本發(fā)明涉及一種FlexRay（flexibleray靈活的線）總線應(yīng)用層通信方法，屬計算機(jī)通信領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
現(xiàn)代小衛(wèi)星星上信息傳輸采用總線技術(shù)，通過總線，衛(wèi)星星載計算機(jī)可以對星上進(jìn)行高效可靠的管理和控制，以實現(xiàn)預(yù)定的功能和任務(wù)要求。以往我國衛(wèi)星星載網(wǎng)絡(luò)傳輸大都采用1553B、CAN總線，這兩種總線都是完全事件觸發(fā)式總線，事件觸發(fā)式總線網(wǎng)絡(luò)中所有活動都是由事件的發(fā)生所引起的，各個節(jié)點按照自己的情況向總線上傳輸數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點都有可能是下一個發(fā)送者，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)事件的沖突，出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)堵塞、丟幀、延遲等問題，網(wǎng)絡(luò)實時性、可靠性、安全性降低，影響網(wǎng)絡(luò)通信品質(zhì)。而未來星上綜合管控計算機(jī)不僅要承擔(dān)常規(guī)的星務(wù)管理任務(wù)，還需要承擔(dān)整星任務(wù)管理，甚至姿軌控算法的等功能，各分系統(tǒng)間交互的信息量和頻度急劇增加，實時性需求越加嚴(yán)格，控制精度要求越來越高，具有1Mbps的通信速率的事件觸發(fā)式1553B、CAN總線在實時性和傳輸速率方面嚴(yán)重制約了衛(wèi)星星上綜合電子的控制能力和信息共享能力。隨著計算機(jī)與信息技術(shù)的發(fā)展，一種新型的具有時間觸發(fā)和事件觸發(fā)的現(xiàn)場總線FlexRay總線應(yīng)運而生，2006年FlexRay總線應(yīng)用到BMWX54.8i的電子控制減震器系統(tǒng)中，后續(xù)的7X和奧迪A8的懸掛系統(tǒng)和線控系統(tǒng)中也陸續(xù)采用了FlexRay總線。FlexRay總線作為高速時間觸發(fā)的控制總線具有以下特點：1．具有時間觸發(fā)和事件觸發(fā)兩種機(jī)制。FlexRay總線在一個周期循環(huán)中包括靜態(tài)段和動態(tài)段，靜態(tài)段采用時間觸發(fā)通信機(jī)制，通過對節(jié)點和信息分配固定時隙的算法，保證了信息傳輸?shù)拇_定性和實時性，動態(tài)段采用事件觸發(fā)的模式，保證了臨時性的重要數(shù)據(jù)在總線忙時有機(jī)會被發(fā)送，保證了總線發(fā)送的靈活性。2．高速的傳輸速率。一個FlexRay總線的控制芯片支持兩個通信信道，每個通信信道的速度可以達(dá)到10Mbps，兩個信道可用于傳輸不同的信息。3．具有高可靠。通信在周期循環(huán)的靜態(tài)段采用時間觸發(fā)的構(gòu)架，這種基于同步時基的訪問方法，保證在靜態(tài)段傳輸?shù)奶囟ㄏ?，在周期循環(huán)中擁有固定的位置，也就是說接收器已經(jīng)提前知道了消息到達(dá)的時間，并且到達(dá)時間的臨時偏差幅度會非常小，保證了信息傳遞的確定性。4．容錯性好。FlexRay提供多個級別的容錯功能，包括單通道和雙通道容錯通信。獨立的物理層總線監(jiān)控器，把物理節(jié)點的通信控制器與總線相連。當(dāng)某個節(jié)點發(fā)生故障而不能正常的接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時，總線監(jiān)控器會將通信控制器和總線斷開，從而不會影響到其他節(jié)點的工作，相比CAN、1553B具有很好的容錯性。按照總線網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)，常用的FlexRay總線網(wǎng)絡(luò)分為3層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，物理層規(guī)定了FlexRay總線的機(jī)械、電氣等要求，鏈路層規(guī)定了幀結(jié)構(gòu)、幀傳輸方式、時間同步等問題。但是FlexRay總線協(xié)議并沒有對應(yīng)用層做詳細(xì)的規(guī)定，只是規(guī)定通信周期的時間長度，每個時隙的最大有效傳輸位數(shù)等參數(shù)，對應(yīng)用層時隙的大小、時隙的配置、信息交互的周期并沒有做詳細(xì)的規(guī)定?，F(xiàn)在雖然汽車領(lǐng)域?qū)lexRay應(yīng)用層已經(jīng)有了初步的研究，但是由于衛(wèi)星 應(yīng)用的傳輸信息的多樣性、傳輸?shù)母呖煽恳约靶巧腺Y源有限等特點，不能完全適于衛(wèi)星的應(yīng)用，主要原因有兩個，一個是在汽車領(lǐng)域，F(xiàn)lexRay總線主要用于線控系統(tǒng)，控制信息量少而且單一，所以在汽車領(lǐng)域，F(xiàn)lexRay總線的信息交互周期就是總線周期，而在衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域，F(xiàn)lexRay總線不但要承擔(dān)星上控制信息的傳輸又要承擔(dān)管理信息的傳輸，所以星上信息的傳輸量大而多樣性，單個總線周期不能滿足星上需求，需要對FlexRay總線星上時隙進(jìn)行重新配置，對總線周期進(jìn)行周期擴(kuò)展；另一個原因是在汽車領(lǐng)域只使用了FlexRay總線的靜態(tài)段，而在衛(wèi)星領(lǐng)域，由于上注信息、故障模式等突發(fā)事件，需要及時傳輸信息，所以不能只考慮靜態(tài)段，需要使用動態(tài)段保證信息的及時傳輸。通過檢索未發(fā)現(xiàn)國外與本發(fā)明相似的公開出版物及專利。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：提供一種小衛(wèi)星用FlexRay總線應(yīng)用層通信方法，解決了FlexRay總線星上應(yīng)用的通信交互問題。該方法根據(jù)小衛(wèi)星應(yīng)用，設(shè)計FlexRay總線的工作模式，結(jié)合FlexRay總線通信協(xié)議的V2.1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，進(jìn)行節(jié)點間通信應(yīng)用協(xié)議約定，有效規(guī)范了小衛(wèi)星用星載FlexRay總線時隙以及信息交互的通信周期，實現(xiàn)了小衛(wèi)星星上電子FlexRay總線應(yīng)用層的有效通信。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種小衛(wèi)星用FlexRay總線應(yīng)用層通信方法，其特征在于：基于FlexRay總線通信協(xié)議的V2.1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，按照如下方法進(jìn)行星上電子系統(tǒng)各個通信節(jié)點間通信：（1）根據(jù)小衛(wèi)星星上電子系統(tǒng)信息流，設(shè)計小衛(wèi)星星上電子系統(tǒng)工作模式，將星上電子系統(tǒng)的信息進(jìn)行分類，具體如下：將小衛(wèi)星星上電子系統(tǒng)中設(shè)計為正常工作模式和異常模式兩種工作模式； 正常模式，即基于FlexRay總線的星上電子系統(tǒng)的各個通信節(jié)點均處于正常工作模式，此時星上電子系統(tǒng)通信循環(huán)中不存在外部觸發(fā)事件，一切事件的發(fā)生都是可預(yù)知的，所有信息的傳輸都是按照事先制定的時間調(diào)度表進(jìn)行，信息的通信方式為消息訂閱方式，在正常模式下，信息的傳輸都使用FlexRay總線的靜態(tài)段；異常模式，即基于FlexRay總線的星上電子系統(tǒng)各個通信節(jié)點中存在外部觸發(fā)事件，外部觸發(fā)事件的發(fā)生都是不可預(yù)知的，所有信息的傳輸都是由外部事件觸發(fā)，信息的傳輸都使用FlexRay總線的動態(tài)段。（2）將小衛(wèi)星星上電子系統(tǒng)中的信息分為兩類，第一類是在星上電子系統(tǒng)正常模式下由時間觸發(fā)的信息，第一類信息包括星上電子系統(tǒng)中各個總線節(jié)點遙測參數(shù)、星時參數(shù)、周期性的控制指令；第二類是在星上電子系統(tǒng)異常模式下由事件觸發(fā)的信息，第二類信息包括星上電子系統(tǒng)的遙控指令、上注數(shù)據(jù)、各個總線節(jié)點的故障信息；星載FlexRay總線通信周期包括靜態(tài)段和動態(tài)段，靜態(tài)段用于傳輸?shù)谝活愋畔?，動態(tài)段用于傳輸?shù)诙愋畔?。?）基于FlexRay總線通信協(xié)議的V2.1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，進(jìn)行星上電子系統(tǒng)通信節(jié)點間通信應(yīng)用協(xié)議約定。具體包括靜態(tài)段時隙設(shè)定、動態(tài)段時隙設(shè)定、時隙分配三個方面，具體如下：靜態(tài)段時隙設(shè)定：靜態(tài)段時隙由FlexRay總線比特率和最長數(shù)據(jù)幀決定，靜態(tài)段時隙的長度至少是靜態(tài)段傳輸?shù)淖铋L幀所需時間，加上星上電子系統(tǒng)各個通信節(jié)點處理的最長時間和時間精度的持續(xù)時間以及時隙延時校正參數(shù)的最大值。動態(tài)段時隙設(shè)定：動態(tài)段時隙是由總線比特率和實時性需求決定，為了保證動態(tài)段數(shù)據(jù)位傳輸時間，時隙即最小時間片應(yīng)滿足任何數(shù)據(jù)幀的完整傳輸，動態(tài)段時隙的長度至少是傳輸最短的幀所需時間，傳輸最短的幀包括頭部段、2 個字節(jié)的消息識別域、6個字節(jié)的數(shù)據(jù)域和尾部段。時隙分配：根據(jù)FIexRay總線2.1協(xié)議，每個通信周期最長為16ms。根據(jù)星上實際信息量設(shè)定通信循環(huán)周期T，T小于16ms。根據(jù)FlexRay總線的小衛(wèi)星星上電子系統(tǒng)中兩類信息量的大小設(shè)定靜態(tài)段時間長度和動態(tài)段時間長度。（4）根據(jù)步驟三設(shè)定的靜態(tài)段時隙、動態(tài)段時隙和時隙分配，進(jìn)行星載FlexRay總線時間調(diào)度表編排，具體如下：根據(jù)設(shè)定的靜態(tài)段時隙、動態(tài)段時隙和時隙的分配，結(jié)合小衛(wèi)星電子系統(tǒng)交互信息量的大小，進(jìn)行時間調(diào)度表設(shè)計?；贔lexRay總線的星上網(wǎng)絡(luò)設(shè)計還需要根據(jù)衛(wèi)星系統(tǒng)信息交互周期的需求進(jìn)行FlexRay總線通信周期的設(shè)計，由于FlexRay總線協(xié)議規(guī)定的通信周期最大為16ms，如果星上信息交互周期小于16ms，則可以直接配置通信周期；如果信息交互周期大于16ms，則可以對FlexRay總線的通信周期進(jìn)行整數(shù)倍的擴(kuò)展以滿足通信需求。從而完成了小衛(wèi)星星上電子系統(tǒng)FlexRay總線應(yīng)用層通信。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果為：（1）由于目前在衛(wèi)星領(lǐng)域還沒有FlexRay總線應(yīng)用層協(xié)議的相關(guān)技術(shù)，所以本發(fā)明填補了衛(wèi)星用FlexRay總線應(yīng)用層協(xié)議，針對小衛(wèi)星系統(tǒng)的應(yīng)用特點計算了靜態(tài)段時隙的時間長度和動態(tài)段時隙的時間長度。（2）本發(fā)明將小衛(wèi)星星上電子系統(tǒng)的工作模式分為正常工作模式和異常模式，有利于星上信息流的梳理，以及時間調(diào)度表的排布。（3）本發(fā)明設(shè)定小衛(wèi)星用FlexRay總線通信節(jié)點主要時間參數(shù)，滿足了小衛(wèi)星星上電子系統(tǒng)對FlexRay總線時隙的要求和實時性的要求。（4）本發(fā)明設(shè)定了一種小衛(wèi)星用FlexRay總線信息交互周期，提高現(xiàn)有小衛(wèi)星信息交互周期，滿足小衛(wèi)星星上電子系統(tǒng)信息的交流。（5）本發(fā)明通過對總線通信速率、靜態(tài)時隙、動態(tài)段時隙時間長度的設(shè)定、時隙的配置以及信息交互周期的設(shè)計，使有效規(guī)范了星上FlexRay總線的應(yīng)用，使星上軟件的編寫有章可循。附圖說明圖1為本發(fā)明小衛(wèi)星用FlexRay總線應(yīng)用層通信方法流程圖；圖2為本發(fā)明小衛(wèi)星用FlexRay總線通信周期；圖3為本發(fā)明小衛(wèi)星用FlexRay總線通信集群主要時間參數(shù)；圖4為本發(fā)明小衛(wèi)星用FlexRay總線信息交互周期時隙調(diào)度表；具體實施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。如圖1所示，本發(fā)明是一種小衛(wèi)星用星載FlexRay總線應(yīng)用層通信方法，該通信方法的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議基于FlexRay總線通信協(xié)議的V2.1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，該方法分為四個步驟，第一步是對設(shè)計星上電子系統(tǒng)的工作模式，第二步是對星上電子系統(tǒng)的信息進(jìn)行分類，第三步基于FlexRay總線的星上電子系統(tǒng)各個通信節(jié)點間通信應(yīng)用協(xié)議約定，制定FlexRay總線速率、靜態(tài)段和動態(tài)段的時間參數(shù)以及時隙的分配，第四步是根據(jù)小衛(wèi)星電子系統(tǒng)交互信息量的大小，進(jìn)行總線時間調(diào)度表編排。1、根據(jù)小衛(wèi)星星上電子系統(tǒng)信息流，設(shè)計小衛(wèi)星星上電子系統(tǒng)工作模式，將星上電子系統(tǒng)的信息進(jìn)行分類，具體如下：將小衛(wèi)星星上電子系統(tǒng)中設(shè)計為正常工作模式和異常模式兩種工作模式。正常模式，即綜合數(shù)據(jù)管控、姿控、熱控等系統(tǒng)均處于正常工作模式，此時星上電子系統(tǒng)各個通信節(jié)點間通信中不存在外部觸發(fā)事件，一切外部事件的發(fā)生都是可預(yù)知的，所有信息的傳輸都是按照事先制定的時間調(diào)度表進(jìn)行，信息的 通信方式為消息訂閱方式。在正常模式下，信息的傳輸都使用FlexRay總線的靜態(tài)段；異常模式，即星上電子系統(tǒng)通信循環(huán)中存在外部觸發(fā)事件，外部事件的發(fā)生都是不可預(yù)知的，所有信息的傳輸都是由外部事件觸發(fā)，信息的傳輸都使用FlexRay總線的動態(tài)段。2、將小衛(wèi)星星上電子系統(tǒng)中的信息分為兩類，第一類是在星上電子系統(tǒng)正常模式下由時間觸發(fā)的信息，第一類信息包括星上電子系統(tǒng)中各個總線節(jié)點遙測參數(shù)、星時參數(shù)、周期性的控制指令；第二類是在星上電子系統(tǒng)異常模式下由事件觸發(fā)的信息，第二類信息包括星上電子系統(tǒng)的遙控指令、上注數(shù)據(jù)、各個總線節(jié)點的故障信息。星載FlexRay總線采用靜態(tài)段和動態(tài)段，靜態(tài)段用于傳輸?shù)谝活愋畔?，動態(tài)段用于傳輸?shù)诙愋畔ⅰ?、基于FlexRay總線通信協(xié)議的V2.1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，進(jìn)行星上電子系統(tǒng)通信節(jié)點間通信應(yīng)用協(xié)議約定。具體包括靜態(tài)段時隙設(shè)定、動態(tài)段時隙設(shè)定、時隙分配等方面，具體如下：（1）FlexRay總線速率采用5Mbps。根據(jù)星上電子遙控、遙測、上注等信息傳遞的實際需求，滿足大部分節(jié)點的信息都在一幀中傳輸要求，定義每幀負(fù)荷段中傳輸250個字節(jié)。（2）靜態(tài)段時隙設(shè)定。靜態(tài)段時隙時間長度相同，時隙的長度為數(shù)據(jù)幀傳輸時間加上網(wǎng)絡(luò)閑置時間之和。由于靜態(tài)段消息在每個FlexRay通信周期的固定時刻發(fā)送，所以不用考慮隊列延遲，因此時隙長度也就是靜態(tài)段發(fā)送延遲時間。發(fā)送延遲是指節(jié)點發(fā)送信息所需要的時間，發(fā)送延遲因為只與消息幀自身和總線參數(shù)有關(guān)，所以可根據(jù)FIexRay總線幀格式的定義計算時隙長度。在一個FIexRay總線數(shù)據(jù)幀中，幀頭部段占用5個字節(jié)，尾部段占用3個字節(jié)，本發(fā)明定義每幀負(fù)荷段為250個字節(jié)，共計258字節(jié)，每一個字節(jié)前面都 需要添加了2位的字節(jié)開始序列BSS，所以每字節(jié)實際占有10位，共計2580位。再加上個7個位的傳輸開始序列TSS，1個位的幀開始序列FSS，和2個位的幀結(jié)尾序列FES，所以傳完每一幀需要2590位。滿足2590bit<aFrameLengthStaticMax[gdBit]=2628bit。根據(jù)FIexRay總線2.1協(xié)議，在5Mbps下傳輸每一位的時間為0.2003μs。所以傳輸2590bit需要的時間為518.8μs?？紤]到位流信息、閑置時間等和一個時間偏差，約30位，在5MHZ下約6μs，網(wǎng)絡(luò)空閑時間設(shè)為130個節(jié)拍，即26μs。最后一個靜態(tài)時隙定義為550μs，小于2.1協(xié)議中的adTxMax[μs]值，滿足要求。（3）動態(tài)段時隙設(shè)定。如果動態(tài)段時間較短，低優(yōu)先權(quán)的動態(tài)段消息幀有可能因為大量高優(yōu)先權(quán)消息幀的發(fā)送無法在本通信周期內(nèi)進(jìn)行發(fā)送，為了避免這種情況，每個動態(tài)段時間長度應(yīng)足夠動態(tài)段消息在本通信周期內(nèi)完成。根據(jù)星上電子系統(tǒng)傳輸信息需求，在動態(tài)段，數(shù)據(jù)段的頭2個字節(jié)通常用作消息識別域，傳輸最短的幀包括2個字節(jié)的消息識別域和6個字節(jié)的數(shù)據(jù)域，1個字節(jié)的數(shù)據(jù)部分，3個字節(jié)的CRC校驗碼，5個字節(jié)的幀頭，總共17個字節(jié)，每一個字節(jié)前面都需要添加了2位的字節(jié)開始序列BSS，所以每字節(jié)實際占有10位，共計170位。再加上個7個位的傳輸開始序列TSS，1個位的幀開始序列FSS，和2個位的幀結(jié)尾序列FES，所以傳完每一幀需要180位。根據(jù)FIexRay總線2.1協(xié)議，在5Mbps下傳輸每一位的時間為0.2003μs。所以傳輸180bit需要的時間為36.054μs?？紤]到閑置時間和時間偏差等約4μs，所以傳輸一個最短幀所需時間約為40μs。所以一個動態(tài)段小時隙定義為40μs。（4）小衛(wèi)星用FlexRay總線時隙分配。根據(jù)FIexRay總線2.1協(xié)議，每個通信周期最長為16ms，即cdCycleMax=16000μs。本發(fā)明設(shè)定通信循環(huán)周期 T為15ms，小于16ms，滿足要求?？紤]到FlexRay總線的小衛(wèi)星星上電子系統(tǒng)中設(shè)計了兩種工作模式中信息流的多少，如圖2所示，設(shè)定靜態(tài)段時間長度為11ms，動態(tài)段時間長度為4ms。靜態(tài)段占用時間設(shè)計11ms，由于每個時隙的持續(xù)時間為550μs，所以靜態(tài)段可以定義20個時隙，最大限度的為后續(xù)系統(tǒng)預(yù)留足夠的通信時間；動態(tài)段占用時間設(shè)計4ms，動態(tài)段時隙的持續(xù)時間為40μs，所以動態(tài)段可以定義100個時隙，即動態(tài)段傳輸?shù)男畔⒖稍O(shè)1到100個優(yōu)先級。根據(jù)以上定義，如圖3所示，設(shè)定小衛(wèi)星用FlexRay總線通信集群主要時間參數(shù)。靜態(tài)段采用雙通道冗余設(shè)計，每個通信循環(huán)有20個小時隙，每個小時隙的時間長度為550μs，每一幀傳輸?shù)淖畲笥行?shù)據(jù)為250字節(jié)；動態(tài)段也采用雙通道冗余機(jī)制，每個通信循環(huán)有100個小時隙，每個小時隙的時間長度為44μs，每一幀傳輸?shù)淖畲笥行?shù)據(jù)為8字節(jié)。4、根據(jù)步驟三設(shè)定的靜態(tài)段時隙、動態(tài)段時隙和時隙分配，進(jìn)行星載FlexRay總線時間調(diào)度表編排，具體如下：基于FlexRay總線的星上網(wǎng)絡(luò)設(shè)計還需要根據(jù)衛(wèi)星系統(tǒng)信息交互周期的需求進(jìn)行FlexRay總線通信周期的設(shè)計，根據(jù)上一項的發(fā)明，設(shè)定FlexRay總線通信循環(huán)周期T為15ms，但是星上信息交互的周期大于T，所以需要對FlexRay總線的通信周期進(jìn)行整數(shù)倍的擴(kuò)展以滿足通信需求。根據(jù)現(xiàn)代小衛(wèi)星星上傳輸信息流多少及信息交互周期的大小，信息交互周期擴(kuò)展方法圖4如所示，設(shè)定信息交互周期為150ms，也即10個總線通信周期，即在一個信息交互周期中可用的靜態(tài)段時隙為200個，可用的動態(tài)段時隙為1000個。本發(fā)明未公開技術(shù)屬本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識。