随着火炮武器系统信息化、网络化、智能化程度的不断提高，信息化、智能化弹药技术也得到了长足的发展。自20世纪90年代以来，欧美一些国家针对防空高炮武器系统作战需求，研制出了一种应用于中小口径速射高炮的信息化、低成本AHEAD弹药，用以拦截末端来袭无人机、巡航导弹、武装直升机、“蜂群”等目标，使高炮武器系统对空作战效能得到了进一步提升。21世纪初，该技术已在国内得到突破，且实现了型号产品应用。
AHEAD弹作为一种基于火炮武器系统实时控制的信息化弹药，其实时性要求极高。传统的CAN总线是一种基于事件触发型的网络协议，其最高传输速率为1Mbit/s，且一般使用过程中，为了达到一定的节点数量、传输距离及传输可靠性，多数采取降低传输速率使用，严重限制了AHEAD弹对其控制实时性的要求[1]。而FlexRay总线作为一种分布式高速总线网络，可大幅度降低火炮探测、跟踪、解算及炮控装置之间的数据传输延时，提高AHEAD弹的弹飞时间控制能力与控制精度，提升武器系统的整体作战性能[2-5]。
FlexRay总线协议是继CAN总线之后，由国际整车厂以及半导体公司联合开发的一种新型总线协议。该协议利用2条独立的物理线路进行通讯，每条物理线路的最大数据速率为10 Mbit/s。2条通讯线路既可以用来实现冗余，也可以用2条线路实现不同的消息传输。同时，FlexRay总线协议支持两种数据传输方式，即为同步数据传输方式和异步数据传输方式。同步数据传输实现时间触发通信，满足系统对可靠性要求；异步数据传输采用事件驱动方式通信，允许每个节点利用全部带宽[6 -11]。另外，FlexRay总线协议具有总线型、星型和混合型等多种网络拓扑结构。可满足武器系统应用的灵活性与可靠性。
1 AHEAD弹药炮控系统原理介绍
高效命中与毁伤(advanced hit efficiency and destruction，AHEAD)表示AHEAD弹在目标前方引爆、抛撒子弹药(预制破片)，即“超前撒网拦截”的概念。AHEAD弹药是一种火炮控制的高精度信息化弹药，利用火炮自身的探测系统、火控计算机等设备精确解算AHEAD弹的飞行时间，控制弹药在目标前方引爆母弹，利用母弹开仓抛撒的大量子弹丸实现对目标的精确拦截。
AHEAD弹药炮控系统用以实现火炮对信息化弹药的实时精确控制，主要包括目标探测与跟踪系统(搜索与跟踪雷达系统或光电系统)、火炮诸元解算装置(火控计算机求取弹丸飞行时间)、炮口测速与装定装置(实现初速测量与引信装定功能)等3部分。AHEAD弹药的火炮控制原理如图1所示。
图1 AHEAD弹药控制原理示意图
在AHEAD弹药应用中，目标探测与跟踪系统主要负责对来袭低空目标进行实时搜索、截获与跟踪，并向火炮诸元解算装置不间断、稳定可靠地提供高精度的目标距离、角度、速度等信息。
火炮诸元解算装置通过总线网络实时接收目标搜索与跟踪系统对于目标的距离、角度、速度等信息，结合当前气象参数与火炮状态数据，以AHEAD弹药射表为基准，解算平均初速下的当发弹丸飞行时间，并按时序传输给炮口测速与装定装置。
炮口测速与装定装置接收火炮诸元解算装置解算的平均初速下的弹飞时间，并结合其实时测量的当发初速，求解修正后的当发弹丸飞行时间，当弹丸飞离炮口前实施可编程电子时间引信装定，控制AHEAD弹药精确开仓并毁伤目标。
2 基于FlexRay总线协议的AHEAD弹药炮控系统通信架构
AHEAD弹药炮控系统作为防空高炮武器系统的重要组成部分，具有目标探测与跟踪、弹丸飞行时间解算、炮口初速测量与引信感应装定等功能，其间的数据传输与数据交换均以总线形式来完成。AHEAD弹药炮控系统数据结构如图2所示。
图2 AHEAD弹药炮控系统数据结构框图
FlexRay总线通信网络在防空高炮上组网，通常情况下数据传输采用总线型网络结构，并按设定好的时序进行数据传输，AHEAD弹药炮控系统中的目标探测与跟踪系统、火炮诸元解算装置及炮口测速与装定装置分别作为FlexRay总线通信网络中的一个节点存在，每个节点都包含有FlexRay通信控制器和FlexRay总线控制器，用于实现各节点之间的信息收发功能。高炮上的所有信息单元节点均挂接在FlexRay总线型网络上，通过FlexRay总线协议实现AHEAD弹药炮控系统之间的数据交互。高炮武器系统的FlexRay总线网络结构如图3所示。
基于某高炮武器系统的FlexRay总线拟采用时间触发型同步传输网络结构，FlexRay同步传输网络在协议中的静态数据段传输。在静态数据段中每个节点的数据分配有固定的时隙，各分系统或单体只能在总线预先配置的固定时隙中访问总线，实现相关数据的接收或发送。
图3 FlexRay总线网络结构框图
以AHEAD弹药炮控系统组网为例进行同步传输网络设计，配置“目标探测与跟踪系统”在时隙1发送数据，时隙4、时隙7接收数据，“火炮诸元解算装置”在时隙2发送数据，时隙5、时隙8接收数据，“炮口测速与装定装置”在时隙3发送数据，时隙6、时隙9接收数据，结合火炮其他分系统及单体，进行周期性的FlexRay总线协议数据通信。
3 FlexRay总线节点硬软件设计
在FlexRay总线节点设计中，以炮口测速与装定装置的FlexRay总线协议节点为例进行硬软件设计，其他单元类同。
3.1 FlexRay硬件接口电路设计
为了满足AHEAD弹药对于弹飞时间解算精度与实时性的要求，在炮口测速与装定装置中选用高性能的DSP信号处理芯片作为硬件平台，用于实现弹飞时间修正解算。FlexRay总线采用DSP(处理器)+MFR4310(通信控制器)+TJA1080(总线控制器)结构来实现FlexRay控制总线接口的硬件设计，其通信结构框图如图4。DSP选用高性能16位点定处理器TMS320C6416作为炮口测速与装定装置电气系统的信息处理核心，与FlexRay通信控制器MFR4310之间采用并行总线方式进行硬件连接，实现对FlexRay控制器的初始化及数据的输入输出，采用FlexRay总线控制器TJA1080作为接口协议芯片，实现对总线数据的实时操作。基于DSP的FlexRay总线接口电路如图5所示。
图4 FlexRay通信结构框图
图5 FlexRay接口电路设计原理框图
电路设计中，采用TMS320C6416数字处理器中的EMIFB接口实现与MFR4310的并行数据交互，通过DSP的外部中断来响应FlexRay总线数据接收指令，并在中断服务程序中进行数据读取；利用EMIFB中的CE2作为通信控制器MFR4310的片选信号，OE、WE分别作为总线数据的读写控制信号，实现对FlexRay总线数据的读写时序控制。TJA1080芯片中的TXD、TXEN、RXD分别与MFR4310的TXD_BG1/2、TXEN1/2、RXD_BG1/2进行连接， BGE、EN和STBN引脚需置高，使TJA1080工作在正常工作模式，实现两者之间的通信。
3.2 基于DSP的 FlexRay总线协议软件设计
基于DSP的FlexRay协议软件设计，首先对DSP进行初始化，完成DSP时钟、倍频配置并启动锁相环，DSP外围设备配置、中断及定时器等内部外设配置等；其次，通过DSP对FlexRay通信控制器MFR4310进行初始化设置，配置MCR寄存器，使能FlexRay通信，配置FlexRay引擎，以及FlexRay消息缓冲器大小设置等。最后，静态数据段在指定的时隙内进行数据的发送和接收，数据的发送与接收均会产生相应的中断指令，触发DSP执行相应的发送或接收数据帧中断操作，实现FlexRay网络数据传输。基于DSP的FlexRay软件流程如图6所示。
图6 基于DSP的FlexRay软件流程框图
4 仿真分析
基于以上原理，现通过仿真模型对FlexRay总线与CAN总线的传输稳定性与可靠性进行分析、比较，证明FlexRay总线在AHEAD弹药炮控系统中应用的可行性。
4.1 FlexRay总线仿真分析
在AHEAD弹药炮控系统中，采用FlexRay总线静态段的时间触发同步传输模式，以此为基础建立消息结构网络传输仿真模型。
FlexRay总线协议中，静态段的每个时槽由ActionPointOffset(APO)、数据帧本体部分和通信空闲CID三部分组成。FlexRay数据帧本体部分包括帧头(Header Segment)，5个字节；有效数据段(payload segment)，0～254字节；帧尾(trailer segment)，3个字节。静态段消息包括：传输起始序列TSS，一般为3～15位；帧起始序列FSS，1位；有效数据DATA，n*8位；每个有效数据DATA开头需添加字节开始序列BSS，2位；帧结束序列FES，2位。FlexRay静态帧消息结构如图7所示。
假设FlexRay的传输速率下的位时间为τ，传输数据长度为N个字节，每个静态段时槽消息的传输时间为T，根据FlexRay通信协议计算静态段传输时间计算过程为：
T=[2APO+TSS+FSS+(5+N+3)·
(8+BSS)+FES+CID]·τ
取TSS为15位，通信空闲时间段界定符CID为11位，APO位于时槽的开始与结尾处，代入以上帧序列位数，有：
T=[2APO+15+1+(5+N+3)·
(8+2)+2+11]·τ
T=(109+10N+2APO)·τ
由以上计算结果可知，采用FlexRay的静态段通信模式，静态段中的每一个时槽规定了相应节点的收发时序，传输时间基本恒定，可有效保证通信的稳定性和数据传输的可靠性。
图7 FlexRay静态帧消息结构
4.2 CAN总线网络仿真分析
CAN总线网络采用事件触发方式，在总线型网络拓扑结构下，各节点之间根据其所配置的优先级进行数据传输，同等优先级将因争夺发送权而导致总线冲突，低优先级的消息将会由于高优先级的冲突一直处于阻塞状态，致使网络传输时间不能按预期完成，影响系统数据传输的实时性与稳定性。
假设在实时性系统的CAN网络应用中，对于系统的某一信息帧数据m，其在最坏传输条件下的延时时间，即最坏传输时间为TRM，主要包括以下过程：① 信息帧m在总线上的最长占用时间TCM；② 信息m从申请发送到获取总线使用权的等待时间TWM；③ 被正在传输中优先级低于m的信息阻碍时间TBM；④ 等待优先级高于信息m的信息传输时间；⑤ 总线上错误帧的延迟时间TEM；等。根据递推算法计算最坏传输时间TRM为：
(1)
式(1)中： h(m)表示优先级比m高的信息集; l(m)表示优先级比m低的信息集; τbit表示位传输时间; Ti表示信息帧m的发送周期; TJM表示软件抖动时间; TDM表示被允许的最大传输延时。
对于实时性要求较高的系统来说，信息m必须满足TRM≤TDM-TJM，若TRM>TDM-TJM，表示系统响应时间已经超过最大等待时间上限，消息m无法调动成功，存在通信异常风险。
5 结论
本文针对火炮对AHEAD弹药的控制精度及实时性要求，提出了FlexRay总线的应用方案，并对FlexRay总线在炮口测速与装定装置上应用的硬件接口电路及驱动软件进行了原理设计，并对FlexRay总线与CAN总线在传输时间的可靠性与稳定性进行了仿真分析。结果表明，FlexRay总线技术对于提升AHEAD弹药炮控系统的可靠性、实时性等方面具有较高的应用价值。
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