基于FlexRay总线的无人机通信网络设计_郭俊幸.pdf

26 电子技术 第 52 卷 第 6 期（总第 559 期）2023 年 6 月Electronics 电子学1 无人机通信网络设计小型固定翼无人机主要由左翼、右翼、尾翼以及其他设备组成，总体翼长不超过30m，如图1所示。左、右两翼各有四个舵机，两个水平尾翼上各0 引言FlexRay总线相比较于CAN等传统总线，传输速度更快、安全性能更好1，并且无人机通信网络需要准确发送大量数据，所以在设计无人机通信网络时采用FlexRay总线。当前对于FlexRay研究较多，如结合CAN总线的组网通信2,3或者结合神经网络的总线控制方法4,5等控制领域6，其中FlexRay总线在无人机的应用主要集中在无人机航电系统7,8。这些研究较少涉及通信网络或者没有突出通信控制器的多功能性，为了解决这样的问题，模拟在无人机通信系统中的通信网络组成，设计一种基于FlexRay总线的小型固定翼无人机通信网络，实现无人机网络的多功能数据传输。使用MFR4310作为FlexRay通信控制器，TJA1080A作为FlexRay总线收发器，作为每个设备节点与CPU板卡通信。在模拟无人机网络通信的情况中，根据无人机的电子控制单元的位置等信息，模拟无人机通信系统的数据收发，实现无人机各模块间的通信控制。作者简介：郭俊幸，中国兵器工业第214研究所，硕士；研究方向：工业总线、仪器仪表。收稿日期：2023-02-02；修回日期：2023-06-12。摘要：阐述FlexRay总线具有传输性能好、速度快等优点，它被广泛应用于无人机通信领域，为了研究小型固定翼无人机的通信，模拟基于Flexray总线的无人机通信系统。将每一个无人机设备搭载传输节点，设计完整的无人机通信网络，对设计的网络进行数据传输验证。实验结果表明，设计的基于FlexRay总线的无人机通信网络可以准确通信，实现多功能数据收发，满足无人机分布式控制系统的可靠性和精准性要求。关键词：通信网络，FlexRay总线，传输节点，无人机。中图分类号：TN929.5 文章编号：1000-0755(2023)06-0026-05文献引用格式：郭俊幸，吴杰，张栩豪，徐叔喜，汪健.基于FlexRay总线的无人机通信网络设计J.电子技术,2023,52(06):26-30.基于FlexRay总线的无人机通信网络设计郭俊幸，吴杰，张栩豪，徐叔喜，汪健（中国兵器工业第214研究所，江苏 215163）Abstract This paper describes that FlexRay bus has the advantages of good transmission performance and fast speed,which is widely used in the field of UAV communication.In order to realize the research of small fixed wing UAV communication,the UAV communication system based on Flexray bus is simulated.The working equipment of each UAV is equipped with a transmission node to design a complete UAV communication network and verify the data transmission of the designed network.The experimental results show that the designed UAV communication network based on FlexRay bus can accurately communicate and realize multifunctional data sending and receiving,which meets the reliability and accuracy requirements of the distributed control system of UAV.Index Terms communication network,FlexRay bus,transmission node,UAV.Design of Unmanned Aerial Vehicle Communication Network Based on FlexRay BusGUO Junxing,WU Jie,ZHANG Xuhao,XU Shuxi，WANG Jian(The 214 Research Institute of Chinas Weapons Industry,Jiangsu 215163,China.)图1 小型固定翼无人机设备分布电子技术 第 52 卷 第 6 期（总第 559 期）2023 年 6 月 27Electronics 电子学有两个舵机，两个垂直尾翼各有上下两个舵机，设备室包括风速仪、大气仪、惯导等设备，控制板卡主要由多个CPU板卡组成。根据无人机设备的位置以及器件类型，设计无人机网络通信结构，采用混合拓扑结构。其中AS8224是集成化的有源星电路，主要起到信号路由的作用。每一个星级分支上由于都是同型器件，所以采用线型拓扑结构。每一个设备作为一个节点，每个节点由通信控制器MFR4310和两个总线收发器TJA1080 组成，每个节点挂在总线上进行通信。图2无人机网络通信结构。在模拟无人机通信控制网络中，每一个节点在不同时隙传输，每个通信节点主要由通信控制器（CC）和总线驱动器（BD）组成。其中每一个分支可以共用一个微控制器，采用STM32F427处理设备传输的信号，并且驱动通信控制器工作。通信控制器采用MFR43109，并且有2个独立的通道，所以每个节点需要2个TJA1080A总线收发器，作为协议控制器和网络物理层之间的接口，连接通信控制器和FleaRay网络。通信控制器和总线收发器的接口电路在上电复位后，当通信控制器MFR4310的发送确认后，总线收发器TJA1080的发送使能有效，TJA1080将接收的数字信号转化成差分信号传输到总线10。根据不同设备的位置和传输数据特点，进行不同的传输设置，具体的配置如表1所示。其中通道、速率和动静段为基础性设置，不同的功能特性根据不同设备特点进行模拟，左翼采用双缓冲发送的模式，右翼采用接FIFO接收数据，尾翼发送的数据较多，采用MFR4310通信控制器最大值127 words进行设置，设备室设备类型较多，传输数据量大，因此采用滤波和数据长度最大值进行设置，并且对于每一个设备进行时隙分配。微处理器采用的是ST32F427，所以使用Keil5完成软件流程设计，具体的通信流程如图3所示，对系统的时钟、端口初始化后，对通信控制器图2 无人机网络通信结构表1 无人机网络功能配置表28 电子技术 第 52 卷 第 6 期（总第 559 期）2023 年 6 月Electronics 电子学MFR4310复位和初始化。根据每个无人机设备所需要的功能，配置不同的参数，主要包括FlexRay的硬件参数、协议参数和发送接收的缓冲参数。接收判断POC状态，当通信控制器自动进入POC：wakeup状态后，判断是否进去冷启动状态，如果是会自动进入到POC：Normalactive状态，否则一直等待进入。当进入POC：Normalactive状态后就能正常通信，进行数据传输11。2 网络仿真结果模拟设计的无人机通信网络，每一个分支传输的信息与CPU板卡通信，主要使用UL-XM7670接收信号，使用UBusStudio上位机软件进行数据接收。因为设计的网络传输功能较多，在上位机上设置某一功能后，使得节点与板卡之间能够正常通信，即认为功能实现，并且认为设计的网络结构是合理的。针对速率的测量，使用逻辑分析仪Acute_TL4000进行帧解析，并且测量速率，如图4所示。这是采集通信速率为2.5M的帧信号，由图中可以看出每比特的时间为400ns,所以测量的速率与实际设置的速率一致，并且使用逻辑分析仪可以清楚地查看发送的数据帧格式。如图5（a）所示，可以在接收板卡的上位机设置通信速率、时隙ID、通道等功能，以接收左翼分支的信号为例，在2.5M、A通道的不同时隙下接收的数据。如图5（b）所示，为接收的数据，其中时隙4、时隙10为静态帧数据，时隙86、时隙90为动态帧数据。如图6所示，为水平尾翼的静态段接收的数据，设置通信速率为10M、通道为A，时隙数为5、6、8、9。接收的静态帧数据如图6（b）所示，可以看到时隙数是对应的，并且接收的数据长度（Len）是127 words，符合设置的功能。统计每一个分支发送的帧数，并且比较发送与接收的数据，未发现丢帧或者错帧现象，并且实现了设置的每一个功能，说明设计的无人机网络通信结构在理论上是可行的。3 结语本文实现了基于FlexRay总线的无人机通信网络的设计研究，在完成无人机混合型网络拓扑结构设计的基础上，设计了通信控制器和总线收发器的接口电路设计和软件设计。对设计的网络结构进行验证，设计的网络结构的通信过程能够完整、准确的传输数据，满足无人机通信系统精准性和可靠性的要求。为实际的无人机通信网络提供了基础，后续将完善设计的网络结构，以期能够将设计的无人机通信网络结构应用到实际的无人机通信系统中。图3 FlexRay通信设计流程 （a）逻辑分析仪采集的帧数据图（b）局部放大图图4 逻辑分析仪采集的帧信号电子技术 第 52 卷 第 6 期（总第 559 期）2023 年 6 月 29Electronics 电子学参考文献1 张凤登,付敬奇.实时传输网络FlexRay原理与范例M.北京：电子工业出版社，2017.2 黄海林.汽车电控系统的CAN/FlexRay混合网络研究与设计D.江西：南昌大学,2020.3 Chuan-Bin LI,Yan G,Liu M Y,et al.A solution based on multi-queue scheduling for processing messages in FlexRay-CAN gatewayJ.Journal of Hefei University of Technology(Natural Science),2011.4 刘志超,张良玉,杨梅,王义.基于LM-BP神经网络的FlexRay总线系统的预测控制J.现代电子技术,2019,42(03):82-86.5 杨梅,王义,刘志超,张良玉.FlexRay车载网络的神经网络模型参考控制J.计算机与现代化,2019(03):19-22.6 张松年.全电子目标控制系统中FlexRay总线的应用J.电子技术,2022,51(11):290-291.7 刘绚,杨佳.基于FlexRay的航电总线的设计和实现J.信息技术与信息化,2022(05):145-148.8 豆海利.基于FlexRay总线的无人机航电系统设计J.现代电子技术,2021,44(23):13-17.9 Freescale Semiconductor.MFR4310 FlexRay communication controllers reference manual 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