航空電子通信系統關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的淺析
摘要：現代航空電子綜合化技術(shù)的發(fā)展走走提高了飛機的性能，信息綜合化技術(shù)中最重要的技術(shù)之一就是航空電子通信技術(shù)�；贛IL—s11卜l553B總線(xiàn)，本文分析了航空電子通信系統設計中若干關(guān)鍵性問(wèn)題的解決逢輕。最后著(zhù)重說(shuō)明了某機械ACT飛控系統1553/3總線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )的實(shí)現技術(shù)。
關(guān)鍵詞：航空電子;通信;1553B總線(xiàn)
概述現代航空電子綜合化技術(shù)的發(fā)展太大提高了飛機的性能，航空電子綜合化的最關(guān)鍵基礎是機載通信網(wǎng)絡(luò )的組建。統計國內外機載電子通信系統，先進(jìn)的大型民用飛機，如空中客車(chē)、渡音客機采用了ARINCA29或ARINC629建立了航空電子通信網(wǎng)絡(luò )：而現役和正在研制的飛機絕大多數則基于MIL—STD一1553B建立了多路傳輸總線(xiàn)分布式航空電子通信系統。無(wú)論軍民機，航空電子通信網(wǎng)絡(luò )能夠實(shí)現航空電子設備的信息綜合，達到了航空電子信息綜合化的目的。值得注意的是軍機的高實(shí)時(shí)性、機動(dòng)性和可靠性等特殊指標對航空電子通信系統提出了更高的要求。本文針對軍機航空電子通信系統的關(guān)鍵性問(wèn)題進(jìn)行了分析說(shuō)明，給出了先進(jìn)可行的解決方案。最后以某機載ACT飛控系統的1553B總線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )為例，著(zhù)重說(shuō)明了其實(shí)現技術(shù)。
1 航電通信系統幾個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題的分析基于1553B多路傳輸總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。航空電子信息綜合化的三個(gè)特點(diǎn)是：第一。以1553B總線(xiàn)方式將多個(gè)物理分布的子系統連接成網(wǎng);第二，由于各子系統工作模式、控制對象及數據產(chǎn)生、傳輸、處理的實(shí)時(shí)性要求等不同，因而在網(wǎng)絡(luò )的布局、信息的傳輸控制方面各自會(huì )有特殊的要求;第三，雖然各個(gè)子系統是異步工作。但要完成飛行和作戰任務(wù)，一些共享信息需要在統一的時(shí)基上處理才有效。所以需要建立航電時(shí)鐘同步機制。因此，下面從航電通信系統的層次結構、網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構、通信控制方案和航電時(shí)鐘同步設計等角度進(jìn)行分析。
1.1 航電通信系統層次結構參考ISO的開(kāi)放式互連系統七層模式，航空電子通信系統分為5層：應用層、驅動(dòng)層、傳輸層、數據鏈路層和物理層，如圖1所示。這5層之間功能劃分應明確，接口應簡(jiǎn)單，從而為硬軟件的設計實(shí)現奠定良好的基礎。
應用層是通信系統的最高層次，它實(shí)現通信系統管理功能(如初始化、維護、重構等)和解釋功能(如描述數據交換的含義、有效性、范圍、格式等)。
驅動(dòng)層是應用層與底層的軟件接口。為實(shí)現應用層的管理功能，驅動(dòng)層應能控制子系統內多路傳輸總線(xiàn)接口(簡(jiǎn)稱(chēng)MBI)的初始化、啟動(dòng)、停止、連接、斷開(kāi)、啟動(dòng)其自測試，監控其工作狀態(tài)，控制其和子系統主機的數據交換。
傳輸層控制多路傳輸總線(xiàn)上的數據傳輸，傳輸層的任務(wù)包括信息處理、通道切換、同步管理等。
數據鏈路層按照MIL—STD一1553B規定�？刂瓶偩�(xiàn)上各條消息的傳輸序列。
物理層按照MIL—STD一1553B規定，處理1553B總線(xiàn)物理介質(zhì)上的位流傳輸。
應用層、驅動(dòng)層在各個(gè)子系統主機上實(shí)現，傳輸層、數據鏈路層、物理層在MBI上實(shí)現。
1.2 通信網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構選擇航電通信網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構是指航電各個(gè)子系統物理上的互連結構。理論分析仿真和實(shí)際應用驗證(如F一16、F一18、A一10、B一52等軍機應用)的典型拓撲結構有以下三種：
第一，單一級總線(xiàn)拓撲結構，在該拓撲結構中，航電所有的子系統均連接到同一1553B總線(xiàn)電纜上。該結構適用于子系統數量較少、網(wǎng)絡(luò )通信負荷量較低的航電系統。
第二，多個(gè)單級總線(xiàn)拓撲結構，在該拓撲結構中，航電的各子系統按功能相近或相互閫通信交換信息頻繁度分類(lèi)。將不同類(lèi)子系統分別連至2個(gè)或多個(gè)1553B總線(xiàn)上 該結構適用于子系統數量較多、網(wǎng)絡(luò )通信負荷量較重(單一級總線(xiàn)無(wú)法滿(mǎn)足)的航電系統。典型例子如將航電通信網(wǎng)絡(luò )組建為控制導航和武器管理兩個(gè)總線(xiàn)。
第三，多級總線(xiàn)拓撲結構，在該拓撲結構中。至少存在通信功能層次高低有別的兩級1553B總線(xiàn)，一般下級總線(xiàn)需接收上級總線(xiàn)的控制命令，同時(shí)向上一級總線(xiàn)回送工作參數。該結構適用于航空電子中部分子系統的功能單元數量較多、各單元需要1553B總線(xiàn)(即下級總線(xiàn))連網(wǎng)通信，最終各個(gè)子系統通過(guò)上級1553B總線(xiàn)互連的航電系統。該結構管理復雜。不僅要求設計好上下總線(xiàn)閫的硬件網(wǎng)關(guān)，而且要組織好上下級總線(xiàn)間的信息交換。
航電通信設計者應根據機載電子設備的數量、通信的吞吐量、實(shí)時(shí)響應時(shí)問(wèn)及通信的可靠性，從上述典型的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構中優(yōu)選或組合出最佳的通信網(wǎng)絡(luò )。
1.3通信控制方案1553B標準一“指令/響應式多路傳輸數據總線(xiàn)標準” 不僅支持集中模式的靜態(tài)總線(xiàn)控制方案，而且支持分布模式的動(dòng)態(tài)總線(xiàn)控制方案。
靜態(tài)總線(xiàn)控制方案是由一個(gè)固定的總線(xiàn)控制器管理1553B總線(xiàn)上所有子系統間的消息通信。該方案具有通信控制簡(jiǎn)單、故障易檢測、硬軟件實(shí)現容易等優(yōu)點(diǎn)，但存在集中控制網(wǎng)絡(luò )固有的單點(diǎn)故障造成通信癱瘓的致命缺點(diǎn)。
動(dòng)態(tài)總線(xiàn)控制方案是指1553B總線(xiàn)上有若干個(gè)具備作為總線(xiàn)控制器的子系統，但一個(gè)時(shí)閫段上僅允許一個(gè)作為總線(xiàn)控制器�？偩�(xiàn)控制權的交接方式有兩種：時(shí)分制方式，即每個(gè)潛在的總線(xiàn)控制器被預先分配給固定的時(shí)間段來(lái)控制總線(xiàn);循環(huán)交接控制權方式，該方式是按照各子系統的通信地址排列順序交接控制權，該方式較時(shí)分制方式管理復雜但效率高。動(dòng)態(tài)總線(xiàn)控制方案具有分布控制網(wǎng)絡(luò )的優(yōu)勢一通信網(wǎng)絡(luò )具備較強的可重構性和可靠性，卻帶來(lái)了通信控制復雜、故障檢測難、硬軟件實(shí)現難度大等缺點(diǎn)。
為滿(mǎn)足航電總體指標的要求，綜合分析靜態(tài)/動(dòng)態(tài)總線(xiàn)控制方案的特點(diǎn)。宜采用雙余度靜態(tài)總線(xiàn)控制器互為備份方式，其結構如圖2所示。在此模式中，1553B總線(xiàn)上有兩個(gè)具備總線(xiàn)控制能力的控制器。兩者互為備份。上電時(shí)其中一個(gè)作為活動(dòng)總線(xiàn)控制器管理總線(xiàn)通信。另一個(gè)則作為備份總線(xiàn)控制器;備份總線(xiàn)控制器一直監視活動(dòng)總線(xiàn)控制器的工作狀況。一旦發(fā)現其出現不可恢復的故障時(shí)，即替代之成為括動(dòng)總線(xiàn)控制器管理總線(xiàn)通信。該方案既具有通信控制簡(jiǎn)單、故障易檢測、硬軟件實(shí)現容易等優(yōu)點(diǎn)，又避免了單點(diǎn)故障造成通信癱瘓的致命缺點(diǎn)，是一種性能價(jià)格比優(yōu)的可行控制方案。
1.4 時(shí)間同步機制由于航電系統的各子系統均分別按自己的計時(shí)時(shí)鐘進(jìn)行工作，其間必然存在計時(shí)誤差問(wèn)題。但為了實(shí)現各子系統之間的實(shí)時(shí)性任務(wù)和傳輸信息同步，要求航電通信系統提供一個(gè)統一的系統時(shí)間。
該時(shí)間的統一不僅是上電后的短時(shí)間內，而且在飛行中要一直保持。為實(shí)現這一需求，必須建立航電時(shí)間同步機制。該機制工作原理如下。
航電的每一個(gè)子系統均應具有一個(gè)時(shí)鐘分辨率和長(cháng)度都相同的實(shí)時(shí)計時(shí)器(RTC)，各子系統的實(shí)時(shí)計時(shí)器上電后。自動(dòng)開(kāi)始記數。由航電總線(xiàn)控制器周期性向各個(gè)子系統廣播其實(shí)時(shí)計時(shí)器值，各個(gè)子系統按照此周期不斷的計算自己的RTC與總線(xiàn)控制器RTC之間的誤差，并以修正的統一的系統時(shí)間來(lái)處理實(shí)時(shí)任務(wù)。應根據航電系統及各個(gè)子系統對RTC精確度的要求。確定總線(xiàn)控制器廣播RTC的周期值。當需要高精確度時(shí)，該周期值應小;反之，該周期值應選大一些。
采用該航電時(shí)間同步機制，實(shí)現了航電系統各個(gè)子系統的時(shí)基統一，保證了整個(gè)飛機飛行和作戰高性能的發(fā)揮。
1.5 通信故障處理通信故障處理負責處理系統通信過(guò)程中發(fā)生的故障和錯誤。故障處理過(guò)程可分為臨時(shí)故障和永久故障，臨時(shí)故障指由于干擾出現的偶然性故障;而永久故障是由于子系統或通信電纜的硬件故障造成的較長(cháng)時(shí)間內或永久性存在的故障。
總線(xiàn)控制器對各個(gè)子系統報告的或電纜出現的通信故障，首先在雙余度電纜上按系統要求進(jìn)行若干次重試，若故障消失則認定為臨時(shí)性故障;否則總線(xiàn)控制器將該故障記錄在案，認定為永久性故障。
總線(xiàn)控制器對判定出的故障子系統下網(wǎng)，僅按一定查詢(xún)周期去查詢(xún)故障子系統;而對判定出的故障電纜需作記錄。
非總線(xiàn)控制器所在子系統中發(fā)現的故障，分為以下三種處理方式：
第一，如果子系統中的多路總線(xiàn)接口硬件故障。
狀態(tài)字中的終端標志位就應置位;第二，如果子系統中出現非MBI的故障，且此故障非癱瘓性故障，則狀態(tài)字中的予系統標志位就應置位;第三，如果子系統中主機CPU停止了工作。應禁止MBI響應總線(xiàn)控制器命令。
2 某ACT飛控系統1553B總線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )的實(shí)現技術(shù)上述的航電通信系統關(guān)鍵問(wèn)題及其解決途徑，是一通用性設計準則。具體到某航空電子通信系統或某一些特殊的航電分系統內部1553B通信網(wǎng)絡(luò )的組建，就要進(jìn)行必要的優(yōu)化設計。下面以某機載ACT飛控系統的1553B總線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )為例，說(shuō)明上述航電通信設計準則的具體應用技術(shù)。
某機載ACT飛控系統由4個(gè)子系統組成，它們是：飛控計算機(眥)、機上維護BIT(MBIT)裝置、碼聲器和飛行參數記錄裝置。其中FLCC采用4余度控制策略。因而具有4個(gè)通道，每一通道均需一個(gè)1553B通信接口(MBI)。這樣一來(lái)ACT飛控系統內部的1553B通信網(wǎng)絡(luò )共有7個(gè)節點(diǎn)。
首先。ACT飛控系統采用了基于1553B總線(xiàn)的分布式通信系統。因而上述的航電通信系統5層結構同樣可以適用。采用該層次結構保證了ACT飛控系統網(wǎng)絡(luò )設計的正確性、清晰性、易修改性和高可靠性。
在網(wǎng)絡(luò )拓撲結構方面，ACT飛控系統的7個(gè)節點(diǎn)，正常情況下一個(gè)作為總線(xiàn)控制器(BC)，其余作為遠程終端(RT)。系統通信量不繁重且網(wǎng)絡(luò )所連節點(diǎn)較少。因而選擇單一級1553B總線(xiàn)拓撲結構既可滿(mǎn)足通信要求，又能夠方便實(shí)現。
在選擇通信控制方案時(shí)，必須從ACT飛控系統是飛機電子設備中最關(guān)鍵且可靠性要求最高的特點(diǎn)出發(fā)。為保證FLCC的萬(wàn)無(wú)一失，作為總線(xiàn)控制器的FLCC采用互為備份的4余度通信控制設計方案，比通常的雙余度備份方案吏為可靠。4余度通信控制方案決定了FLCC需要4個(gè)嵌入式MBI，其中一個(gè)作為BC管理1553B總線(xiàn)通信，其余作為RT(備份Bc)工作。僅當活動(dòng)的Bc出現故障時(shí)。由地址較小的RT頂替之成為BC開(kāi)始管理1553B總線(xiàn)通信。這里不再詳述故障判定與處理等問(wèn)題。
在時(shí)間同步方面，第一，ACT飛控系統的FLCCA余度通道間有嚴格的時(shí)間同步。這由FLO2內部時(shí)鐘系統實(shí)現，屬于多余度計算機設計范圍內的問(wèn)題，與1553B通信網(wǎng)絡(luò )各個(gè)節點(diǎn)之間的時(shí)問(wèn)同步層次不同;第二，FLCC、MBIT裝置、碼聲器和飛行參數記錄裝置之間155313總線(xiàn)信息的傳遞是按照FLCC的時(shí)間周期12.5ms進(jìn)行的，其消息的更迭呈周期性時(shí)間特性;各個(gè)節點(diǎn)間沒(méi)有前面第二節所述對實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)同步的要求，故未在各個(gè)節點(diǎn)中增加基于RTC的同步機制。
最后在故障處理方面，第一，FLCC采用了冗余設計思想。實(shí)現了4余度MBI互為備份的方案，這樣MBI出現故障不至于影響系統整體性能;第二，一旦F1J：C的BC出現故障，FLCC內部其他的RT可監視到其故障出現并及時(shí)處理;第三，如果FLCC的BC發(fā)現MBIT裝置、碼聲器和飛行參數記錄裝置中任意一個(gè)出現通信故障，首先進(jìn)行消息重試，若故障消失則認定為臨時(shí)性故障，否則對判定出的故障節點(diǎn)下網(wǎng)。
3 結束語(yǔ)
航空電子通信系統是一個(gè)復雜的機載分布式實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò )，涉及到航空電子多路傳輸總線(xiàn)上所有的電子設備，其頂層設計的好壞直接影響到整個(gè)飛機的性能。上述的航電通信系統層次結構、網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構、通信控制方案、航電時(shí)鐘同步設計和通信故障處理等均是航空電子通信系統的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，文中提出的各項解決途徑及某機載ACT飛控系統的1553B總線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )設計方案可供航空電子設計者與具體實(shí)現者作以參考
[參考文獻]
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