]基于Flexray總線的車載指揮控制任務(wù)計算機(jī)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

0 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，無人機(jī)相對有人機(jī)而言具有低成本、零傷亡、高機(jī)動、可重復(fù)使用等諸多優(yōu)勢，其使用范圍已擴(kuò)展到軍事、民用等領(lǐng)域。在軍事上可用于偵察、監(jiān)視、通信中繼、電子對抗、戰(zhàn)果評估等；在民用上可用于大地測量、氣象觀測、城市環(huán)境監(jiān)測、地球資源勘探、森林防火、核污染生化污染區(qū)的取樣與監(jiān)控等。無人機(jī)系統(tǒng)通常由機(jī)載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈和地面站組成。

地面站是無人機(jī)系統(tǒng)的中樞，它的主要功能包括：任務(wù)計劃、飛行控制、信息處理顯示、目標(biāo)檢測和定位、數(shù)據(jù)記錄等。車載地面站由于其機(jī)動性好、便于快速部署、可迅速到達(dá)任務(wù)區(qū)域附近而受到用戶青睞。但車載地面站面臨高低溫、高濕、沖擊、振動、電磁輻射干擾等惡劣環(huán)境，以及對其性能、體積、重量、功耗等的苛刻要求，普通的商用計算機(jī)無法滿足車載環(huán)境要求及控制的實(shí)時性要求。 本文針對某車載無人機(jī)地面站的需求，提出了一種指揮控制計算機(jī)設(shè)計方案及實(shí)現(xiàn)方法。

1 系統(tǒng)功能分析

無人機(jī)地面站指揮控制計算機(jī)用于無人機(jī)的跟蹤和指令控制。它通過無線電接收機(jī)接收無人機(jī)遙感傳送的圖像信號，經(jīng)圖像處理后送給車載地面站的駕駛員，同時由指揮控制計算機(jī)進(jìn)行圖像貯存。 車載地面站的駕駛員可對無人機(jī)的飛行及其任務(wù)的執(zhí)行進(jìn)行監(jiān)視，通過地面站的指令發(fā)射機(jī)可向無人機(jī)發(fā)出控制指令，無人機(jī)接收后按照命令可不斷調(diào)整飛行路線，完成任務(wù)。圖1為車載無人機(jī)地面站指揮控制計算機(jī)的系統(tǒng)交聯(lián)圖。





車載指揮控制計算機(jī)是車載地面站的核心，是系統(tǒng)正常有序工作的重要控制部件。指揮控制計算機(jī)負(fù)責(zé)組織管理車載地面站內(nèi)部設(shè)備，使地面站內(nèi)各設(shè)備能夠有序協(xié)調(diào)工作，并通過FlexRay總線與車載電子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，保障地面站捕獲無人機(jī)發(fā)回的任務(wù)區(qū)域圖像信號，及時將地面站駕駛員的操控指令發(fā)射至無人機(jī)。其主要功能如下：

(1)進(jìn)行地面站與車載電子系統(tǒng)之間的信息交換；

(2)采集駕駛員發(fā)出的操控指令，并將指令傳送至指令發(fā)射機(jī)，由指令發(fā)射機(jī)調(diào)制后發(fā)射至無人機(jī)，同時將操控指令發(fā)送給記錄器進(jìn)行記錄；

(3)控制指令發(fā)射機(jī)、圖像接收機(jī)天線伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)動，使天線主波瓣對準(zhǔn)無人機(jī)以獲得最佳的信號強(qiáng)度；

(4)采集圖像接收機(jī)傳送來的圖像數(shù)據(jù)信號，并將圖像顯示在車載顯示器上，同時將圖像記錄在記錄器上；

(5)控制地面站內(nèi)各設(shè)備的自檢和周期性監(jiān)測。

2 車載指揮控制計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

隨著車載計算機(jī)的體積小型化、功能多元化和操作實(shí)時化，要求新一代無人機(jī)地面站指揮控制計算機(jī)必須是體積小、重量輕、功耗低的、可支持多任務(wù)實(shí)時操作系統(tǒng)的嵌入式計算機(jī)。根據(jù)指揮控制計算機(jī)的功能性能要求，可將指揮控制計算機(jī)劃分為處理器模塊、接口模塊、顯示模塊、通信模塊、電源模塊等5個功能模塊，各功能模塊通過CPCI總線進(jìn)行通訊。

2．1 處理器模塊

處理器模塊主要實(shí)現(xiàn)指揮控制計算機(jī)的內(nèi)部資源管理、接口控制、任務(wù)軟件執(zhí)行等功能。指揮控制計算機(jī)處理器模塊選用目前應(yīng)用廣泛的PowerPC系列處理器中的PowerPC8548，該處理器功耗低、集成度高，內(nèi)部集成有串口、計數(shù)器、中斷控制器、以太網(wǎng)接口、PCI橋等功能電路，單片性能達(dá)到了2310MIPS，縮小了系統(tǒng)體積，減輕了重量，降低了功耗。

為了保障系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，處理器模塊上設(shè)計了看門狗電路和訪問超時計時器電路。看門狗計時器的計時設(shè)置和計時過程由獨(dú)立于軟件操作的硬件實(shí)現(xiàn)，而清除計時操作由受軟件控制的硬件完成?？撮T狗計時器電路在維護(hù)使能信號無效時自動使能；在維護(hù)使能信號有效時自動禁止，但此時可用軟件操作來使能。當(dāng)看門狗計時器輸出觸發(fā)時將引起中斷或復(fù)位。訪問超時計時器電路用于報告并恢復(fù)處理器訪問計算機(jī)資源過程中的總線周期超時故障。當(dāng)處理器訪問周期超過預(yù)先設(shè)定的門限時，即發(fā)生總線周期超時故障，該電路可產(chǎn)生中斷請求，同時結(jié)束當(dāng)前訪問操作。

2．2 接口模塊

接口模塊完成和外圍設(shè)備進(jìn)行通訊并完成數(shù)據(jù)交換的功能。接口設(shè)備包括USB接口，用于控制鼠標(biāo)、鍵盤等外圍接口設(shè)備，RS422接口用于和指令發(fā)射機(jī)、圖像接收機(jī)等外部系統(tǒng)進(jìn)行交聯(lián)。

2．3 顯示模塊

顯示模塊主要完成復(fù)合視頻的解碼、切換、疊加、壓縮及傳輸?shù)墓δ?。根?jù)CPCI總線傳輸?shù)闹噶顚?路輸入視頻的其中之一疊加軌跡，并將疊加軌跡后的視頻與其它視頻壓縮后傳輸至FlexRay總線上；接收CPCI傳輸?shù)闹噶詈蛿?shù)據(jù)，生成儀表和參數(shù)等畫面，輸出LVDS顯示信號來驅(qū)動顯示屏。

2．4 通信模塊

通信模塊主要實(shí)現(xiàn)指揮控制計算機(jī)與車載電子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。以FlexRay總線作為互連和數(shù)據(jù)傳送的方式，這樣既有利于實(shí)現(xiàn)指揮控制計算機(jī)軟硬件的通用化、模塊化，同時有利于軟件升級和系統(tǒng)擴(kuò)展，顯著提高軟硬件的可擴(kuò)展性。