一种FlexRay总线多层级测试方法与实现_李欢丽.pdf

第 43 卷第 3 期2023 年 6 月弹箭与制导学报Journal of Projectiles，ockets，Missiles and GuidanceVol.43 No.3Jun.2023DOI:10 15892/j cnki djzdxb 2023 03 017收稿日期:2022 05 12作者简介:李欢丽(1990)，女，工程师，硕士，研究方向:电气系统与电磁兼容。引用本文:李欢丽，李平，张杨，等 一种 Flexay 总线多层级测试方法与实现 J 弹箭与制导学报，2023，43(3):110-114LI Huanli，LI Ping，ZHANG Yang，et al ealization of multilevel testing methods for Flexay bus J Journal of Projectiles，ockets，Missiles and Guid-ance，2023，43(3):110-114一种 Flexay 总线多层级测试方法与实现李欢丽，李平，张杨，时昊天，冯文韬，吴馨远(西安现代控制技术研究所，西安710065)摘要:针对武器系统中 Flexay 总线应用广泛而带来的测试问题，提出了总线协议层+物理层多层级测试方法，不仅实现了节点数据收发功能的模拟，还具备了利用输出特定信号对 Flexay 总线传输介质进行测试的功能，进而评估物理层传输品质。软硬件设计及测试验证表明，文中提出的多层级测试方法能够较好的测试评估 Flexay 总线的性能，在武器装备的方案设计及集成测试阶段具有很好的工程应用价值。关键词:Flexay 总线;总线测试;PCIe 架构;武器系统中图分类号:TJ765 4文献标志码:A文章编码:1673-9728(2023)03-0110-05ealization of Multilevel Testing Methods for Flexay BusLI Huanli，LI Ping，ZHANG Yang，SHI Haotian，FENG Wentao，WU Xinyuan(Xi an Modern Control Technology esearch Institute，Xi an 710065，Shaanxi，China)Abstract:To solve the test problems coming with the extensive use of the Flexay bus in weapon systems，a multilevel testmethod combining tests in both bus protocol level and physical level is proposed in this paper The simulation for nodes sendingand receiving data is therefore achieved In addition，the transmission medium of Flexay bus can also be tested by outputtingspecial signals，and the transmission quality in physical level is then evaluated The software and hardware design and the testresults showed that the multilevel test method designed in this paper can test and evaluate the transmission performance ofFlexay bus better，having the good application potential in the scheme design and integration test phase of weapon develop-mentKeywords:Flexay bus;bus test;PCIe architecture;weapon system0引言随着武器装备信息化、智能化程度不断提高，原来大量使用的 S422、CAN、1553B 等总线传输带宽已逐渐不能满足系统的传输需求。而 Flexay 总线的最大传输速率为20 Mbps1-3，且有较高的可靠性4-5;同时，具有静态和动态两种访问机制，使用灵活，实时性高6，因此逐步在武器装备中得到应用。文献 7 从高码率、高可靠性及高实时性方面分析了 Flexay 总线可适用于运载火箭电气系统，并基于 Flexay 总线设计了运载火箭火箭总线网络。文献 8-9使用Flexay 总线开展了无人机飞控系统研究，设计Flexay 总线通信节点，并对 Flexay 总线通信性能进行测试，其通信速率、通信效率、实时性等方面都较CAN 总线具有优越性。而 Flexay 总线的应用也随之带来了大量的测试需求。目前，传统测试较多采用Vector 公司研发的 CANoe 进行总线测试，可模拟节点的数据收发;文献 10 设计了一种基于 CPCI 架构的Flexay 总线仿真测试系统，实现了从协议层面进行多节点不同速率、不同拓扑的总线网络仿真、节点数据收发等功能。文中从工程实践角度，在协议层测试的基础上，提出了总线协议层+物理层多层级测试方法，并设计了一种集协议层、物理层测试于一体的Flexay 总线测试系统，实现从物理层测试对总线的传输品质、从协议层对总线的数据传输性能的测试。1测试方法协议层+物理层多层级测试方法主要由传统的第 3 期李欢丽等:一种 Flexay 总线多层级测试方法与实现Flexay 总线协议层测试11 与文中提出的物理层测试相结合，如图 1 所示。图 1协议层+物理层多层级测试方法Fig 1Protocol level+physical level multilevel test method1 1协议层测试方法协议层测试主要功能为模拟发控、飞控、惯导等电子部件的 Flexay 总线节点通信，按照规定流程及协议收发数据，并且可作为监测节点，对 Flexay 总线数据采集记录及存储，为测试提供数据支撑，协议层测试原理图见图 2 所示，0与 1为 Flexay 总线的匹配负载。图 2协议层测试方法原理图Fig 2Schematic diagram for protocol level test method1 2物理层测试方法物理层测试主要功能为通过产生方波、正弦波等模拟量激励信号，注入被测 Flexay 传输介质(如双绞线)，利用示波器采集注入信号与特定节点的输出信号，计算得出传输介质的传输损耗、传输延迟等参数，从而评估被测传输介质的传输品质，物理层测试原理图见图 3 所示，0与 1为 Flexay 总线的匹配负载，为被测传输介质的等效阻抗。图 3物理层测试方法原理图Fig 3Schematic diagram for physical level test method2硬件设计Flexay 总线测试系统主要由主控单元、总线收发及模拟信号激励单元组成。2 1主控单元主控单元选用标准的工控计算机，通过 PCIe 接口与总线收发及模拟信号激励单元相连接，在主控单元上完成测试数据的输入、显示、存储等功能。2 2总线收发及模拟信号激励单元总线收发及模拟信号激励单元用于实现总线协议层数据的收发及激励信号的生成，由 FPGA 模块、时钟模块、存储模块、Flexay 总线收发模块、信号生成与调理模块、电源模块、对外接口等组成。总线收发及模拟信号激励单元硬件框图见图 4所示。图 4硬件框图Fig 4Hardware block diagram2 2 1FPGA 模块为实现高速数据处理，FPGA 模块采用 Xilinx K7系列的 XC7K325T-2FFG676I 芯片作为处理核心。其采用 28 nm 工艺，可实现优异的性能功耗比和最大的111弹 箭 与 制 导 学 报第 43 卷设计灵活性，具有高达 326 080 个逻辑单元以及速率最高可达 12 5 Gbps 的收发器。为实现上电后的准确配置，采用主动串行加载方式，使用 MT25QL256 做配置存储，总线选用 SPI 4 模式，总线速率为50 Mbps，可提高 FPGA 加载速度。2 2 2存储模块存储模块采用 MT41J256M16HA，单片内存容量是 512 MB，工作频率为 800 MHz，设计两片构成 1 GB存储容量。2 2 3Flexay 总线收发模块Flexay 总线收发模块作为 Flexay 总线节点，模拟节点通讯功能，按照规定流程和协议收发数据，测试总线工作状态。也可配置为监测节点，对总线数据进行采集记录，并可对数据帧添加时标。Flexay 总线收发模块采用总线控制器+隔离器+总线收发器架构，其中总线控制器采用 NXP 公司的 MF4310 芯片，该芯片符合 Flexay 通信系统协议规范 V2 1A，可配置为 2 5 Mbps、5 Mbps、8 Mbps 和 10 Mbps 通信速率。总 线 收 发 器 采 用 TJA1083，TJA1083 支 持Flexay 物理层 V3 0 1 标准。隔离器采用 ADUM1402，实现收发器与控制器间的电气隔离，避免外部干扰损坏内部芯片。2 2 4信号生成与调理模块对物理层的测试需要向传输介质注入特定的信号，利用信号生成与调理模块可向传输介质注入正弦波、方波、三角波三类信号，结合示波器可对传输品质进行有效测量和评估。信号生成与调理模块主要包含波形发生器和调理电路，采用 ADI 公司的 AD9833 芯片。该芯片是一款低功耗、可编程波形发生器，能产生正弦波、三角波和方波，在频率激励和波形发生场景中有广泛的应用。调理电路主要采用 ADA4891 运放+TLP0401 可编程电阻器，用于实现最高 10 MHz 的信号调理，并且通过 TLP0401 可编程电阻器来调整输出端运放放大倍数从而达到输出幅值可控的要求。2 2 5供配电Flexay 总线测试系统输入电源为 220 V、50 Hz的市电，经过电源模块将 PCIe 所需的供电进行转换，提供各部分模块所需的电压和电流，根据 FPGA 模块、Flexay 总线收发模块、信号生成与调理模块等主要模块进行功率统计，并按照电源转换效率为 80%计算，所需功率为 15 W。3软件设计软件分为上位机软件与下位机软件，其中上位机软件运行于 windows7 平台，下位机软件运行于 FPGA中，二者通过 PCIe 总线进行数据交互。软件架构图见图 5 所示。图 5软件架构图Fig 5Software architecture3 1上位机软件上位机软件包括 Windows 驱动程序、主控软件，主控软件通过 PCIe 配置 Flexay 总线工作模式、工作速率，模拟信号幅值、频率等参数。参数配置软件界面见图 6 所示，激励信号参数配置软件界面设计见图7 所示。图 6Flexay 参数配置软件界面设计Fig6Interface design for Flexay parameter configuration software211第 3 期李欢丽等:一种 Flexay 总线多层级测试方法与实现图 7激励信号参数配置软件界面设计Fig 7Interface design for excitation signal parameterconfiguration software3 2下位机软件下位机软件主要由 FPGA 实现，FPGA 总共设计了 LocalBus、SPI、PCIe、AXI 总线、BIT 5 个软件模块，用于实现与主控单元、各子模块的信息交互。各个模块的信息交互见图 8 所示。图 8下位机软件模块信息交互图Fig 8Information for software module of slave computers其中 LocalBus 软件模块用于实现地址线、数据线、控制线控制，完成与 MF4310 的数据交互;SPI 软件模块用于连接 AD9833，主控单元对 AD9833 和数字电位器的操作指令由 FPGA 转换成 SPI 总线时序对其进行控制;PCIe 软件模块用于与主控单元进行信息交互，主控单元下发的指令和数据经 PCIe 软件模块传递给 FPGA 模块，同时 FPGA 模块将需要显示和记录的数据通过 PCIe 软件模块上传给主控单元;AXI 软件模块在 FPGA 内部起到中间桥梁的作用，通过 AXI 接口把板卡上的各设备映射到不同的地址空间，实现主控单元端驱动访问板卡上的设备快速便捷。4测试验证将设计的 Flexay 总线测试系统、被测试的Flexay 总线通讯节点与示波器构成集成测试验证系统，对 Flexay 总线测试系统的物理层及协议层测试功能进行测试验证。物理层测试控制界面见图 9 所示，可针对相应通道配置输出波形类型(正弦波或方波)、输出模式(单次输出或连续输出)、输出电压以及输出频率等参数。设置输出波形为正弦波、输出电压为 1 V 条件下，测试传输介质所输出信号的品质。图 9模拟量测试控制界面Fig 9Test control interface for analog signal用示波器采集 Flexay 测试系统输出的信号与Flexay 节点测试点的信号，如图 10 所示，黄色曲线表示 Flexay 测试系统输出的信号，绿色曲线表示Flexay 节点测试点的信号。可以看出，测试点输出信号的延迟时间的标准偏差为 172 45 ns，表明所测试的 Flexay 总线的传输介质延迟时间在百 ns 级，满足信号的传输要求，因此该传输介质可正常传输Flexay 信号。图 10物理层测试结果Fig 10Physical level test results311弹 箭 与 制 导 学 报第 43 卷协议层测试，通过在 Flexay 总线测试系统的控制软件上完成总线参数配置、控制芯片参数配置、消息配置等内容后，通过运行控制软件验证了控制流程、协议转发的正确性;其在示波器上采集输出的Flexay 信号特性的正确性，电压的峰 峰值为456 V，如图 11 所示。图 11Flexay 信号测试结果Fig 11Flexay signal test results5结论文中提出了总线协议层+物理层多层级测试方法，并设计了一种集协议层、物理层测试于一体的Flexay 总线测试系统，极大的提高了 Flexay 总线的测试覆盖性，测试结果表明，该系统能够完成 Flexay总线的多种指标测试，对武器装备的研制起到了积极的支撑作用。参考文献:1 马威，姚静波，胡云龙等 Flexay 总线运载火箭信号采编器接口设计J 集成电路应用，2020，37(6):4 7MA W，YAO J B，HU Y L，et al Study on the interfacedesign of signal samping encoder of launch vehicle based onFlexay bus J Application of IC，2020，37(6):4 7 2 钟韦 Flexay 总线测试平台与网络通信优化研究 D 北京:北京交通大学，2016ZHONG W The testing platform of Flexay bus and theoptimization research on Flexay bus communicationD Beijing:Beijing Jiaotong Univercity，2016 3 刘涛，袁玉华，王浩 Flexay 总线机载测试系统的实时性测量方法研究J 测控技术，2015，34(12):38 40LIU T，YUAN Y H，WANG H esearch on real-time per-formance measurement in Flexay bus airborne testing sys-tem J Measurement and Control Technology，2015，34(12):38 40 4 王刚，荣健，丁天宝 Flexay 网络静态段时间参数优化 J，西南交通大学学报，2012，47(2):318 324WANG G，ONG J，DING T B Optimization of time pa-rameters in static segment in Flexay network J Journalof Southwest Jiaotong University，2012，47(2):318 324 5 张利，张本宏，王跃飞，等 基于总线占用率的 Flexay消息时隙分配方法研究 J 中国机械工程，2012，23(6):699 720ZHANG L，ZHANG B H，WANG Y F，et al esearch onFlexay message slot distribution methods based on bus oc-cupancy rateJ China Mechanical Engineering，2012，23(6):699 720 6 王鹏杰 Flexay 总线平台构建及性能研究 D 武汉:武汉理工大学，2012WANG P J Platform construction and performance researchof Flexay busD Wuhan:Wuhan University of Tech-nology，2012:41 47 7 姜威，张倩，张鹏 Flexay 总线在运载火箭电气系统的应用 J 兵工自动化，2016，35(6):39 42JIANG W，ZHANG Q，ZHANG P Application of Flexaybus in electrical system of launch vehicle J Ordnance In-dustry Automation，2016，35(6):39 42 8 章勇 基于 Flexay 飞行控制计算机总线设计与研究 D 南京:南京航空航天大学，2013ZHANG Y Design and research on Flexay bus communi-cation for flight control computer D Nanjing:Nanjing U-niversity of Aeronautics and Astronautics，2013 9章勇，陈欣，吕迅竑 无人机飞行控制计算机中的Flexay 总线节点设计 J 兵工自动化，2013，32(3):42 46ZHANG Y，CHEN X，LYU X H Design of Flexay busnode in UAV flight control computer J Ordnance Indus-try Automation，2013，32(3):42 46 10 黎玉刚，李平，丁力，等 基于 CPCI 架构的 Flexay 总线仿真测试系统研究 J 弹箭与制导学报，2018，38(3):9 12LI Y G，LI P，DING L，et al esearch on Flexay bussimulation testing system based on CPCIJ Journal ofProjectiles，ockets，Missiles and Guidance，2018，38(3):9 12 11 苑利维，李治国，朱晓荣 一种 Flexay 总线通讯测试系统设计J 计算机测量与控制，2016，24(11):20 23YUAN L W，LI Z G，ZHU X Design of a Flexay buscommunication testing systemJ Computer Measurement Control，2016，24(11):20 23 12 吴宝新，郭永红 汽车 Flexay 总线系统开发实战 M 北京:电子工业出版社，2012:25 31WU B X，GUO Y H Practical development of automotiveFlexay bus systemM Beijing:Publishing House ofElectronic Industry，2012:25 31411