FlexRay总线在导弹测发控系统中的应用*

雷峰成，赵明，程鹏

(北京电子工程总体研究所，北京 100854)

0 引言

随着防空武器系统的多样化发展，承载导弹发射的平台出现了多样性和空间布局灵活性的特点，需要发展能在不同平台下完成导弹发射控制的测发控系统。

近些年，导弹测发控系统开始采用分布式控制方式，即测发控系统各组成部分均采用微系统设计，各部分间通过通讯总线进行指令和信息的传递。在测发控系统中探索应用CAN总线、1 553 B总线和FlexRay总线构成分布式控制系统。

在目前流行的各种总线中，FlexRay总线具有高速率、高可靠性和高实时性的性能优势。FlexRay总线自身的特点决定了其适合应用于实时控制和安全性要求高的实时同步控制领域[1-2]。

1 FlexRay总线

FlexRay总线最初由BMW公司和Daimlerchrysler公司基于BMW公司的ByteFlight总线共同开发，后来又由FlexRay联盟将其标准化，使之成为新一代的车载网络通信总线，并建立一种可检测的、可靠的、高速通讯体系[3-4]，适用于未来汽车上各种设备的控制。它的出现解决了现阶段汽车控制总线中总线协议容错性差和传输速率低的缺点。

FlexRay总线是一种适合应用于实时控制领域的通讯总线，其具有如下显著特点：

(1) 高数据率

FlexRay总线带宽不受协议机制的限制，可在单通道支持10 Mbit/s的速率。当采用双通道冗余系统时，最高可达20 Mbit/s的速率。

(2) 高可靠性

FlexRay总线采用2个通信通道来提高通信任务的任务可靠度。并且FlexRay总线通过确定性故障容错协议支持不同级别和不同方式的容错(包括单通道容错和双通道容错)，确保数据传输的可靠性。

(3) 高实时性

FlexRay总线采用建立在通信周期、循环基础上的时分多路数据传输方式，即提供了时间触发和事件触发2种传输方式，周期性数据在通信周期中拥有固定的位置，确保报文到达的时效性。

(4) 高精度总线同步时钟

FlexRay总线网络中存在一个总体时钟，同时每一个控制节点存在一个局部时钟。FlexRay协议制定了特定的时钟同步控制算法，保证总线网络中每一个控制节点的局部时钟与总体时钟同步。同步精确度为0.5～10 μs(通常为1～2 μs)。

(5) 灵活性

FlexRay总线支持总线型、星型、星型级联型和混合型等多种拓扑结构，具有灵活的总线拓扑组成方式；支持时间触发和事件触发通信方式；支持报文的冗余和非冗余传输方式；支持通过配置参数进行系统调整和扩展[5-8]。

2 FlexRay总线适用性分析

2.1 数据传输率

分布式的测发控系统由任务中心管理机、多个控制执行单元、多个程控电源单元、总线监控单元和符合总线协议挂在总线上的其他设备组成，总线传输的数据量大，且数据具有多样性。以某测发控系统总线传输的数据为例,主要包括任务中心管理机与16个单元的非周期性的控制命令和应答、周期性监测命令和应答。数据量达到6 Mbit/s。

FlexRay总线具有单通道10 Mbit/s的速率，不使用双冗余的情况下，双通道通讯速率达到20 Mbit/s，在导弹测发控系统中采用双冗余的模式，单通道的数据传输率即可满足导弹测发控系统的信息交互传输要求。

2.2 可靠性

测发控系统的数据通信要求具备高可靠性，要求既能够适应野战环境下的高低温变化、载车振动等比较苛刻的自然环境，又能在复杂电磁干扰环境下正常工作。

一方面，FlexRay总线在物理层设计了双冗余热备份通道来提高通信任务的可靠性。另一方面，每个FlexRay总线节点中的总线监控器实时监测当前总线的工作状态，当本节点发生故障而不能正常工作时，总线监控器会将通信控制器与总线断开，从而将故障节点与总线网络隔离，不影响总线上其他节点的工作，提高整个总线网络工作可靠度。

2.3 实时控制

测发控系统的控制时序需要严格的通信实时性，通讯精确度要求达到ms级，以确保导弹发射控制时序的精准。

FlexRay协议支持时间触发和事件触发总线访问方式。协议把一个通信分为静态段和动态段，静态段采用时分复用(TDMA)的时间触发访问方式，传输信息被分配在确定的静态时隙，在此期间静态段可以唯一访问总线，从而传输信息在总线上的时间是确定的。动态段则采用灵活时分多址(FTDMA)的事件触发总线访问。这样既保证了数据传输的实时性，又充分利用了总线的带宽[9-10]。

2.4 时间同步

测发控系统在数据通讯过程中既使用静态段又使用动态段进行数据通信。所有总线节点的时钟必须同步，并且最大偏差必须在限定范围内。

整个FlexRay总线网络有一个总体时钟，每一个控制节点有一个局部时钟，FlexRay协议同时实施相位对准和频率对准，使网络中每一节点的局部时钟与总体时钟同步。

FlexRay总线同步精确度为0.5～10 μs(通常为1～2 μs)。FlexRay总线时间同步机制使得导弹测发控系统的信息同步性要求得到满足[11-13]。

3 基于FlexRay总线的测发控系统方案设计

3.1 总线拓扑结构

FlexRay总线主要存在4种网络拓扑结构，分别为：星型、总线型、星型级联型和混合型，如图1～4所示。

在星型拓扑结构中，单个FlexRay节点可以支持2个通道，因而可以实现单通道和双通道2种拓扑结构。与总线型拓扑结构相比，星型拓扑结构的优势在于：

(1) 在接收端和发送端之间提供点到点连接，能有效提高传输速率和延长传输距离；

(2) 具有错误分离功能，只有出现故障的节点本身受到影响，其他总线节点正常工作。

而星型级联结构和混合型拓扑结构中存在信息返回时间和不同星之间存在不对称传播延迟时间的问题[14-15]。

在测发控系统设计中采用星型双冗余的网络拓扑结构。系统中使用了StarA和StarB 2个星型中继器，分别组成2个双冗余的通讯通道，每个总线节点同时接到2个星型中继器上。当其中任何一个控制执行单元或其他单元出现故障，不会影响整个系统其他弹位的导弹发射功能，极大地提高了导弹测发控系统的任务可靠度。

3.2 通讯机制

在测发控系统中任务中心管理机与总线中其他节点存在两类通讯命令的交互：非周期性命令和周期性命令。命令传输利用通信循环中的静态段和动态段传输，其中利用静态段传输周期性指令，利用动态段传输非周期性指令，如图5所示。

3.3 FlexRay总线实现

3.3.1 总线节点及接口设计

FlexRay总线节点是实现FlexRay通信网络的基本单元，是总线信息收发和管理的主要执行单元。一般由主机处理器、通讯控制器、总线驱动器和可选的总线监控器组成，如图6所示。主机处理器产生和接收数据，并通过通讯控制器进行数据传送和接收。总线驱动器连接着通讯控制器和总线，负责在总线上产生符合协议要求的电平信号。

在接口电路设计中总线驱动器采用NXP的TJA1080A，高速共模滤波器采用TDK的ACM3225。

(1) 连接器

FlexRay总线电缆由电缆和连接器组成，其中连接器由插头和插座构成，插头选用FLR2-10J4HN-01，插座选用FLR2-10J4HA-01，如图7所示。

具有如下特点：

1) 插头采用高可靠的抗震动冲击连接机构

由于测发控系统应用于战车平台，工作时会存在长期高强度振动及冲击，为保证插头插座对插后的可靠连接，设计了高可靠的抗震动冲击防松脱连接机构。当插头插座连接时，防松脱齿的角度小，易于连接；当插头插座分离时，反向角度大，分离力大，防止松脱。

2) 插头连接螺帽防摆动设计

由于连接器尺寸小，当连接导线较长时，插头中间花键壳体会随尾部线缆摆动，因此在连接螺帽和花键壳体间设计添加了尾部金属连接件进行填充，该结构可有效避免花键壳体随尾部线缆摆动，从而保护中心接触件的可靠接触。

3) 优良的抗电磁屏蔽性能

1）顾客满意度对医药B2C平台顾客忠诚度的影响值为0.77。本研究进一步证实了在医药B2C购物环境下，顾客满意度仍然是实现顾客忠诚的必要条件。

考虑到战场恶劣复杂的电磁环境，且所传输信号易受到干扰，因此在插头插座对插位置加装了屏蔽接地簧，以保证头座对插后的电磁连续性。除了插头插座对插位置外还在插头尾部附件内设计了电缆屏蔽层连接结构，加紧屏蔽的线夹及线缆夹均采用铜合金镀金，导电性能好。使用时电缆屏蔽层被夹在线夹和线缆夹之间，实现了360°可靠屏蔽。

4) 电缆防转及防拖拽设计

由于连接器较小，所接电缆又较长，为保证电缆在拖拽时不会出现缩针和绝缘体脱出等问题，设计有专用线缆夹。当拧紧附件时，内部线缆夹受到尾附件斜面挤压而向内变形，可压紧线缆的屏蔽层及外护皮，从而固定线缆；当尾部线缆受力时，会将力首先传导给线缆外护皮，保护内部接触件。

5) 防水密封功能

插座内部设计有界面封严体，可确保插头与插座对插到位后，插头花键壳体可将插座插合面的界面封严体压缩，从而实现界面密封。

(2) 总线抗干扰和信号完整性设计

测发控系统的FlexRay总线网络内所有节点均包含A，B 2个通信通道，测发控系统总线电缆网络存在A，B 2条总线。每条总线采用差分方式，包括总线+(BP)、总线-(BM)和总线地。在电缆设计中采用以下措施提高信号传输的完整性：

1) 差分信号线采用双绞屏蔽处理，且屏蔽层与连接器外壳连接，并且在10 MHz条件下的差模阻抗值为100 Ω；

2) 在星型中继器端和节点的差分信号线BP和BM之间分别接入终端匹配电阻，电阻阻值为100 Ω,减少传输过程信号反射和其他干扰现象；

3) 根据不同节点的布局位置，统一设计相同长度的电缆，减少节点间传输时间的不同，解决信号传输的不对称问题。

4 FlexRay总线在测发控系统的应用优势

FlexRay总线的应用，使得测发控系统的性能和任务可靠度获得较大的提升，具体如下：

(1) 通过FlexRay总线应用，减少了任务中心管理机与各个执行单元之间电气信号的数量，降低了系统的复杂度和耦合度；

(2) FlexRay协议在物理层实现了双冗余热备份功能，不需要测发控应用软件进行双冗余热备份操作逻辑的实现，简化了发控软件控制逻辑，减少了代码量，同时提高了测发控系统通讯的任务可靠度；

(3) FlexRay总线的高速数据传输率，有力的提高了测发控系统内部信息交换的实时性；

(4) FlexRay总线的同步时钟，确保测发控系统内部总线上各节点执行命令的时序协调性；

(5) FlexRay总线的应用使得测发控系统具有可扩展性和兼容性，根据武器系统的不同需求可以在测发控系统内部总线挂接各种符合内部总线协议的设备，如：发射架控制设备和定位定向设备等，有利于武器系统的扩展。

5 结束语

本文针对导弹测发控系统的特点，提出了一种基于FlexRay总线的导弹测发控系统设计方案，通过对总线特点及其适用性的分析，表明FlexRay总线适用于导弹测发控系统，能够提供高可靠性、高实时性的通讯网络。