基于FlexRay总线设计的弹上分布式点火控制系统

黄丰保，安德宇，张春晓

(中国空空导弹研究院，河南洛阳 471009)

0 引言

能源系统是空空导弹工作的动力源，而导弹工作方式的特殊性决定了所用能源大部分采用一次性使用的热电池，需在使用前点火进行激活。随着新一代远程空空导弹的研制，弹上点火控制系统还承担了发动机点火控制、供电控制等功能，时序越来越复杂，且能量单元随着用电部件位置不同而呈分布式布局，给当前使用集中式点火控制方式带来了新的挑战[1]。

FlexRay是一种基于时间触发和柔性时间触发机制的现场总线，通过通信周期循环的方式传输信息。该总线最初是由BMW联合其他公司开发的，随后被FlexRay联盟将其标准化,解决了汽车控制总线中总线协议容错型差和传输速率低的缺点[2]。

FlexRay总线作为针对车载线控领域高可靠性要求而设计的新一代总线通讯协议[3]，面向的是众多车内线控操作(如点火控制、刹车控制、安全气囊等)，这些领域对安全性和可靠性都有较严格的要求，因此，FlexRay总线协议从设计上对可靠性进行了较深入的考虑。较为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。不仅能大大简化通讯系统线路和架构，还可以提供较高数据传输速率和高稳定性、可靠性，代表了现代总线通讯的发展方向[4-5]。

FlexRay技术的优点满足了航空产品对可靠性和安全性要求极高的需求，因此，国内外学者对该技术在航空电子产品上的应用进行了广泛的研究。文献[6]开展了将FlexRay应用于航空安全传感系统的工作。文献[7]探讨了航空环境下，使用FlexRay传输协议代替RS485的方案，并给出了仿真结果。文献[8]将FlexRay技术应用于航电系统，提高系统的实时反应速度和系统可靠性。文献[9]研究了将FlexRay的实时网络技术应用与汽车和航空工业，并对两者的实施方法进行了对比研究。还有学者将FlexRay技术应用其他诸如汽车、机器人等领域，取得了丰硕的成果[10-13]。

为解决导弹分布式点火带来的安全性和可靠性问题，文中采用具有高可靠性的FlexRay总线技术结合导弹特殊点火方式，设计数字化的弹上点火控制系统，进一步提高点火系统的安全性和可靠性。

1 分布式点火系统方案

1.1 FlexRay总线拓扑结构

目前，国际主流远程空空导弹的气动布局基本相似，导弹跟随系统位于导弹尾部，导引探测系统位于导弹前端[14]，且这两个部件因承担了重要的功能，所需用电功率也较多，为兼顾其他部件的用电需求和导弹飞行控制系统用电的稳定性，能源系统往往设置在这两个系统的中间位置，因此，从结构上可以将能源系统视为星型分布。

FlexRay总线常用的网络拓扑结构有多种，如点对点连接、星型连接(包含无源和有源两种方式)、总线型、星型级联型、混合型和双通道拓扑等[15]。

综合考虑用电部件的气动布局位置和各总线拓扑结构的优缺点，采用星型拓扑结构。为减小控制电路负担，系统采用一个星型中继器ActiveStar，所有总线节点都与该中继器连接，每个节点都有发送器和接收器，从电气上保持彼此独立，保障任何节点出现故障时，不会影响整个系统其他节点的正常工作。星型拓扑结构示意图如图1所示。

图1 星型拓扑结构示意图

采用上述网络拓扑结构后，每个节点仅承担该节点所在位置供电单元的点火控制功能，并完成点火信息和供电信息的采集和发送，从而完成分布式点火控制功能。

1.2 电路工作原理

依据前述设计思想，该点火控制方案工作原理如下：采用微控制器MC9S12XF512MLM作为控制电路的核心处理器，实现FlexRay总线、构件内部总线以及弹载电源系统时序控制、点火逻辑控制的管理；与上位机(模拟飞控组件功能)之间的通信采用BDM接口，可实现在线调试及软件烧写；与其他独立点火部件之间的接口采用双路FlexRay总线收发器TJA1080A实现；外围电路实现AD信号调理采集、数据记录、处理器复位、时钟信号处理等功能。

考虑到载机与电源之间的数据传输存在信号电平高、干扰较强的问题，需要设计隔离滤波电路完成信号的接收；供电采用电路中统一的+5 V电源；通过单片机内部自带的模数转换器(ADC)采集所需电压，实现电压比较及电路自检功能；通过标准的JTAG接口进行PCB测试和片上调试。图2所示为处理器与FlexRay总线之间数据流通示意图。

图2 处理器与FlexRay总线之间数据流通示意图

1.3 核心控制芯片选择

MC9S12XF512MLM是飞思卡尔推出的内建单/双通道FlexRay V2.1的新系列16位车用微控制器，以16位CISC架构为基础，具有丰富的内核和基于XGATE架构的协处理器，可提供100 MIPS的额外处理能力，使用PLL锁相环实现EMC的优化；带错误检测的PWM模块，支持多种协议，如CAN、LIN和SPI协议；采用增强型周期中断定时器，具有8个独立的中断和触发输出[16]。

目前，导弹能源系统所承担的功能主要是对一次性火工品完成点火控制和供电控制功能，使用的信号量不多，对处理器的功能要求较少，但对可靠性要求极高，鉴于MC9S12XF512MLM在车载网络系统中的优异表现，该芯片能够满足弹上电源控制系统的需求。

1.4 微控制器处理电路

MC9S12XF512MLM具有的功耗小、驱动能力强的优点，使得该方案可采用统一的供电电源，减少了电源二次转换带来的损耗，同时提高了整个系统的抗干扰能力，微控制器外围电路具体设计如图3所示。

图3 处理器外围工作电路原理

1.5 数据通信传输设计

FlexRay总线将一个通信周期分为静态部分、动态部分、网络空闲时间3部分。静态部分使用TDMA方法，用于发送需要经常性发送的重要性高的数据，其时长也占据通信周期的大部分[17]；动态部分用于发送使用频率不确定、相对不重要的数据。FlexRay数据帧格式由帧头段、有效负载数据段和帧尾3个部分组成，帧头包括5个字节；有效负载数据段可以包括0～254个字节的数据，且为偶数个数据字节；帧尾只有一个数据字段，即24位的帧CRC[18-19]。

根据FlexRay总线通信特点，总线驱动器采用NXP的TJA1080A总线收发器实现数据的收发。该收发器主要用于1～10 Mbit/s的通信系统，能在FlexRay网络的物理总线和协议控制器间提供先进的接口，适用于有源星型收发器或节点收发器。TJA1080A将作为有源星型网络的一个分支的操作模式，既满足系统设计可靠性和安全性的指标，也为后期提高产品性能留有足够的设计裕量。双路总线收发器外围电路如图4所示。

图4 总线收发器TJA1080A及外围电路

1.6 终端控制

由于点火部件均为火工品，且点火瞬间需要的电流远远高于工作电流，因此，总线通信指令到达终端后，需要对信号进行处理放大，以便能够驱动控制开关，从而完成终端点火控制功能的实现。

终端控制电路采用经典的功率放大电路驱动点火控制开关完成，控制开关可采用三极管或大功率MOSFET实现；为提高点火可靠性，采用控制时序、点火指令、时序条件等条件形成互锁模式，确保开关可靠关断/闭合[20]。

1.7 软件设计

为提高点火控制系统的可靠性，对硬件电路和软件做了相应的简化。软件开发环境为飞思卡尔推出的Freescale CodeWarrior 5.0(CW 5.0)，可验证多个软件项目，从而提高软件可靠性。在设计过程中，通过以下措施来提高软件系统运行的稳定性：

1)结合点火控制系统需求和FlexRay数据帧格式，设计满足多种通信模式和大数据量传输的数据格式，兼顾后期的开发需求。

2)系统上电后，对寄存器、堆栈、常用指令等进行检查，确保软件工作正常，然后对FlexRay模块进行初始化，再对协议初始化。

3)对于关键变量采用冗余设计，如点火指令，从持续时间、脉冲个数等多个角度进行身份认证，合法后再进行处理。

4)对关键的输出信号，采用多条指令控制，逻辑上形成互锁，使硬件电路能自主区别指令与干扰信号。

5)对关键的点火指令，用程序绝对定位语句将该段指令分配到Flash的一个指定区域，区域前面填充为NOP或者设计捕获程序，使程序跑飞时不会跳到关键语句上。

通过以上软件设计，结合有冗余设计的硬件电路，在开发环境中对系统进行程序走查，逐步分析验证，以保证软件可靠性。

2 仿真及验证

点火控制系统要求对5 ms以内的干扰噪声具有良好的抗干扰性，为验证点火控制系统设计的有效性，模拟发送3种干扰指令，以验证系统的抗干扰性能:

1)第一种噪声，持续时间15 ms，幅值≤3 V；

2)第二种噪声，持续时间4 ms，幅值4.5 V；

3)第三种噪声，持续时间3 ms，幅值5 V;

4)正常指令后，再各增加一个干扰噪声。

根据以上参数，仿真测试结果如图5所示。

图5 点火系统受干扰情况下的输出响应

分析以上4种干扰情况下的仿真结果，系统具有良好的抗干扰性能，且系统响应时间不变，满足了整体的性能要求。

3 结论

针对导弹点火部件的分散化控制需求，设计了弹上分布式点火控制系统，经过分析和仿真实验测试，设计电路是有效可行的，能够满足弹上分布式点火控制可靠性和实时性的要求，同时简化了弹上电气系统，拓展了导弹能源系统任务接口。