CN114697274B - 一种无人机机载FlexRay数据记录系统 - Google Patents

一种无人机机载FlexRay数据记录系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无人机机载FlexRay数据记录系统，可实现与上位机之间的数据传输，包括：主控计算机、FlexRay接口模块、数据存储模块和以太网接口模块；主控计算机分别与FlexRay接口模块、数据存储模块和以太网接口模块电连接；主控计算机包括PS模块、PL模块和AXI总线；FlexRay接口模块包括收发器、独立式FlexRay控制器和逻辑控制单元；数据存储模块与PS模块相连，用于根据PS模块的控制实现数据的存储；以太网接口模块包括网络物理芯片和网络接口；本发明针对具有FlexRay通讯接口的长滞空无人机提供续航能力更强、存储容量更大的专用数据记录系统。

Description

一种无人机机载FlexRay数据记录系统
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，更具体的说是涉及一种无人机机载FlexRay数据记录系统。
背景技术
在无人机飞行试验及飞机研制阶段，需要机载数据记录仪对各系统发送过来的飞参数据进行不间断的采集和存储。飞行任务结束后，可以回收这些原始数据用来分析无人机的工作情况，为故障分析和试验评估提供可靠的依据，也可作为改进老机型、测试新机型性能的数据来源。现有的无人机数据记录仪普遍存在续航时长较短的问题，并且无人机用FlexRay通讯数据记录设备领域尚属空白。在使用FlexRay通讯接口的超长滞空无人机试验中，缺乏适用的大容量FlexRay通讯数据记录仪。
因此，如何提供一种超长工作时间的无人机机载FlexRay数据记录系统是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种无人机机载FlexRay数据记录系统，针对需要长期进行飞行任务的无人机提供续航能力更强的数据记录系统。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种无人机机载FlexRay数据记录系统，可实现与上位机之间的数据传输，包括：主控计算机、FlexRay接口模块、数据存储模块和以太网接口模块；所述主控计算机分别与所述FlexRay接口模块、所述数据存储模块和所述以太网接口模块电连接；
所述主控计算机包括PS模块、PL模块和AXI总线；
所述PS模块用于对所述FlexRay接口模块所采集到的数据进行管理，控制所述数据存储模块进行数据存储的过程，控制所述以太网接口模块实现存储数据的地面下载；
所述PL模块用于控制所述FlexRay接口模块实现数据的采集和传输；
所述AXI总线用于连接所述PS模块和所述PL模块，实现所述PS模块和所述PL模块之间数据的传输；
所述FlexRay接口模块包括收发器、逻辑控制单元和独立式FlexRay控制器；
所述收发器用于实现电平转换；
所述逻辑控制单元在PL模块中实现，用于对所述独立式FlexRay控制器进行复位、读和写等控制；
所述独立式FlexRay控制器分别与所述收发器和所述逻辑控制单元相连，用于实现FlexRay的通讯协议，通过所述收发器完成数据的采集与发送，并通过所述FlexRay控制逻辑实现所述独立式FlexRay控制器与所述主控计算机之间数据的传输；
所述数据存储模块与所述PS模块相连，用于根据所述PS模块的控制实现数据的存储；
所述以太网接口模块包括网络物理芯片和网络接口；
所述网络物理芯片用于发送和接收以太网的数据帧，实现与所述上位机之间的数据传输；
所述网络接口在所述PS模块中实现，通过所述网络接口中的RGMII总线与所述网络物理芯片相连，使所述网络物理芯片与所述PS模块的MAC层进行数据通信；
优选的，所述PL模块包括分频器、译码器和接收FIFO单元；
所述分频器，用于通过时钟分频给FlexRay控制逻辑提供所需频率的时钟；
所述译码器，用于进行FlexRay控制逻辑中不同逻辑功能的选择；
所述接收FIFO，用于连续获取所述独立式FlexRay控制器指定的存储空间内的数据，实现数据缓存。
优选的，所述PS模块包括AXI总线控制单元、ARM核、网络接口和PCIE接口；
所述AXI总线控制单元，用于对AXI总线进行控制；
所述ARM核，用于运行嵌入式Linux操作系统，完成所述FlexRay接口模块的配置、数据接收、数据存储和管理的功能；
所述网络接口与所述ARM核相连，用于根据所述ARM核的控制实现存储数据的地面下载；
所述PCIE接口，用于连接所述数据存储模块，实现数据的存储。
优选的，所述PS模块还包括数据管理软件；
所述数据管理软件，用于选择存储路径，创建计数文本FlexRay_data_n.txt，其中n为文件数，通过轮询的方式不间断地检测所述接收FIFO单元中是否存在有效数据，若检测到所述接收FIFO单元中有相应数据即将数据存放到相应名称的文本中，当文本中的数据容量达到单个文本存储上限时，另存为新的文本中，并一直反复循环查询直至测试结束。
优选的，所述主控计算机还包括外围电路模块，用于配置所述主控计算机以及保障主控计算机实现基本功能。
优选的，所述FlexRay接口模块还包括隔离芯片；
所述隔离芯片与所述收发器相连，用于实现电气隔离。
优选的，所述数据存储模块包括SSD固态硬盘，用于实现快速数据存储。
经由上述的技术方案可知，本发明公开提供了一种无人机机载FlexRay数据记录系统，填补无人机用FlexRay数据记录仪的空白。针对该型无人机使用FlexRay通讯需求，设计FlexRay接口，监听FlexRay通讯数据；针对该型无人机超长滞空工作产生海量数据的特点，设计大容量存储系统，开发大批量数据存储管理软件，配备大批量数据下载端口；针对机载设备使用特点，利用Zynq技术，在单片FPGA上实现设备控制程序和通讯控制逻辑，有效减小设备体积，提高可靠性。本发明提供FlexRay通讯数据记录仪，能够在无人机超长滞空时间内，不间断地采集和存储各机载系统数据，为无人机的测试、改型、故障分析和试验评估提供可靠的数据来源。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明实施例提供的整体结构示意图；
图2附图为本发明实施例提供的FlexRay接口模块整体结构示意图；
图3附图为本发明实施例提供的数据存储模块连接示意图；
图4附图为本发明实施例提供的网络接口连接示意图；
图5附图为本发明实施例提供的外围电路结构示意图；
图6附图为本发明实施例提供的数据管理软件工作流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种无人机机载FlexRay数据记录系统，可实现与上位机之间的数据传输，如图1所示，包括：主控计算机、FlexRay接口模块、数据存储模块和以太网接口模块；主控计算机分别与FlexRay接口模块、数据存储模块和以太网接口模块电连接；
主控计算机包括PS模块、PL模块和AXI总线；
PS模块用于对FlexRay接口模块所采集到的数据进行管理，控制数据存储模块进行数据存储的过程，控制以太网接口模块实现存储数据的地面下载；
PL模块用于控制FlexRay接口模块实现数据的采集和传输；
AXI总线用于连接PS模块和PL模块，实现PS模块和PL模块之间数据的传输；
FlexRay接口模块包括收发器、逻辑控制单元和独立式FlexRay控制器；
收发器用于实现电平转换；
逻辑控制单元在PL模块中实现，用于对独立式FlexRay控制器进行复位、读和写等控制；
独立式FlexRay控制器分别与收发器和逻辑控制单元相连，用于实现FlexRay的通讯协议，通过收发器完成数据的采集与发送，并通过FlexRay控制逻辑实现独立式FlexRay控制器与主控计算机之间数据的传输；
数据存储模块与PS模块相连，用于根据PS模块的控制实现数据的存储；
以太网接口模块包括网络物理芯片和网络接口；
网络物理芯片用于发送和接收以太网的数据帧，实现与上位机之间的数据传输；
网络接口在PS模块中实现，通过网络接口中的RGMII总线与网络物理芯片相连，使网络物理芯片与PS模块的MAC层进行数据通信；
在本实施例中，考虑到无人机用机载数据记录仪的尺寸与重量要求，主控计算机应该尽量小型化、高度集成化。选用Zynq UltraScale+系列中的ZU5EV芯片，该芯片在一颗芯片上集成了双核ARM Cortex-A53、双核ARM Cortex-R5F和FPGA可编程逻辑阵列，解决了小型化的问题，并且，ARM自带各种管理接口，可运行Linux系统，方便用户二次开发。
FlexRay总线是BWM、Daimler Chrysler、Motorola和Philips等公司制定的功能强大的网络通信协议，是继CAN和LIN之后车载网络标准的最新研发成果。FlexRay基于灵活时分多路访问(FTDMA)的确定性访问方式，具有容错功能及确定的通信消息传输时间，同时支持事件触发与时间触发通信，具有高速率通信能力。FlexRay还能够提供很多CAN网络所不具有的可靠性特点。尤其是FlexRay具备的冗余通信能力可实现通过硬件完全复制网络配置，并进行进度监测。
本实施例中选用独立式FlexRay控制器MFR4310芯片，使FlexRay轻松集成到基于MCU的应用中，无需采用嵌入式FlexRay控制器，并遵从FlexRay协议规范V2.1A，收发器选用TJA1080。通讯框图如图2所示。
本实施例中选用KSZ9031RNX作为网络物理芯片为用户提供网络通信服务。此款芯片支持10/100/1000Mbps网络传输速率，提供了简化的千兆位介质独立接口RGMII，可直接连接到ZU5EV系统的MAC层进行数据通信，能满足本实施例千兆以太网速率要求，并兼容以往板卡的百兆以太网络接口。
具体实现时，网络物理芯片可以连接到Zynq ZU5EV的PS端，通过RGMII接口与PS系统的MAC层进行数据通信。千兆以太网硬件结构框图如图4所示，为增强传输稳定性，以太网接口最大数据传输速率一般控制在100Mbps(约12.5MBytes/s)。
为了进一步实施上述技术方案，PL模块包括分频器、译码器和接收FIFO单元；
分频器，用于通过时钟分频给FlexRay控制逻辑提供所需频率的时钟；
译码器，用于进行FlexRay控制逻辑中不同逻辑功能的选择；
接收FIFO，用于连续获取独立式FlexRay控制器指定的存储空间内的数据，实现数据缓存。
为了进一步实施上述技术方案，PS模块包括AXI总线控制单元、ARM核、网络接口和PCIE接口；
AXI总线控制单元，用于对AXI总线进行控制；
ARM核，用于运行嵌入式Linux操作系统，完成FlexRay接口模块的配置、数据接收、数据存储和管理的功能；
网络接口与ARM核相连，用于根据ARM核的控制实现存储数据的地面下载；
PCIE接口，用于连接数据存储模块，实现数据的存储。
需要说明的是：
AXI总线用于高速高效地完成PS端与PL端之间的数据传输。
PCIE接口实现快速数据存储。在本实施例中，PCIE信号直接跟与ZU5EV的PS端相连接，1路TX信号和RX信号都是以差分信号方式连接到相应管脚。PCIE的时钟由Si5332芯片提供，频率为100Mhz，电路连接示意图如图3所示。其中TX信号和RX信号分别为数据发送和接收信号，REFCLK为时钟差分信号。
为了进一步实施上述技术方案，PS模块还包括数据管理软件；
数据管理软件，用于选择存储路径，创建计数文本FlexRay_data_n.txt，其中n为文件数，通过轮询的方式不间断地检测接收FIFO单元中是否存在有效数据，若检测到接收FIFO单元中有相应数据即将数据存放到相应名称的文本中，当文本中的数据容量达到单个文本存储上限时，另存为新的文本中，并一直反复循环查询直至测试结束。
需要说明的是：
如图6所示，若检测到接收FIFO中有数据产生，说明接收到数据了，但是接收FIFO存储空间小，只能起到数据缓存的作用，需要将此数据存储到大容量固态硬盘SSD中。因此当检测到接收FIFO中有数据产生时，则将接收FIFO中的数据按照程序中预先设定的路径存储到SSD中，FlexRay_data_n.txt是存储于SSD中的。
针对数据下载需要，本实施例中通过千兆以太网口来获取SSD中全部数据，可以提供高速的数据读取速率，方便地面工作人员进行数据分析工作。
为了进一步实施上述技术方案，主控计算机还包括外围电路模块，用于配置主控计算机以及保障主控计算机实现基本功能。
在本实施例中，外围电路模块包括电源管理电路、时钟配置电路、QSPI Flash电路、DDR4 SDRAM电路、SSD电路、JTAG下载调试电路以及启动配置电路，共同作为主控运行、调试等的基础配置，电路框图如图5所示，其中，电源管理电路还为其它外设提供部分电源，DDR4 SDRAM电路用于系统大容量数据缓存，Flash是掉电非易失存储器件，在使用中作为系统的启动设备来存储系统的启动镜像；SSD电路用于存储系统大容量数据和系统文件等。
Flash型号选择MT25QU256ABA1EW9，256Mbit容量，接口选用Quad-SPI接口。根据板卡程序运行需要和大容量数据缓存需求，配置5片Micron(美光)的DDR4芯片，每片容量1GB，型号为MT40A512M16LY-062E。板上预留了一个JTAG接口，用于下载ZYNQUltraScale+程序或者固化程序到Flash。4位的拨码开关SW1用来配置ZYNQ系统的启动模式。这4种启动模式分别是JTAG调试模式，QSPIFLASH，EMMC和SD2.0卡启动模式。ZU5EV芯片上电后会检测(PS_MODE0～3)的电平来决定何种启动模式。
为了进一步实施上述技术方案，FlexRay接口模块还包括隔离芯片；
隔离芯片与收发器相连，用于实现电气隔离。
为了进一步实施上述技术方案，数据存储模块包括SSD固态硬盘，用于实现快速数据存储。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种无人机机载FlexRay数据记录系统，可实现与上位机之间的数据传输，其特征在于，包括：主控计算机、FlexRay接口模块、数据存储模块和以太网接口模块；所述主控计算机分别与所述FlexRay接口模块、所述数据存储模块和所述以太网接口模块电连接；
所述主控计算机包括PS模块、PL模块和AXI总线；
所述PS模块用于对所述FlexRay接口模块所采集到的数据进行管理，控制所述数据存储模块进行数据存储的过程，控制所述以太网接口模块实现存储数据的地面下载；
所述PL模块用于控制所述FlexRay接口模块实现数据的采集和传输；
所述AXI总线用于连接所述PS模块和所述PL模块，实现所述PS模块和所述PL模块之间数据的传输；所述PL模块包括分频器、译码器和接收FIFO单元；所述分频器，用于通过时钟分频给FlexRay控制逻辑提供所需频率的时钟；所述译码器，用于进行FlexRay控制逻辑中不同逻辑功能的选择；所述接收FIFO单元，用于连续获取独立式FlexRay控制器指定的存储空间内的数据，实现数据缓存；所述PS模块还包括数据管理软件；所述数据管理软件，用于选择存储路径，创建计数文本FlexRay_data_n.txt，其中n为文件数，通过轮询的方式不间断地检测所述接收FIFO单元中是否存在有效数据，若检测到所述接收FIFO单元中有相应数据即将数据存放到相应名称的文本中，当文本中的数据容量达到单个文本存储上限时，另存为新的文本中，并一直反复循环查询直至测试结束；
所述FlexRay接口模块包括收发器、逻辑控制单元和独立式FlexRay控制器；
所述收发器用于实现电平转换；
所述逻辑控制单元在PL模块中实现，用于对所述独立式FlexRay控制器进行复位、读和写控制；
所述独立式FlexRay控制器分别与所述收发器和所述逻辑控制单元相连，用于实现FlexRay的通讯协议，通过所述收发器完成数据的采集与发送，并通过所述FlexRay控制逻辑实现所述独立式FlexRay控制器与所述主控计算机之间数据的传输；
所述数据存储模块与所述PS模块相连，用于根据所述PS模块的控制实现数据的存储；
所述以太网接口模块包括网络物理芯片和网络接口；
所述网络物理芯片用于发送和接收以太网的数据帧，实现与所述上位机之间的数据传输；
所述网络接口在所述PS模块中实现，通过所述网络接口中的RGMII总线与所述网络物理芯片相连，使所述网络物理芯片与所述PS模块的MAC层进行数据通信。
2.根据权利要求1所述的一种无人机机载FlexRay数据记录系统，其特征在于，所述PS模块包括AXI总线控制单元、ARM核、网络接口和PCIE接口；
所述AXI总线控制单元，用于对AXI总线进行控制；
所述ARM核，用于运行嵌入式Linux操作系统，完成所述FlexRay接口模块的配置、数据接收、数据存储和管理的功能；
所述网络接口与所述ARM核相连，用于根据所述ARM核的控制实现存储数据的地面下载；
所述PCIE接口，用于连接所述数据存储模块，实现数据的存储。
3.根据权利要求1所述的一种无人机机载FlexRay数据记录系统，其特征在于，所述主控计算机还包括外围电路模块，用于配置所述主控计算机以及保障主控计算机实现基本功能。
4.根据权利要求1所述的一种无人机机载FlexRay数据记录系统，其特征在于，所述FlexRay接口模块还包括隔离芯片；
所述隔离芯片与所述收发器相连，用于实现电气隔离。
5.根据权利要求1所述的一种无人机机载FlexRay数据记录系统，其特征在于，所述数据存储模块包括SSD固态硬盘，用于实现快速数据存储。
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