在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，無人機(jī)相對(duì)有人機(jī)而言具有低成本,、零傷亡,、高機(jī)動(dòng)、可重復(fù)使用等諸多優(yōu)勢(shì),，其使用范圍已擴(kuò)展到軍事,、民用等領(lǐng)域。在軍事上可用于偵察,、監(jiān)視,、通信中繼、電子對(duì)抗,、戰(zhàn)果評(píng)估等,；在民用上可用于大地測(cè)量、氣象觀測(cè),、城市環(huán)境監(jiān)測(cè),、地球資源勘探、森林防火,、核污染生化污染區(qū)的取樣與監(jiān)控等,。無人機(jī)系統(tǒng)通常由機(jī)載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈和地面站組成,。
地面站是無人機(jī)系統(tǒng)的中樞,，它的主要功能包括：任務(wù)計(jì)劃、飛行控制,、信息處理顯示,、目標(biāo)檢測(cè)和定位、數(shù)據(jù)記錄等,。車載地面站由于其機(jī)動(dòng)性好,、便于快速部署、可迅速到達(dá)任務(wù)區(qū)域附近而受到用戶青睞,。但車載地面站面臨高低溫,、高濕、沖擊,、振動(dòng),、電磁輻射干擾等惡劣環(huán)境,，以及對(duì)其性能、體積,、重量,、功耗等的苛刻要求，普通的商用計(jì)算機(jī)無法滿足車載環(huán)境要求及控制的實(shí)時(shí)性要求,。 本文針對(duì)某車載無人機(jī)地面站的需求,，提出了一種指揮控制計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)方法。
1 系統(tǒng)功能分析
無人機(jī)地面站指揮控制計(jì)算機(jī)用于無人機(jī)的跟蹤和指令控制,。它通過無線電接收機(jī)接收無人機(jī)遙感傳送的圖像信號(hào),，經(jīng)圖像處理后送給車載地面站的駕駛員，同時(shí)由指揮控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像貯存,。 車載地面站的駕駛員可對(duì)無人機(jī)的飛行及其任務(wù)的執(zhí)行進(jìn)行監(jiān)視,，通過地面站的指令發(fā)射機(jī)可向無人機(jī)發(fā)出控制指令，無人機(jī)接收后按照命令可不斷調(diào)整飛行路線,，完成任務(wù),。圖1為車載無人機(jī)地面站指揮控制計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)交聯(lián)圖。
車載指揮控制計(jì)算機(jī)是車載地面站的核心,，是系統(tǒng)正常有序工作的重要控制部件,。指揮控制計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)組織管理車載地面站內(nèi)部設(shè)備，使地面站內(nèi)各設(shè)備能夠有序協(xié)調(diào)工作,，并通過FlexRay總線與車載電子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,，保障地面站捕獲無人機(jī)發(fā)回的任務(wù)區(qū)域圖像信號(hào)，及時(shí)將地面站駕駛員的操控指令發(fā)射至無人機(jī),。其主要功能如下：
(1)進(jìn)行地面站與車載電子系統(tǒng)之間的信息交換,；
(2)采集駕駛員發(fā)出的操控指令，并將指令傳送至指令發(fā)射機(jī),，由指令發(fā)射機(jī)調(diào)制后發(fā)射至無人機(jī),，同時(shí)將操控指令發(fā)送給記錄器進(jìn)行記錄；
(3)控制指令發(fā)射機(jī),、圖像接收機(jī)天線伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng),，使天線主波瓣對(duì)準(zhǔn)無人機(jī)以獲得最佳的信號(hào)強(qiáng)度；
(4)采集圖像接收機(jī)傳送來的圖像數(shù)據(jù)信號(hào),，并將圖像顯示在車載顯示器上,，同時(shí)將圖像記錄在記錄器上；
(5)控制地面站內(nèi)各設(shè)備的自檢和周期性監(jiān)測(cè),。
2 車載指揮控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
隨著車載計(jì)算機(jī)的體積小型化,、功能多元化和操作實(shí)時(shí)化，要求新一代無人機(jī)地面站指揮控制計(jì)算機(jī)必須是體積小、重量輕,、功耗低的,、可支持多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的嵌入式計(jì)算機(jī),。根據(jù)指揮控制計(jì)算機(jī)的功能性能要求,，可將指揮控制計(jì)算機(jī)劃分為處理器模塊、接口模塊,、顯示模塊,、通信模塊、電源模塊等5個(gè)功能模塊,，各功能模塊通過CPCI總線進(jìn)行通訊,。
2．1 處理器模塊
處理器模塊主要實(shí)現(xiàn)指揮控制計(jì)算機(jī)的內(nèi)部資源管理、接口控制,、任務(wù)軟件執(zhí)行等功能,。指揮控制計(jì)算機(jī)處理器模塊選用目前應(yīng)用廣泛的PowerPC系列處理器中的PowerPC8548，該處理器功耗低,、集成度高,，內(nèi)部集成有串口、計(jì)數(shù)器,、中斷控制器,、以太網(wǎng)接口、PCI橋等功能電路,，單片性能達(dá)到了2310MIPS,，縮小了系統(tǒng)體積，減輕了重量,，降低了功耗,。
為了保障系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，處理器模塊上設(shè)計(jì)了看門狗電路和訪問超時(shí)計(jì)時(shí)器電路,?？撮T狗計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)設(shè)置和計(jì)時(shí)過程由獨(dú)立于軟件操作的硬件實(shí)現(xiàn)，而清除計(jì)時(shí)操作由受軟件控制的硬件完成,?？撮T狗計(jì)時(shí)器電路在維護(hù)使能信號(hào)無效時(shí)自動(dòng)使能；在維護(hù)使能信號(hào)有效時(shí)自動(dòng)禁止,，但此時(shí)可用軟件操作來使能,。當(dāng)看門狗計(jì)時(shí)器輸出觸發(fā)時(shí)將引起中斷或復(fù)位。訪問超時(shí)計(jì)時(shí)器電路用于報(bào)告并恢復(fù)處理器訪問計(jì)算機(jī)資源過程中的總線周期超時(shí)故障,。當(dāng)處理器訪問周期超過預(yù)先設(shè)定的門限時(shí),，即發(fā)生總線周期超時(shí)故障，該電路可產(chǎn)生中斷請(qǐng)求,，同時(shí)結(jié)束當(dāng)前訪問操作,。
2．2 接口模塊
接口模塊完成和外圍設(shè)備進(jìn)行通訊并完成數(shù)據(jù)交換的功能,。接口設(shè)備包括USB接口，用于控制鼠標(biāo),、鍵盤等外圍接口設(shè)備,，RS422接口用于和指令發(fā)射機(jī)、圖像接收機(jī)等外部系統(tǒng)進(jìn)行交聯(lián),。
2．3 顯示模塊
顯示模塊主要完成復(fù)合視頻的解碼,、切換、疊加,、壓縮及傳輸?shù)墓δ?。根?jù)CPCI總線傳輸?shù)闹噶顚?duì)3路輸入視頻的其中之一疊加軌跡，并將疊加軌跡后的視頻與其它視頻壓縮后傳輸至FlexRay總線上,；接收CPCI傳輸?shù)闹噶詈蛿?shù)據(jù),，生成儀表和參數(shù)等畫面，輸出LVDS顯示信號(hào)來驅(qū)動(dòng)顯示屏,。
2．4 通信模塊
通信模塊主要實(shí)現(xiàn)指揮控制計(jì)算機(jī)與車載電子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換,。以FlexRay總線作為互連和數(shù)據(jù)傳送的方式，這樣既有利于實(shí)現(xiàn)指揮控制計(jì)算機(jī)軟硬件的通用化,、模塊化,，同時(shí)有利于軟件升級(jí)和系統(tǒng)擴(kuò)展，顯著提高軟硬件的可擴(kuò)展性,。
FlexRay是一種新型的高速串行總線標(biāo)準(zhǔn),，與傳統(tǒng)的CAN總線相比，F(xiàn)lexRay在通信速率,、確定性,、可靠性等多方面都有著更為優(yōu)越的性能，具有靈活的使用方式,，支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，負(fù)載率高，提供冗余機(jī)制的優(yōu)點(diǎn),。FlexRay總線與CAN總線相比具有以下優(yōu)勢(shì)：
(1)傳輸速率高,。單通道可達(dá)10Mbps，雙通道高達(dá)20Mbps,；CAN總線傳輸速率最高僅1 Mbps,。
(2)支持雙通道。雙通道可單獨(dú)運(yùn)行,、并行運(yùn)行或冗余運(yùn)行,；CAN只有一個(gè)通道，無冗余。
(3)支持最大數(shù)據(jù)幀長254字節(jié),；CAN總線支持最長數(shù)據(jù)幀僅8字節(jié),。
(4)MAC(Media Access Control)層采用TDMA(時(shí)分多路)方式，數(shù)據(jù)通信具有確定性,；而CAN總線采用帶優(yōu)先級(jí)的CSMA／CA(沖突避免多路訪問方式),，無法保證通信確定性。
(5)支持星型,、總線型,、混合型等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),。
FlexRay網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議主要體現(xiàn)在4個(gè)核心機(jī)制上：編碼與解碼,、數(shù)據(jù)幀與特征符處理、媒體接入控制和時(shí)鐘同步,，另外控制器主機(jī)接口為實(shí)現(xiàn)這些機(jī)制提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù),。FlexRay數(shù)據(jù)幀由幀頭部分、有效數(shù)據(jù)部分,、幀尾部分組成,。幀頭部分由5個(gè)字節(jié)組成，包括保留位,、數(shù)據(jù)指示位,、空幀指示位、同步幀指示位,、幀ID,、有效數(shù)據(jù)長度、頭部循環(huán)校驗(yàn)CRC位和循環(huán)計(jì)數(shù)位,；幀尾部分只含有單個(gè)的數(shù)據(jù)域,，即一個(gè)24位的CRC(循環(huán)冗余)校驗(yàn)碼。
主處理器把要發(fā)送到總線上的數(shù)據(jù)存入發(fā)送FlexRay消息緩沖器中,，通過媒體接入控制,，CRC校驗(yàn)碼封裝成符合FlexRay協(xié)議的數(shù)據(jù)幀，再經(jīng)過總線驅(qū)動(dòng)器編碼送到總線上,；同樣,，總線上的數(shù)據(jù)經(jīng)過總線驅(qū)動(dòng)器解碼，數(shù)據(jù)幀被送到控制器中,，通過幀ID過濾校驗(yàn)和循環(huán)計(jì)算校驗(yàn),，存入相應(yīng)的消息緩沖器中。
2．5 電源模塊
電源模塊將供電系統(tǒng)提供的直流28V供電變換成計(jì)算機(jī)所需的各類電源,；具有過流,、短路保護(hù)功能，故障排除后輸出自動(dòng)恢復(fù)等功能；具有過壓保護(hù)功能,；具有過熱保護(hù)功能,。電源電壓監(jiān)控：此外電源模塊還具有在線監(jiān)控功能。28V輸入電壓和+15V,、-15V,、+5V輸出電壓監(jiān)控。
3 指揮控制計(jì)算機(jī)的軟件設(shè)計(jì)
指揮控制計(jì)算機(jī)的軟件主要駐留在處理器模塊上,，分為系統(tǒng)軟件,、實(shí)時(shí)任務(wù)軟件、地面支持軟件三部分,。軟件功能結(jié)構(gòu)如圖2所示,。
指揮控制計(jì)算機(jī)工作模式分為4種：實(shí)時(shí)模式、 監(jiān)控模式,、在線編程模式,、調(diào)試模式。實(shí)時(shí)模式下指揮控制計(jì)算機(jī)在操作系統(tǒng)調(diào)度下運(yùn)行實(shí)時(shí)任務(wù)軟件,；監(jiān)控模式下指揮控制計(jì)算機(jī)運(yùn)行監(jiān)控軟件,，可啟動(dòng)測(cè)試軟件對(duì)硬件資源逐一進(jìn)行測(cè)試；在線編程模式下指揮控制計(jì)算機(jī)可對(duì)其FLASH存儲(chǔ)器中固化的程序進(jìn)行更新,；調(diào)試模式下指揮控制計(jì)算機(jī)可與宿主機(jī)通過以太網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)機(jī),，在調(diào)試代理的支持下進(jìn)行應(yīng)用軟件的開發(fā)調(diào)試。指揮控制計(jì)算機(jī)工作模式選擇流程及啟動(dòng)過程見圖3所示,。
實(shí)時(shí)任務(wù)執(zhí)行軟件包括通訊管理軟件,、數(shù)據(jù)通訊管理軟件、天線伺服系統(tǒng)模擬輸入／輸出管理,、圖像數(shù)據(jù)處理軟件和FLASH電子盤記錄管理軟件等功能,。軟件的調(diào)度流程見圖4所示。
4 結(jié)束語
FlexRay是新型的高速總線通信標(biāo)準(zhǔn),，在車載系統(tǒng)中采用FlexRay作為通訊總線的解決方案,，既提升了通訊帶寬和傳輸效率，又有易于系統(tǒng)擴(kuò)展和功能升級(jí),，滿足車載應(yīng)用環(huán)境下實(shí)時(shí)性和可靠性的要求,。研究表明，基于FlexRay總線能很好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和交換,，實(shí)現(xiàn)在高速的情況下進(jìn)行實(shí)時(shí)通信的功能,，通訊效果良好。
本文詳細(xì)地介紹了基于FlexRay總線的車載指揮控制任務(wù)計(jì)算機(jī)的總體設(shè)計(jì)思想,，闡述了系統(tǒng)硬件平臺(tái)中的功能單元的設(shè)計(jì),，重點(diǎn)介紹了FlexRay總線的設(shè)計(jì)難點(diǎn),。同時(shí)詳細(xì)介紹了基于VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)，從而解決了車載應(yīng)用環(huán)境對(duì)多任務(wù)和高實(shí)時(shí)性的需求問題,。
