FlexRay總線在AHEAD彈藥炮控系統中的應用

姚新濤，譚爭光，丁 毅，王 鵬

(西北機電工程研究所， 陜西 咸陽 712099)

隨著火炮武器系統信息化、網絡化、智能化程度的不斷提高，信息化、智能化彈藥技術也得到了長足的發展。自20世紀90年代以來，歐美一些國家針對防空高炮武器系統作戰需求，研制出了一種應用于中小口徑速射高炮的信息化、低成本AHEAD彈藥，用以攔截末端來襲無人機、巡航導彈、武裝直升機、“蜂群”等目標，使高炮武器系統對空作戰效能得到了進一步提升。21世紀初，該技術已在國內得到突破，且實現了型號產品應用。

AHEAD彈作為一種基于火炮武器系統實時控制的信息化彈藥，其實時性要求極高。傳統的CAN總線是一種基于事件觸發型的網絡協議，其最高傳輸速率為1Mbit/s，且一般使用過程中，為了達到一定的節點數量、傳輸距離及傳輸可靠性，多數采取降低傳輸速率使用，嚴重限制了AHEAD彈對其控制實時性的要求[1]。而FlexRay總線作為一種分布式高速總線網絡，可大幅度降低火炮探測、跟蹤、解算及炮控裝置之間的數據傳輸延時，提高AHEAD彈的彈飛時間控制能力與控制精度，提升武器系統的整體作戰性能[2-5]。

FlexRay總線協議是繼CAN總線之后，由國際整車廠以及半導體公司聯合開發的一種新型總線協議。該協議利用2條獨立的物理線路進行通訊，每條物理線路的最大數據速率為10 Mbit/s。2條通訊線路既可以用來實現冗余，也可以用2條線路實現不同的消息傳輸。同時，FlexRay總線協議支持兩種數據傳輸方式，即為同步數據傳輸方式和異步數據傳輸方式。同步數據傳輸實現時間觸發通信，滿足系統對可靠性要求；異步數據傳輸采用事件驅動方式通信，允許每個節點利用全部帶寬[6 -11]。另外，FlexRay總線協議具有總線型、星型和混合型等多種網絡拓撲結構。可滿足武器系統應用的靈活性與可靠性。

1 AHEAD彈藥炮控系統原理介紹

高效命中與毀傷(advanced hit efficiency and destruction，AHEAD)表示AHEAD彈在目標前方引爆、拋撒子彈藥(預制破片)，即“超前撒網攔截”的概念。AHEAD彈藥是一種火炮控制的高精度信息化彈藥，利用火炮自身的探測系統、火控計算機等設備精確解算AHEAD彈的飛行時間，控制彈藥在目標前方引爆母彈，利用母彈開倉拋撒的大量子彈丸實現對目標的精確攔截。

AHEAD彈藥炮控系統用以實現火炮對信息化彈藥的實時精確控制，主要包括目標探測與跟蹤系統(搜索與跟蹤雷達系統或光電系統)、火炮諸元解算裝置(火控計算機求取彈丸飛行時間)、炮口測速與裝定裝置(實現初速測量與引信裝定功能)等3部分。AHEAD彈藥的火炮控制原理如圖1所示。

圖1 AHEAD彈藥控制原理示意圖

在AHEAD彈藥應用中，目標探測與跟蹤系統主要負責對來襲低空目標進行實時搜索、截獲與跟蹤，并向火炮諸元解算裝置不間斷、穩定可靠地提供高精度的目標距離、角度、速度等信息。

火炮諸元解算裝置通過總線網絡實時接收目標搜索與跟蹤系統對于目標的距離、角度、速度等信息，結合當前氣象參數與火炮狀態數據，以AHEAD彈藥射表為基準，解算平均初速下的當發彈丸飛行時間，并按時序傳輸給炮口測速與裝定裝置。

炮口測速與裝定裝置接收火炮諸元解算裝置解算的平均初速下的彈飛時間，并結合其實時測量的當發初速，求解修正后的當發彈丸飛行時間，當彈丸飛離炮口前實施可編程電子時間引信裝定，控制AHEAD彈藥精確開倉并毀傷目標。

2 基于FlexRay總線協議的AHEAD彈藥炮控系統通信架構

AHEAD彈藥炮控系統作為防空高炮武器系統的重要組成部分，具有目標探測與跟蹤、彈丸飛行時間解算、炮口初速測量與引信感應裝定等功能，其間的數據傳輸與數據交換均以總線形式來完成。AHEAD彈藥炮控系統數據結構如圖2所示。

圖2 AHEAD彈藥炮控系統數據結構框圖

FlexRay總線通信網絡在防空高炮上組網，通常情況下數據傳輸采用總線型網絡結構，并按設定好的時序進行數據傳輸，AHEAD彈藥炮控系統中的目標探測與跟蹤系統、火炮諸元解算裝置及炮口測速與裝定裝置分別作為FlexRay總線通信網絡中的一個節點存在，每個節點都包含有FlexRay通信控制器和FlexRay總線控制器，用于實現各節點之間的信息收發功能。高炮上的所有信息單元節點均掛接在FlexRay總線型網絡上，通過FlexRay總線協議實現AHEAD彈藥炮控系統之間的數據交互。高炮武器系統的FlexRay總線網絡結構如圖3所示。

基于某高炮武器系統的FlexRay總線擬采用時間觸發型同步傳輸網絡結構，FlexRay同步傳輸網絡在協議中的靜態數據段傳輸。在靜態數據段中每個節點的數據分配有固定的時隙，各分系統或單體只能在總線預先配置的固定時隙中訪問總線，實現相關數據的接收或發送。

圖3 FlexRay總線網絡結構框圖

以AHEAD彈藥炮控系統組網為例進行同步傳輸網絡設計，配置“目標探測與跟蹤系統”在時隙1發送數據，時隙4、時隙7接收數據，“火炮諸元解算裝置”在時隙2發送數據，時隙5、時隙8接收數據，“炮口測速與裝定裝置”在時隙3發送數據，時隙6、時隙9接收數據，結合火炮其他分系統及單體，進行周期性的FlexRay總線協議數據通信。

3 FlexRay總線節點硬軟件設計

在FlexRay總線節點設計中，以炮口測速與裝定裝置的FlexRay總線協議節點為例進行硬軟件設計，其他單元類同。

3.1 FlexRay硬件接口電路設計

為了滿足AHEAD彈藥對于彈飛時間解算精度與實時性的要求，在炮口測速與裝定裝置中選用高性能的DSP信號處理芯片作為硬件平臺，用于實現彈飛時間修正解算。FlexRay總線采用DSP(處理器)+MFR4310(通信控制器)+TJA1080(總線控制器)結構來實現FlexRay控制總線接口的硬件設計，其通信結構框圖如圖4。DSP選用高性能16位點定處理器TMS320C6416作為炮口測速與裝定裝置電氣系統的信息處理核心，與FlexRay通信控制器MFR4310之間采用并行總線方式進行硬件連接，實現對FlexRay控制器的初始化及數據的輸入輸出，采用FlexRay總線控制器TJA1080作為接口協議芯片，實現對總線數據的實時操作。基于DSP的FlexRay總線接口電路如圖5所示。

圖4 FlexRay通信結構框圖

圖5 FlexRay接口電路設計原理框圖

電路設計中，采用TMS320C6416數字處理器中的EMIFB接口實現與MFR4310的并行數據交互，通過DSP的外部中斷來響應FlexRay總線數據接收指令，并在中斷服務程序中進行數據讀取；利用EMIFB中的CE2作為通信控制器MFR4310的片選信號，OE、WE分別作為總線數據的讀寫控制信號，實現對FlexRay總線數據的讀寫時序控制。TJA1080芯片中的TXD、TXEN、RXD分別與MFR4310的TXD_BG1/2、TXEN1/2、RXD_BG1/2進行連接， BGE、EN和STBN引腳需置高，使TJA1080工作在正常工作模式，實現兩者之間的通信。

3.2 基于DSP的 FlexRay總線協議軟件設計

基于DSP的FlexRay協議軟件設計，首先對DSP進行初始化，完成DSP時鐘、倍頻配置并啟動鎖相環，DSP外圍設備配置、中斷及定時器等內部外設配置等；其次，通過DSP對FlexRay通信控制器MFR4310進行初始化設置，配置MCR寄存器，使能FlexRay通信，配置FlexRay引擎，以及FlexRay消息緩沖器大小設置等。最后，靜態數據段在指定的時隙內進行數據的發送和接收，數據的發送與接收均會產生相應的中斷指令，觸發DSP執行相應的發送或接收數據幀中斷操作，實現FlexRay網絡數據傳輸。基于DSP的FlexRay軟件流程如圖6所示。

圖6 基于DSP的FlexRay軟件流程框圖

4 仿真分析

基于以上原理，現通過仿真模型對FlexRay總線與CAN總線的傳輸穩定性與可靠性進行分析、比較，證明FlexRay總線在AHEAD彈藥炮控系統中應用的可行性。

4.1 FlexRay總線仿真分析

在AHEAD彈藥炮控系統中，采用FlexRay總線靜態段的時間觸發同步傳輸模式，以此為基礎建立消息結構網絡傳輸仿真模型。

FlexRay總線協議中，靜態段的每個時槽由ActionPointOffset(APO)、數據幀本體部分和通信空閑CID三部分組成。FlexRay數據幀本體部分包括幀頭(Header Segment)，5個字節；有效數據段(payload segment)，0～254字節；幀尾(trailer segment)，3個字節。靜態段消息包括：傳輸起始序列TSS，一般為3～15位；幀起始序列FSS，1位；有效數據DATA，n*8位；每個有效數據DATA開頭需添加字節開始序列BSS，2位；幀結束序列FES，2位。FlexRay靜態幀消息結構如圖7所示。

假設FlexRay的傳輸速率下的位時間為τ，傳輸數據長度為N個字節，每個靜態段時槽消息的傳輸時間為T，根據FlexRay通信協議計算靜態段傳輸時間計算過程為：

T=[2APO+TSS+FSS+(5+N+3)·

(8+BSS)+FES+CID]·τ

取TSS為15位，通信空閑時間段界定符CID為11位，APO位于時槽的開始與結尾處，代入以上幀序列位數，有：

T=[2APO+15+1+(5+N+3)·

(8+2)+2+11]·τ

T=(109+10N+2APO)·τ

由以上計算結果可知，采用FlexRay的靜態段通信模式，靜態段中的每一個時槽規定了相應節點的收發時序，傳輸時間基本恒定，可有效保證通信的穩定性和數據傳輸的可靠性。

圖7 FlexRay靜態幀消息結構

4.2 CAN總線網絡仿真分析

CAN總線網絡采用事件觸發方式，在總線型網絡拓撲結構下，各節點之間根據其所配置的優先級進行數據傳輸，同等優先級將因爭奪發送權而導致總線沖突，低優先級的消息將會由于高優先級的沖突一直處于阻塞狀態，致使網絡傳輸時間不能按預期完成，影響系統數據傳輸的實時性與穩定性。

假設在實時性系統的CAN網絡應用中，對于系統的某一信息幀數據m，其在最壞傳輸條件下的延時時間，即最壞傳輸時間為TRM，主要包括以下過程：① 信息幀m在總線上的最長占用時間TCM；② 信息m從申請發送到獲取總線使用權的等待時間TWM；③ 被正在傳輸中優先級低于m的信息阻礙時間TBM；④ 等待優先級高于信息m的信息傳輸時間；⑤ 總線上錯誤幀的延遲時間TEM；等。根據遞推算法計算最壞傳輸時間TRM為：

(1)

式(1)中：h(m)表示優先級比m高的信息集;l(m)表示優先級比m低的信息集;τbit表示位傳輸時間;Ti表示信息幀m的發送周期;TJM表示軟件抖動時間;TDM表示被允許的最大傳輸延時。

對于實時性要求較高的系統來說，信息m必須滿足TRM≤TDM-TJM，若TRM>TDM-TJM，表示系統響應時間已經超過最大等待時間上限，消息m無法調動成功，存在通信異常風險。

5 結論

本文針對火炮對AHEAD彈藥的控制精度及實時性要求，提出了FlexRay總線的應用方案，并對FlexRay總線在炮口測速與裝定裝置上應用的硬件接口電路及驅動軟件進行了原理設計，并對FlexRay總線與CAN總線在傳輸時間的可靠性與穩定性進行了仿真分析。結果表明，FlexRay總線技術對于提升AHEAD彈藥炮控系統的可靠性、實時性等方面具有較高的應用價值。