CN102360204A - 基于FlexRay的分布式飞行控制计算机通信系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于FlexRay的分布式飞行控制计算机通信系统及控制方法，属于航空航天导航、制导与控制技术领域。该系统包括中央处理单元、模拟量接口单元、开关量接口单元和串口量接口单元，各个功能单元通过FlexRay总线相连接，每个功能单元作为一个FlexRay总线通信节点，通过FlexRay总线与其他功能单元进行数据通信交互，所述的FlexRay总线通信节点，即每个功能单元由主机处理器、总线控制器和总线收发器组成。本发明用FlexRay总线替代现有CAN总线，使通信效率提高大大提高，实现飞行控制计算机各个功能单元之间实时、可靠的数据通信，解决了使用CAN总线时速率不够、带宽受限等问题。

Description

基于FlexRay的分布式飞行控制计算机通信系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于FlexRay的分布式飞行控制计算机通信系统及控制方法，属于航空航天导航、制导与控制技术领域。

背景技术

飞行控制计算机是无人飞行器飞行控制系统的核心部件之一，其可靠性设计的优劣直接影响着飞行器的飞行安全，而总线是飞行控制计算机内部数据交互的通道与纽带，是飞行控制计算机必不可少的一部分。随着新型高性能无人机系统的发展，对飞行控制计算机的功能、性能与可靠性要求也越来越高，计算机内部通信总线上的负载情况也越来越重，因此设计网络通信协议，提高通信效率，降低总线负荷，增强安全性，必然成为新型飞行控制计算机设计过程中所需考虑的重要因素。

目前分布式结构飞行控制计算机多采用CAN作为内部通信总线，其数据通信的实时性与可靠性得到了充分验证。随着新型高性能无人机系统的发展，对飞行控制计算机的功能与性能要求也越来越高。在这种发展趋势下，计算机内部通信总线上的负载情况也越来越重，而CAN总线的数据传输率是1Mbit/s，数据传输效率本身就不高，小于60%，已经逐渐不能满足新型飞行控制计算机的要求，因此需要寻求一种新总线通信技术解决制约分布式结构飞行控制计算机发展的瓶颈问题。

FlexRay作为一种新型网络通信协议，数据传输率高达10Mbit/s，当采用双通道冗余传输时最快可达20Mbit/s，并且在如此高数据传输率的情况下，仍能够满足系统的可靠性指标，是一种具有更高数据传输率，更灵活的数据通信方式、更多样的网络拓扑结构选择和更全面的容错选择的总线通信协议。目前市场上有Fujitsu Philips、Freescale等几家半导体厂商实现了FlexRay总线协议的收发器和控制器。在应用方面，只有少数几家公司对其实现，例如最早是宝马公司于2006年将FlexRay技术成功应用于宝马X5豪华型SUV上，接着在宝马X6和新7系轿车上也得到了应用；2010年6月，奥迪公司在新款A8轿车上也采用了FlexRay技术。目前国内外尚无将FlexRay总线技术用于无人飞行器飞行控制计算机当中的先例，在这方面的发明与研究还处空白阶段。

发明内容

本发明提出了一种基于FlexRay的分布式飞行控制计算机通信系统及控制方法，利用高速率、高效率和高可靠性的FlexRay总线替代CAN总线应用到飞行控制计算机中，解决了飞行控制计算机内部通信总线带宽受限负载过大的问题。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种基于FlexRay的分布式飞行控制计算机通信系统，包括中央处理单元、模拟量接口单元、开关量接口单元和串口量接口单元，各个功能单元通过FlexRay总线相连接，每个功能单元作为一个FlexRay总线通信节点，通过FlexRay总线与其他功能单元进行数据通信交互，协同工作实现飞行控制功能；其中，中央处理单元进行整个飞行控制系统的控制律解算、实现外围设备的管理；模拟量接口单元、开关量接口单元和串行量接口单元为分布式飞行控制计算机的数据采集及输出部分，三个功能单元负责接收传感器数据及采集外围设备的状态并上传给中央处理单元，同时也输出由中央处理单元控制律解算结果及逻辑管理数据。

所述的飞行控制计算机中的FlexRay总线通信节点，即每个功能单元由主机处理器、总线控制器和总线收发器顺序连接。

所述的主机处理器采用C8051F120单片机。

所述的总线控制器采用MFR4310。

所述的总线收发器采用TJA1080A。

所述的基于FlexRay的分布式飞行控制计算机通信系统的控制方法，包括以下步骤：

1）当飞行控制计算机上电后，各个功能单元的主机处理器完成输入输出端口及外围相应模块的初始化；

2）应用中央处理单元进行飞行控制解算和任务调度工作，应用模拟量接口单元、开关量接口单元和串口量接口单元进行相应的传感器数据采集和输出；

3）中央处理单元通过FlexRay总线将控制律解算结果下行到其他功能单元进行输出，同时通过FlexRay总线接收其他功能单元上传的传感器采集信息；模拟量接口单元、开关量接口单元和串口量接口单元则通过FlexRay总线接收来自中央处理单元的控制律解算结果并输出到执行机构，同时在规定的时间内将传感器采集的数据信息上传到中央处理单元进行处理。

本发明的有益效果如下：

FlexRay总线数据传输率可达10Mbit/s，而CAN总线数据传输率是1Mbit/s；FlexRay数据帧负载段长度可达254字节，而CAN数据帧负载段长度最大为8字节，FlexRay总线通信效率远大于CAN总线，并且其媒质访问方式和其他数据传输特性也能满足飞行控制计算机内部数据传输的需求。用FlexRay总线替代现有CAN总线用于飞行控制计算机上，使通信效率提高，解决了使用CAN总线时速率不够、带宽受限等问题。

附图说明

图1为基于FlexRay的分布式飞行控制计算机通信系统的结构框图。

图2为主机处理器接口电路图。

图3为位扩展模块电路图。

图4为FlexRay通信接口电路图。

图5为本发明系统通信调度方案。

图6为本发明系统通信流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。

图1所示为基于FlexRay的分布式飞行控制计算机通信系统的结构框图，它采用分布式总线网络拓扑结构，主要由四部分组成：中央处理单元、模拟量接口单元、开关量接口单元和串口量接口单元。其中中央处理单元主要功能为进行整个飞行控制系统的控制律解算、实现外围设备的管理，是分布式飞行控制计算机的核心主控单元。模拟量接口单元、开关量接口单元、串口量接口单元为分布式飞行控制计算机的数据采集及输出部分，三个功能单元主要负责接收传感器数据及采集外围设备的状态，同时也输出由中央处理单元解算及处理过的数据。系统中每个单元作为一个FlexRay节点，通过FlexRay总线与其它节点进行数据通信交互。

图1中标注框所示为FlexRay通信节点结构框图。FlexRay通信节点采用MCU+CC+BD结构方式。主机处理器(MCU)采用C8051F120单片机，通过配置总线控制器(CC)中的寄存器来设置它的工作方式，然后控制它的工作状态实现数据收发；总线控制器(CC)采用MFR4310控制器，主要功能是在链路层和物理层上实现FlexRay网络协议的可编程组合电路，完成主机处理器和总线收发器之间的数据交互和流程控制；总线收发器(BD)采用TJA1080A收发器，它将总线控制器与总线相连，通过编码处理将FlexRay总线控制器要发送的数据发送到总线上，通过译码处理将来自总线的数据传送到FlexRay总线控制器中。

图2为主机处理器接口电路图。主机处理器采用C8051F120单片机U1，它主要完成两部分工作：一为飞行控制相关任务，另一部分则是完成FlexRay通信实现飞行控制计算机内部各个单元之间的信息交互。图中U2为电压转换芯片PKV-3313PI，负责将+27V直流电压转换为+15V电压，U3为电压转换芯片PKV-3211PI，负责将+27V直流电压转换为+5V电压，在U2和U3的电压输入输出端和地之间需要分别并联0.1uF和10uF的滤波电容，在完成电压转换的同时也将直流稳压电源和功能板进行了电压隔离。P3为电压转换芯片LM1117-3.3，负责将+5V电压转换为+3.3V电压，P4为电压转换芯片LM1117-2.5，负责将+5V电压转换为+2.5V电压，在P3和P4的电压输入输出端和地之间分别并联0.1uF和10uF的滤波电容。P1为标准的10芯JTAG调试接口，P1的引脚4、5、6、7分别连接到单片机U1引脚2、1、4、3，负责单片机的程序下载和非入侵式、全速的在系统调试。Y0为有源晶振，晶振频率为22.1184MHz，其CLK引脚连接到单片机U1的XTAL1引脚，为单片机U1提供时钟信号，在晶振的电压输入端和地之间并联0.1uF的滤波电容。发光二极管D13通过限流电阻R6连接到+3.3V电压端用来观察+3.3V电压状态是否正常，而发光二极管D14通过限流电阻R5连接到单片机U1的P2.7引脚，作为指示灯来观察单片机U1是否正常工作。单片机U1的RST复位引脚通过上拉电阻R1连接到+3.3V，同时通过去耦电容C1连接到地，以防止强噪声引起错误复位。

单片机U1和总线控制器MFR4310相连时，将其外部存储器接口配置到者高端口P4--P7，地址数据总线采用非复用方式。单片机U1的引脚P5.4作为总线控制器U5的片选信号连接到引脚CE，P5.5作为锁存器74HC573的片选信号连接到输出使能引脚OE。单片机U1引脚P6.0--P6.7和P5.0--P5.3组成12根地址总线连接到图4中的总线控制器U5的地址线A0--A11，引脚P7.0--P7.7作为8根数据总线通过位扩展模块连接到总线控制器U5的16根数据总线D0--D15。单片机U1的读信号输出引脚RD#连接到总线控制器U5的读使能引脚OE#，单片机U1写信号输出引脚WR#连接到总线控制器U5的写使能引脚WE#，单片机U1的P4.1引脚作为复位输出信号连接到总线控制器U5的复位输入引脚RESET#，总线控制器U5的中断输出信号引脚INT_CC连到单片机U1外部中断0输入引脚P0.4，由于总线控制器U5的中断输出信号引脚为漏极开路，因此需要通过上拉电阻R12连接到+3.3V。

单片机U1的引脚P2.1和P2.2作为收发器使能信号连接到图4中的收发器U9和U10的引脚BGE，引脚P2.3和P2.5作为收发器唤醒信号连接到收发器U9和U10的引脚WAKE，引脚P2.4和P2.6作为收发器错误诊断信号连接到收发器U9和U10的引脚ERRN。

图3为位扩展电路图，完成8位单片机U1对16位总线控制器U5的读写操作。或非门U6为74HC02，用来产生锁存器U7的锁存使能信号。或非门U6的输入引脚A1连接单片机U1的读输出使能引脚RD#，输入引脚B1连接到单片机U1的引脚P5.4，也即总线控制器U5的片选信号，或非门U6输出引脚Y1连接到锁存器U7的锁存信号引脚LE#。锁存器U7为74HC573，负责在单片机U1读操作时锁存高8位数据。锁存器U7的输出使能引脚OE#连接到单片机U1的引脚P5.5，引脚LE#连接到或非门U6的引脚Y1，数据输入引脚D0--D7连接到总线控制器U5的高8为数据线D8--D15，数据输出引脚Q0--Q7连接到单片机U1的P7.0--P7.7。

读写数据的时序为：单片机U1写数据时，P3口的输出驱动器使能，写高8位数据D8--D15到P3口上，写低8位数据D0--D7到P7口，使能A12选通总线控制器U5，将P7口和P3口的16位数据D0--D15写到总线控制器U5中，写完数据后禁止P3口的输出驱动器；单片机U1读数据时，RD#有效，A12有效，选通总线控制器U5，单片机U1读低8位数据D0--D7，然后使A12无效A13有效，此时或非门U6输出引脚Y1电平由高变低，锁存器U7将对应的高8位数据D8--D15锁存，然后单片机U1从锁存器U7数据输出端将高8位数据读入。

图4为FlexRay通信接口电路。FlexRay总线控制器U5为MFR4310，它是飞思卡尔公司推出的一款独立FlexRay控制器，支持FlexRay协议2.1A版本，有两个独立通信通道，每个通道通信速率可高达10Mbit/s，128个可以灵活配置的消息缓冲器。Y1是有源晶振，频率为40MHz，作为总线控制器U5的时钟信号。收发器U9和U10是FlexRay独立收发器TJA1080A，速率可高达10Mbit/s，可以灵活应用于总线型和星型拓扑结构。T1和T2是共模扼流电感，用来提高抗电磁辐射性能。总线控制器U5的TEST引脚在应用时必须通过下拉电阻R17接地。总线控制器U5的时钟信号输入引脚CC_CLK连接到有源晶振Y1的CLK引脚，总线控制器U5的引脚XTAL悬空，引脚CHICLK_CC必须接地。总线控制器U5的复用引脚BSLE1/DBG0和BSEL0/DBG1分别通过下拉电阻R20和R21接地，将总线控制器U5配置为16位读写模式。总线控制器U5的复用引脚DBG2/CLK_S0和DBG3/CLK_S1分别通过上拉电阻R19和R18接+3.3V，禁止总线控制器U5的时钟信号CLKOUT输出。总线控制器U5的引脚41和45为FlexRay信号发送引脚，同时也复用作总线控制器U5的外部接口模式选择引脚。本发明中总线控制器U5工作在主机接口时钟选择为CLK_CC的异步存储器模式，因此引脚41通过下拉电阻R4接地，引脚45通过上拉电阻R11接+3.3V。总线控制器U5的引脚41接收发器U9的引脚5，总线控制器U5的引脚36为FelxRay信号发送使能引脚，接收发器U9的引脚6，总线控制器U5的引脚33为FlexRay信号接收引脚，接收发器U9的引脚7。总线控制器U5的引脚45接收发器U10的引脚5，总线控制器U5的引脚44为FelxRay信号发送使能引脚，接收发器U10的引脚6，总线控制器U5的引脚43为FlexRay信号接收引脚，接收发器U10的引脚7。

U9和U10为FlexRay收发器TJA1080A，作为两路FlexRay通道分别连接到总线控制器U5的A和B通道，可以传输相同数据实现冗余提高可靠性，也可以传输不同数据，使传输速率由10Mbit/s提高到20Mbit/s。收发器U9的引脚3是使能输入信号，通过上拉电阻R14接+3.3V，收发器U9引脚5是FlexRay发送信号，接总线控制器U5的引脚41，收发器U9的引脚6时发送使能信号，接总线控制器U5的引脚36，收发器U9的引脚7是FlexRay接收信号，接总线控制器U5的引脚33，收发器U9的引脚8是收发器使能信号，接单片机U1的引脚45，收发器U9的引脚9是工作模式选择信号，通过上拉电阻R13接+3.3V，收发器U9的引脚13是错误诊断输出信号，接单片机U1的引脚40，收发器U9的引脚15是唤醒信号，接单片机U1的引脚41。收发器U9的引脚17是FlexRay信号线BM，引脚18是FlexRay信号线BP，通过共模扼流电感T1连接到分离终端，最终与双绞线相连实现信号传输。收发器U10的引脚3是使能输入信号，通过上拉电阻R16接+3.3V，收发器U10引脚5是FlexRay发送信号，接总线控制器U5的引脚45，收发器U10的引脚6时发送使能信号，接总线控制器U5的引脚44，收发器U10的引脚7是FlexRay接收信号，接总线控制器U5的引脚43，收发器U10的引脚8是收发器使能信号，接单片机U1的引脚44，收发器U10的引脚9是工作模式选择信号，通过上拉电阻R15接+3.3V，收发器U10的引脚13是错误诊断输出信号，接单片机U1的引脚42，收发器U10的引脚15是唤醒信号，接单片机U1的引脚43。收发器U10的引脚17是FlexRay信号线BM，引脚18是FlexRay信号线BP，通过共模扼流电感T2连接到分离终端，最终与双绞线相连实现信号传输。

图5为整个系统的数据通信调度方案。本发明中的飞行控制计算机采用超循环系统工作方式，应用程序是一个无限的循环，循环中按规划的时间片调用相应的功能模块。按照图5中数据调度方案进行数据通信。每个通信周期包含静态段、动态段、符号窗口和网络闲置时间四段。本系统只用到了静态段，没有用动态段。根据本发明计算机总线上的数据流量，把5ms作为一个通信周期。为了尽量提高总线的效率，选择数据帧数据负载段的长度为32个字节，静态段配置了60个静态时隙，数据传输率选取10Mbit/s，数据帧的长度为40字节，加上编码时TSS、FSS、BSS和FES 段，则传输一帧数据需要41.4μs，则选取静态时隙为50μs，每个时隙可传输一帧数据；动态段占用了22个微时隙；符号窗口设为14μs；网络闲置时间长度为整个周期减去静态段和符号窗口后剩下的长度，用来进行相位校正和频率校正。每个通信周期的1号静态时隙开始时，中央处理单元单元发送状态检测信号；每个通信周期静态段的3、5、7号时隙用于传输状态检测返回信号；每个通信周期静态段的9、11号时隙用于模拟量上行数据调度，13号时隙用于模拟量下行数据调度；每个通信周期静态段的15号时隙用于开关量上行数据调度，17号时隙用于开关量下行数据调度；每个通信周期静态段的19--43号中的奇数时隙用于串口量上行数据调度，45--43号中的奇数时隙用于串口量下行数据调度；每个通信周期在网络闲置时间处进行时钟校正，完成了时钟级同步过程；上下行数据都采用标准的基于时间的静态调度方式。

图6为整个系统的通信流程图。程序采用中断机制，所有的功能模块均包含在中断函数中。节点上电之后，开始进行初始化操作。主机初始化的作用是对主机处理器，即C8051F120单片机U1内部设备进行初始化，如I/O端口，中断，时钟等。总线控制器MFR4310的初始化主要包括以下步骤：总线控制器底层配置，缓冲区的初始化，定义中断回调函数，切换协议状态至活动状态（Normal Active）以及开启需要的中断。当中断发生时，总线控制器将中断信号发送给主机，主机处理器调用中断处理函数，判断中断的类型，并执行不同的中断响应函数。根据图5中所设计数据通信调度方案，当各个功能板上传数据未更新时，发送中断请求产生后，则调用发送子程序，将事先设置好的标志位上传到总线，若数据更新完毕，则将更新完毕的数据信息上传到总线；当从总线上接收到数据时，则调用相应的接收子程序，完成数据读取。

Claims (6)

1.一种基于FlexRay的分布式飞行控制计算机通信系统，其特征在于包括中央处理单元、模拟量接口单元、开关量接口单元和串口量接口单元，各个功能单元通过FlexRay总线相连接，每个功能单元作为一个FlexRay总线通信节点，通过FlexRay总线与其他功能单元进行数据通信交互，协同工作实现飞行控制功能；其中，中央处理单元进行整个飞行控制系统的控制律解算、实现外围设备的管理；模拟量接口单元、开关量接口单元和串行量接口单元为分布式飞行控制计算机的数据采集及输出部分，三个功能单元负责接收传感器数据及采集外围设备的状态并上传给中央处理单元，同时也输出由中央处理单元控制律解算结果及逻辑管理数据。

2.根据权利要求1所述的基于FlexRay的分布式飞行控制计算机通信系统，其特征在于所述的FlexRay总线通信节点，即每个功能单元由主机处理器、总线控制器和总线收发器组成。

3.根据权利要求2所述的基于FlexRay的分布式飞行控制计算机通信系统，其特征在于所述的主机处理器采用C8051F120单片机。

4.根据权利要求2所述的基于FlexRay的分布式飞行控制计算机通信系统，其特征在于所述的总线控制器采用MFR4310。

5.根据权利要求2所述的基于FlexRay的分布式飞行控制计算机通信系统，其特征在于所述的总线收发器采用TJA1080A。

6.根据权利要求1所述的基于FlexRay的分布式飞行控制计算机通信系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）当飞行控制计算机上电后，各个功能单元的主机处理器完成输入输出端口及外围相应模块的初始化；

2）应用中央处理单元进行飞行控制解算和任务调度工作，应用模拟量接口单元、开关量接口单元和串口量接口单元进行相应的传感器数据采集和输出；

3）中央处理单元通过FlexRay总线将控制律解算结果下行到其他功能单元进行输出，同时通过FlexRay总线接收其他功能单元上传的传感器采集信息；模拟量接口单元、开关量接口单元和串口量接口单元则通过FlexRay总线接收来自中央处理单元的控制律解算结果并输出到执行机构，同时在规定的时间内将传感器采集的数据信息上传到中央处理单元进行处理。

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