基于FlexRay的飞行仿真计算机1553B单元设计

吴文志，陈 欣，吕迅竑

（南京航空航天大学 自动化学院，江苏 南京 210016）

MIL-STD-1553B（以下简称1553B）总线标准是美国于20世纪70年代提出的飞机内部电子系统联网标准，由于具有可靠性高、实时性好、使用灵活等优点，广泛应用在军用有人和无人机中。我国于1987年建立了与1553B相应的国家军用标准 《数字式时分制指令／响应型多路传输数据总线》（GJB 289-1987），并于1997年对原标准进行扩充和修订（GJB 289A-1997），一直沿用至今[1]。

FlexRay总线是一款新型时间总线，具有高速率，时间确定性，信道容错冗余功能，完全满足新型分布式结构飞行仿真计算机内部总线数据通信需求[2]。根据分布式结构飞行仿真计算机对1553B通信接口的需求，本文设计了基于FlexRay总线的飞行仿真计算机1553B接口单元。

1 分布式飞行仿真计算机简介

典型的基于FlexRay总线的分布式飞行仿真计算机由中央处理单元、串口量单元、模拟量单元、开关量单元及1553B接口单元组成[3]。其中CPU单元是分布式飞行仿真计算机的核心主控单元，其功能主要通过CAN总线接收其余四个功能模块的上行数据，经控制律解算及逻辑管理后，将数据下行传输给各功能板。其结构图如图1所示，本文设计研究一种基于FlexRay新型总线的1553B接口单元。

图1 基于FlexRay总线的飞行仿真计算机结构图Fig.1 Structure diagram offlight simulation computer based on FlexRay bus

2 1553B节点硬件电路设计

基于FlexRay总线的飞行仿真计算机1553B接口单元以FPGA作为主控制芯片，FPGA采用Altera公司Cyclone III系列的EP3C25Q240芯片。选择该芯片的原因是由于FPGA硬件连接灵活，编写程序简单，且该芯片IO口资源丰富。

图2为基于FlexRay的飞行仿真机1553B节点硬件总体设计。如图2所示，本设计采用BU－61580S3作为1553B主控芯片。BU-61580集成了双通道1553B信号的收/发器，内部有4K字的RAM用于1553B消息存储，简化了用户程序设计。采用B3226作为1553B总线变压器，B3226主要功能是将1553B总线电平标准转换为TTL电平。而由于BU-61580的IO接口为5 V电平接口，而EP3CQ240的IO电平为3.3 V，故在FPGA与BU-61580之间需要通过一个电平转换模块进行电平匹配。

图2 基于FlexRay的飞行仿真机1553B节点硬件总体设计Fig.2 The overall hardware design of the flight simulation computer 1553B Node base on FlexRay bus

FlexRay节点有3种架构方式，分别为微处理器（MCU）+通讯控制器（CC）+总线驱动器（BD），微处理器+总线驱动器，微处理器3种。其中前两种架构已经实现，本设计采用微处理器+通信控制器+总线收发器的架构模式，其中通信控制器采用MFR4310，它是飞思卡尔半导体公司推出的一款面向汽车的FlexRay设备，它的物理层通道有两个独立的发送/接收通道，每个通道的传输速率可达10Mbit/s。通信控制器两路通道的总线控制器采用TJA1080，TJA1080是恩智浦半导体公司推出的FlexRay收发器，它提供了1Mbit/s到10Mbit/s的传输率，可以配置成主动星型或者节点收发器[2]。

为了保证系统正确无误运行及调试方便考虑，本设计还增加了供电系统、时钟系统、调试及测试接口、外部存储器系统、复位及复位配置系统、RS232总线电路6个模块作为辅助功能。

2.1 1553B接口设计

2.1.1 BU-61580与FPGA接口设计

BU-61580芯片为DDC公司使用最为广泛的控制芯片，拥有多种操作模式，如透明模式、缓冲模式，本设计采用缓冲模式。如图3所示，通过将BU-61580的16/8引脚连接至VCC，TRANSPARENT/BUFFERED、ZEROWAIT 引 脚 连 接 至GND，将BU-61580的工作模式设置为16位零等待缓冲模式，具体管脚配置见表1。

由于BU-61580的输入高电平阈值为2 V，输出高电平为5 V，而FPGA的工作电平为3.3 V，故FPGA的输出电平可用于驱动BU-61580，但BU-61580输出信号至FPGA过程中需要外加电平转换芯片。本设计采用的是SN74ALVC164245作为电平转换芯片，该芯片拥有十六位电平转换长度。

BU-61580的时钟采用外部有源晶振，CLOCK引脚接16M有源晶振，根据GJB 289A-97要求，晶振的长期稳定性为0.1%，短期稳定性为0.01%[4]。

2.1.2 BU-61580与收发器接口设计

图3 BU-61580与FPGA硬件连接图Fig.3 Hardware connection diagram between BU-61580 and FPGA

表1 1553B引脚配置Tab.1 Pin connection of 1553B

本设计采用的隔离变压器芯片为B-3226，该芯片每个通道通信可以达到1 Mbit/s，可以提供很好的通信带宽，具有强大的容错传输功能[7]。耦合变压器与BU-61580硬件连接如图4所示，BU-61580内部拥有两路1553B收发器分别与隔离变压器B-3226相连，B-3226将1553B电平逻辑转换为TTL逻辑电平，进而将处理后的信号送入BU-61580内部的收发器中，实现一次1553B接收通信。

图4 B-3226与BU-61580连接图Fig.4 Connection diagram between BU-61580 and B-3226

2.2 FlexRay接口设计

本设计中，选择MFR4310作为FlexRay总线主控芯片，该芯片具有两条通信通道，每条通道速率可配置为：2.5，5，8，10Mbit/s；TJA1080 作为独立的 FlexRay 收发器，具有低电磁辐射特性。外界传感器数据通过1553B总线传输至本板卡后，经FPGA预处理后通过FlexRay总线发送至CPU单元中，从而实现一次CPU读取外部传感器信息。

2.2.1 通信控制器与处理器接口设计

MFR4310与处理器拥有3种连接模式，分别为：异步存储器接口（AMI）、MPC接口、HCS12接口。硬件设计通过配置IF_SEL0和IF_SEL1两个引脚来选择哪种接口模式。按照飞思卡尔官方推荐连接电路，MPC接口主要为MFR4310与PowerPC处理所设计的接口，而HCS12接口主要为MFR4310与HCS12系列处理器所设计的接口[5]，由于本设计采用的处理器为FPGA，故采用异步存储器接口。具体硬件连接图如图5所示，AMI接口将通信控制器配置为异步存储器从设备，进而能够与多种处理器进行数据交互，在AMI接口模式下，处理器通过控制CE#、OE#、WE#等信号实现与MFR4310数据交换。

图5为通信控制器引脚配置连接图，如图5所示，由于本设计采用 AMI模式，需要设置 IF_SEL[0:1]为{2’b10}，该值可通过将IF_SEL0引脚下拉、IF_SEL1引脚上拉来实现。

图5 通信控制器引脚配置连接图Fig.5 Pin connection diagram of communication controller

2.2.2 通信控制器与收发器接口设计

通信控制器与收发器硬件连接图如图6所示，FlexRay模块内部主要由由控制主机接口（CHI）与协议引擎（PE）等部分组成，主机可通过CHI模块访问FlexRay功能模块的配置、控制和状态信息机消息缓冲区的配置、控制和状态信息。这些消息缓冲区位于FlexRay模块内存（FRM）中，用于存储发送和接收的帧头、有效负载数据、时序消息等。而PE模块有TxA和TxB两个发送单元及RxA、RxB两个接收单元，分别用于两个FlexRay通道发送和接收帧信息[6]。

图6 通信控制器与收发器硬件连接图Fig.6 Connection diagram between communication controller and transceiver

通信控制器通过信号引脚TXD、RXD、TXEN与总线收发器进行连接，正常高速通信模式下，当MFR4310通讯控制器的TXEN[1：2]#引脚为高电平时，TJA1080的发送使能引脚TXEN有效，这时TJA1080的TXD输入引脚把从通讯控制器TXD_BG[1:2]引脚输入的数字位流，转换成相应的模拟总线信号再输出到FlexRay总线上；同时，TJA1080将FlexRay总线上的模拟总线信号转换成相应的数字位流，从TJA1080的RXD引脚输送到通讯控制器MFR310的RXD_BG2引脚上，完成总线与MFR4310通信控制器的数据通信[8]。

3 软件驱动程序设计

3.1 1553B总线软件驱动设计

本设备1553B协议芯片工作于BC模式下，而其他传感器模块工作于RT模式，即：本设备工作于主模式，传感器设备工作于从模式。当本设备需要传感器信息时，发送数据请求帧，传感器模式将相应数据发送至本设备。本设备要求接受的传感器信息频率如表2所示。

表2 1553B设备传感器信息Tab.2 Information of 1553B sensor equipment

从上表可看出，各个传感器的频率并非完全一致。而BU-61580可以通过使用大小周期来支持多种频率的数据传输，在自动发送模式下，可以通过设置小周期为100 Hz、大周期为50 Hz，进而实现数据帧按要求的速率进行传输。

BU-61580的程序初始化流程如下所示：

1）将该模块设置为增强型BC模式，设置中断屏蔽寄存器，初始化配置寄存器、时间标签寄存器；

2）初始化内存空间，为3个传感器分配内存初始地址及内存空间；

3）配置复位寄存器，启动BC。

3.2 FlexRay总线软件驱动设计

本设备接收外部传感器信息，通过内部总线FlexRay发送至CPU板卡中，进而实现一次总线收发。FlexRay总线收发主要由总线控制器实现的，FlexRay总线控制器具体的通信流程如下。

总线控制器MFR4310的信息缓冲器（Message Buffer，简称MB）是用来存储帧数据、配置、控制、状态数据的结构[9]。当总线通信时，MB是暂时存储数据的物理介质，当数据发送时，应用程序将数据存储于MB中，当周期轮转至发送时槽时，硬件节点将数据从MB中取出发送至另一接收节点的相应MB中，实现一次数据通信。

MB在使用前，必须经过初始化。FlexRay网络节点的初始化包括初始化节点自身和初始化网络。初始化自身由3步组成：

1）初始化 FlexRay模块。完成 FlexRay模块基地址存储映射，重启FlexRay通信控制器，进入配置状态（POC:config），由函数 Fr_module_init（）完成；

2）FlexRay协议初始化。该步定义相关数据结构，实现网络配置和节点通信任务分配，由函数Fr_poc_configuration（）完成；

3）消息缓冲器初始化。初始化FlexRay通信控制器消息缓冲器与通信数据报文的对应关系，由函数Fr_buffers_init（）完成。节点初始化自身完成后就进入通信就绪状态（POC：ready）。之后，进入初始化网络阶段，这阶段通过发送启动帧完成网络启动。根据表2的配置，节点ECU1和ECU2分别在时槽1和时槽4发送启动信息帧，同时侦听网络中的启动帧个数，直到网络中有足够的启动帧启动网络，数据在正常主动状态下 （POC：nomal active）完成节点问通信。详细流程图如图 7所示[10]。

图7 FlexRay节点初始化流程图Fig.7 Initialization flow diagram of FlexRay node

4 总线网络通信测试与结果分析

最后对所设计的基于FlexRay总线的1553B节点进行测试，其测试平台如图8所示。通过NI测试设备对传感器数据进行模拟，进而产生一组传感器数据，实现1553B总线通信。

图8 实验设备示意图Fig.8 Diagram of the laboratory equipment

系统上电后，CPU板卡及1553B板卡进行寄存器配置，实现自身初始化，然后CPU板卡作为冷启动节点发送10个冷启动帧至FlexRay总线上，进行总线组网，1553B板卡接收到冷启动帧后，立即加入FlexRay总线集群中，至此，总线准备完成。待总线准备完成，节点间开始通信，图9为CPU节点与1553B节点间通信波形。

图9 CPU节点与1553B节点间通信波形Fig.9 Communication waveforms between CPU Node and 1553B Node

如图9所示，FlexRay通信周期为16 ms，静态时隙长度为50 μs，将CPU板卡与1553B板卡进行通信实验6小时，实验结果如表3所示。

表3 实验结果Tab.3 The experimental results

通过实验结果可以得出，节点设计合理，本设备可准确接收外界1553B传感器信息，并进行数据处理功能，可为新型分布式无人机飞行仿真计算机提供1553B通信接口。

5 结束语

1553B作为航空内部电子系统联网标准，可设计为飞行仿真计算机的外部总线，而FlexRay为新型总线，具有速率快，多冗余等特点，可设计为飞行仿真计算机外部总线。这两种总线各展所长，为飞行仿真计算机提供了快速、稳定的数据传输链路。本文设计了基于FPGA的1553B总线节点，通过与NI设备进行数据通信，结果正确，能够满足飞行仿真计算机数据链路要求，为以后先进飞行仿真计算机新型总线FlexRay与1553B总线的应用打下了基础。

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