無(wú)人車(chē)載網(wǎng)絡(luò)高可靠HUB的設(shè)計(jì)

楊嘉睿，婁岱松，許志偉，汪 震，毛漢領(lǐng)+，朱紀(jì)洪

(1.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.清華大學(xué) 精密儀器系，北京 100084)

0 引 言

無(wú)人車(chē)的主要系統(tǒng)由感知、決策和控制等子系統(tǒng)組成。其中控制系統(tǒng)的好壞決定了無(wú)人車(chē)的性能優(yōu)劣。主控節(jié)點(diǎn)對(duì)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的有力控制都依賴于日趨智能化、多用途的車(chē)載數(shù)據(jù)鏈[1]，要求車(chē)載網(wǎng)絡(luò)向著高可靠、高帶寬和抗干擾能力強(qiáng)等方面發(fā)展[2]。

車(chē)載網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，已經(jīng)集合了包括CAN總線[3]、LIN總線[4]、FlexRay總線[5]等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，近年來(lái)，TTP總線[6]因其具有高安全性、高確定性的技術(shù)特點(diǎn)，越來(lái)越多的應(yīng)用在車(chē)載網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。但隨著車(chē)載系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量劇增，這些網(wǎng)絡(luò)暴露出帶寬不高的特點(diǎn)，例如FlexRay總線總傳輸速率為20 M/s[7]，這使得一般的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)逐漸不再適應(yīng)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。

另外，總線型網(wǎng)絡(luò)的任一節(jié)點(diǎn)故障都將引起整個(gè)網(wǎng)絡(luò)失效。例如CAN總線短路會(huì)影響總線差分電平，總線將無(wú)法正常工作；斷路會(huì)使得斷路節(jié)點(diǎn)以外的節(jié)點(diǎn)脫離總線，影響實(shí)時(shí)通訊[8]；過(guò)長(zhǎng)的總線會(huì)影響傳輸效率，在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的局限性[9]。

基于此，研究人員不斷探索優(yōu)化總線通信的方法。例如面對(duì)1553B總線存在的通信速率低、故障隔離困難等問(wèn)題[10]，采用雙冗余通信裝置設(shè)計(jì)，發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行余度切換，提高網(wǎng)絡(luò)可靠性[11]。但類似方法多是通過(guò)冗余設(shè)計(jì)提高可靠性，未根本解決總線型通信的帶寬和可靠性問(wèn)題。

時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)TTE[12]速率高、可靠性高，帶寬可達(dá)10 Gb/s，通信的實(shí)時(shí)性好[13]。另外，在TTP總線中設(shè)計(jì)星型架構(gòu)，以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接代替總線結(jié)構(gòu)，即使一點(diǎn)斷開(kāi)，整體網(wǎng)絡(luò)不會(huì)失效。例如有研究人員根據(jù)星型TTP總線提出了HUB的設(shè)計(jì)架構(gòu)[14]，為總線型網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)提供了新的思路。

本文設(shè)計(jì)了一種車(chē)載網(wǎng)絡(luò)HUB集線器，作為主控節(jié)點(diǎn)和驅(qū)動(dòng)設(shè)備的中間節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)“時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)(TTE)+星型TTP總線”的通信架構(gòu)，提高了網(wǎng)絡(luò)帶寬和可靠性。

1 無(wú)人車(chē)底盤(pán)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.1 基于TTP的車(chē)載底盤(pán)網(wǎng)絡(luò)

圖1為基于TTP的車(chē)載底盤(pán)網(wǎng)絡(luò)，由4余度總線主網(wǎng)、3余底盤(pán)控制主節(jié)點(diǎn)和多個(gè)驅(qū)動(dòng)設(shè)備組成，其中包括8個(gè)輪轂電機(jī)、8個(gè)懸掛和8個(gè)剎車(chē)驅(qū)動(dòng)器，使用時(shí)間觸發(fā)總線將各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間同步，根據(jù)協(xié)議進(jìn)行調(diào)度和控制[15]。

圖1 基于TTP的車(chē)載底盤(pán)網(wǎng)絡(luò)

采用故障樹(shù)分析方法研究底盤(pán)網(wǎng)絡(luò)的可靠性和失效概率。圖2為單余度總線網(wǎng)絡(luò)故障樹(shù)，其中A1代表底盤(pán)節(jié)點(diǎn)失效的底事件，B1、B2表示底盤(pán)子網(wǎng)中TTP鏈路失效的底事件，B3代表主網(wǎng)鏈路失效的底事件。由經(jīng)驗(yàn)可得，硬件節(jié)點(diǎn)的故障失效率為1×10-5次/h，數(shù)據(jù)傳輸鏈路的故障失效率取1×10-6次/h，依據(jù)此進(jìn)行量化分析。

圖2 單鏈路總線網(wǎng)絡(luò)故障樹(shù)

圖2的故障樹(shù)中，各基本事件相互獨(dú)立，根據(jù)故障樹(shù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行概率求解，其中用與門(mén)連接的頂事件發(fā)生概率為

(1)

用或門(mén)連接的頂事件的發(fā)生概率為

(2)

根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算失效概率，得到1-4余度總線網(wǎng)絡(luò)失效概率見(jiàn)表1。

表1 不同余度下總線網(wǎng)絡(luò)失效的概率

由表1可知，總線與板卡都為雙余度時(shí)，失效概率為1.020×10-10次/h，滿足機(jī)載/車(chē)載網(wǎng)絡(luò)失效概率為1×10-9次/h的指標(biāo)要求。但是考慮到總線性網(wǎng)絡(luò)一點(diǎn)斷開(kāi)，整體失效的特點(diǎn)，還需增加余度設(shè)計(jì)。板卡3余度、總線3余度時(shí)的失效概率比都為雙余度時(shí)小50%，4余度總線可靠性與3余度基本一致，若按照3余度進(jìn)行設(shè)計(jì)，會(huì)產(chǎn)生主從節(jié)點(diǎn)對(duì)帶寬的搶占問(wèn)題，并增加設(shè)計(jì)難度。故采用4余度設(shè)計(jì)，增加一條總線供主控節(jié)點(diǎn)使用。

通信質(zhì)量方面，為了保證控制精度，并且24個(gè)驅(qū)動(dòng)器的反饋數(shù)據(jù)在同一周期上傳至總線，網(wǎng)絡(luò)使用的波特率為6.25 M。使用高波特率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，雖然滿足了網(wǎng)絡(luò)的功能要求，但隨著波特率增大，數(shù)據(jù)波形每一位的持續(xù)時(shí)間變短，受到無(wú)人車(chē)內(nèi)多有高壓電磁環(huán)境的干擾，很有可能改變數(shù)據(jù)波形，從而引起了誤碼率的增大[9]。

故障安全方面，總線型通信架構(gòu)由于其本身的特點(diǎn)，一點(diǎn)發(fā)生故障，可能會(huì)造成整體網(wǎng)絡(luò)的失效。例如總線中一點(diǎn)斷路，整條總線會(huì)失效，一點(diǎn)短路，會(huì)危及到整條總線的安全。

維護(hù)升級(jí)方面，總線型網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)，需要檢測(cè)每一個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)和通信線路，才能發(fā)現(xiàn)所以失效節(jié)點(diǎn)，維護(hù)較為困難。除此以外，總線性網(wǎng)絡(luò)帶寬較低，不支持在網(wǎng)絡(luò)中使用交換技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)無(wú)法采用分層結(jié)構(gòu)，限制了開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行拓展，在升級(jí)空間方面存在較大的限制。

1.2 基于HUB的底盤(pán)網(wǎng)絡(luò)

以時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)TTE為基礎(chǔ)，底盤(pán)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)5 ms的周期發(fā)送指令幀，經(jīng)交換機(jī)組播發(fā)送給4個(gè)HUB。HUB將指令幀中的控制字節(jié)進(jìn)行提取，封裝成控制幀(本文將底盤(pán)節(jié)點(diǎn)發(fā)給HUB的以太網(wǎng)指令幀簡(jiǎn)稱為指令幀，將HUB發(fā)給驅(qū)動(dòng)設(shè)備的串口指令數(shù)據(jù)稱為控制幀)，通過(guò)串口通信模塊同時(shí)發(fā)送給6個(gè)驅(qū)動(dòng)設(shè)備，完成控制過(guò)程，驅(qū)動(dòng)設(shè)備在接收到控制幀間隔500 μs后發(fā)送反饋數(shù)據(jù)。HUB將6路反饋數(shù)據(jù)封裝成以太網(wǎng)幀發(fā)給底盤(pán)節(jié)點(diǎn)，完成反饋過(guò)程(本文中反饋幀特指HUB發(fā)給底盤(pán)節(jié)點(diǎn)的反饋數(shù)據(jù))。控制信息收發(fā)過(guò)程與反饋數(shù)據(jù)收發(fā)過(guò)程一起完成整個(gè)的通信過(guò)程。驅(qū)動(dòng)器包含8個(gè)輪轂、8個(gè)懸掛、8個(gè)剎車(chē)，每個(gè)HUB與兩個(gè)剎車(chē)、兩個(gè)懸掛、兩個(gè)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相連接?；贖UB的雙余度底盤(pán)網(wǎng)絡(luò)連接方式如圖3所示。

圖3 基于HUB的雙余度的底盤(pán)網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)行故障樹(shù)分析，圖4為單鏈路HUB底盤(pán)網(wǎng)絡(luò)故障樹(shù)，其中，A0代表交換機(jī)板卡失效；A1代表底盤(pán)板卡失效；A2、A3、A4和A5代表4個(gè)HUB板卡失效；B1代表底盤(pán)與交換機(jī)之間的通信鏈路失效；B2、B3、B4和B5代表4個(gè)HUB與交換機(jī)之間的通信鏈路失效；C1到F6分別代表4個(gè)HUB與24個(gè)驅(qū)動(dòng)器之間的星型TTP鏈路失效。

圖4 單鏈路HUB底盤(pán)網(wǎng)絡(luò)故障樹(shù)

根據(jù)式(1)和式(2)可得單鏈路HUB底盤(pán)網(wǎng)絡(luò)故障概率為1.000×10-5次/h，表2中列出1至4余度鏈路下網(wǎng)絡(luò)的失效概率。可以看到，此種底盤(pán)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)在雙余度時(shí)的故障率滿足1為1×10-9次/h的指標(biāo)要求，并且低于1.1中雙余度總線型網(wǎng)絡(luò)故障率。為滿足車(chē)載網(wǎng)絡(luò)的使用要求并兼顧質(zhì)量和成本，采用雙余度設(shè)計(jì)。

表2 1至4余度下網(wǎng)絡(luò)失效的概率

2 HUB節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

2.1 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

HUB板卡的設(shè)計(jì)方案如圖5(a)所示，采用“核心架構(gòu)+底板功能模塊”的設(shè)計(jì)。核心架構(gòu)設(shè)計(jì)為FPGA+DSP，采用創(chuàng)龍公司的SOM-TL2837xF核心板，上有Xilinx公司的Spartan6芯片和TI公司的F28377芯片，兩者可通過(guò)EMIF模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；設(shè)計(jì)電源模塊用于核心板及底板供電；JTAG模塊用于FPGA與DSP程序燒寫(xiě)；GPIO管腳引出測(cè)試信號(hào)，方便板卡調(diào)試；以太網(wǎng)通信模塊和串口通信模塊用于數(shù)據(jù)交互。HUB板卡PCB如圖5(b)所示，由于單塊底板空間資源限制，HUB板卡設(shè)計(jì)為“底板+拓展蓋板”，底板上的B2B連接器安置核心板，排針用于連拓展蓋板，4路串口與網(wǎng)口安置在底板上，另外4路串口設(shè)計(jì)在拓展蓋板上，圖5(c)為HUB節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖。

圖5 HUB板卡硬件設(shè)計(jì)

RS485通訊具有兼容性高，抗干擾性好的特點(diǎn)[16]，星型TTP協(xié)議根據(jù)RS485接口設(shè)計(jì)。采用一塊隔離式RS-485收發(fā)器ADM2582E芯片實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議，它能夠?qū)π盘?hào)和電源隔離，抗干擾性強(qiáng)。ADM2582E芯片的TXD和RXD引腳連接到FPGA芯片分配的數(shù)據(jù)信號(hào)接口相連接，F(xiàn)PGA_DE_E與FPGA_RE_E為發(fā)送與接收端的使能信號(hào)。采用ACT45B-220-2P共模濾波器連接在A、B和Z、Y兩端，用于濾除共模干擾，提高通信質(zhì)量。通過(guò)是否保留A、Y和B、Z引腳間連接的0 Ω電阻，可以對(duì)電路進(jìn)行RS485/422模式切換。建立A、B、C、D、E、F、G、H這8路收發(fā)器，其中六路串口與6個(gè)驅(qū)動(dòng)器通信，另兩路做冗余備用設(shè)計(jì)。串口通信電路設(shè)計(jì)如圖6(a)所示。以太網(wǎng)協(xié)議規(guī)定，每臺(tái)設(shè)備的物理地址唯一，故只在板卡上設(shè)計(jì)一個(gè)網(wǎng)口模塊，物理層設(shè)計(jì)PHY芯片和千兆網(wǎng)口用于數(shù)據(jù)吞吐，其中PHY芯片采用Realrek公司的RTL821F1EGMII芯片，支持10/100/1000 Mbps的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率，滿足數(shù)據(jù)量增加對(duì)帶寬的要求。網(wǎng)口通信電路設(shè)計(jì)如圖6(b)所示。

圖6 通信電路設(shè)計(jì)

2.2 HUB節(jié)點(diǎn)整體軟件架構(gòu)

整體軟件架構(gòu)為FPGA+DSP的模式，F(xiàn)PGA進(jìn)行數(shù)據(jù)吞吐，包括以太網(wǎng)模塊和TTP總線模塊；DSP對(duì)應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理。FPGA與DSP在物理層通過(guò)EMIF接口連接，設(shè)計(jì)EMIF讀寫(xiě)控制模塊和EMIF數(shù)據(jù)交互模塊實(shí)現(xiàn)板卡內(nèi)數(shù)據(jù)互通。HUB節(jié)點(diǎn)軟件架構(gòu)如圖7所示。

圖7 HUB節(jié)點(diǎn)軟件構(gòu)架

2.3 FPGA軟件架構(gòu)

FPGA軟件架構(gòu)為基于自定義以太網(wǎng)協(xié)議的以太網(wǎng)通信模塊、基于SCI協(xié)議的TTP通信模塊和EMIF讀寫(xiě)控制模塊。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)模塊負(fù)責(zé)收發(fā)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，按照協(xié)議進(jìn)行解析；SCI模塊進(jìn)行串口數(shù)據(jù)幀的收發(fā)；EMIF讀寫(xiě)控制模塊通過(guò)控制EMIF數(shù)據(jù)總線和EMIF地址總線使FPGA與DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。FPGA整體軟件架構(gòu)如圖8所示。

圖8 FPGA整體軟件構(gòu)架

以太網(wǎng)部分采用PHY芯片連接到FPGA芯片Spartan6的IO接口的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)GMII接口網(wǎng)速可達(dá)千兆。通過(guò)自主設(shè)計(jì)的以太網(wǎng)模塊，自下而上完成以太網(wǎng)幀的解析和應(yīng)用數(shù)據(jù)的提取，數(shù)據(jù)鏈路層到網(wǎng)絡(luò)層解析使用以太網(wǎng)協(xié)議的CRC32校驗(yàn)；除此之外，在數(shù)據(jù)幀的應(yīng)用數(shù)據(jù)段尾部加入CRC-32/MPEG-2校驗(yàn)進(jìn)一步增加網(wǎng)絡(luò)的檢錯(cuò)能力。

TTP部分軟件基于SCI協(xié)議制定，共有6路。本設(shè)計(jì)中，考慮到FPGA資源消耗情況并留下升級(jí)空間，并不是每個(gè)SCI模塊都設(shè)計(jì)收發(fā)功能。只在E路設(shè)計(jì)SCI_TXE，發(fā)送輪轂剎車(chē)指令幀，即將輪轂和剎車(chē)的指令放在同一數(shù)據(jù)段，一分四發(fā)給E、F、A、B路，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)協(xié)議自行解析提取。同理，用SCI_TXG發(fā)送懸掛控制幀給G、H路，用一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行多路轉(zhuǎn)發(fā)代替重復(fù)設(shè)計(jì)相同的通信鏈路，提高了芯片資源的利用率。在每一路SCI模塊中，采用CRC-32/MPEG校驗(yàn)并提前20 μs拉高發(fā)送使能，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后20 μs拉低發(fā)送使能，進(jìn)一步提高可靠性與通信質(zhì)量。

2.4 DSP軟件架構(gòu)

DSP程序主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理，當(dāng)HUB節(jié)點(diǎn)接收指令幀時(shí)，DSP通過(guò)EMIF接口輪詢FPGA寫(xiě)過(guò)來(lái)的計(jì)數(shù)更新字節(jié)。若計(jì)數(shù)更新加一，將指令幀中與末端驅(qū)動(dòng)器對(duì)應(yīng)的指令字節(jié)保存至對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體，DSP調(diào)用串口數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)通過(guò)EMIF將數(shù)據(jù)段寫(xiě)入FPGA中SCI模塊對(duì)應(yīng)的RAM。反饋數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，DSP同樣根據(jù)計(jì)數(shù)更新讀入反饋數(shù)據(jù)，寫(xiě)入到以太網(wǎng)反饋數(shù)據(jù)幀中，調(diào)用以太網(wǎng)幀發(fā)送函數(shù)通過(guò)EMIF寫(xiě)入FPGA的以太網(wǎng)模塊對(duì)應(yīng)的RAM。DSP軟件架構(gòu)如圖9所示。

圖9 DSP軟件架構(gòu)

2.5 指令幀的組播功能設(shè)計(jì)

HUB節(jié)點(diǎn)指令幀的發(fā)送設(shè)計(jì)為組播方式，5 ms為周期定時(shí)發(fā)送。以HUB_A1至HUB_A4為例，HUB節(jié)點(diǎn)的組播號(hào)、IP地址和組播IP見(jiàn)表3。底盤(pán)節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令幀時(shí)，DSP將組播IP地址傳遞給FPGA，F(xiàn)PGA程序根據(jù)組播IP將指令幀的目的MAC地址封裝為48’h7f_ff_ff_ff_ff_ff，交換機(jī)根據(jù)組播MAC地址同時(shí)向其它端口發(fā)送指令幀，HUB節(jié)點(diǎn)中的FPGA程序通過(guò)組播MAC地址接收指令幀，并且當(dāng)目的IP地址為組播IP地址時(shí)，才將數(shù)據(jù)幀中的應(yīng)用字段傳遞給DSP，保證了數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

表3 HUB節(jié)點(diǎn)的組播號(hào)與IP地址

3 HUB節(jié)點(diǎn)通信功能測(cè)試

3.1 HUB節(jié)點(diǎn)通信功能測(cè)試

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)HUB節(jié)點(diǎn)通信功能進(jìn)行測(cè)試。以交換機(jī)為中心，連接底盤(pán)節(jié)點(diǎn)、HUB節(jié)點(diǎn)與PC端，設(shè)計(jì)交換機(jī)的端口1為組播端口，底盤(pán)節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)線連接到交換機(jī)的組播端口。再使用輪轂一個(gè)驅(qū)動(dòng)器連接HUB節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行通信鏈路搭建，引出串口數(shù)據(jù)至示波器進(jìn)行觀察記錄，并使用PC端監(jiān)測(cè)以太網(wǎng)幀，若串口數(shù)據(jù)異常，檢查以太網(wǎng)幀數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)原理及數(shù)據(jù)流向?yàn)榈妆P(pán)板卡按照5 ms的周期通過(guò)網(wǎng)口發(fā)送指令幀，通過(guò)交換機(jī)的組播端口將指令幀轉(zhuǎn)發(fā)到其它端口，HUB接收指令幀后會(huì)在FPGA內(nèi)部校驗(yàn)組播MAC地址，符合設(shè)計(jì)要求才繼續(xù)上傳以太網(wǎng)幀，在DSP中將以太網(wǎng)幀解析處理成串口控制幀通過(guò)FPGA發(fā)送到串口E，通過(guò)底盤(pán)集線器發(fā)送給輪轂驅(qū)動(dòng)器E，輪轂驅(qū)動(dòng)器接收到數(shù)據(jù)后相隔500 μs會(huì)向HUB節(jié)點(diǎn)發(fā)送串口反饋幀。實(shí)驗(yàn)中，HUB節(jié)點(diǎn)與輪轂驅(qū)動(dòng)器通過(guò)RS485方式連接，將差分電平引出接示波器進(jìn)行觀察。

由圖10(a)可得，示波器截取28組指令幀與反饋幀，每一幀指令數(shù)據(jù)之后都跟著一幀反饋數(shù)據(jù)，可以初步驗(yàn)證通信鏈路的穩(wěn)定性。由10(b)可得，兩個(gè)指令幀發(fā)送之間的時(shí)間間隔為5 ms，由圖10(c)可得，兩個(gè)反饋幀之間的時(shí)間間隔為5 ms，數(shù)據(jù)幀的時(shí)間間隔正確。由圖10(d)可得，指令幀與反饋的時(shí)間間隔為494 μs，約為500 μs，滿足設(shè)計(jì)要求。如圖10(e)所示，通信一次的總時(shí)間約為2.132 ms，相對(duì)于5 ms一次的通信過(guò)程，占比時(shí)間在50%以下，對(duì)信道的壓力不大，數(shù)據(jù)幀之間也不會(huì)因?yàn)橄喔暨^(guò)近產(chǎn)生干擾。如圖10(f)所示，為原總線型架構(gòu)時(shí)，底盤(pán)節(jié)點(diǎn)和兩個(gè)懸掛驅(qū)動(dòng)器的通信情況，在100 ms內(nèi)僅有26組指令幀與反饋幀時(shí)，發(fā)生兩次丟幀情況，通信質(zhì)量低于HUB構(gòu)型網(wǎng)絡(luò)。

圖10 通信時(shí)間測(cè)試

3.2 HUB節(jié)點(diǎn)反饋幀丟幀測(cè)試

底盤(pán)網(wǎng)絡(luò)是無(wú)人車(chē)能否正常行駛的基礎(chǔ)，HUB節(jié)點(diǎn)在功能上經(jīng)過(guò)測(cè)試，可以初步完成底盤(pán)網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程，但通信時(shí)若有丟幀現(xiàn)象發(fā)生，即不能及時(shí)的將狀態(tài)信息反饋給底盤(pán)節(jié)點(diǎn)，底盤(pán)節(jié)點(diǎn)不能及時(shí)根據(jù)車(chē)輛狀態(tài)進(jìn)行控制，會(huì)造成車(chē)輛行駛或姿態(tài)控制的閉環(huán)控制功能受到影響，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致車(chē)輛行駛失控，故對(duì)網(wǎng)絡(luò)的可靠性，即是否丟幀進(jìn)行測(cè)試十分重要。

實(shí)驗(yàn)采用一個(gè)底盤(pán)節(jié)點(diǎn)板卡、一個(gè)HUB節(jié)點(diǎn)板卡、一個(gè)交換機(jī)板卡、兩個(gè)輪轂驅(qū)動(dòng)器、兩個(gè)懸掛驅(qū)動(dòng)器、兩個(gè)剎車(chē)驅(qū)動(dòng)器，連接設(shè)備所用的網(wǎng)線等器材。使用示波器和PC端觀察數(shù)據(jù)的傳輸情況，并且在PC端采用QT上位機(jī)軟件接收HUB板卡發(fā)送的280字節(jié)以太網(wǎng)反饋幀。丟幀測(cè)試設(shè)備連接方式與示意圖如圖11(a)所示。根據(jù)連接示意圖，使用實(shí)物搭建丟幀測(cè)試設(shè)備如圖11(b)所示，底盤(pán)節(jié)點(diǎn)、HUB_A1和PC端通過(guò)千兆網(wǎng)線連接至交換機(jī)；HUB_A1板卡上的E、F、G、H這4路串口通過(guò)專用集線器與末端驅(qū)動(dòng)設(shè)備連接。集線器一端為DB37插頭連接HUB_A1，另一端為4路DB9插頭連接末端驅(qū)動(dòng)器，中間為屏蔽型雙絞線，可以在物理層進(jìn)一步防止干擾；A、B兩路串口信號(hào)由底部插座引出，物理層同樣使用DB9插頭和雙絞線設(shè)計(jì)。如圖11(c)和圖11(d)所示，通過(guò)wireshark抓包軟件觀察數(shù)據(jù)流向、相關(guān)參數(shù)及數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)，可以看到指令幀發(fā)送后和反饋幀按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行傳輸，相關(guān)參數(shù)例如組播IP結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

圖11 丟幀實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)原理為在驅(qū)動(dòng)器的反饋數(shù)據(jù)中的保留位設(shè)置相鄰兩字節(jié)為計(jì)數(shù)字節(jié)，每發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，計(jì)數(shù)位加1，這些計(jì)數(shù)位會(huì)和反饋數(shù)據(jù)段一起封裝在反饋幀里，上位機(jī)接收反饋數(shù)據(jù)并保存，用MATLAB軟件對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行處理，第一步先將HUB反饋幀以太網(wǎng)首部字節(jié)中的計(jì)數(shù)位進(jìn)行依次相減，驗(yàn)證以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，觀察差值是否為1，若為1，證明沒(méi)有丟幀，若差值為0，說(shuō)明有重復(fù)幀，若差值大于1，說(shuō)明有丟幀情況。再對(duì)反饋幀中儲(chǔ)存各驅(qū)動(dòng)器反饋信息字段中的計(jì)數(shù)字節(jié)進(jìn)行處理，處理方法與首部計(jì)數(shù)位一致，計(jì)數(shù)位連續(xù)才能說(shuō)明反饋數(shù)據(jù)的傳輸是可靠的。

如圖12所示，本文使用QT軟件設(shè)計(jì)通信測(cè)試上位機(jī)，QT是QT Company公司研發(fā)的可支持跨平臺(tái)的C++圖形用戶界面，編寫(xiě)完成后可以在不同的平臺(tái)下編譯[17，18]。本上位機(jī)可以通過(guò)靈活設(shè)置IP地址和端口號(hào)，接收不同通信節(jié)點(diǎn)發(fā)送的以太網(wǎng)幀，并將其以TXT文件格式自動(dòng)保存，設(shè)計(jì)UI界面顯示UDP接收次數(shù)，便于實(shí)驗(yàn)觀察。由于要將PC端作為數(shù)據(jù)的接收方，所以在實(shí)驗(yàn)前，將HUB板卡發(fā)送反饋幀的目的地址由192.168.10.7改為192.168.10.188，即將本機(jī)的IP地址設(shè)為192.168.10.188，遠(yuǎn)程IP地址設(shè)為192.168.10.60，本機(jī)端口號(hào)設(shè)為61441(目的端口號(hào))，遠(yuǎn)程端口號(hào)設(shè)為61440(源端口號(hào))。連接后，PC端會(huì)接收數(shù)據(jù)并保存，本實(shí)驗(yàn)的樣本容量為一萬(wàn)幀數(shù)據(jù)，在UDP接收次數(shù)窗口顯示數(shù)值超過(guò)一萬(wàn)時(shí)，結(jié)束數(shù)據(jù)接收。若連續(xù)一萬(wàn)幀數(shù)據(jù)無(wú)丟幀，重復(fù)幀現(xiàn)象，即故障率至少小于10-4，可以達(dá)到使用要求。

圖12 通信測(cè)試上位機(jī)界面

在MATLAB中對(duì)收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行16進(jìn)制轉(zhuǎn)十進(jìn)制的操作，將其分為280字節(jié)一組，由于采取小端序傳輸數(shù)據(jù)，將相鄰兩字節(jié)置位并拼接為兩字節(jié)的數(shù)據(jù)，得到若干組數(shù)據(jù)，每一組數(shù)據(jù)為140個(gè)，對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行編號(hào)。

如圖13(a)所示，首先分析反饋幀首部的計(jì)數(shù)位，檢查發(fā)送過(guò)程中是否丟幀，計(jì)數(shù)位依次相減的值為縱坐標(biāo)，以太網(wǎng)幀數(shù)量為橫坐標(biāo)，可以得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，連續(xù)一萬(wàn)幀數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)首部計(jì)數(shù)位依次相減的結(jié)果為1，沒(méi)有大于1或小于1的情況出現(xiàn)，說(shuō)明無(wú)丟幀和重復(fù)幀的情況。如圖13(b)所示，另外對(duì)反饋幀中6個(gè)驅(qū)動(dòng)器的反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行丟幀測(cè)試，監(jiān)測(cè)末端驅(qū)動(dòng)設(shè)備向HUB節(jié)點(diǎn)反饋數(shù)據(jù)是否有丟幀或重復(fù)幀產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。由圖可得，6個(gè)數(shù)據(jù)段的計(jì)數(shù)位差值都等于1，說(shuō)明無(wú)丟幀和重復(fù)幀現(xiàn)象，可以認(rèn)為末端驅(qū)動(dòng)器與HUB之間的通信鏈路的可靠性是有保證的。

圖13 通信丟幀測(cè)試

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)總線型通信模式存在的通信質(zhì)量和可靠性問(wèn)題的總結(jié)，對(duì)時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)TTE和星型TTP總線進(jìn)行研究，在軟硬件層面上設(shè)計(jì)了一種HUB，并且設(shè)計(jì)了基于HUB的底盤(pán)網(wǎng)絡(luò)，可以對(duì)總線型通信架構(gòu)進(jìn)行替代，網(wǎng)絡(luò)帶寬可達(dá)千兆，提高了可靠性，對(duì)通信質(zhì)量有好的改進(jìn)，并且便于故障檢測(cè)與排除。除此之外，本文設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)HUB網(wǎng)絡(luò)與總線式網(wǎng)絡(luò)的通信情況進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，驗(yàn)證HUB網(wǎng)絡(luò)有效提高了通信質(zhì)量。伴隨著無(wú)人車(chē)系統(tǒng)的不斷升級(jí)，此HUB的設(shè)計(jì)及使用具有重要意義。