CN112187597A - 一种基于FlexRay总线的车载地面端数据链 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种基于FlexRay总线的车载地面端数据链，包括：无线自组网传输模块，用于通过无线链路使一个地面端数据链和多个天空端数据链之间进行第一遥测遥控数据的传输；FlexRay通信网关模块，用于通过FlexRay总线使所述地面端数据链和车载地面测控终端之间进行第二遥测遥控数据的接收及发送；信号传输交换模块，用于使所述无线自组网传输模块、所述FlexRay通信网关模块和所述车载地面测控终端之间进行信号传输和交换。本发明具有快速率、高带宽、高可靠性的优点。

Description

一种基于FlexRay总线的车载地面端数据链
技术领域
本发明实施例涉及无人机数据链地面端设备领域，具体涉及一种基于FlexRay总线的车载地面端数据链。
背景技术
无人机数据链设备是构成无人机测控与信息传输系统的关键设备，一般按照用途可分为机载端数据链和地面端数据链。机载端数据链通过无线链路接收地面端数据链发送的遥控信息并输出至飞控计算机，完成对飞机平台及载荷设备的遥控数据传输；同时接收飞控计算机与载荷设备的遥测数据，通过无线链路发送给地面端数据链。地面端数据链一般安装于车载、舰载地面站上，主要完成遥控数据的上传和遥测数据的接收及分发。
现有的车载地面站上，特别是某些特种车辆使用FlexRay总线时，当地面端数据链接收到遥测数据后再进行数据分发时，多采用较为广泛的CAN总线或LIN总线技术。由于无人机数据链通信的特点，地面端数据链接收下行信道遥测数据的速率远高于其传输遥控指令的上行信道。因此可见，随着无人机载荷数量的增加其遥测数据量将随之增大，再将遥测数据分发至车载地面站时，需要采用一种快速率、高带宽、高可靠性的现场总线传输技术。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种基于FlexRay总线的车载地面端数据链，用以解决现有现场总线传输时速率低、带宽低和可靠性低的问题。
为实现上述目的，本发明实施例主要提供如下技术方案：
本发明实施例提供了一种基于FlexRay总线的车载地面端数据链，包括：无线自组网传输模块，用于通过无线链路使一个地面端数据链和多个天空端数据链之间进行第一遥测遥控数据的传输；FlexRay通信网关模块，用于通过FlexRay总线使所述地面端数据链和车载地面测控终端之间进行第二遥测遥控数据的接收及发送；信号传输交换模块，用于使所述无线自组网传输模块、所述FlexRay通信网关模块和所述车载地面测控终端之间进行信号传输和交换。
根据本发明的一个实施例，所述无线自组网传输模块包括相互连接的第一电源变换电路、自组网无线传输单元电路、网络通信接口电路和第一RS232通信接口电路。
根据本发明的一个实施例，所述FlexRay通信网关模块包括相互连接的第二电源变换电路、微控制器、FlexRay通信接口电路、网络通信接口电路和第二RS232通信接口电路。
根据本发明的一个实施例，所述微控制器的型号为TMS570LS1227。
根据本发明的一个实施例，所述信号传输交换模块用于为所述无线自组网传输模块和所述FlexRay通信网关模块之间的网络通信和RS232通信提供第一物理信号通道，所述信号传输交换模块还用于为所述FlexRay通信网关模块和所述车载地面测控终端之间提供第二物理信号通道。
根据本发明的一个实施例，所述无线自组网传输模块的工作频段采用L波段，为有中心组网型数据链，调制方式采用编码正交频分复用(Coded Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing，COFDM)。
根据本发明的一个实施例，所述FlexRay通信网关模块具体用于在系统上电后进行所述微控制器和外围接口电路的初始化；所述FlexRay通信网关模块包括系统任务调度模块和网络通信收发模块和RS232收发模块，所述系统任务调度模块用于采用无限循环的方式完成FlexRay总线的数据收发；所述网络通信收发模块和所述RS232收发模块采用中断的方式接收相应的总线数据。
根据本发明的一个实施例，所述RS232收发模块的中断优先级高于所述网络通信收发模块的中断优先级。
根据本发明的一个实施例，所述系统任务调度模块采用无限循环的方式对各个通信接口模块进行数据查询，若查询到相应的中断模块接收到有效数据，则进行转发；否则待本次循环结束后，进行下一次调度。
根据本发明的一个实施例，所述信号传输交换模块包括上层PCB板和下层PCB板，所述上层PCB板上设置有元器件和第一信号线；所述下层PCB板上设置有地回路，所述第一信号线采用差分走线的方式设置在所述上层PCB板上。
本发明实施例提供的技术方案至少具有如下优点：
本发明实施例提供的基于FlexRay总线的车载地面端数据链，可以使遥测遥控数据转发速率提高了10倍，同时充分利用了FlexRay总线的特点确保数据报文的时效性，提高了数据链通信系统的可靠性，非常适合无人机地面端数据链在进行大数据量转发应用场合，可广泛应用于农业植保、航拍侦查、电力巡检、抢险救灾等无人机的数据链通信系统。
附图说明
图1为本发明实施例的基于FlexRay总线的车载地面端数据链的结构框图。
图2为本发明一个示例中车载地面端数据链的结构原理示意图。
图3为本发明一个示例中车载地面端数据链的接口电路示意图。
图4为本发明一个示例中车载地面端数据链的工作流程图。
图5为本发明一个示例中车载地面端数据链的示例图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、接口、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”和“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”和“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“多个”表示两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”和“连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1为本发明实施例的基于FlexRay总线的车载地面端数据链的结构框图。如图1所示，本发明实施例的基于FlexRay总线的车载地面端数据链，包括：无线自组网传输模块100、FlexRay通信网关模块200和信号传输交换模块300。
其中，无线自组网传输模块100用于通过无线链路使一个地面端数据链和多个天空端数据链之间进行第一遥测遥控数据的传输。FlexRay通信网关模块200用于通过FlexRay总线使地面端数据链和车载地面测控终端之间进行第二遥测遥控数据的接收及发送。信号传输交换模块300用于使无线自组网传输模块100、FlexRay通信网关模块200和车载地面测控终端之间进行信号传输和交换。
在本发明的一个实施例中，无线自组网传输模块100包括相互连接的第一电源变换电路、自组网无线传输单元电路、网络通信接口电路和第一RS232通信接口电路。
在本发明的一个实施例中，FlexRay通信网关模块200包括相互连接的第二电源变换电路、微控制器、FlexRay通信接口电路、网络通信接口电路和第二RS232通信接口电路。
在本发明的一个实施例中，信号传输交换模块300用于为无线自组网传输模块100和FlexRay通信网关模块200之间的网络通信和RS232通信提供第一物理信号通道，信号传输交换模块300还用于为FlexRay通信网关模块200和车载地面测控终端之间提供第二物理信号通道。
图2为本发明一个示例中车载地面端数据链的结构原理示意图。如图2所示，信号传输交换模块300采用了专业的车载对外电连接器，为无线自组网传输模块100和FlexRay通信网关模块200之间提供了电源变换通道、网络通信接口通道、RS232通信接口通道。
车载电源系统提供+26供电电源，经过对外电连接器1进入无线自组网传输模块100的第一电源变换电路，输出一路+12V和+5V用于无线自组网传输模块100自身供电，另一路+12V输出用于FlexRay网关模块供电。
FlexRay通信网关模块200的第二电源变换电路输出+5V用于FlexRay通信接口电路供电；输出+3.3V用于微控制器IO供电及其余接口电路供电；输出+1.2V用于微控制器核电压供电。
无线自组网传输模块100采用L波段，为有中心组网型数据链，调制方式采用COFDM，实现遥测遥控数据在地面端数据链和天空端数据链之间上传及下传功能。
FlexRay通信网关模块200采用专门针对车载电子应用的32位Cortex-R4处理器，接入车载FlexRay总线网络，实现遥测遥控数据在地面端数据链和车载地面测控终端之间的接收及发送功能。
图3为本发明一个示例中车载地面端数据链的接口电路示意图。如图3所示，在本发明的一个实施例中，微控制器采用专门针对车载电子应用的32位Cortex-R4处理器，具体型号为TMS570LS1227，其主频为180MHz，存储资源包含1.25MB的片内Flash，192KB的片内RAM。微控制器片内集成两路FlexRay总线控制器，其通信规范遵循FlexRay协议定义V2.1A。每个通道的总线采样时钟比特率可以设置为最高10Mbps，内部包含一个8KB字节的消息RAM存储区，用于对总线数据进行缓存。只需要附加一个额外的总线收发器，就可以方便的接入到FlexRay总线物理层。
总线收发器采用TJA1080A，它主要用于1Mbps至10Mbps的通信系统，并在协议控制器和FlexRay网络中的物理总线之间提供电气接口。其操作模式有两种，一种为节点操作模式，TJA1080A作为一个单独设备节点工作；一种为有源星型节点操作模式，它被作为FlexRay有源星型网络的一个分支。此外，TJA1080A还具有低功耗电源管理、诊断及保护功能。
串口通信接口芯片选用MAX3232，完成TTL电平和RS232电平的转换。
网络通信接口芯片选用DP83640，可提供最高级别的精确时钟同步，实现基于IEEE1588标准的实时工业连接。
集成的1588功能使系统设计人员能够灵活，精确地接近有线时间戳。此外为了兼容现有车辆总线标准，本发明预留了CAN总线和LIN总线接口。
图4为本发明一个示例中车载地面端数据链的工作流程图。如图4所示，在本发明的一个实施例中，车载地面端数据链上电后，微控制器依次完成内存配置、时钟、中断向量初始化、IO复用功能初始化以及相关通信接口初始化。
初始化完成后，向FlexRay总线控制器发送启动命令。待FlexRay总线启动命令生效后，进入系统调度模块，循环处理FlexRay总线数据。
当判断总线上数据为有效的数据帧时，再按照遥控数据转发标志完成遥控数据的上传。
在无限循环过程中，当程序进入串口中断服务程序或网络中断服务程序后，完成遥测数据的接收转发。其中，RS232收发模块的中断优先级高于网络通信收发模块的中断优先级。
在本发明的一个实施例中，系统任务调度模块采用无限循环的方式对各个通信接口模块进行数据查询，若查询到相应的中断模块接收到有效数据，则进行转发；否则待本次循环结束后，进行下一次调度，如此往复。
在本发明的一个实施例中，信号传输交换模块300包括上层PCB板和下层PCB板。上层PCB板上设置有元器件和重要的信号线如FlexRay总线的BP、BM，网络接口信号线、电源走线放在顶层。下层PCB板上设置有地回路，第一信号线采用差分走线的方式设置在上层PCB板上，并做好等长处理和阻抗控制。
图5为本发明一个示例中车载地面端数据链的示例图。如图5所示，基于FlexRay总线的车载地面端数据链通过FlexRay总线接入车载网络。在FlexRay网络中，每个节点的总线通信控制器实现FlexRay协议定义的服务，总线控制器和微控制器之间通过控制器-主机接口实现互联。
车载地面端数据链接收车载地面测控终端从FlexRay总线传来的遥控数据，然后通过无线自组网模块向机载端数据链上传，机载端数据链按协议将遥控数据转发给飞控计算机或光电吊舱、GPS模块等载荷设备。同时车载地面端数据链通过无线自组网模块接收机载端数据链下传的遥测数据，按照协议将遥测数据通过FlexRay总线向车载地面测控终端、车载组合仪表等设备进行转发。实现了在车载地面站上对无人机载荷设备的远程操控。
本发明实施例提供的基于FlexRay总线的车载地面端数据链，可以使遥测遥控数据转发速率提高了10倍，同时充分利用了FlexRay总线的特点确保数据报文的时效性，提高了数据链通信系统的可靠性，非常适合无人机地面端数据链在进行大数据量转发应用场合，可广泛应用于农业植保、航拍侦查、电力巡检、抢险救灾等无人机的数据链通信系统。
另外，本发明实施例的基于FlexRay总线的车载地面端数据链的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于FlexRay总线的车载地面端数据链，其特征在于，包括：
无线自组网传输模块，用于通过无线链路使一个地面端数据链和多个天空端数据链之间进行第一遥测遥控数据的传输；
FlexRay通信网关模块，用于通过FlexRay总线使所述地面端数据链和车载地面测控终端之间进行第二遥测遥控数据的接收及发送；
信号传输交换模块，用于使所述无线自组网传输模块、所述FlexRay通信网关模块和所述车载地面测控终端之间进行信号传输和交换。
2.根据权利要求1所述的基于FlexRay总线的车载地面端数据链，其特征在于，所述无线自组网传输模块包括相互连接的第一电源变换电路、自组网无线传输单元电路、网络通信接口电路和第一RS232通信接口电路。
3.根据权利要求1所述的基于FlexRay总线的车载地面端数据链，其特征在于，所述FlexRay通信网关模块包括相互连接的第二电源变换电路、微控制器、FlexRay通信接口电路、网络通信接口电路和第二RS232通信接口电路。
4.根据权利要求3所述的基于FlexRay总线的车载地面端数据链，其特征在于，所述微控制器的型号为TMS570LS1227。
5.根据权利要求1所述的基于FlexRay总线的车载地面端数据链，其特征在于，所述信号传输交换模块用于为所述无线自组网传输模块和所述FlexRay通信网关模块之间的网络通信和RS232通信提供第一物理信号通道，所述信号传输交换模块还用于为所述FlexRay通信网关模块和所述车载地面测控终端之间提供第二物理信号通道。
6.根据权利要求1所述的基于FlexRay总线的车载地面端数据链，其特征在于，所述无线自组网传输模块的工作频段采用L波段，调制方式采用编码正交频分复用COFDM。
7.根据权利要求3所述的基于FlexRay总线的车载地面端数据链，其特征在于，所述FlexRay通信网关模块具体用于在系统上电后进行所述微控制器和外围接口电路的初始化；所述FlexRay通信网关模块包括系统任务调度模块和网络通信收发模块和RS232收发模块，所述系统任务调度模块用于采用无限循环的方式完成FlexRay总线的数据收发；所述网络通信收发模块和所述RS232收发模块采用中断的方式接收相应的总线数据。
8.根据权利要求7所述的基于FlexRay总线的车载地面端数据链，其特征在于，所述RS232收发模块的中断优先级高于所述网络通信收发模块的中断优先级。
9.根据权利要求7所述的基于FlexRay总线的车载地面端数据链，其特征在于，所述系统任务调度模块采用无限循环的方式对各个通信接口模块进行数据查询，若查询到相应的中断模块接收到有效数据，则进行转发；否则待本次循环结束后，进行下一次调度。
10.根据权利要求7所述的基于FlexRay总线的车载地面端数据链，其特征在于，所述信号传输交换模块包括上层PCB板和下层PCB板，所述上层PCB板上设置有元器件和第一信号线；所述下层PCB板上设置有地回路，所述第一信号线采用差分走线的方式设置在所述上层PCB板上。
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