器系统半实物信号仿真测试,满足弹地一体化的信息传输需求。
武器系统总线网络架构的典型使用场景如图2所示,中间部分为基于有源星型网络架构的FlexRay Hub星型集线器设备。
图2 基于FlexRay的武器系统网络典型使用场景Fig.2 Weapon system network typically uses scenarios based on FlexRay bus
FlexRay Hub主要由主控单元、总线冷启动单元、有源星型收发阵列、故障监测模块、电源模块、壳体结构件以及参数配置软件等组成。基于该星型架构,用户可通过网络参数配置软件进行参数定义,建立符合应用需求的总线通信网络。该有源星型收发阵列支持外部节点数为20的连接,通过VPX板间连接器连接至外部设备进行信息收发,可通过VPX接口进行通信程序烧写。FlexRay Hub有源星集线器组成如图3所示。
图3 Hub系统组成图Fig.3 Hub system composition
1.1 主控单元
主控单元采用LCR3209型多功能集成电路,片上采用ARM Cortex-R4处理器,该主控单元片上集成了两路FlexRay协议控制器,可实现对两个节点,共计4个通道的FlexRay总线传输控制,可独立配置为主机或者从机,支持最大传输速率10 Mbit/s。
1.2 总线冷启动单元
为保证接入FlexRay Hub设备的各节点可实现通信热插拔,设置开启两个固定的冷启动节点,组成冷启动节点对,在设备上电时即完成FlexRay网络的唤醒及启动过程[9],两个冷启动节点在网络中分别占用时隙1和时隙2发送节点信息及同步信号。
在网络启动过程中,节点1作为主动冷启动节点发起启动监听,节点2作为随动冷启动节点,回应启动监听并完成网络加盟,总线的唤醒及启动时序如图4所示。冷启动节点对的设置保证了Hub在上电启动后即可独立的完成网络的建立,无需外部节点的辅助启动,其他设备可实现节点的随遇加入与断开,同时保证主网络的工作状态不受任何外部干扰。
图4 总线唤醒及启动时序Fig.4 Bus wake up and start-up sequence
网络启动完成后,外部的同步节点通过VPX接口接入总线网络后,监听总线上的数据并尝试接收FlexRay数据帧,接收到数据后发送自身的同步帧信号,完成自身与总线网络的时钟同步校正。
1.3 有源星型收发阵列
FlexRay有源星型收发阵列的组成单元采用NXP公司的TJA1080A芯片,该芯片支持最高10 Mbit/s的收发速率,各芯片间通过星型内部总线TRxD0、TRxD1管脚的相接,形成有源星型收发阵列,各收发器的信号发送接收管脚BP/BM预留并连接至外部节点,完成各节点间通信数据的等效转发,其结构如图5所示。
图5 收发阵列结构Fig.5 Transceiver array structure
终端匹配电阻采用分离端接方式,采用两个高精度47 Ω电阻,中点连接电容,为共模信号提供通路。总线收发器与终端电阻之间连接高速共模扼流圈ACM4532,以有效增强系统EMC性能。
为保证各外部节点的稳定实时通信,如图1所示的拓扑内需满足线缆长度约束,以m为单位可用如式(1)、式(2)表示。在降低通信速率至5～2.5 Mbit/s的情况下,网络对线缆长度的容忍性可一定程度延长[10],因此应尽可能缩短收发器与接口在板内的走线长度。
(1)
max(Lbus,i+Lbus,j)≤24
(2)
收发器通过TRxD0和TRxD1管脚上的电平判断是否进入星型拓扑配置。在该配置下,收发器自适应转换至数据转发工作状态,片上ERRN引脚在芯片工作故障时进行低电平置位,将各芯片的ERRN引脚电平信号采集,并通过并行信号转串行信号的方式,实现对所有收发器的故障监测功能。其收发阵列的故障监测设计如图6所示。其中,并行转串行信号模块采用CD54HC165芯片,该芯片支持将8路并行信号转换为1路串行信号,可以通过级联的方式将两个及以上的并转串芯片相接,文中通过三级级联方式实现24路并行信号至串行信号的转换,再由数字隔离芯片连接至主控单元,节省了主控单元对收发器故障信号监测的管脚开支。
图6 收发阵列故障监测设计Fig.6 Transceiver array fault monitoring design
1.4 总线信号隔离设计
在架构设计中,各类信号的有效隔离对总线通信质量影响较大,并直接决定着有源星架构所连接的各个节点间传递信号的优劣。该网络架构硬件地主要包含:电源地、壳体地、设备地、总线传输地等,为增强各功能块的信号传输质量,各个地间通过隔离模块等方式进行直接或间接隔离。
信号隔离设计如图7所示,总线传输地与设备地通过数字隔离芯片ISO7241将两个冷启动节点的收发控制信号及故障监测信号进行隔离,供电采用具有隔离功能的电源模块,产生两路完全隔离的电源分别供至主控单元及有源星收发阵列,3个地分别通过电容与壳体地构成高频回路。有源星型收发阵列所支持的20路FlexRay传输通道通过VPX接口,与外部节点设备的总线传输地构成连通,传输线缆的屏蔽层与壳体地相连接。
图7 信号隔离设计Fig.7 Signal isolation design
1.5 软件协议设计
为保证武器系统各节点能在接入总线时顺利加入通信传输循环,冷启动节点所建立的网络需与实际武器系统需求的网络参数保持一致[11]。冷启动节点1和节点2在启动后完成通道监测数据及其他自定义数据的发送,以实现总线的时钟匹配。此设计方案可以使得所有外部节点故障或分离时,网络不仅能正常运行,而且支持外部节点的随遇并入,通信稳定性大幅提高。
为保证采用该有源星型网络架构能够有效提升武器系统FlexRay网络信号质量,对异常或分离/并入节点具有信号隔离效果。
采用Saber仿真软件分别对无源星型网络和有源星型网络架构进行信号仿真。其中无源星型网络采用6节点等距连接方式,分支线缆长度1 m,有源星型网络采用6节点不等距连接方式,分支线缆长度分别为5 m和10 m。无缘星型的电气连接方式及连接拓扑如图8所示。
图8 无源星型网络仿真拓扑Fig.8 Passive star network simulation topology
图8中,节点1的电子控制单元ECU发送信号,经过节点1收发芯片的发送,于其它5个节点的接收端进行信号监测,得出的无源星型信号仿真结果如图9所示。
图9 无源星型网络信号仿真Fig.9 Passive star network signal simulation
基于图5有源星型收发阵列架构图,进行Saber信号仿真,分别于6个节点的信号收发端进行监测,结果如图10所示。
图10 有源星型网络信号仿真Fig.10 Active star network signal simulation
由两图对比可知,基于该有源星型架构的FlexRay总线拓扑可以增强型号稳定性,相比于无源星型网络,总线各节点间电气独立性更强,信号质量对分支线缆的距离影响不敏感,各节点间接收到的信号质量无明显区别。
将文中设计的FlexRay Hub有源星型系统与示波器构成测试系统,对挂载四节点的FlexRay有源星型总线系统的信号进行捕捉,实验采用的主要网络参数如表1所示。
表1 主要网络参数Table 1 Main network parameters
实验采用10 ms为通信循环周期,每个周期包含80个静态时隙,不使用动态时隙,每个静态时隙有效负载为100 bit。外部节点时隙配置中,初始化1号～9号、14号、15号时隙,每个时隙中包含2个有效字节,其余字节不填充数据,其波形如图11所示,示波器通道1、通道2分别为总线差分信号BP/BM。波形表明,基于该有源星型网络架构的FlexRay通信系统可以有效支撑多节点的数据通信。
图11 通信循环视角波形图Fig.11 Waveform diagram in communication cycle scale
在4个节点正常通信的过程中,对节点3进行通信分离,并观测其他节点瞬时的波形变化,波形如图12所示。在总线系统正常运行的过程中,将节点3接入总线网络中,观测其信号波形,如图13所示。
图12 节点分离瞬间总线信号Fig.12 Node separation instantaneous bus signal
图13 节点加入总线网络信号图Fig.13 The signal diagram when the node joins the bus network
由图12可知,基于该有源星型网络架构的FlexRay通信系统在部分节点热插拔方式退出总线网络时,可以保证网络中其他节点的信号不受干扰。由图13可知,在网络正常通信过程中,其他同步节点可以任意加入网络中,快速完成时钟及信息的同步,并正常参与总线通信循环。
文中设计了一种基于FlexRay总线的武器系统有源星型网络架构,构建了有源星型收发器阵列,搭建了FlexRay Hub星型集线器设备,设备内集成两个总线协议控制器作为冷启动节点,并完成软硬件实现。基于该星型架构,开展了节点数为6的信号仿真对比实验和节点数为4的半实物通信实验,结果表明该星型架构极大的降低了武器系统FlexRay通信网络的电气系统设计难度,相较于总线型、无源星型网络,提升了节点分离、并入等特殊工况下总线网络信号的稳定性。
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