FlexRay總線在導彈測發控系統中的應用*

雷峰成，趙明，程鵬

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

0 引言

隨著防空武器系統的多樣化發展，承載導彈發射的平臺出現了多樣性和空間布局靈活性的特點，需要發展能在不同平臺下完成導彈發射控制的測發控系統。

近些年，導彈測發控系統開始采用分布式控制方式，即測發控系統各組成部分均采用微系統設計，各部分間通過通訊總線進行指令和信息的傳遞。在測發控系統中探索應用CAN總線、1 553 B總線和FlexRay總線構成分布式控制系統。

在目前流行的各種總線中，FlexRay總線具有高速率、高可靠性和高實時性的性能優勢。FlexRay總線自身的特點決定了其適合應用于實時控制和安全性要求高的實時同步控制領域[1-2]。

1 FlexRay總線

FlexRay總線最初由BMW公司和Daimlerchrysler公司基于BMW公司的ByteFlight總線共同開發，后來又由FlexRay聯盟將其標準化，使之成為新一代的車載網絡通信總線，并建立一種可檢測的、可靠的、高速通訊體系[3-4]，適用于未來汽車上各種設備的控制。它的出現解決了現階段汽車控制總線中總線協議容錯性差和傳輸速率低的缺點。

FlexRay總線是一種適合應用于實時控制領域的通訊總線，其具有如下顯著特點：

(1) 高數據率

FlexRay總線帶寬不受協議機制的限制，可在單通道支持10 Mbit/s的速率。當采用雙通道冗余系統時，最高可達20 Mbit/s的速率。

(2) 高可靠性

FlexRay總線采用2個通信通道來提高通信任務的任務可靠度。并且FlexRay總線通過確定性故障容錯協議支持不同級別和不同方式的容錯(包括單通道容錯和雙通道容錯)，確保數據傳輸的可靠性。

(3) 高實時性

FlexRay總線采用建立在通信周期、循環基礎上的時分多路數據傳輸方式，即提供了時間觸發和事件觸發2種傳輸方式，周期性數據在通信周期中擁有固定的位置，確保報文到達的時效性。

(4) 高精度總線同步時鐘

FlexRay總線網絡中存在一個總體時鐘，同時每一個控制節點存在一個局部時鐘。FlexRay協議制定了特定的時鐘同步控制算法，保證總線網絡中每一個控制節點的局部時鐘與總體時鐘同步。同步精確度為0.5～10 μs(通常為1～2 μs)。

(5) 靈活性

FlexRay總線支持總線型、星型、星型級聯型和混合型等多種拓撲結構，具有靈活的總線拓撲組成方式；支持時間觸發和事件觸發通信方式；支持報文的冗余和非冗余傳輸方式；支持通過配置參數進行系統調整和擴展[5-8]。

2 FlexRay總線適用性分析

2.1 數據傳輸率

分布式的測發控系統由任務中心管理機、多個控制執行單元、多個程控電源單元、總線監控單元和符合總線協議掛在總線上的其他設備組成，總線傳輸的數據量大，且數據具有多樣性。以某測發控系統總線傳輸的數據為例,主要包括任務中心管理機與16個單元的非周期性的控制命令和應答、周期性監測命令和應答。數據量達到6 Mbit/s。

FlexRay總線具有單通道10 Mbit/s的速率，不使用雙冗余的情況下，雙通道通訊速率達到20 Mbit/s，在導彈測發控系統中采用雙冗余的模式，單通道的數據傳輸率即可滿足導彈測發控系統的信息交互傳輸要求。

2.2 可靠性

測發控系統的數據通信要求具備高可靠性，要求既能夠適應野戰環境下的高低溫變化、載車振動等比較苛刻的自然環境，又能在復雜電磁干擾環境下正常工作。

一方面，FlexRay總線在物理層設計了雙冗余熱備份通道來提高通信任務的可靠性。另一方面，每個FlexRay總線節點中的總線監控器實時監測當前總線的工作狀態，當本節點發生故障而不能正常工作時，總線監控器會將通信控制器與總線斷開，從而將故障節點與總線網絡隔離，不影響總線上其他節點的工作，提高整個總線網絡工作可靠度。

2.3 實時控制

測發控系統的控制時序需要嚴格的通信實時性，通訊精確度要求達到ms級，以確保導彈發射控制時序的精準。

FlexRay協議支持時間觸發和事件觸發總線訪問方式。協議把一個通信分為靜態段和動態段，靜態段采用時分復用(TDMA)的時間觸發訪問方式，傳輸信息被分配在確定的靜態時隙，在此期間靜態段可以唯一訪問總線，從而傳輸信息在總線上的時間是確定的。動態段則采用靈活時分多址(FTDMA)的事件觸發總線訪問。這樣既保證了數據傳輸的實時性，又充分利用了總線的帶寬[9-10]。

2.4 時間同步

測發控系統在數據通訊過程中既使用靜態段又使用動態段進行數據通信。所有總線節點的時鐘必須同步，并且最大偏差必須在限定范圍內。

整個FlexRay總線網絡有一個總體時鐘，每一個控制節點有一個局部時鐘，FlexRay協議同時實施相位對準和頻率對準，使網絡中每一節點的局部時鐘與總體時鐘同步。

FlexRay總線同步精確度為0.5～10 μs(通常為1～2 μs)。FlexRay總線時間同步機制使得導彈測發控系統的信息同步性要求得到滿足[11-13]。

3 基于FlexRay總線的測發控系統方案設計

3.1 總線拓撲結構

FlexRay總線主要存在4種網絡拓撲結構，分別為：星型、總線型、星型級聯型和混合型，如圖1～4所示。

在星型拓撲結構中，單個FlexRay節點可以支持2個通道，因而可以實現單通道和雙通道2種拓撲結構。與總線型拓撲結構相比，星型拓撲結構的優勢在于：

(1) 在接收端和發送端之間提供點到點連接，能有效提高傳輸速率和延長傳輸距離；

(2) 具有錯誤分離功能，只有出現故障的節點本身受到影響，其他總線節點正常工作。

而星型級聯結構和混合型拓撲結構中存在信息返回時間和不同星之間存在不對稱傳播延遲時間的問題[14-15]。

在測發控系統設計中采用星型雙冗余的網絡拓撲結構。系統中使用了StarA和StarB 2個星型中繼器，分別組成2個雙冗余的通訊通道，每個總線節點同時接到2個星型中繼器上。當其中任何一個控制執行單元或其他單元出現故障，不會影響整個系統其他彈位的導彈發射功能，極大地提高了導彈測發控系統的任務可靠度。

3.2 通訊機制

在測發控系統中任務中心管理機與總線中其他節點存在兩類通訊命令的交互：非周期性命令和周期性命令。命令傳輸利用通信循環中的靜態段和動態段傳輸，其中利用靜態段傳輸周期性指令，利用動態段傳輸非周期性指令，如圖5所示。

3.3 FlexRay總線實現

3.3.1 總線節點及接口設計

FlexRay總線節點是實現FlexRay通信網絡的基本單元，是總線信息收發和管理的主要執行單元。一般由主機處理器、通訊控制器、總線驅動器和可選的總線監控器組成，如圖6所示。主機處理器產生和接收數據，并通過通訊控制器進行數據傳送和接收。總線驅動器連接著通訊控制器和總線，負責在總線上產生符合協議要求的電平信號。

在接口電路設計中總線驅動器采用NXP的TJA1080A，高速共模濾波器采用TDK的ACM3225。

(1) 連接器

FlexRay總線電纜由電纜和連接器組成，其中連接器由插頭和插座構成，插頭選用FLR2-10J4HN-01，插座選用FLR2-10J4HA-01，如圖7所示。

具有如下特點：

1) 插頭采用高可靠的抗震動沖擊連接機構

由于測發控系統應用于戰車平臺，工作時會存在長期高強度振動及沖擊，為保證插頭插座對插后的可靠連接，設計了高可靠的抗震動沖擊防松脫連接機構。當插頭插座連接時，防松脫齒的角度小，易于連接；當插頭插座分離時，反向角度大，分離力大，防止松脫。

2) 插頭連接螺帽防擺動設計

由于連接器尺寸小，當連接導線較長時，插頭中間花鍵殼體會隨尾部線纜擺動，因此在連接螺帽和花鍵殼體間設計添加了尾部金屬連接件進行填充，該結構可有效避免花鍵殼體隨尾部線纜擺動，從而保護中心接觸件的可靠接觸。

3) 優良的抗電磁屏蔽性能

1）顧客滿意度對醫藥B2C平臺顧客忠誠度的影響值為0.77。本研究進一步證實了在醫藥B2C購物環境下，顧客滿意度仍然是實現顧客忠誠的必要條件。

考慮到戰場惡劣復雜的電磁環境，且所傳輸信號易受到干擾，因此在插頭插座對插位置加裝了屏蔽接地簧，以保證頭座對插后的電磁連續性。除了插頭插座對插位置外還在插頭尾部附件內設計了電纜屏蔽層連接結構，加緊屏蔽的線夾及線纜夾均采用銅合金鍍金，導電性能好。使用時電纜屏蔽層被夾在線夾和線纜夾之間，實現了360°可靠屏蔽。

4) 電纜防轉及防拖拽設計

由于連接器較小，所接電纜又較長，為保證電纜在拖拽時不會出現縮針和絕緣體脫出等問題，設計有專用線纜夾。當擰緊附件時，內部線纜夾受到尾附件斜面擠壓而向內變形，可壓緊線纜的屏蔽層及外護皮，從而固定線纜；當尾部線纜受力時，會將力首先傳導給線纜外護皮，保護內部接觸件。

5) 防水密封功能

插座內部設計有界面封嚴體，可確保插頭與插座對插到位后，插頭花鍵殼體可將插座插合面的界面封嚴體壓縮，從而實現界面密封。

(2) 總線抗干擾和信號完整性設計

測發控系統的FlexRay總線網絡內所有節點均包含A，B 2個通信通道，測發控系統總線電纜網絡存在A，B 2條總線。每條總線采用差分方式，包括總線+(BP)、總線-(BM)和總線地。在電纜設計中采用以下措施提高信號傳輸的完整性：

1) 差分信號線采用雙絞屏蔽處理，且屏蔽層與連接器外殼連接，并且在10 MHz條件下的差模阻抗值為100 Ω；

2) 在星型中繼器端和節點的差分信號線BP和BM之間分別接入終端匹配電阻，電阻阻值為100 Ω,減少傳輸過程信號反射和其他干擾現象；

3) 根據不同節點的布局位置，統一設計相同長度的電纜，減少節點間傳輸時間的不同，解決信號傳輸的不對稱問題。

4 FlexRay總線在測發控系統的應用優勢

FlexRay總線的應用，使得測發控系統的性能和任務可靠度獲得較大的提升，具體如下：

(1) 通過FlexRay總線應用，減少了任務中心管理機與各個執行單元之間電氣信號的數量，降低了系統的復雜度和耦合度；

(2) FlexRay協議在物理層實現了雙冗余熱備份功能，不需要測發控應用軟件進行雙冗余熱備份操作邏輯的實現，簡化了發控軟件控制邏輯，減少了代碼量，同時提高了測發控系統通訊的任務可靠度；

(3) FlexRay總線的高速數據傳輸率，有力的提高了測發控系統內部信息交換的實時性；

(4) FlexRay總線的同步時鐘，確保測發控系統內部總線上各節點執行命令的時序協調性；

(5) FlexRay總線的應用使得測發控系統具有可擴展性和兼容性，根據武器系統的不同需求可以在測發控系統內部總線掛接各種符合內部總線協議的設備，如：發射架控制設備和定位定向設備等，有利于武器系統的擴展。

5 結束語

本文針對導彈測發控系統的特點，提出了一種基于FlexRay總線的導彈測發控系統設計方案，通過對總線特點及其適用性的分析，表明FlexRay總線適用于導彈測發控系統，能夠提供高可靠性、高實時性的通訊網絡。