CN103269297B - 一种小卫星用FlexRay总线应用层通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小卫星用FlexRay总线应用层通信方法，首先将星上电子系统传输信息分为两类，一类是属于星上电子系统正常模式下传输的信息，利用FlexRay总线的静态段传输，一类属于星上电子系统异常模式下传输的信息，利用FlexRay总线的动态段传输。然后根据星上电子系统信息流的大小，合理制定FlexRay总线速率、静态段时隙大小和动态段时隙大小以及时隙的分配，然后制定FlexRay总线的时间调度表，为星载FlexRay总线软件的编写提供依据。本发明解决了FlexRay总线星上应用的通信交互问题，使FlexRay总线各个节点的软件编程有章可循，也提高星上FlexRay总线传输的利用率。

Description

一种小卫星用FlexRay总线应用层通信方法

技术领域

本发明涉及一种FlexRay（flexible ray灵活的线）总线应用层通信方法，属计算机通信领域。

背景技术

现代小卫星星上信息传输采用总线技术，通过总线，卫星星载计算机可以对星上进行高效可靠的管理和控制，以实现预定的功能和任务要求。以往我国卫星星载网络传输大都采用1553B、CAN总线，这两种总线都是完全事件触发式总线，事件触发式总线网络中所有活动都是由事件的发生所引起的，各个节点按照自己的情况向总线上传输数据，在网络中所有的节点都有可能是下一个发送者，导致网络事件的冲突，出现网络堵塞、丢帧、延迟等问题，网络实时性、可靠性、安全性降低，影响网络通信品质。

而未来星上综合管控计算机不仅要承担常规的星务管理任务，还需要承担整星任务管理，甚至姿轨控算法的等功能，各分系统间交互的信息量和频度急剧增加，实时性需求越加严格，控制精度要求越来越高，具有1Mbps的通信速率的事件触发式1553B、CAN总线在实时性和传输速率方面严重制约了卫星星上综合电子的控制能力和信息共享能力。

随着计算机与信息技术的发展，一种新型的具有时间触发和事件触发的现场总线FlexRay总线应运而生，2006年FlexRay总线应用到BMW X54.8i的电子控制减震器系统中，后续的7X和奥迪A8的悬挂系统和线控系统中也陆续采用了FlexRay总线。FlexRay总线作为高速时间触发的控制总线具有以下特点：

1．具有时间触发和事件触发两种机制。FlexRay总线在一个周期循环中包括静态段和动态段，静态段采用时间触发通信机制，通过对节点和信息分配固定时隙的算法，保证了信息传输的确定性和实时性，动态段采用事件触发的模式，保证了临时性的重要数据在总线忙时有机会被发送，保证了总线发送的灵活性。

2．高速的传输速率。一个FlexRay总线的控制芯片支持两个通信信道，每个通信信道的速度可以达到10Mbps，两个信道可用于传输不同的信息。

3．具有高可靠。通信在周期循环的静态段采用时间触发的构架，这种基于同步时基的访问方法，保证在静态段传输的特定消息，在周期循环中拥有固定的位置，也就是说接收器已经提前知道了消息到达的时间，并且到达时间的临时偏差幅度会非常小，保证了信息传递的确定性。

4．容错性好。FlexRay提供多个级别的容错功能，包括单通道和双通道容错通信。独立的物理层总线监控器，把物理节点的通信控制器与总线相连。当某个节点发生故障而不能正常的接收或发送数据时，总线监控器会将通信控制器和总线断开，从而不会影响到其他节点的工作，相比CAN、1553B具有很好的容错性。

按照总线网络分层结构，常用的FlexRay总线网络分为3层：物理层、数据链路层和应用层，物理层规定了FlexRay总线的机械、电气等要求，链路层规定了帧结构、帧传输方式、时间同步等问题。但是FlexRay总线协议并没有对应用层做详细的规定，只是规定通信周期的时间长度，每个时隙的最大有效传输位数等参数，对应用层时隙的大小、时隙的配置、信息交互的周期并没有做详细的规定。

现在虽然汽车领域对FlexRay应用层已经有了初步的研究，但是由于卫星应用的传输信息的多样性、传输的高可靠以及星上资源有限等特点，不能完全适于卫星的应用，主要原因有两个，一个是在汽车领域，FlexRay总线主要用于线控系统，控制信息量少而且单一，所以在汽车领域，FlexRay总线的信息交互周期就是总线周期，而在卫星应用领域，FlexRay总线不但要承担星上控制信息的传输又要承担管理信息的传输，所以星上信息的传输量大而多样性，单个总线周期不能满足星上需求，需要对FlexRay总线星上时隙进行重新配置，对总线周期进行周期扩展；另一个原因是在汽车领域只使用了FlexRay总线的静态段，而在卫星领域，由于上注信息、故障模式等突发事件，需要及时传输信息，所以不能只考虑静态段，需要使用动态段保证信息的及时传输。

通过检索未发现国外与本发明相似的公开出版物及专利。

发明内容

本发明的技术解决问题是：提供一种小卫星用FlexRay总线应用层通信方法，解决了FlexRay总线星上应用的通信交互问题。该方法根据小卫星应用，设计FlexRay总线的工作模式，结合FlexRay总线通信协议的V2.1标准规范，进行节点间通信应用协议约定，有效规范了小卫星用星载FlexRay总线时隙以及信息交互的通信周期，实现了小卫星星上电子FlexRay总线应用层的有效通信。

本发明的技术解决方案是：一种小卫星用FlexRay总线应用层通信方法，其特征在于：基于FlexRay总线通信协议的V2.1标准规范，按照如下方法进行星上电子系统各个通信节点间通信：

（1）根据小卫星星上电子系统信息流，设计小卫星星上电子系统工作模式，将星上电子系统的信息进行分类，具体如下：

将小卫星星上电子系统中设计为正常工作模式和异常模式两种工作模式；正常模式，即基于FlexRay总线的星上电子系统的各个通信节点均处于正常工作模式，此时星上电子系统通信循环中不存在外部触发事件，一切事件的发生都是可预知的，所有信息的传输都是按照事先制定的时间调度表进行，信息的通信方式为消息订阅方式，在正常模式下，信息的传输都使用FlexRay总线的静态段；异常模式，即基于FlexRay总线的星上电子系统各个通信节点中存在外部触发事件，外部触发事件的发生都是不可预知的，所有信息的传输都是由外部事件触发，信息的传输都使用FlexRay总线的动态段。

（2）将小卫星星上电子系统中的信息分为两类，第一类是在星上电子系统正常模式下由时间触发的信息，第一类信息包括星上电子系统中各个总线节点遥测参数、星时参数、周期性的控制指令；第二类是在星上电子系统异常模式下由事件触发的信息，第二类信息包括星上电子系统的遥控指令、上注数据、各个总线节点的故障信息；星载FlexRay总线通信周期包括静态段和动态段，静态段用于传输第一类信息，动态段用于传输第二类信息。

（3）基于FlexRay总线通信协议的V2.1标准规范，进行星上电子系统通信节点间通信应用协议约定。具体包括静态段时隙设定、动态段时隙设定、时隙分配三个方面，具体如下：

静态段时隙设定：静态段时隙由FlexRay总线比特率和最长数据帧决定，静态段时隙的长度至少是静态段传输的最长帧所需时间，加上星上电子系统各个通信节点处理的最长时间和时间精度的持续时间以及时隙延时校正参数的最大值。

动态段时隙设定：动态段时隙是由总线比特率和实时性需求决定，为了保证动态段数据位传输时间，时隙即最小时间片应满足任何数据帧的完整传输，动态段时隙的长度至少是传输最短的帧所需时间，传输最短的帧包括头部段、2个字节的消息识别域、6个字节的数据域和尾部段。

时隙分配：根据FIexRay总线2.1协议，每个通信周期最长为16ms。根据星上实际信息量设定通信循环周期T，T小于16ms。根据FlexRay总线的小卫星星上电子系统中两类信息量的大小设定静态段时间长度和动态段时间长度。

（4）根据步骤三设定的静态段时隙、动态段时隙和时隙分配，进行星载FlexRay总线时间调度表编排，具体如下：

根据设定的静态段时隙、动态段时隙和时隙的分配，结合小卫星电子系统交互信息量的大小，进行时间调度表设计。基于FlexRay总线的星上网络设计还需要根据卫星系统信息交互周期的需求进行FlexRay总线通信周期的设计，由于FlexRay总线协议规定的通信周期最大为16ms，如果星上信息交互周期小于16ms，则可以直接配置通信周期；如果信息交互周期大于16ms，则可以对FlexRay总线的通信周期进行整数倍的扩展以满足通信需求。从而完成了小卫星星上电子系统FlexRay总线应用层通信。

本发明与现有技术相比有益效果为：

（1）由于目前在卫星领域还没有FlexRay总线应用层协议的相关技术，所以本发明填补了卫星用FlexRay总线应用层协议，针对小卫星系统的应用特点计算了静态段时隙的时间长度和动态段时隙的时间长度。

（2）本发明将小卫星星上电子系统的工作模式分为正常工作模式和异常模式，有利于星上信息流的梳理，以及时间调度表的排布。

（3）本发明设定小卫星用FlexRay总线通信节点主要时间参数，满足了小卫星星上电子系统对FlexRay总线时隙的要求和实时性的要求。

（4）本发明设定了一种小卫星用FlexRay总线信息交互周期，提高现有小卫星信息交互周期，满足小卫星星上电子系统信息的交流。

（5）本发明通过对总线通信速率、静态时隙、动态段时隙时间长度的设定、时隙的配置以及信息交互周期的设计，使有效规范了星上FlexRay总线的应用，使星上软件的编写有章可循。

附图说明

图1为本发明小卫星用FlexRay总线应用层通信方法流程图；

图2为本发明小卫星用FlexRay总线通信周期；

图3为本发明小卫星用FlexRay总线通信集群主要时间参数；

图4为本发明小卫星用FlexRay总线信息交互周期时隙调度表；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明是一种小卫星用星载FlexRay总线应用层通信方法，该通信方法的物理层和数据链路层协议基于FlexRay总线通信协议的V2.1标准规范，该方法分为四个步骤，第一步是对设计星上电子系统的工作模式，第二步是对星上电子系统的信息进行分类，第三步基于FlexRay总线的星上电子系统各个通信节点间通信应用协议约定，制定FlexRay总线速率、静态段和动态段的时间参数以及时隙的分配，第四步是根据小卫星电子系统交互信息量的大小，进行总线时间调度表编排。

1、根据小卫星星上电子系统信息流，设计小卫星星上电子系统工作模式，将星上电子系统的信息进行分类，具体如下：

将小卫星星上电子系统中设计为正常工作模式和异常模式两种工作模式。正常模式，即综合数据管控、姿控、热控等系统均处于正常工作模式，此时星上电子系统各个通信节点间通信中不存在外部触发事件，一切外部事件的发生都是可预知的，所有信息的传输都是按照事先制定的时间调度表进行，信息的通信方式为消息订阅方式。在正常模式下，信息的传输都使用FlexRay总线的静态段；异常模式，即星上电子系统通信循环中存在外部触发事件，外部事件的发生都是不可预知的，所有信息的传输都是由外部事件触发，信息的传输都使用FlexRay总线的动态段。

2、将小卫星星上电子系统中的信息分为两类，第一类是在星上电子系统正常模式下由时间触发的信息，第一类信息包括星上电子系统中各个总线节点遥测参数、星时参数、周期性的控制指令；第二类是在星上电子系统异常模式下由事件触发的信息，第二类信息包括星上电子系统的遥控指令、上注数据、各个总线节点的故障信息。星载FlexRay总线采用静态段和动态段，静态段用于传输第一类信息，动态段用于传输第二类信息。

3、基于FlexRay总线通信协议的V2.1标准规范，进行星上电子系统通信节点间通信应用协议约定。具体包括静态段时隙设定、动态段时隙设定、时隙分配等方面，具体如下：

（1）FlexRay总线速率采用5Mbps。根据星上电子遥控、遥测、上注等信息传递的实际需求，满足大部分节点的信息都在一帧中传输要求，定义每帧负荷段中传输250个字节。

（2）静态段时隙设定。静态段时隙时间长度相同，时隙的长度为数据帧传输时间加上网络闲置时间之和。由于静态段消息在每个FlexRay通信周期的固定时刻发送，所以不用考虑队列延迟，因此时隙长度也就是静态段发送延迟时间。发送延迟是指节点发送信息所需要的时间，发送延迟因为只与消息帧自身和总线参数有关，所以可根据FIexRay总线帧格式的定义计算时隙长度。

在一个FIexRay总线数据帧中，帧头部段占用5个字节，尾部段占用3个字节，本发明定义每帧负荷段为250个字节，共计258字节，每一个字节前面都需要添加了2位的字节开始序列BSS，所以每字节实际占有10位，共计2580位。再加上个7个位的传输开始序列TSS，1个位的帧开始序列FSS，和2个位的帧结尾序列FES，所以传完每一帧需要2590位。满足2590bit<aFrameLengthStaticMax[gdBit]=2628bit。

根据FIexRay总线2.1协议，在5Mbps下传输每一位的时间为0.2003μs。所以传输2590bit需要的时间为518.8μs。考虑到位流信息、闲置时间等和一个时间偏差，约30位，在5MHZ下约6μs，网络空闲时间设为130个节拍，即26μs。最后一个静态时隙定义为550μs，小于2.1协议中的adTxMax[μs]值，满足要求。

（3）动态段时隙设定。如果动态段时间较短，低优先权的动态段消息帧有可能因为大量高优先权消息帧的发送无法在本通信周期内进行发送，为了避免这种情况，每个动态段时间长度应足够动态段消息在本通信周期内完成。

根据星上电子系统传输信息需求，在动态段，数据段的头2个字节通常用作消息识别域，传输最短的帧包括2个字节的消息识别域和6个字节的数据域，1个字节的数据部分，3个字节的CRC校验码，5个字节的帧头，总共17个字节，每一个字节前面都需要添加了2位的字节开始序列BSS，所以每字节实际占有10位，共计170位。再加上个7个位的传输开始序列TSS，1个位的帧开始序列FSS，和2个位的帧结尾序列FES，所以传完每一帧需要180位。

根据FIexRay总线2.1协议，在5Mbps下传输每一位的时间为0.2003μs。所以传输180bit需要的时间为36.054μs。考虑到闲置时间和时间偏差等约4μs，所以传输一个最短帧所需时间约为40μs。所以一个动态段小时隙定义为40μs。

（4）小卫星用FlexRay总线时隙分配。根据FIexRay总线2.1协议，每个通信周期最长为16ms，即cdCycleMax=16000μs。本发明设定通信循环周期T为15ms，小于16ms，满足要求。

考虑到FlexRay总线的小卫星星上电子系统中设计了两种工作模式中信息流的多少，如图2所示，设定静态段时间长度为11ms，动态段时间长度为4ms。

静态段占用时间设计11ms，由于每个时隙的持续时间为550μs，所以静态段可以定义20个时隙，最大限度的为后续系统预留足够的通信时间；动态段占用时间设计4ms，动态段时隙的持续时间为40μs，所以动态段可以定义100个时隙，即动态段传输的信息可设1到100个优先级。

根据以上定义，如图3所示，设定小卫星用FlexRay总线通信集群主要时间参数。静态段采用双通道冗余设计，每个通信循环有20个小时隙，每个小时隙的时间长度为550μs，每一帧传输的最大有效数据为250字节；动态段也采用双通道冗余机制，每个通信循环有100个小时隙，每个小时隙的时间长度为44μs，每一帧传输的最大有效数据为8字节。

4、根据步骤三设定的静态段时隙、动态段时隙和时隙分配，进行星载FlexRay总线时间调度表编排，具体如下：

基于FlexRay总线的星上网络设计还需要根据卫星系统信息交互周期的需求进行FlexRay总线通信周期的设计，根据上一项的发明，设定FlexRay总线通信循环周期T为15ms，但是星上信息交互的周期大于T，所以需要对FlexRay总线的通信周期进行整数倍的扩展以满足通信需求。

根据现代小卫星星上传输信息流多少及信息交互周期的大小，信息交互周期扩展方法图4如所示，设定信息交互周期为150ms，也即10个总线通信周期，即在一个信息交互周期中可用的静态段时隙为200个，可用的动态段时隙为1000个。

本发明未公开技术属本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种小卫星用星载FlexRay总线应用层通信方法，其特征在于：基于灵活的线FlexRay总线通信协议的V2.1标准规范，按照如下方法进行星上电子系统各个通信节点间通信：

(1)根据小卫星星上电子系统信息流，设计小卫星星上电子系统工作模式，将星上电子系统的信息进行分类，具体如下：

将小卫星星上电子系统中设计为正常工作模式和异常模式两种工作模式；正常模式，即基于FlexRay总线的星上电子系统的各个通信节点均处于正常工作模式，此时星上电子系统通信中不存在外部触发事件，一切事件的发生都是可预知的，所有信息的传输都是按照事先制定的时间调度表进行，信息的通信方式为消息订阅方式，在正常模式下，信息的传输都使用FlexRay总线的静态段；异常模式，即基于FlexRay总线的星上电子系统各个通信节点中存在外部触发事件，外部触发事件的发生都是不可预知的，所有信息的传输都是由外部事件触发，信息的传输都使用FlexRay总线的动态段；

(2)将小卫星星上电子系统中的信息分为两类，第一类是在星上电子系统正常模式下由时间触发的信息，第一类信息包括星上电子系统各个总线节点遥测参数、星时参数、周期性的控制指令；第二类是在星上电子系统异常模式下由事件触发的信息，第二类信息包括星上电子系统的遥控指令、上注数据、各个总线节点的故障信息；星载FlexRay总线通信周期包括静态段和动态段，静态段用于传输第一类信息，动态段用于传输第二类信息；

(3)基于FlexRay总线通信协议的V2.1标准规范，进行星上电子系统通信节点间通信应用协议约定，具体包括静态段时隙设定、动态段时隙设定、时隙分配三个方面，具体如下：

(31)静态段时隙设定：静态段时隙由FlexRay总线比特率和最长数据帧决定，静态段时隙的长度至少是静态段传输的最长帧所需时间，加上星上电子系统各个通信节点处理的最长时间和时间精度的持续时间以及时隙延时校正参 数的最大值，设置FlexRay总线5Mbps传输速率 ，在一个FlexRay总线数据帧中，帧头部段占用5个字节，尾部段占用3个字节，定义每帧负荷段为250个字节；(32)动态段时隙设定：动态段时隙是由FlexRay总线比特率和实时性需求决定，动态段时隙的长度至少是传输最短的帧所需时间，传输最短的帧包括头部段、2个字节的消息识别域、6个字节的数据域和尾部段，传完每一帧需要180位，在5Mbps下传输，传输一个最短帧所需时间为40μs，一个动态段小时隙设定为40μs；(33)时隙分配：根据FlexRay总线通信协议的V2.1标准规范，每个通信周期最长为16ms，根据星上实际信息量设定通信循环周期T，T小于16ms，根据FlexRay总线的小卫星星上电子系统中两类信息量的大小设定静态段时间长度和动态段时间长度；

(4)根据步骤(3)设定的静态段时隙、动态段时隙和时隙分配，进行星载FlexRay总线时间调度表编排，具体如下：

基于FlexRay总线的星上网络设计还需要根据卫星系统信息交互周期的需求进行FlexRay总线通信周期的设计，根据现代小卫星星上传输信息流多少及信息交互周期的大小，设定信息交互周期为150ms，也即10个总线通信周期，即在一个信息交互周期中可用的静态段时隙为200个，可用的动态段时隙为1000个，从而完成了小卫星星上电子系统FlexRay总线应用层通信。