]基于Flexray總線的車(chē)載指揮控制任務(wù)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

FlexRay是一種新型的高速串行總線標(biāo)準(zhǔn)，與傳統(tǒng)的CAN總線相比，F(xiàn)lexRay在通信速率、確定性、可靠性等多方面都有著更為優(yōu)越的性能，具有靈活的使用方式，支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，負(fù)載率高，提供冗余機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)。FlexRay總線與CAN總線相比具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)傳輸速率高。單通道可達(dá)10Mbps，雙通道高達(dá)20Mbps；CAN總線傳輸速率最高僅1 Mbps。

(2)支持雙通道。雙通道可單獨(dú)運(yùn)行、并行運(yùn)行或冗余運(yùn)行；CAN只有一個(gè)通道，無(wú)冗余。

(3)支持最大數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)254字節(jié)；CAN總線支持最長(zhǎng)數(shù)據(jù)幀僅8字節(jié)。

(4)MAC(Media Access Control)層采用TDMA(時(shí)分多路)方式，數(shù)據(jù)通信具有確定性；而CAN總線采用帶優(yōu)先級(jí)的CSMA／CA(沖突避免多路訪問(wèn)方式)，無(wú)法保證通信確定性。

(5)支持星型、總線型、混合型等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

FlexRay網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議主要體現(xiàn)在4個(gè)核心機(jī)制上：編碼與解碼、數(shù)據(jù)幀與特征符處理、媒體接入控制和時(shí)鐘同步，另外控制器主機(jī)接口為實(shí)現(xiàn)這些機(jī)制提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。FlexRay數(shù)據(jù)幀由幀頭部分、有效數(shù)據(jù)部分、幀尾部分組成。幀頭部分由5個(gè)字節(jié)組成，包括保留位、數(shù)據(jù)指示位、空幀指示位、同步幀指示位、幀ID、有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、頭部循環(huán)校驗(yàn)CRC位和循環(huán)計(jì)數(shù)位；幀尾部分只含有單個(gè)的數(shù)據(jù)域，即一個(gè)24位的CRC(循環(huán)冗余)校驗(yàn)碼。

主處理器把要發(fā)送到總線上的數(shù)據(jù)存入發(fā)送FlexRay消息緩沖器中，通過(guò)媒體接入控制，CRC校驗(yàn)碼封裝成符合FlexRay協(xié)議的數(shù)據(jù)幀，再經(jīng)過(guò)總線驅(qū)動(dòng)器編碼送到總線上；同樣，總線上的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)總線驅(qū)動(dòng)器解碼，數(shù)據(jù)幀被送到控制器中，通過(guò)幀ID過(guò)濾校驗(yàn)和循環(huán)計(jì)算校驗(yàn)，存入相應(yīng)的消息緩沖器中。

2．5 電源模塊

電源模塊將供電系統(tǒng)提供的直流28V供電變換成計(jì)算機(jī)所需的各類電源；具有過(guò)流、短路保護(hù)功能，故障排除后輸出自動(dòng)恢復(fù)等功能；具有過(guò)壓保護(hù)功能；具有過(guò)熱保護(hù)功能。電源電壓監(jiān)控：此外電源模塊還具有在線監(jiān)控功能。28V輸入電壓和+15V、-15V、+5V輸出電壓監(jiān)控。

3 指揮控制計(jì)算機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

指揮控制計(jì)算機(jī)的軟件主要駐留在處理器模塊上，分為系統(tǒng)軟件、實(shí)時(shí)任務(wù)軟件、地面支持軟件三部分。軟件功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。



指揮控制計(jì)算機(jī)工作模式分為4種：實(shí)時(shí)模式、 監(jiān)控模式、在線編程模式、調(diào)試模式。實(shí)時(shí)模式下指揮控制計(jì)算機(jī)在操作系統(tǒng)調(diào)度下運(yùn)行實(shí)時(shí)任務(wù)軟件；監(jiān)控模式下指揮控制計(jì)算機(jī)運(yùn)行監(jiān)控軟件，可啟動(dòng)測(cè)試軟件對(duì)硬件資源逐一進(jìn)行測(cè)試；在線編程模式下指揮控制計(jì)算機(jī)可對(duì)其FLASH存儲(chǔ)器中固化的程序進(jìn)行更新；調(diào)試模式下指揮控制計(jì)算機(jī)可與宿主機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)機(jī)，在調(diào)試代理的支持下進(jìn)行應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)調(diào)試。指揮控制計(jì)算機(jī)工作模式選擇流程及啟動(dòng)過(guò)程見(jiàn)圖3所示。





實(shí)時(shí)任務(wù)執(zhí)行軟件包括通訊管理軟件、數(shù)據(jù)通訊管理軟件、天線伺服系統(tǒng)模擬輸入／輸出管理、圖像數(shù)據(jù)處理軟件和FLASH電子盤(pán)記錄管理軟件等功能。軟件的調(diào)度流程見(jiàn)圖4所示。


4 結(jié)束語(yǔ)

FlexRay是新型的高速總線通信標(biāo)準(zhǔn)，在車(chē)載系統(tǒng)中采用FlexRay作為通訊總線的解決方案，既提升了通訊帶寬和傳輸效率，又有易于系統(tǒng)擴(kuò)展和功能升級(jí)，滿足車(chē)載應(yīng)用環(huán)境下實(shí)時(shí)性和可靠性的要求。研究表明，基于FlexRay總線能很好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和交換，實(shí)現(xiàn)在高速的情況下進(jìn)行實(shí)時(shí)通信的功能，通訊效果良好。

本文詳細(xì)地介紹了基于FlexRay總線的車(chē)載指揮控制任務(wù)計(jì)算機(jī)的總體設(shè)計(jì)思想，闡述了系統(tǒng)硬件平臺(tái)中的功能單元的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹了FlexRay總線的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。同時(shí)詳細(xì)介紹了基于VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)，從而解決了車(chē)載應(yīng)用環(huán)境對(duì)多任務(wù)和高實(shí)時(shí)性的需求問(wèn)題。